趙巍(內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350)

0 引言

近年來，煤制天然氣市場根據(jù)發(fā)展需要，結(jié)合裝置實際生產(chǎn)運行及工程建設(shè)的現(xiàn)狀，考慮到下游天然氣市場供需形勢的變化以及調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提升項目盈利能力的需要，存在依托原生產(chǎn)裝置建設(shè)改擴建項目的可行性。

因該類項目上游以煤為原料，造氣采用固定床煤氣化技術(shù)生產(chǎn)粗煤氣，粗煤氣中有機硫成分復(fù)雜，有機硫含量高，且含有不飽和烴以及殘氧。原變換冷卻單元變換反應(yīng)完全旁路，為避免粗煤氣中有機硫?qū)状枷醇昂笙到y(tǒng)的影響，增加有機硫轉(zhuǎn)化及烯烴飽和裝置，將粗煤中的有機硫進(jìn)行轉(zhuǎn)化，將不飽和烴進(jìn)行加氫飽和，脫除殘余氧氣，以滿足下游裝置的操作要求。

本文針對二期變換裝置變換爐在改擴建項目有機硫轉(zhuǎn)化及烯烴飽和裝置中利舊的可行性，進(jìn)行了計算與分析。

1 問題來源

為滿足改擴建項目有機硫轉(zhuǎn)化及烯烴飽和裝置進(jìn)、出口流量要求，符合設(shè)備法蘭尺寸要求，利舊設(shè)備要分別對主變換爐和預(yù)變換爐的上、下管口進(jìn)行開孔[1]。依據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[2]，主變換爐和預(yù)變換爐均為固定式壓力容器中的三類壓力容器，須對開孔部位進(jìn)行補強計算及分析。

2 專業(yè)分析

2.1 分析依據(jù)

依據(jù)GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設(shè)計》計算、分析[3]。

2.2 主變換爐分析步驟

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款，取主變換爐管口a (介質(zhì)入口)、b(介質(zhì)出口)開孔最大直徑dop=812.8 mm(DN800)。已知主變換爐內(nèi)徑Di=3186 mm，則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

(1)主變換爐上管口

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款：

①管口中心距：

主變換爐管口a與管口d1、d2、d3中心距均為800 mm。

其他管口中心距按公式(1)計算：

主變換爐管口a與管口c1(人孔)中心距：

②主變換爐管口a和管口d1、d2、d3直徑之和均為(812.8+114.3) mm=927.1 mm，平均直徑均為927.1 mm/2=463.55 mm，平均直徑的4/3倍均為463.55 mm×4/3=618.1 mm。

主變換爐管口a與管口c1直徑之和為(812.8+508) mm=1 320.8 mm，平均直徑為1320.8 mm/2=660.4 mm，平均直徑的4/3倍為660.4 mm×4/3≈880.5 mm。

③由上述計算可知：主變換爐管口a與管口d1、d2、d3、c1需采用聯(lián)合補強(引自GB 150.3—2011)。

④聯(lián)合補強的面積計算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3條6.3.3.2款，補強面積按公式(2)計算：

其中因殼體材料、接管材料相同，均為15CrMoR，則fr=1.0。

主變換爐管口a的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=812.8 mm×52 mm=42 265.6 mm2。

主變換爐管口d1-d3的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=114.3 mm×52 mm=5 943.6 mm2。

主變換爐管口c1的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=508 mm×52 mm=26 416 mm2。

總補強面積=(42 265.6+5 943.6+5 943.6+5 943.6+26 416)mm2=86 512 mm2。

主變換爐上封頭表面積=4πr2/2=4×π×(1 603 mm)2/2=16 145 329.52 mm2。

總補強面積遠(yuǎn)小于主變換爐上封頭表面積。

(2)主變換爐下管口

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款：

①管口中心距：

管口中心距按公式(1)計算：

主變換爐管口b與管口c2(卸料口)中心距：

主變換爐管口b與管口c3(卸料口)中心距：

②主變換爐管口b和管口c2、c3直徑之和均為(812.8+273.1)mm=1 086 mm，平均直徑均為1 086 mm/2=543 mm，平均直徑的4/3倍均為543 mm×4/3=724 mm。

