王嗣鈺

(中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510630)

管式反應加熱爐是將經(jīng)過爐管的物料加熱到所需溫度,再進入下游工藝設備進行精制、裂解反應等的關(guān)鍵設備。在加氫裂化裝置平面布置中,作為明火設備的反應爐,應結(jié)合設備間進料關(guān)系、防火間距、當?shù)厥⑿酗L風向、檢修撲救場地等多方面因素,應優(yōu)先確定其方位。反應爐進出口轉(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,作為全裝置重要管線有必要優(yōu)先布置,應充分考慮設備和管道的本質(zhì)安全,避免安全隱患,并且還要兼顧整體設計的整齊美觀?，F(xiàn)結(jié)合某400萬t/a蠟油加氫裂化裝置,對反應爐的平面方位布置,進、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行分析探討。

1 反應爐平面布置

1.1 布置方位要求

屬于明火設備的反應爐,宜集中布置在裝置的邊緣,且宜位于可燃氣體、液化烴和甲B、乙A類設備的全年最小頻率風向的下風側(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t蠟油加氫裂化裝置呈長條形布置,中間為主管廊,設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)域布置了兩臺加氫反應器(R-1001、R-1002)。

圖1 某蠟油加氫裂化裝置平面布置圖

該地區(qū)全年最小頻率風向為西偏南方向約7°,理論上反應器北偏東方向應是反應爐最好的布置位置;從圖1看,實際在裝置最北側(cè)布置了反應爐(F-1001),從整個裝置的總平面看,反應爐緊靠主干道(廠1路),便于設備吊裝檢修,且位于符合規(guī)范要求的反應爐相對較小的頻率風向的下風向。在裝置平面布置過程中,在綜合考慮裝置在全場總平面的定位、系統(tǒng)管廊位置、吊裝檢修空間、安全風向等多種因素后,應優(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

反應爐與其直接相關(guān)的反應器由于有直接進料的關(guān)系,屬于密切相關(guān)的設備,他們之間的間距可以盡可能靠近,但不宜小于4.5 m。從反應爐到反應器的轉(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]。反應爐與反應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)分別布置反應器和反應爐,副管廊作為連接反應爐和反應器的中間管廊,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償來實現(xiàn)管道的柔性設計要求。

反應爐作為明火設備,其防火間距應符合GB 50160—2008(2018版)中對其他可燃工藝設備的要求:距離甲類可燃氣體壓縮機或壓縮機房,甲A類液化烴設備不應小于22.5 m;距離甲類可燃氣體設備和甲B、乙A類可燃液體設備不應小于15 m;距離乙類可燃氣體設備和乙B、丙A類可燃液體設備不應小于9 m。反應爐與其附屬燃料氣分液罐之間的間距不應小于6 m,以防止可燃氣體竄入爐體。

2 反應爐管道布置

在布置反應爐管道時,應綜合考慮進出、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,要注意避開彎頭箱、看火門、防爆門等,且不得妨礙爐管的檢維修。注意管道不要碰反應爐的平臺和梯子,尤其不要碰圓爐的盤梯,及時與反應爐的專業(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 進口管道

本裝置采用爐前混氫工藝,即原料油先經(jīng)過加氫進料泵加壓,然后通過高壓換熱器換熱,油和氫氣各分6路在進反應爐前先混合,然后混合后進入反應爐加熱,反應爐爐管內(nèi)介質(zhì)為氫和油的混合相。這種反應爐進、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,從而帶來安全隱患,因此需著重關(guān)注[3]。

圖1中所示反應爐(F-1001)為方爐,總圖三維模型見圖2,其進、出口為6路DN200對焊管嘴。進料油和氫氣各分支流程上分別設置有調(diào)節(jié)閥進行流量調(diào)節(jié),并且6路進料無法做到進口管道布置滿足幾何對稱性。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。管線布置避開梯子通道看火門等,盡量做到管道當量長度相當,利用爐體鋼結(jié)構(gòu)支架設置方便,柔性又能很好的滿足。

圖2 某蠟油加氫裂化裝置反應爐總圖三維模型

圖3 六管程帶調(diào)節(jié)閥組反應爐進口管道布置模型

2.2 出口管道

反應爐6路出口管嘴兩兩對稱布置在爐頂?shù)哪媳眱蓚?cè),出口總管道公稱直徑為DN650,工藝分支路徑為:6路DN250分支→2路DN450分支→總管DN650。反應爐出口管道相較于入口管道溫度更高,柔性設計壓力更大,因此每一路管嘴處管道布置應一致,每一次匯合兩側(cè)應鏡像對稱布置,以避免管線偏流,管道布置應充分結(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所示反應爐總圖可以看出,爐頂平臺上的煙風道、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償方式。

