焦油加工成品罐區(qū)設(shè)計(jì)分析與優(yōu)化

王 超

(賽鼎工程有限公司,山西 太原 030032)

引 言

石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)是指包含通常不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、部分帶有攪拌和混合功能的儲(chǔ)存設(shè)施以及具有物料裝卸功能的系列裝置。罐區(qū)按照功能分為儲(chǔ)存生產(chǎn)原料的原料罐區(qū)，儲(chǔ)存成品物料的成品罐區(qū)和臨時(shí)儲(chǔ)存工藝單元反應(yīng)物料的中間罐區(qū)[1]。本文以山東某地50萬(wàn)t/a煤焦油深加工工程的成品罐區(qū)為例(以下簡(jiǎn)稱(chēng)成品罐區(qū))，就罐區(qū)的設(shè)備布置和管道布置進(jìn)行分析優(yōu)化。

1 罐區(qū)的設(shè)備布置

1.1 儲(chǔ)罐型式的選擇

儲(chǔ)罐按照與地面的相對(duì)高度，其類(lèi)型可分為地上儲(chǔ)罐(整體地面以上)、半地下儲(chǔ)罐(部分地面以下)和地下儲(chǔ)罐(整體地面以下)?；て髽I(yè)通常采用地上儲(chǔ)罐類(lèi)型。根據(jù)操作壓力的不同，儲(chǔ)罐可分為常壓式、低壓式和壓力式等。按照結(jié)構(gòu)型式，儲(chǔ)罐一般分為固定頂、內(nèi)浮頂、浮頂、球形和臥式等類(lèi)型。

儲(chǔ)罐的類(lèi)型根據(jù)貯存介質(zhì)的特征(沸點(diǎn)、飽和蒸汽壓等)、操作條件以及火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)等因素來(lái)考慮。不同介質(zhì)的火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)分類(lèi)以及推薦的儲(chǔ)罐型式如表1[2]所示。

當(dāng)介質(zhì)的操作溫度超過(guò)自身閃點(diǎn)時(shí)，乙類(lèi)液體火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)應(yīng)劃分為甲B類(lèi)，丙A類(lèi)液體火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)應(yīng)劃分為乙A類(lèi)，丙B類(lèi)液體火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)應(yīng)劃分為乙B類(lèi)。當(dāng)介質(zhì)的操作溫度超過(guò)自身沸點(diǎn)時(shí)，丙B類(lèi)液體火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)應(yīng)劃分為乙A類(lèi)。

表1 不同介質(zhì)火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)

成品罐區(qū)儲(chǔ)存的介質(zhì)有：輕油、萘油、洗油、脫酚酚油、粗酚和液態(tài)瀝青。各介質(zhì)物性如表2所示。

表2 焦油成品罐區(qū)介質(zhì)物性表

因?yàn)檩p油閃點(diǎn)與操作溫度接近，故火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)劃分為甲B類(lèi)。萘油的結(jié)晶溫度為75 ℃，為防止萘油結(jié)晶，其操作溫度取100 ℃，因此萘油的操作溫度超過(guò)了自身閃點(diǎn)，故其火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)劃分為乙A類(lèi)。

儲(chǔ)罐類(lèi)型根據(jù)不同物料的火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)和相關(guān)規(guī)范確定如下：洗油、粗酚、脫酚酚油、萘油和液狀瀝青等選用固定頂罐，輕油選用內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐。

1.2 可燃液體儲(chǔ)罐的布置

根據(jù)GB50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GB50160—2008)以及相關(guān)規(guī)范的要求，易燃液體地上儲(chǔ)罐應(yīng)成組排列，并應(yīng)符合下列要求：儲(chǔ)罐火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)相同或相近時(shí)，可布置在同一罐組內(nèi)。儲(chǔ)罐火災(zāi)危險(xiǎn)等級(jí)不同的，當(dāng)單罐容積≤1 000 m3時(shí)，也可布置在同一罐組內(nèi)。

罐組總?cè)莘e的規(guī)定如下：由固定頂和內(nèi)浮頂組成的混合罐組，總?cè)莘e≤12×104m3，其中，內(nèi)浮頂罐按一半容積計(jì)算。當(dāng)單罐容積<1.0×104m3時(shí)，罐組內(nèi)的儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)≤16臺(tái)。同一罐組內(nèi)的儲(chǔ)罐應(yīng)≤2排。

成品罐區(qū)設(shè)備包括各類(lèi)儲(chǔ)罐、雜油地下槽、排氣洗凈塔、尾氣分液器以及泵和風(fēng)機(jī)等定型設(shè)備。儲(chǔ)罐的具體數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 焦油儲(chǔ)罐容積及數(shù)量

