趙素娟

(青島武船麥克德莫特海洋工程有限公司,山東 青島 266520)

石化裝置中塔器設(shè)備尤為常見,主要有反應(yīng)塔、吸收塔、蒸餾塔、萃取塔以及洗滌塔等,

作為重要的傳質(zhì)和傳熱的設(shè)備,塔器在裝置中起著核心作用,同時通過頂端、側(cè)端,下端產(chǎn)物確定產(chǎn)品方向。市場上對化工產(chǎn)品的不斷精細化,使得石化裝置對塔器的內(nèi)部科技——塔盤設(shè)計、催化劑種類設(shè)計等要求越來越苛刻,同時塔器在石化裝置中的外部要求——塔器平面布置、管道設(shè)計等要求也在不斷優(yōu)化中。

1 塔平面布置

在石油化工裝置中,尤其在裝置的產(chǎn)品分離部分,幾乎每套裝置都包含數(shù)臺塔器,塔系統(tǒng)通常包含進料加熱器、重沸器、空冷器、回流罐、回流泵、塔底泵等相關(guān)設(shè)備,按照工藝流程順序靠近布置的原則就近布置系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備,便于操作管理。圖1是某石化10萬t/a碳九分離裝置中的塔平面布置。

圖1 某石化10萬t/a碳九分離裝置設(shè)備布置圖

1.1 塔器布置方式

以上設(shè)備布置圖中的C-1201、C-1202、C-1301、C-1601及其系統(tǒng)中的設(shè)備均布置在相應(yīng)塔附近的構(gòu)架-4、構(gòu)架-5、構(gòu)架-6中。項目中塔是單排布置,中心對齊。另外對于直徑較小、本體較高的塔,可雙排布置或成三角布置; 而對于直徑小于或等于1 m的塔宜布置在構(gòu)架內(nèi)或構(gòu)架的一側(cè),可用支耳固定,依次提高其穩(wěn)定性。

1.2 塔與塔、塔與管廊間距

因項目中C-1201、C-1202相關(guān)聯(lián)設(shè)備大部分布置在構(gòu)架-5上,因此C-1201、C-1202沿管廊布置,便于塔與關(guān)聯(lián)設(shè)備間的管線布置,C-1201塔底泵P-1204置于管廊下方,C-1202塔底泵P-1205置于構(gòu)-5地面層,因此塔與管廊之間無泵布置情況,C-1201直徑2.6 m,C-1202直徑1.8 m,兩塔中心線距管廊立柱中心線設(shè)計取6.5 m,以此滿足規(guī)范大于3 m的要求。兩塔單排布置,考慮到塔底液位計布置比較密集,加之人孔的布置方位,以及兩塔之間的聯(lián)合平臺的布置,所以兩塔之間間距設(shè)計取6 m,6-1.3-0.9=3.8 m大于2.5 m的設(shè)計要求[1]。

1.3 塔的安裝高度

塔的安裝高度主要由相關(guān)的工藝要求決定,當(dāng)利用內(nèi)壓或流體重力將塔底物料送往其他設(shè)備或管道時,塔的安裝高度應(yīng)由其內(nèi)壓和被送往設(shè)備或管道的壓力、高度和輸送管道壓力降決定;當(dāng)用泵輸送時,安裝高度要考慮泵的必需汽蝕余量(NPSHr);帶有非明火加熱的重沸器的塔,安裝高度應(yīng)按塔和重沸器之間的操作要求確定。另外,塔的安裝高度還應(yīng)滿足塔底管道安裝和操作所需要的最小凈空,且塔的基礎(chǔ)面高出地面不應(yīng)小于200 mm[2]。再結(jié)合具體的工藝流程之后可以將相鄰的塔做成聯(lián)合平臺。

圖2是某石化10萬t/a碳九分離裝置中的C-1201(碳九分離塔)、C-1202(單體分離塔)底部的立面圖,重沸器管程為工藝介質(zhì),殼程為高壓蒸汽,設(shè)計確定裙座高度需考慮的因素如下:

圖2 某石化10萬t/a碳九分離裝置C-1201、C-1202

(1)塔底泵的必需汽蝕余量(2 m);

(2)泵入口管路壓力降(約10 kPa);

(3)重沸器凝結(jié)水液面要高于凝結(jié)水罐封頭的要求;

