催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

曾章傳

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)

曾章傳

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

結(jié)合某煉廠350萬t/a催化裂化裝置，重點(diǎn)闡述了主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工藝設(shè)備特性和廠房設(shè)備布置要求，并對(duì)此部分的工藝管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)進(jìn)行探討，為同類裝置中主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管道設(shè)備布置設(shè)計(jì)提供了參考。

催化裂化；主風(fēng)機(jī)；配管設(shè)計(jì)

催化裂化是最重要的重質(zhì)油輕質(zhì)化過程之一，在汽油和柴油等輕質(zhì)油品的生產(chǎn)中占有重要地位。催化裂化裝置一般包括反應(yīng)-再生部分、主風(fēng)機(jī)及煙氣能量回收部分、分餾部分、吸收穩(wěn)定部分(含氣壓機(jī)部分)、產(chǎn)汽及余熱回收部分。

主風(fēng)機(jī)是催化裂化裝置的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備，主風(fēng)自大氣進(jìn)入主風(fēng)機(jī)，升壓后經(jīng)主風(fēng)管道、輔助燃燒室及主風(fēng)分布管進(jìn)入再生器，以保證再生系統(tǒng)的流化和燒焦， 一旦主風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障，會(huì)引起裝置的不穩(wěn)定，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)裝置的停工，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，主風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)系到裝置的安全運(yùn)行，而主風(fēng)機(jī)管道的設(shè)計(jì)，又是保證整個(gè)機(jī)組能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文以某煉廠350萬t/a催化裂化裝置為例，重點(diǎn)闡述了主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工藝設(shè)備特性和廠房設(shè)備布置要求，并對(duì)此部分的工藝管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)進(jìn)行探討，為同類裝置中主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管道設(shè)備布置設(shè)計(jì)提供了參考。

1 工藝介質(zhì)及管道選材

主風(fēng)機(jī)工藝介質(zhì)為空氣，空氣通過主風(fēng)機(jī)吸入，升壓后送至再生系統(tǒng)，工藝設(shè)計(jì)條件為入口設(shè)計(jì)溫度40℃，壓力0.28MPa，出口管道設(shè)計(jì)溫度220℃，壓力0.53MPa。

由于輸送流量大，且為減低噪聲，流速要求不得超過25m/s，因此主風(fēng)管道一般為大管道設(shè)計(jì)(管道公稱直徑DN≥400mm)。隨著裝置日益大型化，主風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道公稱直徑也越來越大，本套裝置主風(fēng)機(jī)主機(jī)進(jìn)出口分別為DN2600，備機(jī)進(jìn)出口管道公稱直徑分別為DN2100。根據(jù)管道設(shè)計(jì)條件，管道材料選擇Q235B焊接鋼管，相應(yīng)連接管件采用鋼板沖壓對(duì)焊管件。

2 主風(fēng)機(jī)組設(shè)備布置和廠棚概況

2.1 主風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)備特性

催化裝置主風(fēng)機(jī)機(jī)組一般包含主備機(jī)兩臺(tái)風(fēng)機(jī)，其中主風(fēng)機(jī)組采用煙氣輪機(jī)-軸流壓縮機(jī)-齒輪箱-電動(dòng)機(jī)的三機(jī)組布置形式，如圖1所示。

主風(fēng)自大氣進(jìn)入主風(fēng)機(jī)，升壓后經(jīng)主風(fēng)管道、輔助燃燒室及主風(fēng)分布管進(jìn)入再生器。再生產(chǎn)生的煙氣經(jīng)旋風(fēng)分離器分離催化劑顆粒后，進(jìn)入煙氣輪機(jī)膨脹作功，驅(qū)動(dòng)主風(fēng)機(jī)。從煙氣輪機(jī)出來的煙氣，通過水封罐然后進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)一步回收煙氣的熱能，使煙氣溫度降到約198℃后，經(jīng)煙氣脫硫部分凈化后排入大氣。當(dāng)煙機(jī)停運(yùn)時(shí)，主風(fēng)由備用風(fēng)機(jī)提供，此時(shí)再生煙氣經(jīng)三旋后由雙動(dòng)滑閥及降壓孔板降壓后再進(jìn)入余熱鍋爐。

