循環(huán)氫壓縮機的管道設計

齊 嶸 惠生工程(中國)有限公司 上海 201210

循環(huán)氫壓縮機機組(以下簡稱機組)在加氫處理(加氫精制、加氫裂化等)裝置中，補充反應系統(tǒng)中各部分的壓力損失，為反應系統(tǒng)提供較高氫分壓，增加反應速率，減少催化劑失活率。另外，機組也為反應系統(tǒng)提供急冷氫源，防止反應器飛溫。在裝置運行過程中，一旦機組因故障停車，與壓縮機連鎖的原料油泵、反應爐、新氫壓縮機組等也相應地連鎖停車。由于機組造價高，各主要進出口管口受力要求非?？量?，所以循環(huán)壓縮機組管道的布置尤為重要。本文結(jié)合某項目1500kt/a 加氫裂化裝置的設計過程，從設備布置、主要管道走向規(guī)劃以及支吊架設置對設備嘴子的影響等方面，來探討循環(huán)氫壓縮機管道的設計。

1 工藝流程簡述

原料油經(jīng)過濾、升壓、換熱，與循環(huán)氫混合，進入反應進料加熱爐加熱送到反應器，在催化劑作用下進行加氫、裂化反應。反應流出物經(jīng)換熱，進入熱高壓分離器進行油、氣分離。熱高分氣經(jīng)換熱后進入熱高分氣空冷器。冷卻后的熱高分氣進入冷高壓分離器進行油、水、氣相富氫分離。冷高分頂部出來的循環(huán)氫經(jīng)分液、硫化氫吸收塔脫硫，再經(jīng)循環(huán)氫壓縮機入口分液罐分液后進入循環(huán)氫壓縮機升壓，而后再返回反應系統(tǒng)，補充一部分新氫后進行循環(huán)。

循環(huán)機入口罐到壓縮機入口的管線都有伴熱和保溫，以避免少量硫化氫和水蒸汽凝結(jié)。

壓縮機驅(qū)動器采用中壓蒸汽背壓式汽輪機，通過中壓蒸汽排放到低壓蒸汽獲得能量。這樣保證裝置在事故停電時，循環(huán)氫壓縮機將繼續(xù)維持向反應系統(tǒng)的氫氣循環(huán)，控制催化劑溫度以免溫度偏離給定值。

2 設備平面布置對機組管道的影響

循環(huán)氫壓縮機的布置應根據(jù)場地情況，并考慮所處裝置(單元)的布置風格，通過全面的技術經(jīng)濟比較，來確定壓縮機采用橫向布置還是縱向布置。橫向布置為壓縮機組中心線與主廠房柱列線垂直的布置稱為橫向布置;縱向布置為壓縮機組中心線與主廠房柱列線平行的布置稱為縱向布置。多臺壓縮機組宜采用橫向布置。但對于單機容量大、機組臺數(shù)較少，或者場地狹長，廠房跨距受到限制，或者舊廠房擴建更大的壓縮機組時，可考慮縱向布置。

以某項目為例，加氫裝置中循環(huán)氫壓縮機與新氫機組共同布置在一個半封閉式廠房里。該機組采用離心式筒型壓縮機，進出口管口為頂進頂出，背壓式汽輪機進出口管口為下進下出。因此廠房布置與以往傳統(tǒng)的下進下出的壓縮機廠房有差異。廠房分3 層布置，地面層主要布置潤滑油站、汽封冷卻器和出口管道、返回線、弛放線閥組，油站布置在回油管一側(cè)，汽封冷卻器靠近汽輪機布置，潤滑油設備宜靠近壓縮機布置，并應留有足夠的操作、檢修、維護空間。管殼式油冷卻器應有足夠的抽芯場地;二層平臺與地面層間距按壓縮機制造廠要求設置為5.5m，二層平臺布置主要機組設備、干氣密封系統(tǒng)、檢修區(qū)、吊裝孔以及汽輪機進口管道閥組，檢修區(qū)域荷重按單位面積承重件的最大值確定為25000N/m2，吊裝孔的大小應使壓縮機組最大檢修件自由出入，因吊裝孔是循環(huán)氫與新氫機組共用的，所以布置在廠房中部;由于循環(huán)氫壓縮機采用頂進頂出，三層平臺主要布置入口管道閥組及汽封分液罐，撇頭以免妨礙壓縮機的檢修，平臺高度為8m，只是局部鋪設。