(4)重沸器進出口管線應(yīng)力計算要求;

(5)C-1201、C-1202聯(lián)合平臺的需求;

(6)塔底管道標(biāo)高與管廊側(cè)梁標(biāo)高一致的角度;

(7)裕量0.5 m。

綜合以上因素C-1201、C-1202裙座高度設(shè)計取值7 m。

2 塔體開口的布置

塔體上的開口數(shù)量與其他設(shè)備相比要多很多,在塔體上開口時,應(yīng)詳細了解工藝要求(各個管口的目的性)和塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。塔體的開口方位應(yīng)滿足工藝、儀表要求并便于操作及檢修,同時也應(yīng)考慮與塔開口連接的管道布置,且因塔管口較多,應(yīng)避免管道交叉。在布置塔的設(shè)備位置時,就應(yīng)該考慮到塔體的管道側(cè)和操作側(cè)的方位。當(dāng)兩塔相鄰布置時,還需統(tǒng)籌考慮聯(lián)合平臺的設(shè)置。我們常見的是單/雙溢流塔,因此本文主要針對單/雙溢流塔的開口方位進行闡述。

2.1 塔頂管口布置

塔頂管口方位并沒有特殊要求,主要考慮空間及連接管線,例如,安全閥口,因安全閥體較大,加之通常安全閥一開一備加跨線,所占空間較大,因此需主要考慮空間因素。

2.2 塔人孔/手孔的布置要求

人孔的主要作用是裝配、檢查和檢修內(nèi)件,因此塔人孔的方位首先應(yīng)置于操作側(cè),其次設(shè)置人孔方位必須考慮塔內(nèi)部構(gòu)造,例如塔盤方位,因為人孔即人員進出塔內(nèi)部的通道,必須考慮其可操作性及安全性,人孔應(yīng)置于塔盤上方,不得設(shè)在降液管/槽的上方,另外一座塔上的人孔宜布置在同一垂直線上,既操作方便,又美觀。單/雙溢流塔的人孔方位見下圖3～4。

圖3 雙溢流塔人孔

圖4 單溢流塔人孔

2.3 回流口與進料口的布置

回流口/進料口通常布置在塔板上方的管道側(cè),管口方位與塔板溢流方式密切相關(guān),主要分為管口有無分配管兩種情況,最佳進料/回流管口方位是與降液板垂直方向布置在非降液槽側(cè)管口(遠離降液槽的方向),如下圖5～6。

圖5 單溢流塔無分配管

圖6 單溢流塔有分配管

雙溢流塔可參考單溢流塔進料/回流口與降液槽相對位置而確定。在此不再贅述。

2.4 重沸器返回口要求

重沸器返回口應(yīng)設(shè)在塔中心上,并與降液槽平行布置,另外,重沸器管口接管通常是應(yīng)力管道,因此在考慮方位時除考慮塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)外,應(yīng)力計算因素也是重點。

2.5 儀表口要求

儀表接口方位首先應(yīng)考慮的是操作、檢修的因素,因此儀表管口應(yīng)布置在操作側(cè),在此僅講述液位計及溫度計的管口規(guī)劃。

液位計:液位計應(yīng)安裝在液面波動較小的位置,不宜布置在進料和重沸器返回管口正對面的60°范圍內(nèi),溫度計:規(guī)劃壓力表/溫度計開口時,首先要明確儀表要測量的是氣體還是液體?如果需要測量液體溫度,則開口應(yīng)在降液板上0.1 m以內(nèi),如果需要測量氣相溫度,則應(yīng)高于塔盤上0.1 m,特別需要注意的是,因為溫度計需要伸入管嘴一定的長度,如果降液槽的寬度過窄,則溫度計管口需要平行于降液板的方位布置。以防溫度計插不進去,通常塔內(nèi)保留溫度計的空間最小為0.6 m。

當(dāng)位置較高的遠傳儀表不方便放在平臺上時,可將其布置在直爬梯附近,便于觀測。

2.6 塔底出料口管道方位布置

塔底出料口管道方位主要考慮因素是管道的柔性,通常根據(jù)操作條件以增加彎頭來調(diào)整柔性。此管口的高度在塔安裝高度時已考慮。當(dāng)重沸器為立式時,因為重沸器的安裝高度等因素,塔底出料口的管口高度應(yīng)與工藝專業(yè)共同商定。

