大型加氫裂化反應(yīng)爐布置及其管道設(shè)計(jì)淺析

王嗣鈺

(中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510630)

管式反應(yīng)加熱爐是將經(jīng)過(guò)爐管的物料加熱到所需溫度,再進(jìn)入下游工藝設(shè)備進(jìn)行精制、裂解反應(yīng)等的關(guān)鍵設(shè)備。在加氫裂化裝置平面布置中,作為明火設(shè)備的反應(yīng)爐,應(yīng)結(jié)合設(shè)備間進(jìn)料關(guān)系、防火間距、當(dāng)?shù)厥⑿酗L(fēng)風(fēng)向、檢修撲救場(chǎng)地等多方面因素,應(yīng)優(yōu)先確定其方位。反應(yīng)爐進(jìn)出口轉(zhuǎn)油線其操作條件十分苛刻,操作溫度、壓力高,臨氫環(huán)境,管路內(nèi)介質(zhì)兩相流動(dòng),作為全裝置重要管線有必要優(yōu)先布置,應(yīng)充分考慮設(shè)備和管道的本質(zhì)安全,避免安全隱患,并且還要兼顧整體設(shè)計(jì)的整齊美觀?，F(xiàn)結(jié)合某400萬(wàn)t/a蠟油加氫裂化裝置,對(duì)反應(yīng)爐的平面方位布置,進(jìn)、出口管線合理化布置和管嘴允許受力限制,附屬燃料氣管線、滅火蒸汽管線布置等方面進(jìn)行分析探討。

1 反應(yīng)爐平面布置

1.1 布置方位要求

屬于明火設(shè)備的反應(yīng)爐,宜集中布置在裝置的邊緣,且宜位于可燃?xì)怏w、液化烴和甲B、乙A類(lèi)設(shè)備的全年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)側(cè)[1],以避免泄漏的可燃物碰觸明火而發(fā)生意外。以下圖1為例,該400萬(wàn)t蠟油加氫裂化裝置呈長(zhǎng)條形布置,中間為主管廊,設(shè)備主要分布在主管廊的東、西兩側(cè),其中在裝置西側(cè)區(qū)域布置了兩臺(tái)加氫反應(yīng)器(R-1001、R-1002)。

圖1 某蠟油加氫裂化裝置平面布置圖

該地區(qū)全年最小頻率風(fēng)向?yàn)槲髌戏较蚣s7°,理論上反應(yīng)器北偏東方向應(yīng)是反應(yīng)爐最好的布置位置;從圖1看,實(shí)際在裝置最北側(cè)布置了反應(yīng)爐(F-1001),從整個(gè)裝置的總平面看,反應(yīng)爐緊靠主干道(廠1路),便于設(shè)備吊裝檢修,且位于符合規(guī)范要求的反應(yīng)爐相對(duì)較小的頻率風(fēng)向的下風(fēng)向。在裝置平面布置過(guò)程中,在綜合考慮裝置在全場(chǎng)總平面的定位、系統(tǒng)管廊位置、吊裝檢修空間、安全風(fēng)向等多種因素后,應(yīng)優(yōu)先確定加熱爐的方位,將其布置在裝置的一邊。

1.2 防火間距要求

反應(yīng)爐與其直接相關(guān)的反應(yīng)器由于有直接進(jìn)料的關(guān)系,屬于密切相關(guān)的設(shè)備,他們之間的間距可以盡可能靠近,但不宜小于4.5 m。從反應(yīng)爐到反應(yīng)器的轉(zhuǎn)油線管道,一般都是高溫、高壓、臨氫、厚壁的大管徑管道,往往需要選用較昂貴且可靠的奧氏體不銹鋼作為材料[2]。反應(yīng)爐與反應(yīng)器宜靠近布置在副管廊兩側(cè)或者集中布置在管廊一側(cè),以達(dá)到減少溫度和壓力的損失、節(jié)約管線投資,滿足管道柔性、防火間距等要求的目的。以上述蠟油加氫裂化裝置為例,從圖1中看出:副管廊(2#管廊)兩側(cè)分別布置反應(yīng)器和反應(yīng)爐,副管廊作為連接反應(yīng)爐和反應(yīng)器的中間管廊,轉(zhuǎn)油線可以利用副管廊形成自然Π彎,盡量利用管道的自然補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)管道的柔性設(shè)計(jì)要求。