布置機組及其輔助設備時必須考慮的要點:①因壓縮機為高速轉(zhuǎn)動的精密設備，入口分液罐和中間冷卻器應盡量靠近壓縮機組布置，降低入口管道產(chǎn)生凝液的幾率，防止凝液打壞葉片;②頂進頂出的壓縮機進出口管道上切斷閥應留有足夠的操作檢修空間，且不應影響機組本體的檢修;③汽輪機進出口均為高溫蒸汽管道，平臺下方應留有足夠的空間，來設置π 型補償器，以提高高溫管道的柔性，滿足苛刻的汽輪機管口受力條件;④機組與廠房的結(jié)構柱子的位置不影響管道布置，必要時可微調(diào)機組位置;⑤高位油箱應嚴格按照制造廠所提高度安裝，高位油箱出口至機組中心線的高差一般不宜小于6m;⑥輔助系統(tǒng)油冷卻器的抽芯應有足夠的空間等;⑦檢修用吊車的安裝高度要正確，還應考慮吊車車檔位置和吊車主副釣鉤死點位置。某公司加氫裂化裝置壓縮機布置見圖1。

圖1 加氫裂化裝置壓縮機布置

3 管道設計

循環(huán)氫壓縮機的主要管道有四部分:壓縮機進出口管道和汽輪機進出口管道。壓縮機進出口管道設計壓力分別為15.12 MPa 和18.27 MPa，設計溫度105℃。根據(jù)《石油化工管道設計器材選用規(guī)范》SH3059 確定管道級別為SHA，主要工藝介質(zhì)為循環(huán)氫，材質(zhì)選為ASTM A106，管材單位熱膨脹量約為1mm/m，法蘭公稱壓力不宜低于25.0MPa;汽輪機進口管道設計壓力3.74MPa，設計溫度420℃，管道級別為SHE，工藝介質(zhì)為3.5MPa 蒸汽，材質(zhì)選為20G，管材單位熱膨脹量約為5.5mm/m，法蘭公稱壓力不宜低于10.0MPa;出口管道設計壓力1.18 MPa，設計溫度270℃，管道級別為SHE，工藝介質(zhì)為低壓蒸汽，材質(zhì)選為20#，管材單位熱膨脹量約為3.2mm/m，法蘭公稱壓力不宜低于5.0MPa。

循環(huán)氫壓縮機和汽輪機均是高速運轉(zhuǎn)的機械，轉(zhuǎn)子為精密加工的葉片，與筒體之間間距非常小，且被壓縮的氣體是氫氣，為易燃易爆介質(zhì)，所以其制造精度高，機體管口受外載荷過大時，極易造成管口泄漏或機體變形破壞，所以管道熱脹對機器管口產(chǎn)生的力和力矩必須滿足制造廠提供的機器允許受力限制條件。當制造廠未提供允許受力條件時，循環(huán)氫壓縮機管口的允許推力和力矩應符合API 617 的規(guī)定或按NEMA SM23 規(guī)定值的1.85 倍。

該機組各管道介質(zhì)溫度較高，在溫度和壓力等因素的影響下，管道會產(chǎn)生動、靜荷載的附加作用力，在配管設計中如果管道的約束點及約束形式設計不合理，就會造成管道的局部作用荷載不均衡、管系震動嚴重及管端扭矩過大，由此導致轉(zhuǎn)動軸的不對稱、轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙改變，進而影響設備的正常運行，甚至毀壞設備。機組主要管道的設計重點應充分考慮機組各管道的走向、支架和補償器的設置，限制作用于轉(zhuǎn)動機器的荷載。