3 塔平臺設(shè)置

平臺即方便操作、檢修、檢查、調(diào)節(jié)和觀察的通道,因此,人孔、閥門、儀表管口所在處必須設(shè)置平臺,需要注意的一些細節(jié)有:

(1)平臺標(biāo)高通常要高于管嘴凈空0.15 m,當(dāng)管口為液位計管口時,需確認液位計是否有排凝,當(dāng)有排凝時需要預(yù)留至少0.45 m的凈空。

(2)人孔中心線距離平臺的面的高度一般是0.6～1 m。最佳高度為0.8 m,手孔可抬高至1～1.5 m。

(3)當(dāng)塔頂部有冷卻器時,則封頭下方有設(shè)備殼體法蘭,此時對應(yīng)層的平臺需要設(shè)置360°設(shè)備平臺。

(4)當(dāng)相鄰塔平臺標(biāo)高接近時,可取一致標(biāo)高布置成聯(lián)合平臺。

(5)塔上下兩層平臺凈空不應(yīng)小于2.2 m,當(dāng)兩平臺高差大于10 m時,應(yīng)中間添加休息平臺。

(6)最下層平臺標(biāo)高應(yīng)不小于2.2 m。

(7)平臺的寬度應(yīng)根據(jù)人孔、儀表、閥門及閥組的布置、檢修等實際情況確定,有時部分平臺需要局部加寬,例如安全閥放置的平臺、高壓液位計(通常一次閥為雙高壓閥)所在平臺等都需要局部加寬。

(8)附近有框架平臺的情況需要增加走橋。

4 塔管道布置及支架設(shè)置

塔的管道通常分為塔頂管道、塔側(cè)管道、塔底管道。從空間考慮,通常布置塔管道時要從上到下規(guī)劃,主要考慮大直徑管道和應(yīng)力計算管道,后考慮塔底和小直徑管道;從美觀上考慮,管道應(yīng)盡量同心圓布置,或者是切線布置,但是距離塔壁凈空最少0.3 m,以方便布置支架。需要注意的是當(dāng)敷塔管道,集中荷載較大時,需提偏載給設(shè)備專業(yè)核算。在塔體設(shè)計時未考慮管系荷載,因此,在管口附近必須設(shè)置承重支架。具體見以下詳述。另外,如果塔整體需要熱處理,則敷塔管道的支架墊板(與塔體同材質(zhì))位置資料需要提前返給設(shè)備專業(yè),以便使支架的墊板與塔體整體熱處理。否則待塔體熱處理完畢再加墊板則工序復(fù)雜很多。

因塔的介質(zhì)溫度通常很高,尤其是塔底管道,因此管系需要應(yīng)力計算,根據(jù)計算結(jié)果增加彈簧支架,但值得一提的是彈簧支架并不是設(shè)置得越多越好,應(yīng)根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果在合適的位置添加彈簧支架,過多或者位置不合適的彈簧均會造成管道脫空,嚴重者會影響相連設(shè)備的穩(wěn)定性,尤其是動設(shè)備,例如機泵、壓縮機等。

4.1 塔頂管道布置及支架設(shè)置

塔頂管道通常是大直徑且溫度相對較高的氣相管道,主要包括塔頂氣、安全閥等管道,對于塔頂氣管道,它是流至換熱器/空冷器的管道,存在氣液兩相的可能,因此需要管系“步步低”,且對稱布置,同時保證其柔性;對于安全閥管線,主要分兩種情況,如果塔附近沒有高于安全閥總管的框架,則安全閥需要安裝在塔頂或者高于安全閥總管的塔平臺上,如果塔附近有高于安全閥總管的框架,則安全閥盡量布置在框架上(方便操作)。塔頂管道布置可參考下圖7～8。圖7是當(dāng)安全閥管口是獨立管口情況下的布置圖,圖8是安全閥引自塔頂氣管道時的情況。需要注意的是安全閥的相關(guān)支架需要給設(shè)備專業(yè)/結(jié)構(gòu)專業(yè)單獨提集中荷載,增加次梁,以方便安全閥出入口的支架放置。另外,安全閥管口至安全閥之間的總壓降應(yīng)小于安全閥定壓值的3%[3]。

圖7 安全閥布置圖

圖8 塔頂管道布置圖

4.2 塔側(cè)管道布置及支架設(shè)置

塔側(cè)面管道主要有進料口,回流口、重沸器返回口等重要管口的連接管。需要注意的一些細節(jié)如下:

