羅佳偉

(中核能源科技有限公司,北京 100193)

1 概述

近年來,世界能源市場發(fā)生了重大變化,能源的供需矛盾日益突出。石油作為當(dāng)代經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的核心能源,其供需矛盾已經(jīng)極端的顯現(xiàn)出來。在這種背景下,基于我國“富煤、缺油、少氣”的化石能源賦存特點(diǎn),為保障我國能源安全,推進(jìn)國家中長期能源發(fā)展戰(zhàn)略,該項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生,也是迄今為止,全球最大的煤制油項(xiàng)目。隨著第一輪三大煤制油示范項(xiàng)目(神寧400萬t/a、杭錦旗120萬t/a和潞安100萬t/a)的順利建成并開車,在新一輪煤制油項(xiàng)目來臨之前,非常有必要進(jìn)行階段性地總結(jié)及提升,以校核人的身份出發(fā),針對大型構(gòu)架裝置進(jìn)行系統(tǒng)性剖析。從而提高管道設(shè)計(jì)能力和設(shè)備布置能力。

神華寧煤項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)位于寧夏回族自治區(qū)靈武市寧東鎮(zhèn),規(guī)模為年產(chǎn)油品405萬t和烯烴配套合成氣275 km3/h,年轉(zhuǎn)化煤炭(原料煤+燃料煤)2 448萬t。項(xiàng)目總投資約550億元,總占地面積約為570.7 hm2。項(xiàng)目建設(shè)范圍主要包括空分、備煤、煤氣化、一氧化碳變換、合成氣凈化、硫回收、油品合成、油品加工、尾氣處理等工藝裝置,以及與工藝裝置配套的儲運(yùn)工程、公用工程、輔助工程、服務(wù)性工程和廠外工程。主要工藝技術(shù)采用西門子公司的GSP煤粉加壓氣化技術(shù)和我公司的油品合成及加工工藝技術(shù)。油品合成裝置包含原料氣精脫硫、F-T合成、催化劑還原、尾氣脫碳、蠟過濾單元。油品加工裝置包含加氫精制、加氫裂化、低溫油洗、合成水處理單元。

本項(xiàng)目是在寧煤400萬t/a煤炭間接液化項(xiàng)目的基礎(chǔ)上規(guī)劃的產(chǎn)品提質(zhì)優(yōu)化改造項(xiàng)目,原設(shè)計(jì)油品加工裝置的主要產(chǎn)品有柴油、石腦油和LPG?？紤]到加氫精制柴油富含正構(gòu)烷烴,可用于生產(chǎn)正構(gòu)烷烴或液體石蠟,加氫裂化柴油幾乎不含硫和芳烴,可用于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的輕質(zhì)白油產(chǎn)品,為使企業(yè)效益最大化,調(diào)整柴油產(chǎn)品結(jié)構(gòu),降低柴油產(chǎn)量,通過市場調(diào)研,決定利用部分加氫精制柴油和加氫裂化柴油,生產(chǎn)正構(gòu)烷烴產(chǎn)品或液體石蠟,利用加氫裂化柴油生產(chǎn)輕質(zhì)白油。通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整,可以有效增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益及市場競爭力。其中裂化側(cè)線塔框架區(qū)所出產(chǎn)的產(chǎn)品為 W2-40 號白油、W2-60 號白油、W2-80 號白油和W2-100 號白油,實(shí)際生產(chǎn)時(shí)可根據(jù)市場適當(dāng)調(diào)整。

由于該項(xiàng)目原料來自于油品加工裝置,公用工程條件也依托油品加工裝置提供,因此裝置隸屬上按油品加工裝置的一個(gè)單元考慮,定名為產(chǎn)品提質(zhì)單元。

2 單元總體布置原則及特點(diǎn)

2.1 單元總體布置原則

產(chǎn)品提質(zhì)單元屬于甲類生產(chǎn)裝置,主要火災(zāi)危險(xiǎn)介質(zhì)為甲類可燃?xì)怏w和甲B、乙A類可燃液體。

產(chǎn)品提質(zhì)單元平面中的設(shè)備主要按流程順序布置,同時(shí)考慮同類設(shè)備適當(dāng)集中布置。

產(chǎn)品提質(zhì)單元的平面布置符合GB—50160《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》和SH—3011《石油化工工藝裝置布置設(shè)計(jì)規(guī)范》等有關(guān)現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定,能夠滿足操作、檢修、施工、消防、工藝設(shè)計(jì)和全廠總體規(guī)劃的要求。

