滿曉偉

(中石化洛陽工程有限公司 設備室,河南 洛陽市 471003)

隨著國內煉油裝置大型化的發(fā)展趨勢，煉油廠對氫氣的需求量增大，制氫裝置作為全廠氫氣的主要來源，而制氫轉化爐又是制氫裝置的關鍵設備，它的長周期安全運行對全廠的穩(wěn)定生產十分重要。國外擁有大型制氫轉化爐技術的公司主要有德西尼布、法液空(魯奇)、托普索和伍德等，國內主要有LPEC和SEI等[1]。本文以國內某煉廠制氫轉化爐為例，主要介紹一些關鍵部分的設計方案。

1 概述

該制氫裝置轉化原料為天然氣和水蒸汽，水碳比為3:1，轉化爐為頂燒式的方箱爐，最大工況下輻射段反應熱為70.5 MW，燃燒器采用低Nox氣體燃燒器，主要燃料為PSA單元的脫附氣，不足部分補充管網高壓燃料氣，助燃空氣溫度高達500 ℃。輻射室轉化氣入口溫度達550 ℃，提高了催化劑的利用率，轉化氣出口溫度達870 ℃，轉化深度增加。轉化管內徑100 mm，爐管有效傳熱長度12 m，全爐共6排，每排44根，共計264根爐管。

與其他管式加熱爐不同，轉化爐的爐管內存在劇烈的吸熱化學反應，輻射爐管表面熱強度較高，達到57154 W/m2，爐管管壁最高溫度達974 ℃。

2 轉化爐管路系統(tǒng)

轉化爐管路系統(tǒng)是轉化爐的核心部分，管路系統(tǒng)的可靠性影響著整個轉化爐的安全運行。大型管系應力計算軟件CaesarII的應用，為轉化爐管系的設計及優(yōu)化提供了很大的幫助，圖1為轉化爐管系的CaesarII模型，管路系統(tǒng)可分為入口管系、轉化爐管、出口管系三部分。

圖1 轉化爐管系CaesarII模型

2.1 管系應力校核準則

壓力荷載和持續(xù)外荷載在管道上產生的應力屬于一次應力。管道承受荷載所產生的一次應力是非自限的，只要一次應力值不超過管材的許用應力即認為是可靠的。

管道由安裝狀態(tài)過渡到運行狀態(tài)，由于介質的溫度變化，管道產生熱脹使之變形。這些變形使管道承受彎曲、扭轉、拉伸和剪切等應力，屬于二次應力。對于二次應力，則用熱脹許用應力范圍來判斷。

只要一次應力不超過設計溫度下的許用應力，二次應力不超過熱脹許用應力范圍，則認為管系的靜力分析是合格。通常主要通過支吊架的設置來降低管系的一次應力，利用管系所具有的柔性來補償管系的熱膨脹來降低二次應力。

2.2 入口管系

入口管系主要包括轉油線、入口集合管和豬尾管，由于管內介質溫度高，不銹鋼管道膨脹量大。在較高的應力作用下，入口管系應力集中部位容易產生再熱裂紋，國內已經出現過多次相似事故[2-3]，入口管系的設計應以降低一次應力和二次應力為主要目的。

制氫轉化爐入口管系介質設計溫度580 ℃，設計壓力為3.3 MPa，材料選用TP321H。本次設計的入口管系采用“一分為三”的結構，如圖二所示，由一根轉油線分出三個入口集合管，每個入口集合管則通過豬尾管與兩排爐管相連。

圖2 轉油線和入口集合管示意圖

轉油線的水平管線位于三個標高平面內，對流室的原料預熱段出口集合管位于EL+11180平面，向上依次在EL+13000、EL+21540平面內。在EL+13000平面內的轉油線上設1個可變彈簧吊架和1個滑動支座，在EL+21540平面內的轉油線上設6個恒力彈簧吊架，每個入口集合管設4個恒力彈簧吊架。

在轉油線的節(jié)點10處z向設為位移約束，限制該點沿z向的位移，x向設為約束間隙。分別在入口集合管中間位置處，即節(jié)點15、16、17處X向設位移約束，Z向設置約束間隙，使入口集合管以中間為固定點向兩邊膨脹；節(jié)點12～14、18～20設Z約束間隙，保障集合管兩端在Z向限位的情況下沿X向自由膨脹。