管道布置方案主要有兩種,見下圖4。方案1見圖4(a),出口管線從管嘴出來先利用框架做一個平“Π”然后三路匯合在水平管線上,匯合后設置立“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平“Π”最后去往反應器;方案2見圖4(b),與方案1不同的是從爐出口出來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”,二合一匯合點后移至爐子西側(cè),加長了DN650管線使其與管廊上同方向的管道長度相當。綜合比較兩種方案,方案2增加了6路分支管線的長度,增強了管嘴附近管線柔性,同時減少四個DN450彎頭,對降低管道壓力損失和降低工程建設投資更有意義。綜合考慮圖4(b)作為六管程反應爐出口預選方案。

圖4 六管程反應爐出口管道布置模型

將兩種方案置于CAESAR II軟件建模計算見圖5,管道材質(zhì)為TP347奧氏體不銹鋼,設計溫度為454 ℃,設計壓力為17.6 MPa,管道外徑依次為660,457,273 mm,依次計算出的對應壁厚分別高達53.97,45.24,28.58 mm,輻射段爐管材質(zhì)為TP347H,外徑為219.1 mm,壁厚為18.26 mm。

圖5 六管程反應爐出口管道CAESAR II模型

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

從計算得知,DN450到DN650部分均設置為普通剛性支架,保證整體管線的穩(wěn)定性。雖然已經(jīng)有平“Π”的自然補償,依然無法完全吸收由反應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設置可變彈簧支架,對于兩相流管道,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,在設計中需考慮彈簧的安裝檢修空間,必要時需委托加熱爐專業(yè)增加操作平臺。

計算結(jié)果如下:(a)方案1管道的一次應力的最大值為許用值的59%,二次應力最大值為許用值的22%;(b)方案2管道的一次應力最大值為許用值的59%,二次應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、出口管線的應力分析計算中,除了必須滿足管道自身的應力要求的同時,還必須考慮加熱爐管嘴的允許受力限制。通常,根據(jù)加熱爐廠家以及設計單位要求,加熱爐管嘴受力一般以API560(或SH/T3036)作為參考值。經(jīng)應力分析計算后,方案1(a)和方案2(b)的6個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)反應爐出口管嘴應力計算結(jié)果

對于DN200的垂直反應爐管嘴,API560給出的允許受力值見表3。

通過比較表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度較長引起,方案(b)中增加的DN250立管由于壁厚相對較薄能夠較好的吸收力DN450段在Z向的推力,同時也能吸收部分DN250平“Π”X向推力,因此相應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,整體運行平穩(wěn),證明設計方案安全有效。

表2 方案(b)反應爐出口管嘴應力計算結(jié)果

表3 三倍API560推薦的DN200反應爐管口允許受力

但是對比表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,通過對比近年來相同類型的應力分析結(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現(xiàn)。通過研讀API560,發(fā)現(xiàn)其推薦的許用受力,未區(qū)分爐體類型,接管類型,爐管支撐方式、排布方式、材質(zhì)壁厚、法蘭等級等因素,針對高壓加氫裝置參考性有限[4]。因此在加氫裂化裝置工程設計中,需管道設計專業(yè)在工程設計前期先規(guī)劃反應爐進出口管線并提前進行應力分析計算得到初步計算管嘴受力結(jié)果并加上適當?shù)脑Ａ?通常按10%～20%考慮)提交給加熱爐專業(yè)和反應爐制造商進行核算,若后期因其他因素需調(diào)整方案,應重新進行應力分析,受力結(jié)果仍需加熱爐專業(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明燈燃料氣兩路,反應爐燃燒器一般為底燒式,燃料氣閥組應集中布置在爐前管廊下,阻火器應布置在盡量靠近燃燒器的位置,且與燃燒器的距離應不大于12 m,以防止燃燒器火焰擴散。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,不得碰撞風道、爐體、平臺、鋼結(jié)構(gòu)等,并且不得遮擋看火門、人孔門和燃燒器。燃料氣主管道通常布置在看火門的上方,分支管上的調(diào)節(jié)用閥門應布置在看火門旁邊,以便操作人員在觀察火焰的同時調(diào)節(jié)燃料氣用量[5]。

2.4 滅火蒸汽管道

滅火蒸汽應單獨從蒸汽總管中引出,僅作為爐體滅火使用。蒸汽分配管的切斷閥距離反應爐不應小于7.5 m,并應布置在地面和便于到達和操作的地方。反應爐的爐膛和彎頭箱應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置排液孔并接管引至安全位置,以免通汽時造成危險。由于平時管線是空管,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高,并列布置在爐底平臺上方,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t/a蠟油加氫裂化裝置為例,介紹了加氫裂化裝置反應爐在平面布置時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)化設計角度對反應爐出口管道布置,管線柔性,反應爐管嘴受力等方面進行了對比分析,總結(jié)出此類管道在規(guī)劃布置時的一些要點和注意事項。(3)統(tǒng)一考慮反應爐附屬燃料管線,滅火蒸汽管線,管線支吊架等,做到整齊劃一,美觀大方。