連續(xù)重整裝置平面布置及管道設計

陳杰 中國石化集團洛陽石油化工工程公司 洛陽 471003

連續(xù)重整裝置平面布置及管道設計

陳杰*中國石化集團洛陽石油化工工程公司 洛陽 471003

以某1.0Mt/a連續(xù)重整裝置為例，介紹反再部分的設備平面布置、反應構(gòu)架、再生構(gòu)架、壓縮機機組廠房布置及管道布置選材，提出存在的問題和建議。

裝置布置管道設計問題建議

連續(xù)重整是石油煉制與化工的支柱技術(shù)之一，主要產(chǎn)品中的重整生成油是高辛烷值汽油調(diào)合組分，全球70%以上芳烴來自重整芳烴;重整氫氣是廉價氫源，煉化企業(yè)50%以上的用氫由重整提供，因此連續(xù)重整關(guān)系到國計民生［1］。在連續(xù)重整裝置的設計、施工、運行過程中，管道設計在每一個階段都起到了至關(guān)重要的作用和影響。平面布置的優(yōu)、劣和管道布置的好、壞直接決定了該套裝置的工藝流程實現(xiàn)、投資高低、運行平穩(wěn)、檢修難易等諸多因素，對環(huán)境的影響也非常巨大。因此，在裝置的規(guī)劃、設計和施工中必須認真對待和考慮。

連續(xù)重整裝置的核心是重整反應及催化劑再生部分(下稱反再部分)和壓縮機機組及廠房部分(下稱壓縮機部分)，結(jié)合某分公司1.0Mt/a連續(xù)重整裝置，介紹其裝置的平面布置及工藝管道設計。

1 反再部分構(gòu)架設備平面布置

反再部分由重整混合進料換熱器(下稱板換)系統(tǒng)、重整反應系統(tǒng)、再生系統(tǒng)、四合一爐系統(tǒng)和余熱回收系統(tǒng)等組成。根據(jù)流程特點、全廠總平面布置及重整反應油氣管線受力要求和其支架設置的要求，反再部分平面布置方案為:從主管架依次為板換構(gòu)架、再生構(gòu)架、反應構(gòu)架和余熱回收構(gòu)架，上述構(gòu)架均為共柱。反再構(gòu)架和四合一爐正對，其間為爐前管架，該管架與反再構(gòu)架共柱。見圖1。

1.1 反應構(gòu)架設備平面布置

重整反應構(gòu)架主要包含兩臺反應器(下稱一二反，三四反)、還原室、二反下部料斗、二反提升器、三反上部料斗、四反下部料斗、四反提升器。重整催化劑在重力作用下從還原室自流而下，先后經(jīng)過一二反，然后由二反提升器用氫氣提升至三反上部料斗，并自流進入三四反。從四反底部出來的催化劑由四反提升器用氮氣提升至再生構(gòu)架上的分離料斗。在此過程中，進入重整反應器的精制石腦油與反應器內(nèi)連續(xù)向下移動的重整催化劑在臨氫條件下對烴類分子結(jié)構(gòu)進行重新排列，得到高辛烷值汽油組分和芳烴類產(chǎn)品以及氫氣等。重整的反應部分在裝置中起到了至關(guān)重要的作用，通常被喻為裝置的“關(guān)鍵部位”。

圖1 反再部分構(gòu)架平面布置示意

1.1.1 功能劃分

根據(jù)工藝流程要求、結(jié)合設備平面布置及管道走向的特性，并考慮到施工和檢修的因素，在設計階段應把構(gòu)架分為相對獨立的管道側(cè)和檢修側(cè)。

管道側(cè)主要為面向四合一爐和爐前管橋的構(gòu)架側(cè)，此側(cè)構(gòu)架可設置大型的外伸管道承重支架、外伸檢修平臺及外挑的小型設備等。其分布的管道主要為反應器、四合一爐間的P11反應油氣管道和連接反應構(gòu)架內(nèi)設備與爐前管橋間的工藝及公用工程管道等。