③由上述計算可知：主變換爐管口b與管口c2、c3需采用聯(lián)合補強。

④聯(lián)合補強面積計算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3條6.3.3.2款。

補強面積按公式(2)計算：

其中因殼體材料、接管材料相同，均為15CrMoR，則fr=1.0。

主變換爐管口b的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=812.8 mm×52 mm=42 265.6 mm2。

主變換爐管口c2、c3的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=273 mm×52 mm=14 196 mm2。

總補強面積=(42 265.6+14 196+14 196)mm2=70 658 mm2。

主變換爐下封頭表面積=4πr2/2=4×π×(1 603 mm)2/2=16 145 329.52 mm2。

總補強面積遠(yuǎn)小于主變換爐下封頭表面積。

2.3 預(yù)變換爐分析步驟

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款。

取預(yù)變換爐管口a(介質(zhì)入口)、b(介質(zhì)出口)開孔最大直徑dop=812.8 mm(DN800)。已知預(yù)變換爐內(nèi)徑Di=1 986 mm。則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

(1)預(yù)變換爐上管口：

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

①管口中心距：

預(yù)變換爐管口a與管口d1、d2、d3中心距均為600 mm。

其他管口中心距按公式(1)計算：

預(yù)變換爐管口a與管口c1(人孔)中心距

②預(yù)變換爐管口a和管口d1、d2、d3直徑之和均為(812.8+114.3)mm=927.1 mm，平均直徑均為927.1 mm/2=463.55 mm，平均直徑的4/3倍均為463.55 mm×4/3=618.1 mm。

預(yù)變換爐管口a與管口c1直徑之和為(812.8+508)mm=1 320.8 mm，平均直徑為1 320.8 mm/2=660.4 mm，平均直徑的4/3倍為660.4 mm×4/3≈880.5 mm。

③由上述計算可知：

預(yù)變換爐管口a與管口d1、d2、d3、c1需共同作為一個假想孔進(jìn)行計算(引自GB 150.3—2011)。

該假想孔直徑=(812.8+114.3+114.3+114.3+508)mm=1 663.7 mm。

該假想孔直徑dop＞Di/2，不符合等面積法適用范圍要求。

④預(yù)變換爐上管口a(介質(zhì)入口)取值為DN750。

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款。

取預(yù)變換爐管口a(介質(zhì)入口)開孔最大直徑dop=762 mm。已知預(yù)變換爐內(nèi)徑Di=1 986 mm。則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

(a)管口中心距：

預(yù)變換爐管口a與管口d1、d2、d3中心距均為600 mm。

其他管口中心距按公式(1)計算：

預(yù)變換爐管口a與管口c1(人孔)中心距

(b)預(yù)變換爐管口a和管口d1、d2、d3直徑之和均為(762+114.3) mm=876.3 mm，平均直徑均為876.3 mm/2=438.15 mm，平均直徑的4/3倍均為438.15 mm×4/3=584.2 mm。

預(yù)變換爐管口a與管口c1直徑之和為(762+508) mm=1 270 mm，平均直徑為1 270 mm/2=635 mm，平均直徑的4/3倍為635 mm×4/3≈847 mm。

(c)由上述計算可知：

預(yù)變換爐管口a與管口d1、d2、d3、c1需采用聯(lián)合補強。

(d)聯(lián)合補強面積計算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3條6.3.3.2款。

補強面積按公式(2)計算：

其中因殼體材料、接管材料相同，均為15CrMoR，則fr=1.0。

預(yù)變換爐管口a的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=762 mm×32 mm=24 383 mm2。

預(yù)變換爐管口d1-d3的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=114.3 mm×3 2mm=3 657.6 mm2。

預(yù)變換爐管口c1的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=508 mm×32 mm=16 256 mm2。