儲(chǔ)罐總?cè)莘e計(jì)算：

1 000×2+500×2+300/2+1 000×2+1 000×5=1 0150 m3<12×104m3

儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)計(jì)算：

1+2+2+1+1+5=12臺(tái)<16臺(tái)

雖然成品罐區(qū)各物料具有不同的火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)，由于儲(chǔ)罐單臺(tái)容積均≤1 000 m3，所以不同物料儲(chǔ)罐可布置在同一罐組內(nèi)。儲(chǔ)罐總?cè)莘e和個(gè)數(shù)也均符合相關(guān)規(guī)范的要求，因此成品罐區(qū)中的儲(chǔ)罐可同組布置。

1.3 可燃液體儲(chǔ)罐的防火間距

根據(jù)GB50160—2008及相關(guān)規(guī)范的要求：在同一罐組內(nèi)，可燃液體相鄰地上儲(chǔ)罐的防火間距應(yīng)不小于表4中的間距規(guī)定，同時(shí)不得小于5 m。兩排立式儲(chǔ)罐(直徑<5 m)間距以及臥式儲(chǔ)罐的間距應(yīng)≥3 m。

表4 可燃液體地上式相鄰儲(chǔ)罐防火間距的要求

成品罐區(qū)中儲(chǔ)罐最大容積為1 000 m3，火災(zāi)危險(xiǎn)性為乙A類(lèi)，儲(chǔ)罐尺寸(直徑×高度)為11 m×11 m。兩排儲(chǔ)罐的防火間距按乙A類(lèi)取0.75D，即，防火間距≥8.5 m，同時(shí)，根據(jù)管道布置的需要適當(dāng)增大，故間距設(shè)定為11 m。相鄰儲(chǔ)罐的防火間距根據(jù)物料火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)按表4的規(guī)定進(jìn)行選擇。

1.4 儲(chǔ)罐防火堤的設(shè)置

根據(jù)GB50160—2008及相關(guān)規(guī)范要求，罐組周?chē)鷳?yīng)設(shè)置防火堤，防火堤內(nèi)堤腳線與立式儲(chǔ)罐的距離應(yīng)大于等于罐壁高度(含基礎(chǔ))的一半。防火堤的有效容積應(yīng)大于等于罐組內(nèi)1個(gè)最大儲(chǔ)罐的容積。

防火堤有效容積的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

V=AHj-(V1+V2+V3+V4)

(1)

式中：V為防火堤有效容積，m3；A為防火堤中心線組成的平面面積，m2；Hj為設(shè)計(jì)液面高度，m；V1為一個(gè)最大儲(chǔ)罐在防火堤設(shè)計(jì)液面高度內(nèi)露出地面的基礎(chǔ)體積，m3；V2為在防火堤設(shè)計(jì)液面高度內(nèi)，其他儲(chǔ)罐的體積(防火堤內(nèi)除一個(gè)最大儲(chǔ)罐以外)加上地面以上自身基礎(chǔ)的體積，m3；V3為在設(shè)計(jì)液面高度范圍內(nèi)防火堤中心線以?xún)?nèi)的內(nèi)培土體積加上防火堤自身體積，m3；V4為設(shè)備、管道、隔堤以及其他構(gòu)筑物在防火堤設(shè)計(jì)液面高度內(nèi)的體積之和，m3。

根據(jù)防火堤有效容積公式計(jì)算出Hj(理論液面高度)后，再加上0.2 m為防火堤實(shí)際高度。防火堤最高不宜超過(guò)2.2 m(基準(zhǔn)為防火堤外3 m范圍內(nèi)設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高)，最低不應(yīng)小于1.0 m(基準(zhǔn)為防火堤內(nèi)設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高)。

成品罐區(qū)中儲(chǔ)罐最大容積是1 000 m3，直徑和高度均為11 m，基礎(chǔ)高度為0.7 m。故，儲(chǔ)罐距防火堤的距離=(11+0.7)/2=5.85 m，取整為6.0 m。防火堤高度計(jì)算：

1 000=83×45×Hj-(π×5.52×0.7+π×5.52×Hj×8+π×4.52×Hj×2+π×3.32×Hj)

計(jì)算得出：Hj=0.332 m，防火堤高度=Hj+0.2=0.532<1.0 m，故防火堤高度取1.0 m。

1.5 罐區(qū)泵房的布置

GB50160-2008中5.3.5節(jié)規(guī)定應(yīng)在防火堤外布置罐組的專(zhuān)用泵區(qū)，泵區(qū)和儲(chǔ)罐的防火間距應(yīng)符合如下要求：