圖1 煙氣輪機(jī)-主風(fēng)機(jī)三機(jī)組布置簡(jiǎn)圖Fig.1 Layout diagram of Gas turbines & Main air Blower

2.2 主風(fēng)機(jī)機(jī)組布置要求

主風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)備布置必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足工藝流程、施工、維護(hù)和檢修的要求。根據(jù)自然條件、機(jī)組特性及用戶要求，可采取封閉式廠房布置、敞開式廠房布置、半敞開式廠房布置、露天布置等形式。以廠房布置為例，機(jī)組布置主要原則如下：

2.2.1 平面布置

(1)根據(jù)壓縮機(jī)機(jī)組數(shù)量和自身占地要求，機(jī)組在廠房?jī)?nèi)可按順置或橫置的方式布置設(shè)備。機(jī)組基礎(chǔ)應(yīng)與廠房結(jié)構(gòu)相互脫開，與廠房墻壁的凈距離應(yīng)滿足壓縮機(jī)或驅(qū)動(dòng)機(jī)的活塞、曲軸、轉(zhuǎn)子等部件的檢修要求，并且不應(yīng)小于2m。

(2)廠房宜按兩層布置，在不妨礙主風(fēng)機(jī)出入口管道布置的原則下，一層布置潤(rùn)滑油站，吊裝檢修空地；二層布置機(jī)組、檢修承重區(qū)設(shè)置吊裝孔。

(3)吊裝孔宜布置在廠房一角或兩機(jī)組間一側(cè)，地面層應(yīng)設(shè)有車行通道和檢修大門。吊裝孔尺寸應(yīng)首考慮吊車死點(diǎn)位置，并按機(jī)組的最大檢修部件設(shè)置吊裝孔和選用吊裝設(shè)施。

(4)檢修承重區(qū)大小應(yīng)能放置機(jī)組最大部件并能進(jìn)行檢修作業(yè)，并按折算出的單位面積最大檢修荷重設(shè)置，并按要求將其范圍和承載能力明確標(biāo)記在相應(yīng)的建(構(gòu))筑物上。

(5)煙機(jī)機(jī)組宜按煙氣輪機(jī)入口軸線與三級(jí)旋風(fēng)分離器中心線取齊布置。各相關(guān)設(shè)備之間緊湊布置，以縮短煙氣管道、主風(fēng)管道和蒸汽管道長(zhǎng)度。

2.2.2 豎面布置

(1)主風(fēng)機(jī)組安裝高度，應(yīng)根據(jù)煙氣輪機(jī)和主風(fēng)機(jī)機(jī)組特性要求，進(jìn)出口在下部的壓縮機(jī)，安裝高度除滿足其附屬設(shè)備的安裝凈空要求以外，還應(yīng)滿足壓縮機(jī)進(jìn)出口管道與地面的凈空要求。機(jī)組采用兩層布置時(shí)，廠房一層為水泥地面，二層宜為鋼格柵平臺(tái)。

(2)高位油箱應(yīng)按機(jī)組特性要求的高差布置，宜布置在廠房?jī)啥说踯囁绤^(qū)處，并設(shè)置專用平臺(tái)和梯子。

(3)吊車軌頂高度的確定，對(duì)出口向上的煙氣輪機(jī)，要求吊車行走不受出口管道的阻隔；對(duì)出口向下的煙氣輪機(jī)，應(yīng)按吊裝最大檢修部件的起吊高度來考慮。

(4)廠房屋頂梁地面的標(biāo)高已取以下兩者之間的較大值。

1)吊車軌頂標(biāo)高與吊車要求的軌頂以上最小空高相加之和；

2)高位油箱頂面標(biāo)高加1.2m之和。

2.3 廠棚布置概況

根據(jù)主風(fēng)機(jī)設(shè)備圖紙和裝置占地情況，本參考裝置主風(fēng)機(jī)廠棚布置如圖2所示。主風(fēng)機(jī)廠房采用半敞開式廠棚，按上下兩層布置，其中地面層布置潤(rùn)滑油站、動(dòng)力油站；二層布置主風(fēng)機(jī)組，機(jī)組采用同軸線縱向布置。根據(jù)煙氣輪機(jī)和主風(fēng)機(jī)進(jìn)出口布置直管段要求和管道柔性設(shè)計(jì)要求，確定機(jī)組中心安裝標(biāo)高EL+9000，廠棚二層標(biāo)高EL+7500；根據(jù)主機(jī)最大部件尺寸，廠房設(shè)置一長(zhǎng)7.5mx6m的吊裝孔，吊裝孔一側(cè)設(shè)置承重檢修區(qū)。