反應(yīng)爐作為明火設(shè)備,其防火間距應(yīng)符合GB 50160—2008(2018版)中對(duì)其他可燃工藝設(shè)備的要求:距離甲類(lèi)可燃?xì)怏w壓縮機(jī)或壓縮機(jī)房,甲A類(lèi)液化烴設(shè)備不應(yīng)小于22.5 m;距離甲類(lèi)可燃?xì)怏w設(shè)備和甲B、乙A類(lèi)可燃液體設(shè)備不應(yīng)小于15 m;距離乙類(lèi)可燃?xì)怏w設(shè)備和乙B、丙A類(lèi)可燃液體設(shè)備不應(yīng)小于9 m。反應(yīng)爐與其附屬燃料氣分液罐之間的間距不應(yīng)小于6 m,以防止可燃?xì)怏w竄入爐體。

2 反應(yīng)爐管道布置

在布置反應(yīng)爐管道時(shí),應(yīng)綜合考慮進(jìn)出、口工藝介質(zhì)管道、燃料系統(tǒng)管道、滅火蒸汽管道、消防管道、爐區(qū)管廊以及管道支吊架等,統(tǒng)籌規(guī)劃[2]。布置管線時(shí),要注意避開(kāi)彎頭箱、看火門(mén)、防爆門(mén)等,且不得妨礙爐管的檢維修。注意管道不要碰反應(yīng)爐的平臺(tái)和梯子,尤其不要碰圓爐的盤(pán)梯,及時(shí)與反應(yīng)爐的專(zhuān)業(yè)人員溝通交流,以避免因調(diào)整出現(xiàn)困難而發(fā)生碰撞。

2.1 進(jìn)口管道

本裝置采用爐前混氫工藝,即原料油先經(jīng)過(guò)加氫進(jìn)料泵加壓,然后通過(guò)高壓換熱器換熱,油和氫氣各分6路在進(jìn)反應(yīng)爐前先混合,然后混合后進(jìn)入反應(yīng)爐加熱,反應(yīng)爐爐管內(nèi)介質(zhì)為氫和油的混合相。這種反應(yīng)爐進(jìn)、出口的管線布置十分苛刻,管內(nèi)介質(zhì)處于氣液兩相流的高溫高壓狀態(tài),管道容易造成振動(dòng),從而帶來(lái)安全隱患,因此需著重關(guān)注[3]。

圖1中所示反應(yīng)爐(F-1001)為方爐,總圖三維模型見(jiàn)圖2,其進(jìn)、出口為6路DN200對(duì)焊管嘴。進(jìn)料油和氫氣各分支流程上分別設(shè)置有調(diào)節(jié)閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié),并且6路進(jìn)料無(wú)法做到進(jìn)口管道布置滿足幾何對(duì)稱(chēng)性。因此采用圖3布置方式,氫氣和油調(diào)節(jié)閥組成排布置于爐前管廊旁,混氫后利用爐本體鋼結(jié)構(gòu)支承上至爐子入口,由于爐子入口兩兩成對(duì)且間距很小,并且受限于煙道及其鋼結(jié)構(gòu)的狹窄空間,將入口燒焦移至地面閥組處,既能滿足工藝包要求,又解決操作不便的困難。管線布置避開(kāi)梯子通道看火門(mén)等,盡量做到管道當(dāng)量長(zhǎng)度相當(dāng),利用爐體鋼結(jié)構(gòu)支架設(shè)置方便,柔性又能很好的滿足。

圖2 某蠟油加氫裂化裝置反應(yīng)爐總圖三維模型

圖3 六管程帶調(diào)節(jié)閥組反應(yīng)爐進(jìn)口管道布置模型

2.2 出口管道

反應(yīng)爐6路出口管嘴兩兩對(duì)稱(chēng)布置在爐頂?shù)哪媳眱蓚?cè),出口總管道公稱(chēng)直徑為DN650,工藝分支路徑為:6路DN250分支→2路DN450分支→總管DN650。反應(yīng)爐出口管道相較于入口管道溫度更高,柔性設(shè)計(jì)壓力更大,因此每一路管嘴處管道布置應(yīng)一致,每一次匯合兩側(cè)應(yīng)鏡像對(duì)稱(chēng)布置,以避免管線偏流,管道布置應(yīng)充分結(jié)合爐體副框架,利用爐本體鋼結(jié)構(gòu)做好管道支撐。從圖2所示反應(yīng)爐總圖可以看出,爐頂平臺(tái)上的煙風(fēng)道、煙道副框架和檢修通道等因素限制了管線布置的空間,因此必須統(tǒng)籌考慮合理安排管線自然補(bǔ)償方式。