檢修側(cè)為面向檢修道路的構(gòu)架側(cè)，此側(cè)構(gòu)架應盡量避免凸出構(gòu)架梁的布置，防止裝、卸過程中被吊裝設備及料斗磕碰到凸出的平臺物體，影響吊裝效果及進度。

1.1.2 構(gòu)架布置

兩臺反應器的裙座安裝層高決定了反應構(gòu)架的整體層高，裙座安裝層主要通過與其相連的下部料斗和提升器的安裝高度來確定。首先，根據(jù)二反、四反提升器的提升氣入口管系最低標高確定提升器的安裝高度。然后根據(jù)二反、四反提升器至各自下部料斗的垂直長度，明確下部料斗安裝高度。再根據(jù)反應器至下部料斗的“催化劑料腿”間長度，就明確了反應器裙座安裝層高。因兩臺反應器的外型尺寸不同，為了統(tǒng)一反應構(gòu)架平臺層高及考慮所在管道、設備在設計和施工階段的可行性和美觀性，兩臺反應器裙座安裝層高應取上述計算后較大值為最終層高。因安裝層為混凝土平臺，厚度達1.8m、柱子直徑達1.5m。此部分的管道布置、支架安裝、設備安裝等問題均應做詳細規(guī)劃、資料委托，避免設計后期和施工過程中出現(xiàn)管道碰撞、支架和小型設備生根困難等問題，影響設計質(zhì)量和施工進度。

1.1.3 電動葫蘆及吊梁

根據(jù)工藝要求及設備特性決定了反應器內(nèi)中心管、扇型筒需進行檢修和安裝。在進行構(gòu)架規(guī)劃時，其頂部設置吊梁和電動葫蘆要滿足抽出的中心管和扇型筒長度及重量要求，同時還要起到裝置開工前給反應器裝填催化劑的作用。鑒于此，對電動葫蘆進行選型時，應仔細考慮裝填催化劑時電動葫蘆的工作狀態(tài)，如荷重不同的狀態(tài)下正常和間斷的操作工況、電動葫蘆的電機采用一開一備，以防止電動葫蘆因長時間、滿荷載操作等原因而發(fā)生機械故障，影響裝置開工進度。

電動葫蘆所在吊梁的外伸長度應滿足被吊件的最大外型尺寸，同時還要照顧到電動葫蘆處于吊鉤最高端和最低端時吊繩間的水平位移及行車死區(qū)等細節(jié)因素，防止吊梁的外伸長度過短影響到吊裝內(nèi)構(gòu)件及裝填催化劑時的效果。

1.1.4 反應構(gòu)架吊裝要求

吊裝中心管、扇型筒時，還原室、三反上部料斗和所屬的管系、平臺等要具備現(xiàn)場可拆的條件。主要是把反應器頭蓋所處的平臺向上至檢修吊梁間每層靠近構(gòu)架“檢修側(cè)”的平臺和梁設置為螺栓連接或其它可拆形式的連接;還原室、上部料斗所屬的管系均用可拆卸的法蘭連接。

1.2 再生構(gòu)架設備平面布置

再生構(gòu)架主要包含分離料斗、閉鎖料斗、再生器、再生器下部料斗、再生器提升器等設備。再生部分的作用主要是對來自重整反應后的含焦碳催化劑(簡稱待生劑)進行一系列如燒焦、氯化、焙燒等過程實現(xiàn)催化劑再生;然后再送回重整反應器，從而使重整反應能夠連續(xù)、高效運行。1.2.1功能劃分

同反應構(gòu)架的布置原理一樣，把再生構(gòu)架分為相對獨立的管道側(cè)和檢修側(cè)。檢修側(cè)應盡量避免如外伸平臺、外伸支架、外伸管道等突出平臺物體的布置，防止裝、卸過程中被吊裝的設備及料斗磕碰到突出的平臺物體，影響吊裝的效果及進度。