循環(huán)壓縮機組管道的布置方案非常重要，其管道布置的好壞，管道結(jié)構走向是否合理，以及支吊架設置對設備嘴子的影響等因素，都將影響循環(huán)氫壓縮機的正常運轉(zhuǎn)。

3.1 壓縮機進口管道的設計

進口管道為兩設備之間的連接，管壁厚28mm，管系的剛度大，壓力高，且管系的熱脹受空間及閥門操作限制較大，需重點考慮。循環(huán)氫壓縮機屬高速轉(zhuǎn)動的精密設備，當壓縮機吸入氣體可能夾帶液體或產(chǎn)生凝液時，極易損壞壓縮機的葉片。進口管道應坡向分液罐，以減少循環(huán)氫氣中夾帶凝液進入壓縮機的機會;在滿足熱補償和允許受力的條件下，壓縮機組應盡量靠近上游設備，減少彎頭數(shù)量，進口管道短而直，以減少壓降;進口管道必須伴熱和保溫以避免循環(huán)氫中氣體產(chǎn)生凝液和硫化氫作用形成應力腐蝕環(huán)境。

壓縮機進口管道在靠近嘴子處設置一對法蘭和可拆卸短管，便于在開車前安裝臨時過濾器及對管道進行“打靶”清掃檢驗?？刹鹦斗ㄌm應避免設置在機體輪廓的正上方區(qū)域，方便機體開蓋吊裝檢修。進口臨時過濾器宜安裝在距壓縮機嘴子最近的位置，并有抽芯的空間。循環(huán)氫壓縮機進口雙切斷閥，因壓縮機管口頂進頂出，將雙切斷閥布置于EL+8000 層局部小操作平臺上。以不妨礙壓縮機組的操作和維修為宜。調(diào)整前進口管道走向見圖2。

圖2 壓縮機入口管道布置

經(jīng)應力計算采用剛性支吊架造成壓縮機管口的荷載過大且分布不合理，可能會造成設備損壞;支吊架的力和力矩也過大(圖中A 為壓縮機進口管口)。

降低壓縮機管口和支吊架受力的主要方法:①增加彈簧支吊架。在過濾器處設置彈簧，可調(diào)整管口處的垂直方向向下的受力，該彈簧也可人為指定荷載;②選用補償器。中高壓管道不能采用此方法;③改變管道走向自然補償。該管道布置中熱脹量最大處為左下方11.2m 的管段。改變的手段有縮短該管段長度或者增加與該管段垂直的兩個方向的管段長度;④設置限位支架:根據(jù)管口應力分析情況，可在過濾器支架處設置限位支架，以調(diào)整管口在軸向和徑向兩水平方向的受力;限位支架宜設置在靠近管口處或靠近管口的第一個拐彎處，直管段上設限位支架宜出現(xiàn)杠桿現(xiàn)象。

3.2 壓縮機出口管道的設計

壓縮機的出口管道經(jīng)管架長距離敷設至反應系統(tǒng)。該管系較長，可人為分成數(shù)個小管系進行應力補償，調(diào)節(jié)手段比較靈活。重點考慮:①出口設可拆卸法蘭;②管道跨過壓縮機后直接順著二層平臺下方接到壓縮機棚外的小管橋下，將其閥組布置在地面上，便于操作及保證機組檢修維護空間;③根據(jù)需要合理設置各種支架，滿足出口嘴子的力和力矩要求;④循環(huán)氫壓縮機一定要有足量的氣體循環(huán)，避免“喘振”。防喘振線將氣體從壓縮機排放返回到熱高分氣相空冷器前。在正常操作中返回線中沒有流量。防喘振線閥組與主線閥組并排布置在壓縮機棚小管橋地面層;⑤在開停工時，使用壓縮機入口的弛放氣線來排放出反應系統(tǒng)中甲烷和其它輕氣體，不過正常運行中不需要排放弛放氣，只要合理布置弛放氣線及其閥組位置，考慮好管道支撐，做到既美觀又方便操作，也不影響壓縮機的檢修。