管道布置方案主要有兩種,見(jiàn)下圖4。方案1見(jiàn)圖4(a),出口管線從管嘴出來(lái)先利用框架做一個(gè)平“Π”然后三路匯合在水平管線上,匯合后設(shè)置立“Π”從爐中間水平管線二次匯合從爐子框架外側(cè)去往爐前管廊,然后在爐前官橋走一個(gè)平“Π”最后去往反應(yīng)器;方案2見(jiàn)圖4(b),與方案1不同的是從爐出口出來(lái)后三合一匯合前增加了一段立管然后匯合,取消了DN450的立“Π”,二合一匯合點(diǎn)后移至爐子西側(cè),加長(zhǎng)了DN650管線使其與管廊上同方向的管道長(zhǎng)度相當(dāng)。綜合比較兩種方案,方案2增加了6路分支管線的長(zhǎng)度,增強(qiáng)了管嘴附近管線柔性,同時(shí)減少四個(gè)DN450彎頭,對(duì)降低管道壓力損失和降低工程建設(shè)投資更有意義。綜合考慮圖4(b)作為六管程反應(yīng)爐出口預(yù)選方案。

圖4 六管程反應(yīng)爐出口管道布置模型

將兩種方案置于CAESAR II軟件建模計(jì)算見(jiàn)圖5,管道材質(zhì)為T(mén)P347奧氏體不銹鋼,設(shè)計(jì)溫度為454 ℃,設(shè)計(jì)壓力為17.6 MPa,管道外徑依次為660,457,273 mm,依次計(jì)算出的對(duì)應(yīng)壁厚分別高達(dá)53.97,45.24,28.58 mm,輻射段爐管材質(zhì)為T(mén)P347H,外徑為219.1 mm,壁厚為18.26 mm。

圖5 六管程反應(yīng)爐出口管道CAESAR II模型

在管道應(yīng)力分析中,為保證管系安全,應(yīng)滿足一次,二次應(yīng)力的要求(1)由于管道自身的壓力、重力和其他持續(xù)荷載產(chǎn)生的縱向應(yīng)力之和,不應(yīng)超過(guò)該材料在可能達(dá)到最高操作溫度下的許用應(yīng)力;(2)計(jì)算得到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)處因熱脹冷縮產(chǎn)生的最大位移應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)該節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊縫在該溫度條件下的許用應(yīng)力。

從計(jì)算得知,DN450到DN650部分均設(shè)置為普通剛性支架,保證整體管線的穩(wěn)定性。雖然已經(jīng)有平“Π”的自然補(bǔ)償,依然無(wú)法完全吸收由反應(yīng)爐爐管傳遞到出口管嘴處向上的熱位移,因此靠近爐嘴子的這幾處支架均應(yīng)設(shè)置可變彈簧支架,對(duì)于兩相流管道,優(yōu)先考慮采用剛度更大的下支撐擱置型彈簧以提高關(guān)系整體穩(wěn)定性,在設(shè)計(jì)中需考慮彈簧的安裝檢修空間,必要時(shí)需委托加熱爐專(zhuān)業(yè)增加操作平臺(tái)。

計(jì)算結(jié)果如下:(a)方案1管道的一次應(yīng)力的最大值為許用值的59%,二次應(yīng)力最大值為許用值的22%;(b)方案2管道的一次應(yīng)力最大值為許用值的59%,二次應(yīng)力最大值為許用值的21%。因此,兩種方案均能滿足管道自身的安全要求。

在加熱爐進(jìn)、出口管線的應(yīng)力分析計(jì)算中,除了必須滿足管道自身的應(yīng)力要求的同時(shí),還必須考慮加熱爐管嘴的允許受力限制。通常,根據(jù)加熱爐廠家以及設(shè)計(jì)單位要求,加熱爐管嘴受力一般以API560(或SH/T3036)作為參考值。經(jīng)應(yīng)力分析計(jì)算后,方案1(a)和方案2(b)的6個(gè)管嘴在不同操作工況下的受力最大值如表1和2所示。

表1 方案(a)反應(yīng)爐出口管嘴應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

對(duì)于DN200的垂直反應(yīng)爐管嘴,API560給出的允許受力值見(jiàn)表3。

通過(guò)比較表1和表2管嘴受力值,方案(b)較方案(a)在Fx,Fz和力矩均有不同程度降低,但均有一些方向的力和力矩超出表3中所給值,其中Fy超出偏多主要是由于爐管和爐出口部分均為立管且長(zhǎng)度較長(zhǎng)引起,方案(b)中增加的DN250立管由于壁厚相對(duì)較薄能夠較好的吸收力DN450段在Z向的推力,同時(shí)也能吸收部分DN250平“Π”X向推力,因此相應(yīng)的力和力矩均有降低,因此最終確定方案(b)作為使用方案。裝置自2020年投產(chǎn)至今,整體運(yùn)行平穩(wěn),證明設(shè)計(jì)方案安全有效。