1.2.2 構(gòu)架布置

分離料斗、閉鎖料斗、再生器、再生器下部料斗、再生器提升器從上至下按照流程順序依次布置，并要滿足工藝要求的垂直長度。因再生構(gòu)架內(nèi)設備較多、管系較復雜，特殊操作和觀測的部位也多，構(gòu)架每層平臺作用就變得十分重要。在上述條件下，平臺首先要能滿足每臺設備的人孔、頻繁操作的閥門、經(jīng)常觀測的壓力和液位指示器、放射性料位計和接收源的檢修、安裝、操作空間。尤其是放射性料位計和接收源的安裝、觀測、檢修必須留有足夠的空間，在設計時應充分認識其特殊性及危害性。因電加熱器臺位較多，布置電加熱器時應充分考慮抽芯時的空間要求，避免與構(gòu)架平臺梁及斜撐發(fā)生碰撞。其次，平臺標高盡量做到和其相鄰的反應構(gòu)架、板換構(gòu)架、余熱回收構(gòu)架的平臺標高相對一致，便于車間人員日常操作，巡回檢查，火災事故時直達和緊急逃生。

閉鎖料斗和再生器為垂直對中安裝。兩設備間安裝位置應根據(jù)再生器頭蓋和約翰遜網(wǎng)外型尺寸預留出足夠的偏移空間，在垂直方向和水平方向均需考慮周全以便整體吊裝。在規(guī)劃檢修吊梁時，首先需考慮把閉鎖料斗移開至再生構(gòu)架平臺的另一側(cè)安全放置。閉鎖料斗所屬的管系均要采用可拆卸的法蘭連接。為了滿足在事故狀態(tài)下快速、安全地把再生器頭蓋等整體吊出檢修，又不在現(xiàn)場動火作業(yè)，需把再生器頭蓋所處的平臺向上至檢修吊梁間每層靠近檢修側(cè)的平臺和梁設置為螺栓連接或其它可拆形式的連接。

1.2.3 電動葫蘆及吊梁

按工藝、設備要求，裝置開工前需給分離料斗內(nèi)裝填催化劑，其頂部平臺要設置吊梁及電動葫蘆。其承重荷載只需滿足料斗和催化劑重量即可，但其起吊高度應比所在平臺高出1～2m，防止因裝置內(nèi)地坪豎向、電動葫蘆廠家制造原因、吊裝用催化劑料斗的外型差別等因素，導致葫蘆吊鉤處于起吊最長端時仍然過短，影響吊裝效果。

1.3 板換構(gòu)架設備平面布置

本裝置內(nèi)板換的主要功能是精制石腦油和循環(huán)氫在進板換進行混合并與反應產(chǎn)物換熱。

板換構(gòu)架的跨度及板換位置要充分考慮到其本體“噴嘴”(石腦油進料管嘴分配器)的管道布置及檢修空間要求;同時還要考慮到反應油氣管線的規(guī)劃布置，使板換嘴子受力盡可能小且管道長度盡可能短。

1.4 余熱回收構(gòu)架設備平面布置

(1)余熱回收構(gòu)架內(nèi)主要包括中壓汽水分離器(下稱汽包)、定期排污擴容器、加藥裝置、循環(huán)熱水泵等。余熱回收系統(tǒng)的主要作用為回收重整四合一爐高溫煙氣的余熱，中壓除氧水經(jīng)過四合一爐省煤段預熱，進入汽包，然后經(jīng)循環(huán)熱水泵加壓后再經(jīng)四合一爐蒸發(fā)段加熱后返回汽包進行汽水分離，產(chǎn)生的中壓飽和蒸汽再經(jīng)過四合一爐的過熱段過熱至過熱蒸汽，送至中壓蒸汽總管。

(2)余熱回收構(gòu)架在布置時，首先需考慮汽包至循環(huán)熱水泵間的垂直高度要求，主要是基于汽包的安裝高度應大于循環(huán)熱水泵的必需汽蝕余量，即滿足循環(huán)熱水泵的吸入高度要求，循環(huán)熱水泵的安裝必須要做到由汽包嘴子到泵的入口管嘴“步步低”的原則;其次，余熱回收構(gòu)架距四合一爐省煤段、過熱段等的空間要盡量小，使其管系的長度盡量短。

