齊 嶸 惠生工程(中國(guó))有限公司 上海 201210

循環(huán)氫壓縮機(jī)機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱機(jī)組)在加氫處理(加氫精制、加氫裂化等)裝置中，補(bǔ)充反應(yīng)系統(tǒng)中各部分的壓力損失，為反應(yīng)系統(tǒng)提供較高氫分壓，增加反應(yīng)速率，減少催化劑失活率。另外，機(jī)組也為反應(yīng)系統(tǒng)提供急冷氫源，防止反應(yīng)器飛溫。在裝置運(yùn)行過程中，一旦機(jī)組因故障停車，與壓縮機(jī)連鎖的原料油泵、反應(yīng)爐、新氫壓縮機(jī)組等也相應(yīng)地連鎖停車。由于機(jī)組造價(jià)高，各主要進(jìn)出口管口受力要求非常苛刻，所以循環(huán)壓縮機(jī)組管道的布置尤為重要。本文結(jié)合某項(xiàng)目1500kt/a 加氫裂化裝置的設(shè)計(jì)過程，從設(shè)備布置、主要管道走向規(guī)劃以及支吊架設(shè)置對(duì)設(shè)備嘴子的影響等方面，來探討循環(huán)氫壓縮機(jī)管道的設(shè)計(jì)。

1 工藝流程簡(jiǎn)述

原料油經(jīng)過濾、升壓、換熱，與循環(huán)氫混合，進(jìn)入反應(yīng)進(jìn)料加熱爐加熱送到反應(yīng)器，在催化劑作用下進(jìn)行加氫、裂化反應(yīng)。反應(yīng)流出物經(jīng)換熱，進(jìn)入熱高壓分離器進(jìn)行油、氣分離。熱高分氣經(jīng)換熱后進(jìn)入熱高分氣空冷器。冷卻后的熱高分氣進(jìn)入冷高壓分離器進(jìn)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(jī)入口分液罐分液后進(jìn)入循環(huán)氫壓縮機(jī)升壓，而后再返回反應(yīng)系統(tǒng)，補(bǔ)充一部分新氫后進(jìn)行循環(huán)。

循環(huán)機(jī)入口罐到壓縮機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)器采用中壓蒸汽背壓式汽輪機(jī)，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(shí)，循環(huán)氫壓縮機(jī)將繼續(xù)維持向反應(yīng)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(shè)備平面布置對(duì)機(jī)組管道的影響

循環(huán)氫壓縮機(jī)的布置應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地情況，并考慮所處裝置(單元)的布置風(fēng)格，通過全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，來確定壓縮機(jī)采用橫向布置還是縱向布置。橫向布置為壓縮機(jī)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(jī)組中心線與主廠房柱列線平行的布置稱為縱向布置。多臺(tái)壓縮機(jī)組宜采用橫向布置。但對(duì)于單機(jī)容量大、機(jī)組臺(tái)數(shù)較少，或者場(chǎng)地狹長(zhǎng)，廠房跨距受到限制，或者舊廠房擴(kuò)建更大的壓縮機(jī)組時(shí)，可考慮縱向布置。

以某項(xiàng)目為例，加氫裝置中循環(huán)氫壓縮機(jī)與新氫機(jī)組共同布置在一個(gè)半封閉式廠房里。該機(jī)組采用離心式筒型壓縮機(jī)，進(jìn)出口管口為頂進(jìn)頂出，背壓式汽輪機(jī)進(jìn)出口管口為下進(jìn)下出。因此廠房布置與以往傳統(tǒng)的下進(jìn)下出的壓縮機(jī)廠房有差異。廠房分3 層布置，地面層主要布置潤(rùn)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(jī)布置，潤(rùn)滑油設(shè)備宜靠近壓縮機(jī)布置，并應(yīng)留有足夠的操作、檢修、維護(hù)空間。管殼式油冷卻器應(yīng)有足夠的抽芯場(chǎng)地;二層平臺(tái)與地面層間距按壓縮機(jī)制造廠要求設(shè)置為5.5m，二層平臺(tái)布置主要機(jī)組設(shè)備、干氣密封系統(tǒng)、檢修區(qū)、吊裝孔以及汽輪機(jī)進(jìn)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(yīng)使壓縮機(jī)組最大檢修件自由出入，因吊裝孔是循環(huán)氫與新氫機(jī)組共用的，所以布置在廠房中部;由于循環(huán)氫壓縮機(jī)采用頂進(jìn)頂出，三層平臺(tái)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(jī)的檢修，平臺(tái)高度為8m，只是局部鋪設(shè)。

