加氫進(jìn)料泵管道設(shè)計(jì)淺析

榮 春

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

加氫裂化工藝可以使減壓蠟油、焦化蠟油得到深度的處理，在現(xiàn)代油品升級(jí)中起到越來(lái)越重要的作用。加氫進(jìn)料泵是加氫裂化裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，其作用是將自原料油緩沖罐來(lái)的原料油升壓后送至熱高分換熱器，其特點(diǎn)為流量大，揚(yáng)程高，泵軸功率大，配置復(fù)雜，可靠性要求高，一般備用率100%。該類泵操作溫度不高，一般在150℃上下，但出口壓力大，進(jìn)出口管線大，是管道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。

本文以某蠟油加氫裂化裝置為例，對(duì)進(jìn)料泵管道設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。該裝置采用UOP工藝包，主要操作條件見表1。該裝置設(shè)兩臺(tái)裂化反應(yīng)進(jìn)料泵，一開一備，主泵為進(jìn)口泵，液力透平聯(lián)合驅(qū)動(dòng)；備泵為國(guó)產(chǎn)泵，由異步電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。每臺(tái)泵配有單獨(dú)的潤(rùn)滑油站。

表1 加氫進(jìn)料泵進(jìn)出口工況

1 進(jìn)料泵平面布置

由于加氫進(jìn)料泵的體積較大，一般在裝置主管廊的一側(cè)露天布置[1]，其優(yōu)點(diǎn)是通風(fēng)良好，便于檢修，利于消防。由于進(jìn)料泵的操作壓力高，將泵布置在管廊外側(cè)，也可以使管道布置空間相對(duì)寬松，有利于進(jìn)料泵出入口管線的柔性設(shè)計(jì)。進(jìn)料泵與原料油緩沖罐盡量靠近布置。將泵與油站基礎(chǔ)前端取齊，既美觀也方便邊溝的設(shè)置。由于高位油箱有一定的高度要求，需要單獨(dú)設(shè)置操作平臺(tái)進(jìn)行放置。進(jìn)料泵和透平的檢修需要設(shè)置吊梁，故一般將其作為一個(gè)獨(dú)立的構(gòu)架。平面布置圖如圖1所示。

圖1 加氫進(jìn)料泵平面布置

2 進(jìn)料泵管道受力計(jì)算

加氫進(jìn)料泵是高速回轉(zhuǎn)機(jī)械，為了保證進(jìn)料泵的長(zhǎng)期、高效、安全運(yùn)行，就必須保證管道對(duì)管嘴的作用力不應(yīng)超過(guò)設(shè)備制造廠提出的允許受力值。當(dāng)制造廠未提供該方面的數(shù)值時(shí)，可以參照美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API610[2]中關(guān)于離心泵管嘴受力的有關(guān)規(guī)定。API610在給出允許受力時(shí)，允許的聯(lián)軸器處的軸位移較大，對(duì)管嘴磅級(jí)，泵體結(jié)構(gòu)等諸多因素未加區(qū)分，具有較大的保守型，一般按API標(biāo)準(zhǔn)的2倍核算[3]。

表2 進(jìn)料泵管嘴允許受力

在該項(xiàng)目中，經(jīng)過(guò)協(xié)商，進(jìn)口泵和國(guó)產(chǎn)泵管嘴受力分別滿足不大于2.5，3倍API規(guī)定的數(shù)值。從而得到計(jì)算模型坐標(biāo)系下，進(jìn)料泵管嘴允許受力如表2所示。

3 入口管道設(shè)計(jì)

為了防止氣蝕的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)盡量減少入口管道的壓降，縮短管道的長(zhǎng)度，減少?gòu)濐^的使用量。入口管道設(shè)計(jì)宜采用步步低的設(shè)計(jì)原則，以免出現(xiàn)袋型。這就要求在進(jìn)行裝置平面布置時(shí)，進(jìn)料泵盡量靠近原料油緩沖罐布置，管線的應(yīng)力通過(guò)管道的自然走向進(jìn)行補(bǔ)償。