2.2 單元總體布置特點(diǎn)

產(chǎn)品提質(zhì)單元布置于合成油廠區(qū)西側(cè)油品加工裝置的預(yù)留空地上,東側(cè)為新增渣蠟預(yù)過濾單元,南側(cè)為加氫精制單元,北側(cè)為低溫油洗單元及裝置機(jī)柜間、配電室。占地東西方向長128 m,南北方向?qū)?5 m,占地面積5 760 m2。

產(chǎn)品提質(zhì)單元西側(cè)空地為精制常二線框架區(qū)的預(yù)留地(東西方向長33 m,南北方向?qū)?5 m)。單元有南北兩個(gè)界區(qū),位于精制常二線框架區(qū)預(yù)留地的東側(cè),進(jìn)出的原料和產(chǎn)品通過南北兩個(gè)界區(qū)與外界對接。管廊沿東西向布置,將單元分成南北兩排。管廊的南側(cè)布置精制減壓框架區(qū)(出產(chǎn)的產(chǎn)品為富正C12烷),管廊北側(cè)自西向東依次布置地下污油罐、裂化側(cè)線塔框架區(qū)(出產(chǎn)的產(chǎn)品為W2-40、W2-60、W2-80、W2-100四個(gè)牌號的白油)和裂化減壓框架區(qū)。公用工程設(shè)備布置于管廊[1]兩側(cè);塔、容器等設(shè)備和構(gòu)筑物大多按流程順序布置在管廊兩側(cè);冷凝器、冷卻器、換熱器和臥室容器等設(shè)備大多相對集中布置在構(gòu)架各層上;空冷器集中布置在構(gòu)架上方;機(jī)泵集中布置在管廊或構(gòu)架下方。

產(chǎn)品提質(zhì)單元的設(shè)備之間均按相關(guān)規(guī)范和規(guī)定要求留有足夠的安全間距和檢修場地,能夠滿足操作、檢修和人員疏散要求;冷換設(shè)備、空冷器、機(jī)泵等設(shè)備的周圍均留有足夠的空間,能夠滿足抽芯、檢修和吊裝要求;各構(gòu)筑物和立式設(shè)備均設(shè)有操作平臺和梯子,能夠滿足操作、檢修和人員安全疏散的要求[2]。

產(chǎn)品提質(zhì)單元除了在每個(gè)構(gòu)架單獨(dú)設(shè)有圍堰外,整個(gè)單元設(shè)有大圍堰,以盡可能減少操作和檢修時(shí)有可能泄漏介質(zhì)的污染范圍。

產(chǎn)品提質(zhì)單元在精制減壓框架區(qū)西側(cè)和裂化減壓框架區(qū)北側(cè)均設(shè)有重載區(qū),該區(qū)域按道路鋪砌,可供檢修車輛通行、作業(yè)和擺放檢修設(shè)備部件[3]。

圍繞產(chǎn)品提質(zhì)單元四周設(shè)有環(huán)形道路,并與廠區(qū)道路相連,能滿足檢修、消防車輛通行和作業(yè)的要求[4]。

3 裂化側(cè)線塔框架區(qū)設(shè)備及管道布置說明

3.1 裂化側(cè)線塔框架區(qū)流程簡述

主產(chǎn)品流程:常一線精餾塔由高到低分別抽出減一線、減二線、減三線和減四線分別自流至減一側(cè)線塔、減二側(cè)線塔、減三側(cè)線塔、減四側(cè)線塔。四個(gè)側(cè)線塔塔頂氣線分別返回常一線精餾塔,四個(gè)側(cè)線塔塔底液線分別自流至減一線、減二線、減三線和減四線油泵。油泵出口線一支分別返回各自側(cè)線塔,油泵主要出口線經(jīng)過各自空冷器、水冷器降溫后分別得到產(chǎn)品為W2-40、W2-60、W2-80、W2-100四個(gè)牌號的白油。經(jīng)管廊運(yùn)輸至裝置原有成品罐區(qū)儲存。