布置機(jī)組及其輔助設(shè)備時(shí)必須考慮的要點(diǎn):①因壓縮機(jī)為高速轉(zhuǎn)動(dòng)的精密設(shè)備，入口分液罐和中間冷卻器應(yīng)盡量靠近壓縮機(jī)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(jìn)頂出的壓縮機(jī)進(jìn)出口管道上切斷閥應(yīng)留有足夠的操作檢修空間，且不應(yīng)影響機(jī)組本體的檢修;③汽輪機(jī)進(jìn)出口均為高溫蒸汽管道，平臺(tái)下方應(yīng)留有足夠的空間，來設(shè)置π 型補(bǔ)償器，以提高高溫管道的柔性，滿足苛刻的汽輪機(jī)管口受力條件;④機(jī)組與廠房的結(jié)構(gòu)柱子的位置不影響管道布置，必要時(shí)可微調(diào)機(jī)組位置;⑤高位油箱應(yīng)嚴(yán)格按照制造廠所提高度安裝，高位油箱出口至機(jī)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(yīng)有足夠的空間等;⑦檢修用吊車的安裝高度要正確，還應(yīng)考慮吊車車檔位置和吊車主副釣鉤死點(diǎn)位置。某公司加氫裂化裝置壓縮機(jī)布置見圖1。

圖1 加氫裂化裝置壓縮機(jī)布置

3 管道設(shè)計(jì)

循環(huán)氫壓縮機(jī)的主要管道有四部分:壓縮機(jī)進(jìn)出口管道和汽輪機(jī)進(jìn)出口管道。壓縮機(jī)進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)壓力分別為15.12 MPa 和18.27 MPa，設(shè)計(jì)溫度105℃。根據(jù)《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用規(guī)范》SH3059 確定管道級(jí)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(jī)進(jìn)口管道設(shè)計(jì)壓力3.74MPa，設(shè)計(jì)溫度420℃，管道級(jí)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(shè)計(jì)壓力1.18 MPa，設(shè)計(jì)溫度270℃，管道級(jí)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(jī)和汽輪機(jī)均是高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)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(jī)體管口受外載荷過大時(shí)，極易造成管口泄漏或機(jī)體變形破壞，所以管道熱脹對(duì)機(jī)器管口產(chǎn)生的力和力矩必須滿足制造廠提供的機(jī)器允許受力限制條件。當(dāng)制造廠未提供允許受力條件時(shí)，循環(huán)氫壓縮機(jī)管口的允許推力和力矩應(yīng)符合API 617 的規(guī)定或按NEMA SM23 規(guī)定值的1.85 倍。

該機(jī)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(huì)產(chǎn)生動(dòng)、靜荷載的附加作用力，在配管設(shè)計(jì)中如果管道的約束點(diǎn)及約束形式設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)造成管道的局部作用荷載不均衡、管系震動(dòng)嚴(yán)重及管端扭矩過大，由此導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)軸的不對(duì)稱、轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙改變，進(jìn)而影響設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至毀壞設(shè)備。機(jī)組主要管道的設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)充分考慮機(jī)組各管道的走向、支架和補(bǔ)償器的設(shè)置，限制作用于轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)器的荷載。

循環(huán)壓縮機(jī)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(gòu)走向是否合理，以及支吊架設(shè)置對(duì)設(shè)備嘴子的影響等因素，都將影響循環(huán)氫壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.1 壓縮機(jī)進(jìn)口管道的設(shè)計(jì)

進(jìn)口管道為兩設(shè)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(diǎn)考慮。循環(huán)氫壓縮機(jī)屬高速轉(zhuǎn)動(dòng)的精密設(shè)備，當(dāng)壓縮機(jī)吸入氣體可能夾帶液體或產(chǎn)生凝液時(shí)，極易損壞壓縮機(jī)的葉片。進(jìn)口管道應(yīng)坡向分液罐，以減少循環(huán)氫氣中夾帶凝液進(jìn)入壓縮機(jī)的機(jī)會(huì);在滿足熱補(bǔ)償和允許受力的條件下，壓縮機(jī)組應(yīng)盡量靠近上游設(shè)備，減少?gòu)濐^數(shù)量，進(jìn)口管道短而直，以減少壓降;進(jìn)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(yīng)力腐蝕環(huán)境。

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

圖2 壓縮機(jī)入口管道布置

經(jīng)應(yīng)力計(jì)算采用剛性支吊架造成壓縮機(jī)管口的荷載過大且分布不合理，可能會(huì)造成設(shè)備損壞;支吊架的力和力矩也過大(圖中A 為壓縮機(jī)進(jìn)口管口)。

降低壓縮機(jī)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(shè)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(bǔ)償器。中高壓管道不能采用此方法;③改變管道走向自然補(bǔ)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(zhǎng)度或者增加與該管段垂直的兩個(gè)方向的管段長(zhǎng)度;④設(shè)置限位支架:根據(jù)管口應(yīng)力分析情況，可在過濾器支架處設(shè)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(shè)置在靠近管口處或靠近管口的第一個(gè)拐彎處，直管段上設(shè)限位支架宜出現(xiàn)杠桿現(xiàn)象。

