孫翔

(中石化廣州工程有限公司 配管室,廣東 廣州 510630)

蠟油加氫裂化裝置主要用于將重質(zhì)蠟油在臨氫、高溫、高壓環(huán)境下,通過裂化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為輕質(zhì)油品,可提供優(yōu)質(zhì)成品油或?yàn)橄掠位ぱb置提供原料,是煉廠重要的重油轉(zhuǎn)化生產(chǎn)輕質(zhì)油品的工藝裝置,其長期穩(wěn)定運(yùn)行對煉廠經(jīng)濟(jì)效益起著至關(guān)重要的作用。進(jìn)料泵是加氫裂化裝置中液體工藝介質(zhì)升壓的重要設(shè)備,用于將過濾后的原料油升高至反應(yīng)所需的壓力,輸送至高換設(shè)備進(jìn)行換熱,在裝置中起著承上啟下的作用[1],其安全穩(wěn)定運(yùn)行對整個(gè)裝置影響巨大。進(jìn)料泵作為一種典型的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備,其操作溫度相對較高,設(shè)計(jì)壓力高,對管口受力承受能力較差,因而對其相關(guān)工藝管線的布置尤其是支架的布置有著苛刻的要求[2]。隨著單套裝置處理量的不斷增大,進(jìn)料泵本體變大,相關(guān)工藝管線口徑擴(kuò)大,管道投資費(fèi)用增加,對管道工程的可靠性及費(fèi)用提出了更為苛刻的要求,因而也對管道設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

本文結(jié)合某400萬t/a加氫裂化裝置進(jìn)料泵相關(guān)工藝管線管道布置及管道支架的設(shè)計(jì),對進(jìn)料泵的管道布置進(jìn)行探討和分析。

1 進(jìn)料泵管道布置特點(diǎn)

1.1 工藝流程簡介

某400萬t/a加氫裂化裝置采用UOP工藝包,共設(shè)置有A,S兩臺進(jìn)料泵,兩臺泵一開一備。A泵為主泵,由電機(jī)及液力透平驅(qū)動(dòng),S泵為備泵,由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。入口管道自原料油緩沖罐來,出口管道去高換。液力透平原料自熱高分來,降壓后至熱低分。進(jìn)料泵出口有到入口的最小流量線,采用多級孔板降壓。工藝流程如圖1所示。

1.2 平面布置簡介

隨著煉油工業(yè)發(fā)展,煉廠規(guī)模越來越大,因而單套裝置處理量不斷變大[3]。進(jìn)料泵的處理能力也隨之增大,進(jìn)而泵的體積變大。由于進(jìn)料泵體積增大,且多為頂進(jìn)頂出形式,其長度較長,按照目前規(guī)范要求,布置于管廊下方將對管廊整體層高產(chǎn)生極大影響,增加管廊整體土建投資。為方便進(jìn)料泵的檢修及管道布置和閥門操作,一般大型加氫裝置進(jìn)料泵均布置于主管廊外側(cè),考慮到入口管線壓降盡量小,原料油緩沖罐至泵就近布置。圖2為某400萬t/a蠟油加氫裝置進(jìn)料泵及其相關(guān)設(shè)備的平面布置圖。

如圖2所示,進(jìn)料泵及原料油緩沖罐均布置在主管廊東側(cè),裝置檢修道路西側(cè)。其中,進(jìn)料泵與其他高壓泵一起布置在原料油緩沖罐的北側(cè),備泵S布置在相對更靠近原料油緩沖罐的南部,主泵A平行布置在備泵北側(cè),兩泵中心線間距為12.5 m,主備泵之間布置有油站。泵中心線均與主管廊軸向垂直,泵端及油站基礎(chǔ)邊取齊布置,距主管橋軸線9 m。泵東側(cè)為電機(jī)端,有檢修區(qū)域及裝置內(nèi)道路,可滿足泵的檢維修吊裝操作。由于進(jìn)料泵為頂進(jìn)頂出形式,泵體較大,進(jìn)出口嘴子較高。為滿足入口步步低布置及入口閥門操作及支撐,在泵端側(cè)設(shè)置構(gòu)架,高位油箱布置于泵端構(gòu)架最頂層。