3.3 汽輪機進口管道設計

裝置中中壓蒸汽管線主要用于壓縮機汽輪機，管道從裝置邊界到機組處，距離比較長，熱脹量大，須著重解決管系的柔性問題。設計方案應考慮:①DN250 進口管道布置應有一定柔性，其熱補償應與系統(tǒng)管網(wǎng)分開考慮，即在管道上設置固定支架，分段考慮其熱補償;②進口主管道應有足夠的補償彎，將雙切斷閥布置在EL +5500 層平臺邊上，便于操作，并順勢在豎直平面上設置一個π 型補償，主管接至平臺下;③蒸汽有兩個進氣口，其兩個分支管線應沿機組中心線對稱布置(見圖1)，且在其分支處或附近設置限位支架。兩分支分別繞了個小π 彎，考慮到為防止管道熱脹致使管口產(chǎn)生彎矩，在靠近汽輪機兩個進口管口的管道上各設置止推支架、彈簧支架的組合支架，保證進汽管口所受的推力和力矩應在其允許值范圍內(nèi);④考慮到汽輪機進出口管口均向下，汽輪機機體熱膨脹及管道熱膨脹均向下，在兩個分支上承重支架必須選用彈簧支吊架;⑤靠近汽輪機進口兩個管口的管道上各設置一個可以拆卸的帶法蘭短節(jié)，以便在試運前安裝吹掃用臨時管道和管道“打靶”;⑥中壓蒸汽輪機啟動前要對蒸汽管道進行長時間暖管，防止蒸汽凝液進入汽輪機，因此，采用蒸汽大量放空的方法以提高汽輪機進口蒸汽溫度。在蒸汽進口法蘭前，即主汽門前的管道上接一帶閥門的分支管道，管道引至廠房外放空，支管上的切斷閥靠近主管設置。放空管設有消音器。

3.4 汽輪機出口管道設計

出口排汽管道口徑更大，溫度稍低，同樣其熱補償應與系統(tǒng)管網(wǎng)分開考慮，分段熱補償。出口管道沿機組下方設置一個π 型補償，然后引至地面上布置其切斷閥和止回閥。根據(jù)需要合理設置各種支架，滿足出口嘴子的力和力矩要求。

排汽管道切斷閥前設置安全閥管道，安全閥出口管道應引至廠房外，并設消音器。該附屬管道口徑較大，應與主管系一起進行應力分析，并根據(jù)分析結(jié)果合理設置支架。

4 結(jié)語

在設計離心式循環(huán)氫壓縮機機組進出口主要管道走向時必須慎重考慮，重點解決管系的柔性設計，在滿足熱補償和機器允許受力的條件下，盡量減少彎頭數(shù)量，管道應盡量短，并用CAESARⅡ管道應力分析程序進行詳細的應力分析。如果計算結(jié)果不能滿足離心式循環(huán)氫壓縮機嘴子的允許值，可以通過調(diào)整平面布置、管道走向及其支吊架等方式來滿足離心式循環(huán)氫壓縮機的受力要求。另外，及時與相關專業(yè)進行協(xié)商，合理進行壓縮機廠房及其附屬設備的布置。管道規(guī)劃時可以考慮利用機組基礎或壓縮機廠房梁、柱進行支撐，并把這些支架反力委托給相關專業(yè)。

離心式循環(huán)氫壓縮機是整個裝置的核心，其管道設計十分重要，管道設計人員應具備扎實的管道材料、管道應力和管道布置知識。

1 張德姜，王懷義，劉紹葉主編. 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊第一篇設計與計算(第四版)［M］. 北京:中國石化出版社，2009:85 - 86.

2 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布. 全國壓力管道設計審批人員培訓教材［M］. 北京:中國石化出版社，2009:357.

3 GB 50160 - 2008. 石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范［S］.

4 GB /T 20801 - 2008. 壓力管道規(guī)范工業(yè)管道［S］.

5 SH/T 3059 - 2012. 石油化工管道設計器材選用規(guī)范［S］.