3.2 壓縮機(jī)出口管道的設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)的出口管道經(jīng)管架長(zhǎng)距離敷設(shè)至反應(yīng)系統(tǒng)。該管系較長(zhǎng)，可人為分成數(shù)個(gè)小管系進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，調(diào)節(jié)手段比較靈活。重點(diǎn)考慮:①出口設(shè)可拆卸法蘭;②管道跨過壓縮機(jī)后直接順著二層平臺(tái)下方接到壓縮機(jī)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(jī)組檢修維護(hù)空間;③根據(jù)需要合理設(shè)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(jī)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(jī)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(jī)棚小管橋地面層;⑤在開停工時(shí)，使用壓縮機(jī)入口的弛放氣線來排放出反應(yīng)系統(tǒng)中甲烷和其它輕氣體，不過正常運(yùn)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(jī)的檢修。

3.3 汽輪機(jī)進(jìn)口管道設(shè)計(jì)

裝置中中壓蒸汽管線主要用于壓縮機(jī)汽輪機(jī)，管道從裝置邊界到機(jī)組處，距離比較長(zhǎng)，熱脹量大，須著重解決管系的柔性問題。設(shè)計(jì)方案應(yīng)考慮:①DN250 進(jìn)口管道布置應(yīng)有一定柔性，其熱補(bǔ)償應(yīng)與系統(tǒng)管網(wǎng)分開考慮，即在管道上設(shè)置固定支架，分段考慮其熱補(bǔ)償;②進(jìn)口主管道應(yīng)有足夠的補(bǔ)償彎，將雙切斷閥布置在EL +5500 層平臺(tái)邊上，便于操作，并順勢(shì)在豎直平面上設(shè)置一個(gè)π 型補(bǔ)償，主管接至平臺(tái)下;③蒸汽有兩個(gè)進(jìn)氣口，其兩個(gè)分支管線應(yīng)沿機(jī)組中心線對(duì)稱布置(見圖1)，且在其分支處或附近設(shè)置限位支架。兩分支分別繞了個(gè)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(jī)兩個(gè)進(jìn)口管口的管道上各設(shè)置止推支架、彈簧支架的組合支架，保證進(jìn)汽管口所受的推力和力矩應(yīng)在其允許值范圍內(nèi);④考慮到汽輪機(jī)進(jìn)出口管口均向下，汽輪機(jī)機(jī)體熱膨脹及管道熱膨脹均向下，在兩個(gè)分支上承重支架必須選用彈簧支吊架;⑤靠近汽輪機(jī)進(jìn)口兩個(gè)管口的管道上各設(shè)置一個(gè)可以拆卸的帶法蘭短節(jié)，以便在試運(yùn)前安裝吹掃用臨時(shí)管道和管道“打靶”;⑥中壓蒸汽輪機(jī)啟動(dòng)前要對(duì)蒸汽管道進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間暖管，防止蒸汽凝液進(jìn)入汽輪機(jī)，因此，采用蒸汽大量放空的方法以提高汽輪機(jī)進(jìn)口蒸汽溫度。在蒸汽進(jìn)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(shè)置。放空管設(shè)有消音器。

3.4 汽輪機(jī)出口管道設(shè)計(jì)

出口排汽管道口徑更大，溫度稍低，同樣其熱補(bǔ)償應(yīng)與系統(tǒng)管網(wǎng)分開考慮，分段熱補(bǔ)償。出口管道沿機(jī)組下方設(shè)置一個(gè)π 型補(bǔ)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(shè)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(shè)置安全閥管道，安全閥出口管道應(yīng)引至廠房外，并設(shè)消音器。該附屬管道口徑較大，應(yīng)與主管系一起進(jìn)行應(yīng)力分析，并根據(jù)分析結(jié)果合理設(shè)置支架。

4 結(jié)語(yǔ)

在設(shè)計(jì)離心式循環(huán)氫壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)出口主要管道走向時(shí)必須慎重考慮，重點(diǎn)解決管系的柔性設(shè)計(jì)，在滿足熱補(bǔ)償和機(jī)器允許受力的條件下，盡量減少?gòu)濐^數(shù)量，管道應(yīng)盡量短，并用CAESARⅡ管道應(yīng)力分析程序進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析。如果計(jì)算結(jié)果不能滿足離心式循環(huán)氫壓縮機(jī)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(jī)的受力要求。另外，及時(shí)與相關(guān)專業(yè)進(jìn)行協(xié)商，合理進(jìn)行壓縮機(jī)廠房及其附屬設(shè)備的布置。管道規(guī)劃時(shí)可以考慮利用機(jī)組基礎(chǔ)或壓縮機(jī)廠房梁、柱進(jìn)行支撐，并把這些支架反力委托給相關(guān)專業(yè)。

離心式循環(huán)氫壓縮機(jī)是整個(gè)裝置的核心，其管道設(shè)計(jì)十分重要，管道設(shè)計(jì)人員應(yīng)具備扎實(shí)的管道材料、管道應(yīng)力和管道布置知識(shí)。

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(shè)計(jì)手冊(cè)第一篇設(shè)計(jì)與計(jì)算(第四版)［M］. 北京:中國(guó)石化出版社，2009:85 - 86.

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