輔助工藝流程:每個(gè)側(cè)線塔各配備一臺再沸器。塔側(cè)抽出線自流至再沸器,再沸器頂部氣體排出線返回側(cè)線塔,再沸器底液線也自流回側(cè)線塔。為再沸器加熱的中壓蒸汽引自管廊[5],其產(chǎn)生的凝液自再沸器底部自流至各自的側(cè)線塔底分水罐,凝液經(jīng)分水罐收集后由底部經(jīng)管廊[6]排至蒸汽凝結(jié)水管網(wǎng),分水罐頂部設(shè)安全閥,將分水罐內(nèi)過剩蒸汽引至無人經(jīng)過的安全地點(diǎn)后直接排放。

3.2 裂化側(cè)線塔框架區(qū)設(shè)備、構(gòu)架布置說明

裂化側(cè)線塔的構(gòu)架主要以裝置占地、工藝要求、管廊、塔器及空冷器等主要設(shè)備的布置為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先確定四臺側(cè)線塔的位置,由于裝置外北側(cè)為重載區(qū),將四臺側(cè)線塔并排布置在裝置北側(cè),方便檢修。側(cè)線塔為常一線精餾塔的附屬設(shè)備,二者關(guān)系密切,根據(jù)上述流程看,二者所連接的管線也比較多,且管徑較大(最大管線直徑可達(dá)DN600),要求高且應(yīng)力不易計(jì)算,這些管線不宜過長且需依靠構(gòu)架支撐,遂將裂化側(cè)線塔構(gòu)架布置在側(cè)線塔的南側(cè)。從流程來看,連接側(cè)線塔和空冷器的側(cè)線塔底油泵需與二者就近布置,遂將其布置在靠近側(cè)線塔那一跨的構(gòu)架下方。裝置內(nèi)需設(shè)置精制減壓框架、裂化減壓框架、裂化側(cè)線塔框架和管廊,且占地較小,單元總寬度僅為45 m,如按常規(guī)布置原則無法實(shí)現(xiàn)。裂化側(cè)線塔框架區(qū)設(shè)備種類和數(shù)量比較多,且構(gòu)架頂部需設(shè)置寬度為9 m的空冷器。綜合考慮采取構(gòu)架與管廊部分軸線共用柱子的布置方法。其中管廊寬為8 m,南北向軸線號為3D軸和3E軸。裂化側(cè)線塔構(gòu)架則布置為寬兩跨(南北向軸線號為3D軸、3E軸和0A軸),長四跨(與管廊共用3PR05～3PR09軸)。

圖1 裂化側(cè)線塔框架EL 0.00 m平面布置圖

管廊頂層為9 m平層,裂化側(cè)線塔構(gòu)架在9 m層與管廊[7]一致,為布置產(chǎn)品線閥組,需設(shè)置9 m層平臺。該層框架平臺與四個(gè)側(cè)線塔圈平臺均設(shè)置聯(lián)合平臺,方便人員檢修。

根據(jù)工藝流程,再沸器與側(cè)線塔密切相關(guān),側(cè)線塔的側(cè)出線需自流到再沸器,再沸器底部液線也需自流回側(cè)線塔,且再沸器的頂部氣線返回側(cè)線塔時(shí),側(cè)線塔的管口也要高出再沸器管口,再結(jié)合側(cè)線塔基礎(chǔ)標(biāo)高及塔裝配圖上的管口高度。綜合四臺側(cè)線塔及四臺再沸器的具體情況,將四臺再沸器并排布置在裂化側(cè)線塔構(gòu)架EL 18000 m層平臺上,再沸器頂部設(shè)置平臺,操作其頂部儀表和閥門。同時(shí)根據(jù)應(yīng)力計(jì)算,利用構(gòu)架及塔對管線進(jìn)行支撐。該層構(gòu)架平臺與四個(gè)側(cè)線塔圈平臺均設(shè)置聯(lián)合平臺,方便人員檢修。

圖2 EL 18 000 m層平面布置圖

根據(jù)工藝流程,水冷器和空冷器部分管線有自流要求,側(cè)線塔底分水罐與再沸器部分管線也有自流要求?？绽淦鞑贾迷跇?gòu)架頂層,再沸器布置在EL18 000 m層平臺,EL9 000 m層平臺布置的產(chǎn)品線閥組正是由水冷器排出,也需要滿足步步低要求。考慮到水冷罐和側(cè)線塔底分水罐因底部設(shè)排液且水冷罐的冷卻循環(huán)水閥門儀表較多,導(dǎo)致其基礎(chǔ)比較高,水冷罐頂部設(shè)置人孔等諸多因素。綜合考慮將水冷器和側(cè)線塔底分水罐布置在EL13 000 m平臺上。該層構(gòu)架平臺與四個(gè)側(cè)線塔圈平臺均設(shè)置聯(lián)合平臺,方便人員檢修。