1.5 反再部分管道布置及選材

反再部分最重要的管道系統(tǒng)為重整反應系統(tǒng)，是連接重整反應器、四合一爐和板換間DN900的反應油氣管線。其主要反應為:在重整催化劑的作用下，溫度525～540℃、壓力0.3～0.5MPa的精制石腦油和氫氣混合體發(fā)生的吸熱反應。反應系統(tǒng)的設計壓力為0.67MPa、設計溫度為550℃。

1.5.1 管系的布置

重整反應油氣管線的典型布置見圖2。

圖2 反應油氣管線布置示意

為了盡可能提高反應效率，從工藝角度考慮希望整個管系的壓降和溫降盡可能小，這就要求管道布置盡可能簡潔緊湊，管子最短彎頭最少?？紤]到工藝要求嚴格、高溫、臨氫、大口徑、高材質(zhì)、高造價等特點，為了優(yōu)化布置方案，同時也降低設備嘴子受力，提高整個系統(tǒng)的可靠性，對重整反應管系進行柔性分析。在柔性分析設計中，將反應器、四合一爐、板換等統(tǒng)一考慮，做為一個整體進行受力計算和彈簧選型［2］。

1.5.2 管系選材

由于重整反應部分工藝管道含有介質(zhì)氫氣，氫氣的分壓力較高對管線易產(chǎn)生氫腐蝕。一般抗氫蝕鋼管，不僅要滿足常溫時對強度、延性及韌性的要求，還要滿足高溫機械性能的要求;不僅要滿足在交貨狀態(tài)時對機械性能的要求，還要考慮在使用時的性能退化(如回火脆性、石墨化)等因素。對于本重整裝置中設計溫度550℃、氫分壓最高為0.5MPa的工藝管道，從NELSON曲線中可選用1.25Cr－0.5Mo合金鋼。因其屬耐熱鋼，有較高的蠕變強度，抗氧化溫度593℃，在≤550℃時鋼的最大許用應力較高、高溫短時拉伸強度較高、塑性和延伸率較好;當氫分壓1.37MPa (200psi)和2.07MPa(300psi)條件下，該合金鋼的脫碳溫度分別為600℃和590℃，完全滿足重整裝置反應部分溫度550℃、氫分壓0.5MPa設計條件。

2 壓縮機部分設備平面布置

壓縮機廠房內(nèi)主要布置了預加氫循環(huán)氫壓縮機組、再生氣循環(huán)壓縮機組、重整循環(huán)氫壓縮機組、重整氫增壓機組、氨制冷機組，以及其它輔助小型設備。見圖3。

圖3 壓縮機設備平面布置示意

2.1 壓縮機的分類

裝置內(nèi)壓縮機主要有三類:電動往復式壓縮機組、汽輪機離心式壓縮機組、電動螺桿式制冷機組。

2.2 往復式壓縮機組

預加氫循環(huán)氫壓縮機組、再生氣循環(huán)壓縮機組等均為電動往復式壓縮機組。此類往復式壓縮機的機型特點、外型尺寸、機體的安裝、進出口管道布置等均很類似，相鄰布置一起。優(yōu)點是統(tǒng)一此部分壓縮機廠房二層樓面的層高，合理利用設置在機組一側(cè)的檢修區(qū)域，共用機組最大檢修部件設置的吊裝孔以及選用的吊裝設施，并且使廠房及機組整體實用、美觀、大方。

2.3 離心式壓縮機組

重整循環(huán)氫壓縮機組、重整氫增壓機組為汽輪機驅(qū)動的離心式壓縮機組，其中重整循環(huán)氫壓縮機組為背壓式，重整氫增壓機組為凝汽式。離心機組除應考慮本身的占地要求外，還考慮機組與廠房或相鄰機組的凈距應滿足壓縮機或驅(qū)動機的活塞、曲軸、轉(zhuǎn)子等部件的檢修長度要求，并不小于2m。