加氫進(jìn)料泵入口頂進(jìn)，入口管線盡量不要布置在泵和電機(jī)的正上方，以免影響檢修吊裝。入口管道在水平管上的變徑采用頂平安裝，目的是避免形成氣袋。泵的入口管線不能出現(xiàn)下U型，故應(yīng)設(shè)置平臺(tái)操作泵入口閥門，且平臺(tái)不應(yīng)妨礙泵的檢修。

由于入口過(guò)濾器需要經(jīng)常拆卸清洗，要在過(guò)濾器后面加支架支撐。在閘閥前的支架前設(shè)置至少一米的直管段再變等級(jí)，這是因?yàn)楦叩蛪旱燃?jí)的管線壁厚相差較大，在法蘭處變等級(jí)會(huì)使流體波動(dòng)太大，引起管線震動(dòng)。在滿足嘴子受力的條件下，宜設(shè)剛支，少設(shè)或不設(shè)彈簧，以增加管系的穩(wěn)定性。

加氫進(jìn)料泵入口管道布置如圖2所示。通過(guò)應(yīng)力計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，過(guò)濾器后面的應(yīng)力點(diǎn)有向上的位移，為了不使支架脫空，選用彈簧。閘閥前的支架沿管道方向位移較大，故選用低摩擦支架，減小水平摩擦力。由于管橋部分的水平管較長(zhǎng)，導(dǎo)致位移較大，為減少主、備泵之間的相互影響，在兩泵中間的管橋處設(shè)置止推支架。

圖2 進(jìn)料泵入口管道布置

表3 入口管嘴受力

不考慮偶然工況和兩泵同時(shí)運(yùn)行時(shí)的操作工況，可得到入口管嘴最大受力如表3所示。從該表中我們可以看到，應(yīng)力計(jì)算得到的入口管嘴受力滿足進(jìn)料泵管嘴受力要求，該布置方案合理。

4 出口管道設(shè)計(jì)

原料油經(jīng)進(jìn)料泵升壓輸送至加熱爐，另外一路通過(guò)最小流量線返回至原料油緩沖罐。進(jìn)料泵的出口管線操作壓力較進(jìn)口管線增大近五十倍，溫度基本不變。壓力等級(jí)的提高使管線壁厚、剛度增大，管系產(chǎn)生的熱應(yīng)力就會(huì)增大，降低管線的柔性，通過(guò)自然走向來(lái)消除應(yīng)力變得非常困難。所以進(jìn)料泵出口管線的設(shè)計(jì)研究具有一定的特殊意義。

為了便于出口線和最小流量線上的閥門進(jìn)行操作，一般將閥組放在地面層。從管嘴出來(lái)的管線在構(gòu)架上需要繞Π型彎加彈簧進(jìn)行補(bǔ)償，從而可以吸收泵嘴初始熱位移和管線在垂直方向的熱位移。同時(shí)也要考慮出口管線上的質(zhì)量流量計(jì)所需直管段要求。由于進(jìn)料泵啟動(dòng)時(shí)管道中會(huì)有部分氣體無(wú)法排出，在出口管線高點(diǎn)需設(shè)置防空閥，同時(shí)增加排凝，排放到進(jìn)料泵的邊溝即可。

最小流量線上的減壓角閥前后壓差過(guò)大，流體流動(dòng)的波動(dòng)性較大，為了降低流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性對(duì)管道造成的振動(dòng)影響，減壓角閥后應(yīng)有足夠的直管段(5DN～10DN)，且前后第一個(gè)支架應(yīng)為防震管卡。同時(shí)減壓閥后的變等級(jí)最好設(shè)在與直管段相連的彎頭后。UOP工藝包規(guī)定角閥必須水平放置，由于模頭較長(zhǎng)且重量很大，要考慮模頭的支撐及對(duì)管線應(yīng)力的影響。