表2 方案(b)反應(yīng)爐出口管嘴應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

表3 三倍API560推薦的DN200反應(yīng)爐管口允許受力

但是對(duì)比表1、表2和表3種API560推薦的管嘴受力許用值,發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得的數(shù)值在部分方向的力和力矩依舊有超出的情況,通過(guò)對(duì)比近年來(lái)相同類(lèi)型的應(yīng)力分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)管嘴受力完全符合API560允許受力值的要求較難實(shí)現(xiàn)。通過(guò)研讀API560,發(fā)現(xiàn)其推薦的許用受力,未區(qū)分爐體類(lèi)型,接管類(lèi)型,爐管支撐方式、排布方式、材質(zhì)壁厚、法蘭等級(jí)等因素,針對(duì)高壓加氫裝置參考性有限[4]。因此在加氫裂化裝置工程設(shè)計(jì)中,需管道設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)在工程設(shè)計(jì)前期先規(guī)劃反應(yīng)爐進(jìn)出口管線并提前進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算得到初步計(jì)算管嘴受力結(jié)果并加上適當(dāng)?shù)脑Ａ?通常按10%～20%考慮)提交給加熱爐專(zhuān)業(yè)和反應(yīng)爐制造商進(jìn)行核算,若后期因其他因素需調(diào)整方案,應(yīng)重新進(jìn)行應(yīng)力分析,受力結(jié)果仍需加熱爐專(zhuān)業(yè)或制造商核算,以確保管嘴受力滿足要求。

2.3 燃料氣系統(tǒng)管道

加氫裂化裝置燃料氣系統(tǒng)通常有主燃料氣和長(zhǎng)明燈燃料氣兩路,反應(yīng)爐燃燒器一般為底燒式,燃料氣閥組應(yīng)集中布置在爐前管廊下,阻火器應(yīng)布置在盡量靠近燃燒器的位置,且與燃燒器的距離應(yīng)不大于12 m,以防止燃燒器火焰擴(kuò)散。為防止管道中的凝液或水被帶入燃燒器,到各燃燒器的燃料氣支管必須從燃料氣總管的上部接出,不得碰撞風(fēng)道、爐體、平臺(tái)、鋼結(jié)構(gòu)等,并且不得遮擋看火門(mén)、人孔門(mén)和燃燒器。燃料氣主管道通常布置在看火門(mén)的上方,分支管上的調(diào)節(jié)用閥門(mén)應(yīng)布置在看火門(mén)旁邊,以便操作人員在觀察火焰的同時(shí)調(diào)節(jié)燃料氣用量[5]。

2.4 滅火蒸汽管道

滅火蒸汽應(yīng)單獨(dú)從蒸汽總管中引出,僅作為爐體滅火使用。蒸汽分配管的切斷閥距離反應(yīng)爐不應(yīng)小于7.5 m,并應(yīng)布置在地面和便于到達(dá)和操作的地方。反應(yīng)爐的爐膛和彎頭箱應(yīng)與固定式的滅火蒸汽管相連接,在切斷閥的下游緊靠切斷閥的位置設(shè)置排液孔并接管引至安全位置,以免通汽時(shí)造成危險(xiǎn)。由于平時(shí)管線是空管,從切斷閥到爐體的這一段管路上可不保溫。滅火蒸汽總管一般與燃料氣總管同一標(biāo)高,并列布置在爐底平臺(tái)上方,分支滅火蒸汽管從總管上方引出至爐體滅火蒸汽管口。

3 結(jié)論

(1)以某400萬(wàn)t/a蠟油加氫裂化裝置為例,介紹了加氫裂化裝置反應(yīng)爐在平面布置時(shí)需要綜合考慮安裝方位和防火間距等基本要求。(2)從管道優(yōu)化設(shè)計(jì)角度對(duì)反應(yīng)爐出口管道布置,管線柔性,反應(yīng)爐管嘴受力等方面進(jìn)行了對(duì)比分析,總結(jié)出此類(lèi)管道在規(guī)劃布置時(shí)的一些要點(diǎn)和注意事項(xiàng)。(3)統(tǒng)一考慮反應(yīng)爐附屬燃料管線,滅火蒸汽管線,管線支吊架等,做到整齊劃一,美觀大方。