1) 對(duì)于甲A類(lèi)儲(chǔ)罐，間距≥15 m；

2) 對(duì)于甲B、乙類(lèi)固定頂罐，當(dāng)容積>500 m3時(shí)，間距應(yīng)≥12 m，當(dāng)容積≤500 m3時(shí)，間距應(yīng)≥10 m；

3) 對(duì)于內(nèi)浮頂、浮頂儲(chǔ)罐以及丙A類(lèi)固定頂罐，當(dāng)容積>500 m3時(shí)，間距應(yīng)≥10 m，當(dāng)容積≤500 m3時(shí)，間距應(yīng)≥8 m。

罐區(qū)泵房的布置需要考慮工藝流程、總圖所在方位、上下游主項(xiàng)位置以及內(nèi)、外管廊的走向。

成品罐區(qū)主要是儲(chǔ)存成品物料，通過(guò)裝車(chē)站進(jìn)行外送。山東某地焦油加工項(xiàng)目部分總圖見(jiàn)第160頁(yè)圖1，在總圖布置中，成品罐區(qū)位于全廠的北側(cè)，呈東西走向。主裝置區(qū)在罐區(qū)的南側(cè)，西側(cè)有外管廊，故進(jìn)口物料管線和公用管線從罐區(qū)西側(cè)外管廊進(jìn)入罐區(qū)，內(nèi)管廊設(shè)置在罐區(qū)中間。裝車(chē)站在罐區(qū)的東側(cè)，故泵房應(yīng)布置在東側(cè)，方便出口管線物料經(jīng)泵房加壓后送至裝車(chē)站用于汽車(chē)槽車(chē)成品裝車(chē)外運(yùn)。

圖1 山東某地焦油加工項(xiàng)目部分總圖(單位：m)

成品罐區(qū)中最大容積的儲(chǔ)罐為1 000 m3的固定頂罐，儲(chǔ)罐罐壁與防火堤內(nèi)堤腳線距離為6.0 m，在防火堤和泵房之間區(qū)域設(shè)置內(nèi)管廊，泵房和防火堤間距取8.5 m。泵房與儲(chǔ)罐的防火間距為6+8.5=14.5 m>12 m，滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

泵房位置確定后，需根據(jù)物料的不同特性確定儲(chǔ)罐的相對(duì)位置。萘油易結(jié)晶，為減少管道長(zhǎng)度，布置在東側(cè)靠近泵房；液狀瀝青也容易凝固，故靠近萘油儲(chǔ)罐布置；輕油為甲B類(lèi)，防火間距要求高，布置在罐區(qū)最外側(cè)；其余介質(zhì)根據(jù)物性相同或接近相鄰布置。5臺(tái)液狀瀝青儲(chǔ)罐分兩排布置，3臺(tái)液狀瀝青儲(chǔ)罐與2臺(tái)洗油儲(chǔ)罐布置一排；2臺(tái)液狀瀝青儲(chǔ)罐與輕油、酚油以及脫酚酚油儲(chǔ)罐布置在一排。

罐區(qū)設(shè)備除機(jī)泵和風(fēng)機(jī)外，還有雜油地下槽、排氣洗凈塔、尾氣分液器以及凝液回收罐。雜油地下槽用來(lái)收集管線排凈的廢油，布置在泵房的北側(cè)，有利于放凈的集中收集；排氣洗凈塔和尾氣分液器用于回收放空氣中含有的液體油分，布置在泵房的南側(cè)，有利于縮短來(lái)自裝車(chē)站放空管線等管道的長(zhǎng)度；凝液回收罐用于儲(chǔ)罐和管線蒸汽伴熱冷凝液的加壓回收，布置在管廊下界區(qū)接口處，便于凝液的全面回收。最終設(shè)備布置圖上排從西到東為1臺(tái)輕油儲(chǔ)罐、1臺(tái)粗酚儲(chǔ)罐、1臺(tái)脫酚酚油儲(chǔ)罐、2臺(tái)液狀瀝青儲(chǔ)罐以及1臺(tái)萘油儲(chǔ)罐，下排從西到東為2臺(tái)洗油儲(chǔ)罐、3臺(tái)液狀瀝青儲(chǔ)罐以及1臺(tái)萘油儲(chǔ)罐。具體布置如圖2所示。

2 罐區(qū)的管道布置

2.1 罐區(qū)內(nèi)管廊的布置

罐區(qū)管道布置首先要根據(jù)管道儀表流程圖、設(shè)備布置圖以及外管廊的相對(duì)位置確定管道的界區(qū)進(jìn)出口方位和主體走向。根據(jù)管道命名表和界區(qū)接管條件表分析管道的數(shù)量和口徑。