圖3 進(jìn)料泵出口管道布置

加氫進(jìn)料泵出口管道布置如圖3所示。從圖中我們可以看到，與進(jìn)料泵出口管嘴相接的管線在構(gòu)架上線先繞了一個(gè)彎后接到構(gòu)架的一側(cè)。這主要考慮以下三點(diǎn)：躲避檢修吊梁，滿足孔板流量計(jì)直管段要求，增加管道柔性。出口管線在地面上的第一個(gè)支架采用止推支架，目的是限制地面管線熱脹對(duì)出口管嘴的推力。進(jìn)口泵出口管線的應(yīng)力點(diǎn)a在豎直方向沒(méi)有位移，選擇硬支；應(yīng)力點(diǎn)b有向上的位移，故選用彈簧。國(guó)產(chǎn)泵在構(gòu)架上的應(yīng)力點(diǎn)都有向上的位移，選用彈簧。

表4 出口管嘴受力

管嘴受力如表4所示。從該表中我們發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口泵出口管嘴只有Fx值滿足要求，其余都要比允許值要大。尤其是Fy是允許值的2倍，Mx是允許值的3倍。通過(guò)分析應(yīng)力點(diǎn)位移和作用力的方向，不難理解，立管的熱脹量較大，管嘴位移量很小，構(gòu)架上的水平管起到了'蹺蹺板'的作用，使管嘴的Fy/Mx增大。國(guó)產(chǎn)泵出口管嘴只有Mx/Mz不滿足要求，這是由于泵的平面布置導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)泵出口管線為了保證孔板流量計(jì)的直管段要求，要繞更大的彎。從而南北方向的長(zhǎng)度要長(zhǎng)，管道柔性相對(duì)較好。故國(guó)產(chǎn)泵的出口管嘴受力相對(duì)較小，但由于力臂增大，力矩還是較大。

一般來(lái)講，當(dāng)固定點(diǎn)位置一定時(shí)，增加管系長(zhǎng)度和彎頭數(shù)量可以增加管道柔性；管道在某一方向位移量過(guò)大時(shí)，通過(guò)增加與其垂直方向的管道長(zhǎng)度進(jìn)行吸收。所以我們可以考慮通過(guò)增加?xùn)|西方向的管道長(zhǎng)度，來(lái)吸收立管的熱脹量，減弱對(duì)管嘴的影響。適當(dāng)增加彈簧，避免管道的'蹺蹺板效應(yīng)'。

改進(jìn)后的進(jìn)料泵出口管道布置如圖4所示。從圖中可以看出，從管嘴出來(lái)的管線在構(gòu)架上繞了一個(gè)Π彎，增加了東西方向的長(zhǎng)度，管線在水平方向的位移通過(guò)平Π來(lái)吸收。由于構(gòu)架上支撐點(diǎn)都有向上的位移，所以這幾個(gè)支架都是彈簧。管嘴受力如表5所示，從該表可以看出進(jìn)口泵的Fy/Mx值，國(guó)產(chǎn)泵的Mx/Mz值明顯減小了，其它的值也都在允許范圍內(nèi)。出口管嘴受力滿足進(jìn)料泵管嘴受力要求，該布置方案合理。

圖4 改進(jìn)后的進(jìn)料泵出口管道布置

表5 改進(jìn)后的出口管嘴受力

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)加氫進(jìn)料泵屬于長(zhǎng)周期訂貨，在談技術(shù)協(xié)議階段，管道專業(yè)就要與制造廠商定泵嘴需要滿足的最大受力條件。

(2)加氫進(jìn)料泵入口要充分利用平面布置，通過(guò)管道的自然走向進(jìn)行補(bǔ)償。

(3)加氫進(jìn)料泵出口是進(jìn)料泵管道設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，要充分考慮利用管道的柔性吸收熱脹，合理使用支架，保證管嘴受力限制在允許范圍內(nèi)。