空冷器應(yīng)布置在構(gòu)架頂層,且位于再沸器平臺上方,因再沸器自身尺寸較大,頂部閥門儀表均需操作,須設(shè)置罐頂平臺,并考慮操作的安全間距。同時(shí)還需考慮空冷平臺下方至少應(yīng)留有1.2～1.5 m的布管空間,方便空冷進(jìn)出口及蒸汽凝液等公用工程管線的安裝。綜合考慮將空冷器布置在El 25 000 m層平臺上。該層構(gòu)架平臺與四個(gè)側(cè)線塔圈平臺均設(shè)置聯(lián)合平臺,方便人員檢修。

其余管線布置原則有:空冷器進(jìn)出口管線與空冷器接口連接時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行對稱要求;布置在框架外側(cè)的立管,除部分與側(cè)線塔連接的管線布置在框架北側(cè)外,其余立管均從框架南側(cè)上下,避免與測線塔平臺碰撞;框架各層平臺下均設(shè)置管線支撐梁,其與平臺梁之間應(yīng)留有1.2～1.5 m凈距,在此空間可實(shí)現(xiàn)管線錯(cuò)層布置,方便工藝及公用工程管線進(jìn)出裝置。

3.3 裂化側(cè)線塔重難點(diǎn)管線布置說明

裂化精餾塔減一線(設(shè)計(jì)溫度:250 ℃,操作溫度:108 ℃ 常壓)、減二線(設(shè)計(jì)溫度:250 ℃,操作溫度:139 ℃ 常壓)、減三線(設(shè)計(jì)溫度:300 ℃,操作溫度:153 ℃ 常壓)和減四線(設(shè)計(jì)溫度:300 ℃,操作溫度:175 ℃ 常壓)分別從裂化精餾塔不同高度管口自流至側(cè)線塔。這幾根管線上均設(shè)置調(diào)節(jié)閥組(工藝要求盡量靠近側(cè)線塔管口布置),調(diào)節(jié)閥組前設(shè)置流量計(jì)和開工油線。根據(jù)側(cè)線塔和精餾塔的布置位置考慮,應(yīng)將上述管線上的閥組和流量計(jì)、開工油線分層布置。經(jīng)應(yīng)力計(jì)算,此類管線上應(yīng)設(shè)置彈簧和限位措施,根據(jù)彈簧高度及平臺標(biāo)高合理選擇支簧和吊簧。

側(cè)線塔頂出氣線返回至裂化精餾塔,氣線直徑較大,最大口徑達(dá)到+DN600 m,該管線操作溫度較高,其設(shè)計(jì)溫度為300 ℃,操作溫度為186 ℃ 常壓。由于側(cè)線塔距離裂化精餾塔較近,且該管線立管部分較長,水平方向管線不足以抵消垂直管線位移,應(yīng)力計(jì)算不易通過,因此在裂化側(cè)線塔框架區(qū)段內(nèi)的管線均設(shè)置彈簧,個(gè)別支架應(yīng)設(shè)置限位和導(dǎo)向。因?yàn)橹Ъ芴幒奢d較大,支架位置應(yīng)選在主梁主柱上,保證管線的運(yùn)行安全。

再沸器頂部氣向返塔線,最大口徑為DN600 m,其設(shè)計(jì)溫度為250 ℃,操作溫度為203 ℃ 常壓。管線直徑大,構(gòu)架小,設(shè)備多,且側(cè)線塔和再沸器只能一一對應(yīng),不能錯(cuò)開布置,因?qū)痈呤芟?該管線自再沸器頂部引出后只能平拐出裝置。經(jīng)應(yīng)力計(jì)算該管線需設(shè)置彈簧支架和限位導(dǎo)向支架,且荷載較大,不能依靠平臺梁支撐,綜合考慮,該管線最佳布置方案為:自再沸器頂部引出后,留有足夠的凈空,并平拐至臨近柱子邊緣,利用柱子外挑三角撐對管線支架進(jìn)行支撐。同時(shí)為滿足管子柔性,合理設(shè)計(jì)側(cè)線塔接口位置,使管線形成π彎,盡量做到利用最少的彎頭滿足管線應(yīng)力要求。盡量將荷載較大點(diǎn)設(shè)計(jì)在框架柱子處,將荷載較小的點(diǎn)利用設(shè)備支撐。