圖2 成品罐區(qū)設(shè)備布置三維示意圖

罐區(qū)內(nèi)管廊布置應(yīng)符合以下規(guī)定：1) 管道宜采用步步低或步步高的型式，防止形成袋型或局部高點(diǎn)。2) 管道集中布置時(shí)，避免通往各儲(chǔ)罐的支管相互交叉。3) 罐區(qū)采用多層布置時(shí)，需考慮操作和檢修空間。4) 腐蝕性介質(zhì)、冷介質(zhì)及易燃介質(zhì)管道在熱介質(zhì)管道的下方布置。

成品罐區(qū)中輕油來(lái)自焦油蒸餾和洗滌分解裝置，液狀瀝青來(lái)自焦油蒸餾裝置，洗油、脫酚酚油和萘油來(lái)自工業(yè)萘蒸餾裝置，粗酚來(lái)自洗滌分解裝置。進(jìn)出界區(qū)管線有27根，管線總數(shù)有172根。主要分為儲(chǔ)罐進(jìn)料管線、泵進(jìn)口管線、泵出口管線、回流管線、放空管線以及公用工程管線等。

罐區(qū)內(nèi)管廊布置分兩層，標(biāo)高分別為EL 0.500和EL 3.500。上層布置進(jìn)料管線和回流管線，下層布置儲(chǔ)罐出口管線和公用管線，放空管線在上層管廊上作T型架單獨(dú)支撐。分類(lèi)布置的原則是管線步步高或步步低，并且?guī)чy門(mén)常操作的公用管線布置在下層。兩層管廊之間設(shè)置橫向通道便于操作和檢修。管廊布置如圖3所示。

圖3 成品罐區(qū)內(nèi)管廊三維示意圖

罐區(qū)和泵房之間管廊布置分3層，標(biāo)高分別為EL 0.500、EL 4.500和EL 5.500。一層布置泵進(jìn)口管線，二層布置公用工程管線、回流管線以及部分泵出口管線，三層布置部分泵出口管線和儀表電纜橋架，放空管線在三層管廊上作T型架單獨(dú)支撐。管廊布置如圖4所示。

焦油罐區(qū)內(nèi)管廊布置的優(yōu)化如下：管線分類(lèi)布置，簡(jiǎn)潔整齊，減少了管道材料；合理分層，例如，排氣洗凈塔放空管線入口較高，利用管廊設(shè)置單獨(dú)支撐避免袋型的產(chǎn)生，公用工程管線吹掃、伴熱等操作較多，故布置在一層；合理利用內(nèi)管廊，增加裝車(chē)站所用公用工程管線，減少了外管廊公用工程管線數(shù)量和長(zhǎng)度。

圖4 成品罐區(qū)泵房側(cè)內(nèi)管廊三維示意圖

2.2 儲(chǔ)罐進(jìn)出口管線的布置

儲(chǔ)罐進(jìn)出口管線布置有如下要求：

1) 儲(chǔ)罐管口的布置應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范的要求，進(jìn)出物料管線應(yīng)集中布置，便于設(shè)置操作平臺(tái)。

2) 應(yīng)在儲(chǔ)罐水壓試驗(yàn)使基礎(chǔ)完成初期沉降后，再確定儲(chǔ)罐的管接口標(biāo)高，并且基礎(chǔ)的后期沉降量也要嚴(yán)格控制。進(jìn)出口管要采用柔性設(shè)置，防止管口變形發(fā)生泄露。

3) 工藝管道上的根部切斷閥與儲(chǔ)罐管口連接，應(yīng)盡量靠近儲(chǔ)罐布置。

成品罐區(qū)儲(chǔ)罐出口管線布置如圖5所示。進(jìn)出儲(chǔ)罐物料管口集中布置，方便設(shè)置操作檢修平臺(tái)。儲(chǔ)罐進(jìn)出口物料管線切斷閥與管口直連，避免泄露和積液?？紤]儲(chǔ)罐基礎(chǔ)初期沉降，在儲(chǔ)罐進(jìn)出口物料管線閥門(mén)后設(shè)置金屬軟管吸收儲(chǔ)罐基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生的變形，管線支架在金屬軟管后支撐，保證管線變形的有效吸收。焦油產(chǎn)品黏稠不易流動(dòng)，因此設(shè)置吹掃裝置防止管道堵塞。

圖5 成品罐區(qū)儲(chǔ)罐進(jìn)出口管線三維示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

罐區(qū)是企業(yè)安全生產(chǎn)的重要組成部分，如何從設(shè)計(jì)角度確保罐區(qū)安全穩(wěn)定運(yùn)行顯得十分重要。這就要求設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格遵守相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，采取先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，避免安全隱患，確保罐區(qū)安全、合理、高效的運(yùn)行，為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供可靠的保障。