總補強面積=24383+3657.6+3657.6+3657.6+16256=51611.8 mm2。

預(yù)變換爐上封頭表面積=4πr2/2=4×π×(1 603 mm)2/2=16 145 329.52 mm2。

總補強面積遠(yuǎn)小于預(yù)變換爐上封頭表面積。

(2)預(yù)變換爐下管口：由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

①管口中心距：

管口中心距按公式(1)計算：

預(yù)變換爐管口b與管口c2(卸料口)中心距

預(yù)變換爐管口b與管口c3(卸料口)中心距

②預(yù)變換爐管口b和管口c2、c3直徑之和均為(812.8+219.1)mm=1 032 mm，平均直徑均為1 032 mm/2=516 mm，平均直徑的4/3倍均為516 mm×4/3≈688 mm。

③由上述計算可知：

預(yù)變換爐管口b與管口c2、c3需共同作為一個假想孔進(jìn)行計算。

該假想孔直徑=(812.8+219.1+219.1)mm=1 251 mm。

該假想孔直徑dop＞Di/2，不符合等面積法適用范圍要求。

④預(yù)變換爐下管口b(介質(zhì)出口)取值為DN550。

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款。

取預(yù)變換爐管口b(介質(zhì)出口)開孔最大直徑dop=558.8 mm。已知預(yù)變換爐內(nèi)徑Di=1 986 mm。則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

(a)管口中心距

管口中心距按公式(1)計算：

預(yù)變換爐管口b與管口c2(卸料口)中心距

預(yù)變換爐管口b與管口c3(卸料口)中心距

(b)預(yù)變換爐管口b和管口c2、c3直徑之和均為(558.8+273.1)mm=832 mm，平均直徑均為832 mm/2=416 mm，平均直徑的4/3倍均為416 mm×4/3=554.67mm。

(c)由上述計算可知：

預(yù)變換爐管口b與管口c2、c3需共同做為一個假想孔進(jìn)行計算。

該假想孔直徑=558.8+219.1+219.1mm=997mm。

該假想孔直徑dop＞Di/2，不符合等面積法適用范圍要求。

(d)預(yù)變換爐下管口b(介質(zhì)出口)取值為DN500：

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款。

取預(yù)變換爐管口b(介質(zhì)出口)開孔最大直徑dop=508 mm。已知預(yù)變換爐內(nèi)徑Di=1 986 mm。則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

(a)管口中心距

管口中心距按公式(1)計算：

預(yù)變換爐管口b與管口c2(卸料口)中心距

預(yù)變換爐管口b與管口c3(卸料口)中心距

(b)預(yù)變換爐管口b和管口c2、c3直徑之和均為(508+273.1)mm=781.1 mm，平均直徑均為781.1 mm/2=390.55 mm，平均直徑的4/3倍均為390.55 mm×4/3=520.73 mm。

(c)由上述計算可知：

預(yù)變換爐管口b與管口c2、c3需共同作為一個假想孔進(jìn)行計算。

該假想孔直徑=(508+219.1+219.1)mm=946.2 mm。

該假想孔直徑dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

(d)補強面積計算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3條6.3.3.2款。

補強面積按公式(2)計算：

其中因殼體材料、接管材料相同，均為15CrMoR，則fr=1.0。

假想孔補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=946.2 mm×32 mm=30 278.4 mm2。

預(yù)變換爐下封頭表面積=4πr2/2=4×π×(998 mm)2/2=6 258 078 mm2。

假想孔補強面積遠(yuǎn)小于預(yù)變換爐下封頭表面積。

3 結(jié)語

(1)主變換爐管口a(介質(zhì)入口)、b(介質(zhì)出口)開孔最大直徑均為dop=812.8 mm(DN800)，需采用聯(lián)合補強。

(2)預(yù)變換爐管口a(介質(zhì)入口)開孔最大直徑dop=762 mm(DN750)，需采用聯(lián)合補強。

(3)預(yù)變換爐管口b(介質(zhì)出口)開孔最大直徑dop=508 mm(DN500)，需采用整體補強，并且補強材料不得使用接管金屬(15CrMoR)。