4 技術(shù)成果

本項(xiàng)目建設(shè)在已建成項(xiàng)目中,占地尺寸與方位受限,在滿足工藝流程要求的前提下,為滿足規(guī)范要求、檢維修方便、節(jié)省占地,對設(shè)備布置進(jìn)行了一些優(yōu)化設(shè)計(jì),主要有如下幾點(diǎn):

(1)由于熱油設(shè)備與其他可燃液體設(shè)備需4.5 m間距,重沸器需高于地面16 m,需放在框架上,而塔頂分液罐、回流罐、水封罐、真空泵、空冷器均有嚴(yán)格的高差、自流要求,在立面布置上優(yōu)化層高設(shè)置,滿足高差、自流要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了將熱油設(shè)備與其他可燃液體設(shè)備分層布置,重沸器中間放置占地極小的水封罐,平臺樓板采用無泄漏的封閉式樓板,既滿足了安全生產(chǎn)的要求,又縮小框架規(guī)模,節(jié)省占地。

(2)考慮熱油泵作為動設(shè)備在安全和檢維修要求上的特殊性,與普通熱油設(shè)備區(qū)分考慮。由于熱油泵與冷油設(shè)備需4.5 m間距,且不宜放在冷油設(shè)備下方,框架下空間有限,經(jīng)綜合考慮,泵的布置利用裝置末端的空余占地將熱油泵布置在框架外,其他泵(真空泵除外)布置在框架下;各類泵集中成排布置,且符合就近布置的原則;在框架內(nèi)設(shè)置了一條能直通框架外的檢修通道。這樣提高了框架的安全性、檢維修更方便、占地合理、管線集中、用電集中。

(3)使設(shè)計(jì)更人性化,檢維修更方便。在以往項(xiàng)目中業(yè)主經(jīng)常提出高塔上檢維修比較耗費(fèi)體力,存在安全隱患,此次設(shè)計(jì)時(shí)為了解決這一問題,盡量考慮將塔器平臺與框架平臺作為聯(lián)合平臺統(tǒng)籌考慮,將兩個(gè)平臺布置在同一高度,使之能夠聯(lián)通,既方便了現(xiàn)場巡檢也降低了安全風(fēng)險(xiǎn),達(dá)到了事倍功半的效果,兩臺塔分別有4處和5處與框架平臺相連。另外還將空冷器平臺與框架平臺相連,框架平臺與塔平臺相連。

(4)將之前項(xiàng)目常用的單跑樓梯改為雙跑樓梯,上下樓梯在一處,檢維修更方便,也更利于安全疏散,同時(shí)將樓梯間單獨(dú)升至需要的高度,使得塔進(jìn)料管線和安全閥管線配管更合理。

(5)本分區(qū)的閥組在滿足就近原則的情況下,選擇集中成排布置在框架邊緣,使其兼具操作方便、少占用通道、美觀的優(yōu)點(diǎn)。

5 總結(jié)

本論文所研究的項(xiàng)目為神華寧煤400萬t/a煤炭間接液化項(xiàng)目油品加工裝置產(chǎn)品提質(zhì)單元裂化側(cè)線塔框架區(qū),該項(xiàng)目詳細(xì)設(shè)計(jì)階段始自2018年6月至2019年8月成品文件存檔結(jié)束。該項(xiàng)目特點(diǎn)是構(gòu)架與管廊共用部分梁柱,巧妙地突破了單元占地不足的限制。在實(shí)現(xiàn)裝置功能的基礎(chǔ)上,使單元內(nèi)布置得更加緊湊。該分區(qū)的不足之處在于工藝較簡單,所用到的材料等級少,缺乏大型設(shè)備(如加熱爐和壓縮機(jī)等)。但該區(qū)所涉及的設(shè)備種類較多(如塔器、空冷器、再沸器、換熱器、分水罐、油泵等)。涵蓋的專業(yè)也比較多(如工藝、設(shè)備、建筑、結(jié)構(gòu)、儀表、電氣、給排水等),區(qū)內(nèi)管線種類齊全(包括工藝管線、公用工程管線、軟管站、伴熱站和消防豎管等)。綜上所述,該項(xiàng)目非常適合歸納總結(jié)。