1.3 加氫進(jìn)料泵管系特點(diǎn)

進(jìn)料泵管系主要包括泵進(jìn)出口管道及透平進(jìn)出口管道。管道主要特性參數(shù)如表1所示:進(jìn)料泵入口管道操作壓力低,口徑較大,壁厚較薄,管道柔性較好,但入口管線為滿足壓降要求,不允許設(shè)置過多彎頭來滿足管道的柔性,在進(jìn)行管道布置及支架設(shè)置時(shí),需注意這一特點(diǎn)。且入口管道起止點(diǎn)兩設(shè)備距離較近,有步步低的布置要求,其管道走向可調(diào)空間較小,在布置時(shí)需更加注意。

表1 加氫進(jìn)料泵工藝管道主要特性參數(shù)

相比于泵入口管道,泵出口管線口徑略小,操作壓力較高,壁厚較厚,管道柔性較差,但出口管線可適當(dāng)多設(shè)置彎頭,如組成π彎吸收管線熱脹。由于出口管道距離靜設(shè)備距離較遠(yuǎn),走向變化余地大,可調(diào)整空間大。

透平管道材質(zhì)與進(jìn)出口管道不同,管線溫度更高,故采用耐高溫的不銹鋼或合金鋼材質(zhì),造成管線熱脹量更大,因此應(yīng)特別注意管線熱脹的消除,彈簧的選擇,以及高溫下管道熱脹后的碰撞檢查。

由于裝置規(guī)模較大,隨之帶來管徑變大,管道柔性變差。且裝置大型化后,進(jìn)出口管道所用閥門均為電動(dòng)或氣動(dòng)閥,其重量及所需操作檢修空間變大,給管線布置及平臺設(shè)置提出了更高要求。在進(jìn)行管道布置時(shí),除參考其他同類型裝置布置外,應(yīng)給予管系更大的柔性裕量,同時(shí),應(yīng)充分考慮在檢修時(shí)機(jī)具進(jìn)出空間以及吊裝空間。另外,進(jìn)料泵進(jìn)出口管線保溫厚度均大于80 mm,在進(jìn)行管道布置及支架設(shè)置時(shí),管底標(biāo)高應(yīng)多考慮一些[4],防止支撐梁與管道保溫相碰。

2 進(jìn)料泵管道布置分析及支架設(shè)計(jì)

由于進(jìn)料泵屬于典型的轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備,嘴子受力對于泵的運(yùn)行影響巨大,若管嘴受力超標(biāo),容易造成管嘴變形,設(shè)備振動(dòng),嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生軸承損壞或法蘭泄漏。因此,對于進(jìn)料泵進(jìn)出口管線管道布置及支架設(shè)置,在滿足工藝要求的情況下,應(yīng)優(yōu)先滿足管嘴受力的要求。實(shí)際工作中,鑒于工作分工問題,不可能由應(yīng)力工程師反復(fù)計(jì)算和嘗試管線走向,因此在管線走向提交應(yīng)力工程師計(jì)算之前,應(yīng)結(jié)合設(shè)備平面布置特點(diǎn),對管線走向進(jìn)行初步優(yōu)化,以減少管線設(shè)計(jì)及應(yīng)力的反復(fù)設(shè)計(jì)計(jì)算,提高工作效率。

2.1 泵入口管線

進(jìn)料泵入口管線初步走向如圖3。

圖3 進(jìn)口管線3D模型圖

進(jìn)料泵入口管線采用步步低布置,分支管由主管斜向下引出。由于原料油緩沖罐與進(jìn)料泵主泵南北向距離為28 m,管橋上南北向管道長度約為23 m,南北方向熱脹量較大,如不利用管道自然補(bǔ)償吸收,會(huì)使泵入口管嘴受到南北向過大的推力。不利于泵的安全運(yùn)行。因此,入口管線在進(jìn)入管橋后,并未緊靠東側(cè)柱子布置,而是適當(dāng)將管橋上管線向西布置,增加?xùn)|西向管線長度,以增大與南北向管線垂直方向的長度,從而增加管線柔性,應(yīng)力分析初始走向如圖4所示。