入口集合管與爐管通過豬尾管相連，傳統(tǒng)的豬尾管柔性較好，目的是為了補償集合管與爐管之間高度上的膨脹差，吸收爐管的膨脹量，由于本次設計的轉油線柔性較好，當爐管向上膨脹時，通過豬尾管將入口集合管抬升，利用轉油線的空間走向產生的柔性來解決高度方向的膨脹差。另外，采用杠桿支撐來平衡豬尾管的自重，來降低豬尾管的一次應力。

入口管系中最大的一次應力在節(jié)點4彎頭處，應力比為20.3 %；最大的二次應力位于第一個三通(節(jié)點8)處，許用應力比為40.9 %，豬尾管各處的一次應力與二次應力比均小于15 %，入口管系都在安全許用范圍內。

2.3 轉化爐管

通過轉化爐工藝計算軟件Reform-3計算得出，爐管管壁最高溫度為974 ℃，考慮40 ℃溫度裕量，取設計溫度為1014 ℃，設計壓力3.15 MPa，采用離心鑄造爐管，材料為25Cr35NiNbMA，按照API530標準中斷裂設計的計算公式可計算得到爐管最小密實層厚度12 mm。

催化劑從爐管上部裝卸，轉化爐管頂部未裝填催化劑的部分采用內插式保溫塞結構，減少上部爐管的散熱。在爐管露出爐頂的部分，采用LPEC軟密封專利技術的伸縮保溫套，進一步減小散熱，減少頂部漏風[4]。

爐管的懸吊系統(tǒng)采用滑輪組取代恒力彈簧，滑輪組主要由動滑輪、靜滑輪、鋼絲繩以及配重組成，滑輪組與管排方向垂直，每個動滑輪可以吊兩根爐管，每個滑輪組共有3個動滑輪可以吊6根爐管，根據滑輪系統(tǒng)的力學特點，每個滑輪組對6根爐管的拉力完全相同。采用滑輪組懸吊結構可以明顯的減少裝置投資，節(jié)約了爐頂上部空間，另外可以通過調節(jié)配重塊的數量來調節(jié)滑輪組對爐管的拉力，降低爐管對出口管系的附加力，降低出口管系的應力水平?；喗M系統(tǒng)的缺點是滑輪系統(tǒng)自身存在摩擦力，特別是在爐管開始降溫時，滑輪組對爐管的拉力會突然增大，此時拉力會大于爐管的自重，因此會對出口管系產生額外的拉力。

2.4 出口管系

出口管系采用LPEC專利技術的冷熱壁結合的結構形式，爐管通過出口直管與熱壁集合管相連，取消了傳統(tǒng)的下豬尾管，下豬尾管易發(fā)生金屬塵化腐蝕[5]，而且在下豬尾管與爐管焊縫處以及下豬尾管與冷壁集合管的焊縫處容易出現裂紋，在一些轉化爐改造設計中由于結構限制仍然采用下豬尾管結構[6]，但在新建裝置中不推薦使用帶有下豬尾管結構的出口管系。

圖3 出口管系示意圖

如圖3所示為LPEC專利結構形式，每排轉化爐管對應2根熱壁集合管，全爐共12根熱壁集合管，各熱壁集合管相互獨立、自由膨脹，熱壁集合管布置在爐底的保溫箱內，降低了散熱損失。通過熱壁集合管中間的三通與冷壁集合管相連，冷壁集合管共2根，一起并入冷壁輸氣總管，冷壁輸氣總管與轉化氣蒸汽發(fā)生器相連。熱壁集合管與爐管以管排形式在工廠模塊化制造，減小了現場焊接工作量，縮短了現場施工工期，提高工作效率。

圖4 熱壁集合管示意圖

圖3給出了熱壁集合管示意圖，每根熱壁集合管的重量由四個杠桿支撐，熱壁集合管三通焊縫處是最危險的區(qū)域，該結構的一次應力值只有3.5 MPa,應力比為20 %左右，二次應力值僅有1 MPa，從應力結果上看，該結構安全可靠。

與每排爐管對應一根熱壁集合管的出口管系相比，在單排爐管數量相同、管心距相同的情況下，能夠降低熱壁管兩端爐管底部的水平位移，降低爐管下部出口短管的應力水平。另外，熱壁管采用杠桿方式支撐，降低了熱壁管三通處的彎矩，改善了三通處焊縫的受力。在轉化爐升溫、降溫過程中，不會因為熱壁管向上移動而導致支撐力的降低。