(1)為避免積液,塔側(cè)面管道上靠近管口的閥門宜與管口直連,防止閥門關(guān)閉后管道發(fā)生積液的不良情況;

(2)當(dāng)進料管口有2個以上進口時不應(yīng)直接連接,而應(yīng)柔性連接,即管系上需要設(shè)計出一個水平管道來吸收立管因為熱膨脹而產(chǎn)生的位移;

(3)重沸器管口不僅需考慮應(yīng)力方面,還要考慮支架(彈簧支架)問題。

塔頂管道與塔側(cè)管道敷塔管線的支架布置以圖8為例來說明,支架一為承重支架(固定支架),其位置應(yīng)盡量靠近塔封頭,但支架頂標(biāo)高需小于塔封頭切線標(biāo)高200 mm,可根據(jù)管線荷載來確定承重支架所選用型鋼的型號,應(yīng)力計算時此支架或許為彈簧支架,支架二為導(dǎo)向支架,最后一個導(dǎo)向支架距離水平管線要大于25倍的管道通徑,水平管線后支架三為彈簧支架,應(yīng)力允許的情況下也可為導(dǎo)向支架。如果塔高度過高時,敷塔管線可通過改向來增加管道柔性,需要注意的是,改向后的垂直管段第一個支架應(yīng)選用承重支架,關(guān)于承重支架需要注意以下幾點[4]:

(1)管道荷載過大,一個剛性承重支架承重不滿足荷載要求時,可在垂直管中間設(shè)彈簧承重支架分擔(dān)垂直管的荷載,需注意的是在同一垂直管系上設(shè)置兩個承重支架時,剛性承重支架必須位于彈簧支架的上方,否則剛性承重支架容易脫空甚至造成安全事故;

(2)多根較大管道的承重支架不僅要在高度上錯開布置,水平方位也應(yīng)圍繞塔體盡量均勻布置,以減少塔體局部受力,否則應(yīng)給設(shè)備專業(yè)提供偏載資料;

(3)如果管道是借助塔體上行敷設(shè),例如消防蒸汽管道或是引至塔頂放空的管道,其固定承重支架應(yīng)設(shè)置在立管的下部,上部設(shè)置導(dǎo)向支架。

(4)承重支架承受的核載是管系的最重狀態(tài)時的核載,例如,如若管系需要水壓試驗,且保溫狀態(tài),則承重支架需要能承受管系充水滿管狀態(tài)且加保溫材料的核載,當(dāng)然如果介質(zhì)密度大于水如果垂直管道過長,與承重支架下方應(yīng)設(shè)置多個導(dǎo)向支架,我們需嚴格按照導(dǎo)向支架間距規(guī)范設(shè)置。在此不再贅述。

4.3 塔底管道及支架設(shè)置

塔底管道是塔管道中介質(zhì)溫度最高的管道部分,通常需要參與應(yīng)力計算,管道柔性因素是必須要考慮的,塔底管口至泵的管道應(yīng)“步步低”,管道應(yīng)在滿足柔性要求的情況下盡量減少彎頭的數(shù)量。

舉例如下:圖9為某石化柴油加氫項目中的產(chǎn)品分餾塔塔底泵的管道布置,管道介質(zhì)溫度為343 ℃,其中管系中有多個彈簧支架。從圖中可以看到,為增加管道柔性布置,塔底管口方位并未布置在正對泵的方向。

圖9 塔底泵管道布置圖

5 結(jié)論

塔器作為石化裝置系統(tǒng)中的重要組成部分,從以上論述中我們可以得出,無論是設(shè)備布置、管口方位規(guī)劃還是管道及其支架布置,其影響因素均很多,設(shè)計人員必須從工藝流程及塔內(nèi)部構(gòu)造方面,結(jié)合塔位置的實際情況出發(fā)綜合規(guī)劃塔的管道、平臺、支架,并與工藝專業(yè)、設(shè)備專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、應(yīng)力專業(yè)等多方溝通與協(xié)調(diào),以此來有效提高裝置塔的運行效率和質(zhì)量。另外,提高設(shè)計人員的綜合處理能力及較強的勝任力,最大程度上規(guī)避可能出現(xiàn)的設(shè)計偏差隱患。