圖4 進(jìn)口管線應(yīng)力分析空視圖

經(jīng)過應(yīng)力工程師初步計(jì)算,管線走向無法滿足管嘴受力的要求,備泵管嘴受力過大。主要原因在于備用泵運(yùn)行時(shí),其管線熱脹影響處于冷態(tài)的主泵入口管線,造成主泵管嘴收到的力矩超過允許范圍,因而修改備泵入口管線走向如圖4中實(shí)線所示,利用新增的南北向管道,吸收泵入口過濾器前東西向管道熱脹,可有效降低主泵管嘴收到的力矩。另外,過濾器后的支架采用止推+低摩擦形式,一方面杜絕東西向管道熱脹對嘴子的推力及力矩,另外一方面使過濾器后管線可相對自由地向遠(yuǎn)離嘴子方向熱脹,減少因摩擦阻力作用過大而超過泵嘴子的受力要求。止推+低摩擦支架選用平管支托與管托組合的形式實(shí)現(xiàn),如圖5所示。

圖5 低摩擦支架組裝簡圖

通過如上管線走向及支架優(yōu)化,泵入口管嘴處受力值計(jì)算結(jié)果與允許受力值比較見表2。

表2 主備泵入口管嘴受力值結(jié)算結(jié)果與允許結(jié)果對比表

由表2中數(shù)據(jù)可以看出,主備泵入口管嘴受力值及力矩值均小于允許值,受力合格,可滿足泵正常運(yùn)行需求。

2.2 泵出口管線

進(jìn)料泵出口管線走向如圖6所示。

圖6 出口管線3D模型圖

泵出口管線流程較復(fù)雜。出口管線閥組平行于主管橋布置在進(jìn)料泵對面管橋下方,主備泵出口管線于管橋另外一側(cè)匯合后,在原料油緩沖罐對面管橋下方與循環(huán)氫混合后去高換。泵的最小流量線則在管橋地面上從主管上分出,在地面走平π后,于管橋主梁上匯合后去原料油緩沖罐。對于泵出口管線,在地面上的閥組相當(dāng)于一個(gè)立π,可吸收東西向及南北向管道熱脹。但是由于泵出口至管橋處東西向管線熱脹產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)對泵出口嘴子產(chǎn)生較大的力矩及推力。因此,在管道出口南北向管道上(1點(diǎn))設(shè)置導(dǎo)向支架,將使管道向遠(yuǎn)離泵出口側(cè)熱脹,使管嘴受到的扭矩為0,東西向推力極小。同時(shí)設(shè)置兩處支架(1,3點(diǎn))承受東西向管線熱脹產(chǎn)生的二次應(yīng)力。在出口π彎處(1,2點(diǎn))設(shè)置彈簧,可吸收立管產(chǎn)生的熱脹,減小管嘴所受垂直方向上的壓力。在彈簧支架處同時(shí)采用低摩擦支架,可減少摩擦力對管嘴的作用。