3 對流段

轉化爐對流段位于地面的鋼結構框架上，煙氣水平流動，對流段生產4.1 MPa過熱蒸汽，大部分蒸汽作為轉化氣的原料，多余的蒸汽外送。沿著煙氣的流動方向，對流段各部分依次為：原料預熱段、蒸汽過熱段、高溫空氣預熱器、產汽段和低溫空氣預熱器。

原料預熱段和蒸汽過熱段爐管均為光管，排管宜采用順排方式，煙氣的流向與管內介質的流向一致，雖然傳熱效率降低，但這樣能有效的降低管壁溫度，提高爐管使用壽命。另外，也可以在原料預熱段之前增加水保護段，來降低原料預熱段入口的煙氣溫度，以降低爐管管壁溫度。

在燃燒器能夠滿足環(huán)保排放指標的前提下，應盡可能增大高溫空氣預熱器的負荷，來提高助燃空氣溫度，這樣能有效的降低燃料氣量，節(jié)約裝置運營成本。高溫空氣預熱器的形式可以選用不銹鋼板式或者管束式。不銹鋼板式空氣預熱器特點是傳熱效率高，占地面積小，但因為膨脹量大，容易產生泄露。管束式空氣預熱器特點是可靠性高，管束的膨脹問題容易解決，但傳熱效率低，體積大。

產汽段采用翅片管強化會熱，產汽段的排管面積要足夠大，盡量降低產汽段煙氣出口溫度，這樣能夠降低低溫空氣預熱器的煙氣入口溫度，有助于降低最終的排煙溫度。

不同于其他的管式加熱爐，制氫轉化爐沒有煙道旁路，低溫空氣預熱器不能切出去檢修或更換，因此低溫空氣預熱器要安全可靠，宜選用碳鋼板式+鑄鐵板式空氣預熱器，相對高溫的部分采用板式預熱器能夠提高傳熱效率，降低成本，相對低溫的部分采用鑄鐵板式空氣預熱器能夠有效的提高煙氣側抗露點腐蝕能力，延長預熱器的使用壽命，保證裝置長周期運行。

4 其他設計方案

4.1 爐頂取風結構

制氫轉化爐爐頂結構復雜，散熱源較多，爐頂雨棚內的環(huán)境溫度較高，夏季時最高可達到60℃，采用爐頂取風結構，主要有以下優(yōu)點：(1)可加快雨棚內空氣流通，降低雨棚內的環(huán)境溫度，改善車間人員的操作環(huán)境；(2)回收這部分空氣含有的熱量，節(jié)約燃料；(3)提高了空氣預熱器空氣入口溫度，從而降低了空氣預熱器最冷端金屬壁溫，降低煙氣側發(fā)生露點腐蝕的可能性，提高低溫空氣預熱器的壽命，保證轉化爐長周期操作。

但是雨棚內管系復雜，入口管系存在管道失效泄漏的風險，轉化原料、脫附氣以及高壓燃料氣都是可燃氣體，一旦發(fā)生泄露，這些可燃氣體都會經爐頂取風結構引入爐膛，增加了安全風險，因此在設爐頂取風結構的同時，應該在雨棚內增設多個可燃氣體報警儀，一旦有可燃氣體泄漏，應及時觸發(fā)聯(lián)鎖停爐，保證裝置安全。

4.2 爐膛監(jiān)控系統(tǒng)

爐膛視頻監(jiān)控系統(tǒng)是采用先進的視覺處理技術，將爐膛內的經處理過的實時圖像遠傳到控制室專用顯示器上，如圖5所示為爐膛視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫圖，對轉化爐管、燃燒器的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，當爐管出現紅管、亮斑、明顯變形或泄露時，車間操作人員可通過爐膛視頻監(jiān)控系統(tǒng)及時發(fā)現，第一時間采取措施。

圖5 爐膛視頻監(jiān)控系統(tǒng)畫圖

5 小結

目前，6萬標m3/h及以下規(guī)模的制氫轉化爐中，采用LPEC出口管系專利技術的裝置已接近十套，投入時間最長的已經運行近十年，實踐證明該出口管系技術安全可靠，現已全面推廣應用。

國產制氫轉化爐大型化是發(fā)展趨勢，對于LPEC專利結構的出口管系，可通過增加每排爐管數量或增加管排的方式，來提高轉化爐裝置規(guī)模，但同時入口管系中轉油線的外徑會增大，壁厚增厚，轉油線的柔性變差，二次應力會增大，另外，不銹鋼厚壁管道的焊接會產生一些問題，因此，入口管系的優(yōu)化設計對大型轉化爐國產化至關重要。