兩臺離心式壓縮機的機型較大，二層樓面的層高較高，機型均為下進、下出。兩臺機組的潤滑油站和機組本體靠近布置，在滿足油站上油冷卻器能夠很好檢修的前提下，還應考慮到油站、機組、高位油箱間的進、回油管路合理布置，盡量避免出現(xiàn)油管路的“袋型”和死端。

重整氫增壓機組附屬的汽封冷卻器布置在地面層，熱井布置在廠房二層樓面，兩級射汽抽汽裝置和汽輪機空冷器布置在壓縮機廠房頂部平臺。離心機組的介質(zhì)均為氫氣，壓縮機廠房的房頂要用通風設施，避免氫氣大量聚集而引發(fā)事故。

2.4 氨制冷機組

氨制冷機組主要由三個撬塊組成:氨液分離器、冷凝撬塊和螺桿壓縮機組。按照機組廠家要求，冷凝撬塊和螺桿壓縮機組就近布置在廠房地面層，氨液分離器布置在廠房的二層樓面。在滿足冷凝撬塊、螺桿壓縮機組能夠很好檢修的前提下，還要考慮兩撬塊間氨液管路能夠合理布置，避免供氨管道的“袋型”和死端。

3 管道布置

壓縮機部分的管道布置主要按機型分為四類:往復式壓縮機進出口管道布置、汽輪機入口蒸汽管道布置、增壓機空冷乏汽管道布置、螺桿式制冷機氨液管道布置。

3.1 往復式壓縮機進出口管道

往復式壓縮機由于汽缸的間歇性動作，其內(nèi)的氣流參數(shù)呈周期性變化。氣流變化帶來的影響是進、出口所在的管系及附屬設備會產(chǎn)生劇烈的周期性振動，造成管系疲勞、破裂及支架松動，容易引起管系內(nèi)介質(zhì)泄漏。因此，這部分管道布置必須進行管道振動分析，模擬出最合理的管道走向和支架設置方案。壓縮機進出口管道及附屬的閥門等均要沿地面設置，采用卡箍型防振支架，并配備橡膠板等軟性材質(zhì)吸收、減小管道的振動。此類支架必須設置為獨立基礎，以免引起其它物體振動。

3.2 汽輪機入口蒸汽管道

當汽輪機入口管嘴受力過大，汽輪機外殼會因推力產(chǎn)生位移或變形，外殼與轉(zhuǎn)子間的間隙可能改變或消失而引起設備振動。因此應在蒸汽入口管道的調(diào)節(jié)閥組中設置排凝設施，防止凝結(jié)水帶入汽輪機造成葉片的損壞;為減小管系對入口管嘴的推力和力矩，入口管道應有一定的柔性，靠管系自身的柔性吸收熱脹量和汽輪機入口管嘴的附加位移量;靠近汽輪機進汽管嘴的管道上設置一個可拆卸的帶法蘭短節(jié)，以便在試運前安裝吹掃用臨時管道等措施保證蒸汽管道在投運試車時的正常運行。

3.3 增壓機空冷乏汽管道

本增壓機的汽輪機為凝汽式，中壓蒸汽做完功后的乏汽介質(zhì)通過乏汽管道從積液箱進入空冷器進行冷卻變?yōu)槟Y(jié)水。因裝置規(guī)模較大、乏汽量較多，積液箱至空冷器間的乏汽管道直徑較大(DN1200)。乏汽介質(zhì)為汽液兩相，綜合考慮到乏汽管道介質(zhì)的溫度、壓力和設備間的布置，經(jīng)過詳細的應力分析計算后明確乏汽管道布置方案，見圖4。

圖4 積液箱乏汽出口管道布置示意

為解決管系的熱補償問題，在積液箱出口管道上設置兩臺復式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，主要是吸收管系垂直方向及水平方向位移;同時在膨脹節(jié)前后設置剛性支吊架及彈簧支架，增加管系的整體穩(wěn)定性并吸收嘴子處的熱漲位移。此管系的布置方案中，既采用了膨脹節(jié)結(jié)構(gòu)和彈簧結(jié)構(gòu)，又采用了剛性支吊架和導向支架結(jié)構(gòu)，滿足管系柔性的同時增加了穩(wěn)定性。