通過如上管線走向及支架優(yōu)化,泵出口管嘴處受力值計(jì)算結(jié)果與允許受力值見表3。

表3 主備泵出口管嘴受力值結(jié)算結(jié)果與允許結(jié)果對比表

由表3中數(shù)據(jù)可以看出,主備泵出口管嘴受力值及力矩值均小于允許值,受力合格,受力合格,可滿足泵正常運(yùn)行需求。

2.3 透平進(jìn)出口管線

液力透平出入口管線走向如圖7所示。

圖7 透平進(jìn)出口管線3D模型圖

透平入口管線自熱高分來,切斷閥布置于熱高分附近,過濾器布置在透平南側(cè),管線走向與泵軸平行,出口管線去熱低分,出口切斷閥布置于透平附近,管線平行于泵軸布置于透平南側(cè)。管線南北走向與東西走向長度比例接近于1∶1,可通過管線自然補(bǔ)償吸收熱脹。但由于管線熱脹及摩擦阻力的作用,對透平出入口的管嘴作用力仍然過大。因此,在平行于泵軸方向的管道上設(shè)置軸向限位支架(2點(diǎn)),隔絕東西向管道熱脹產(chǎn)生的二次應(yīng)力對管嘴的影響。同時(shí),透平出入口水平管線平行布置設(shè)置平π,以吸收軸向限位支架到透平管嘴之間管線產(chǎn)生的熱脹。在1點(diǎn)設(shè)置彈簧,吸收立管產(chǎn)生的熱脹位移,同時(shí)采用低摩擦組件,以減少摩擦阻力對管嘴的影響。

通過如上管線走向及支架優(yōu)化,透平出入口管嘴處受力值計(jì)算結(jié)果與允許受力值見表4。

表4 透平出入口管嘴受力值結(jié)算結(jié)果與允許結(jié)果對比表

由表中數(shù)據(jù)可以看出,透平出入口管嘴受力值及力矩值均小于允許值,受力合格,受力合格,可滿足泵正常運(yùn)行需求。

3 進(jìn)料泵平臺及構(gòu)架設(shè)置

進(jìn)料泵平臺承擔(dān)著支撐管道,為閥門提供操作平臺,為泵附屬設(shè)備及管道提供支撐及檢修平臺的作用。同時(shí),操作平臺的設(shè)置亦需在降低投資額的約束下,考慮泵體的外形,泵的檢修,電機(jī)吊裝的空間。在設(shè)置平臺時(shí),應(yīng)綜合考慮各方面的制約因素,合理設(shè)置平臺構(gòu)架。

3.1 泵出入口操作平臺設(shè)置

由于裝置規(guī)模較大,泵體較高,考慮檢修吊梁的布置,出入口操作平臺高度不能過低。根據(jù)檢修吊梁所需高度要求,泵出入口平臺設(shè)置為與主管橋最低層側(cè)梁標(biāo)高一致。為方便操作,泵出入口平臺應(yīng)設(shè)置盡量寬,但過寬的平臺,其承重梁會(huì)設(shè)置在電機(jī)上方,阻礙電機(jī)吊裝維修。因此,在設(shè)置平臺時(shí),應(yīng)結(jié)合進(jìn)料泵圖紙計(jì)算平臺寬度。高位油箱位于機(jī)組的上方,安裝高度應(yīng)滿足制造廠的要求,進(jìn)料泵構(gòu)架上單獨(dú)為高位油箱及其三閥組設(shè)置操作平臺,并將兩臺高位油箱布置在一起以方便集中操作巡檢,圖8為進(jìn)料泵平臺構(gòu)架模型圖。

3.2 透平構(gòu)架設(shè)置

透平進(jìn)出口管線相關(guān)閥門均布置在地面,因此構(gòu)架設(shè)置僅需要滿足透平進(jìn)出口管線的支撐,無需設(shè)置平臺。但在設(shè)置支撐梁時(shí),需認(rèn)真核對其與泵本體及附屬管線是否相碰,以減少施工現(xiàn)場變更,達(dá)到最優(yōu)效果。

4 結(jié)論

進(jìn)料泵作為加氫裝置重要的升壓設(shè)備,其管嘴受力要求苛刻,相關(guān)工藝管線力學(xué)特征明顯。通過對某400萬t/a蠟油加氫裂化裝置進(jìn)料泵的管線布置及支架設(shè)計(jì)進(jìn)行分析介紹,總結(jié)出對于管道設(shè)計(jì)專業(yè),應(yīng)在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上,通過合理的平面布置,管道走向設(shè)置及支架設(shè)計(jì),滿足管嘴受力要求,確保進(jìn)料泵安全穩(wěn)定運(yùn)行,同時(shí)也可為其他裝置同類設(shè)備的管線設(shè)計(jì)提供借鑒參考。