3.4 螺桿式制冷機氨液管道

因氨液介質(zhì)有毒、易揮發(fā)、有刺激氣味且有爆炸危險，在氨液管道設計時應考慮管系的安全運行和操作人員的人身安全。所有氨液管道的放空點均采用密閉放空;所有氨液管道的排凝點均采用密閉排凝，且在密閉排凝系統(tǒng)上有可觀測液體的設備(如視鏡、玻璃板液位計等)。

4 存在問題及建議

4.1 油氣管道支撐形式

反應構(gòu)架“管道側(cè)”上支撐反應油氣管線的外伸支架是“正三角”懸臂支撐形式，在裝置運行時，斜撐梁容易和彈簧吊架的可調(diào)螺母及反應油氣管線的吊耳磕碰，影響管系及所在彈簧吊架的運行效果。

建議對支撐油氣管線的外伸支架均選用“倒三角”懸臂支撐形式，避免支架斜撐和彈簧吊架的可調(diào)螺母及反應油氣管線的吊耳發(fā)生磕碰。

4.2 電加熱器的抽芯空間

再生構(gòu)架中過熱電加熱器和氯化電加熱器的抽芯空間與結(jié)構(gòu)梁斜撐發(fā)生碰撞，嚴重影響了電加熱器的安裝及檢修。鑒于現(xiàn)場的實際情況，后來將此斜撐更改為螺栓連接，待電加熱器檢修時臨時拆卸斜撐。

建議在設計階段要完全保證電加熱器的抽芯空間要求。

4.3 壓縮機廠房面積

因裝置內(nèi)往復式壓縮機組的臺位較多，支撐管系的防振支架和委托結(jié)構(gòu)專業(yè)設置的立柱、管墩較多，使往復式壓縮機地面層的通行性和美觀性大大降低。

建議在以后的設計中應根據(jù)機型的尺寸，綜合考慮管道布置和防振支架的分布，適當增加壓縮機廠房的面積。

4.4 增壓機空冷

如果布置在壓縮機廠房的頂部，因空冷器的外型尺寸較大、重量大，壓縮機廠房的柱子和房頂就要設計成混凝土結(jié)構(gòu)，嚴重影響現(xiàn)場的施工進度和機組的吊裝方案;同時，因汽輪機至空冷器間乏汽管道介質(zhì)為汽、液兩相流，裝置運行時可能會引起乏汽管道的振動，易帶動廠房等振動。

建議重整氫增壓機自帶的空冷器應布置在壓縮機廠房附近的位置，不宜布置在壓縮機廠房的頂部。

5 結(jié)語

本文結(jié)合某重整裝置，重點介紹了該裝置核心部分平面布置及工藝管道的特點及要求，提出一些設計應注意的問題和建議。該裝置從2009年4月投產(chǎn)至今運轉(zhuǎn)良好，說明該平面布置及管道設計達到了預期要求，具有一定的合理性和可靠性。

1 馬愛增，徐又春，趙振輝．連續(xù)重整成套技術(shù)的開發(fā)及工業(yè)應用［J］．石油煉制與化工，2011，42(2)．

2 曾艷，李明浩．連續(xù)重整裝置反應管道的設計［J］．煉油技術(shù)與工程，2011，41(6):41．

This paper gives an example of 1.0Mt/a continuous catalytic reforming unit to present the equipment layout of reaction and regenerationunit，reactionstructure，regenerationstructure，compressor train and layout of compressor house，piping layout and piping material selection．The existing problems and suggestions are also put forward in this paper．

Layout and Piping Design of Continuous Catalytic Reforming Unit

Chen Jie

(SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，Luoyang471003)

layout of unitpiping designproblemssuggestions

*陳杰:工程師。2001年畢業(yè)于撫順石油學院化工設備與機械專業(yè)。一直從事石油化工裝置的管道設計工作。聯(lián)系電話:(0379) 64885517，E－mail:chenjie@lpec.com.cn。

(修改回稿2012－04－24)