考慮煙機(jī)入口可拆卸法蘭短節(jié)長(zhǎng)度和吊車車檔、死點(diǎn)位置，確定主機(jī)基礎(chǔ)邊緣與廠棚軸線距離為4000mm。根據(jù)進(jìn)口空氣過濾器位置宜高于廠房的要求，將主備機(jī)進(jìn)口空氣過濾器分別布置與廠棚兩側(cè)構(gòu)架上，考慮備機(jī)進(jìn)出口管道位置及主機(jī)電機(jī)檢修空間，備機(jī)與主機(jī)間距設(shè)置為6000mm。在機(jī)組布置定位中，需要特別注意煙機(jī)出口至水封罐管道、主備機(jī)進(jìn)出口管道與廠棚混凝土柱及機(jī)組基礎(chǔ)之間凈距不小于100mm，并預(yù)留儀表、閥門操作空間。

圖2 某煉廠主風(fēng)機(jī)廠棚及機(jī)組設(shè)備布置圖

Fig.2 Layout of main air blower factory

3 管道布置設(shè)計(jì)

主風(fēng)機(jī)屬于高速轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械，進(jìn)出口管嘴對(duì)受力、力矩和允許位移要求極為嚴(yán)格，因此進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)滿足管道熱補(bǔ)償和壓縮機(jī)嘴子允許受力，管道設(shè)計(jì)時(shí)首先按自然補(bǔ)償?shù)姆绞娇紤]，當(dāng)自然補(bǔ)償無法減少對(duì)壓縮機(jī)嘴子允許受力時(shí)，可在管道上設(shè)置補(bǔ)償器；同時(shí)，應(yīng)盡量縮短管道長(zhǎng)度，減少?gòu)濐^數(shù)量，以減少壓降。

3.1 進(jìn)口管道布置

本裝置主風(fēng)機(jī)組采用軸流式壓縮機(jī)，空氣入口設(shè)置入口空氣過濾器及消音器，進(jìn)口管道彎頭處設(shè)置整流柵。為減少進(jìn)口管道對(duì)管嘴的受力，在正對(duì)風(fēng)機(jī)入口管道的彎頭處設(shè)置固定支架，并在支架與風(fēng)機(jī)入口的管道上設(shè)置一組單式自由型波紋管膨脹節(jié)，吸收管道熱漲軸向位移。

管道布置時(shí)，注意入口空氣過濾器與消音器平臺(tái)間距凈空應(yīng)在2.2m以上；根據(jù)要求，管道公稱直徑大于500mm應(yīng)設(shè)置人孔，人孔方位應(yīng)便于檢查和清掃管道。除設(shè)置消音器之外，主風(fēng)機(jī)入口管道外壁敷設(shè)隔音材料，以降低噪聲。

3.2 出口管道布置

主風(fēng)機(jī)出口管道內(nèi)空氣介質(zhì)溫度為220℃，因此，主風(fēng)機(jī)出口管道設(shè)計(jì)首先考慮管道自然補(bǔ)償?shù)男问?，使管道自身一定的柔性吸收熱漲，但由于管道口徑較大、廠棚設(shè)備較多、空間狹小，使得管道設(shè)計(jì)不宜多設(shè)彎管，所以，通過在管道上設(shè)置波紋管膨脹節(jié)，合理布置支架，以減小管系各點(diǎn)應(yīng)力，降低壓縮機(jī)出口管嘴承受外力和力矩，以滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 所示為本裝置主風(fēng)出口管道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖，主要包括主機(jī)/備機(jī)出口管道和集合總管三部分。在管道的設(shè)計(jì)中，主要通過以下設(shè)計(jì)優(yōu)化管系應(yīng)力：

(1)為吸收熱態(tài)工況下壓縮機(jī)管嘴和管道向下的熱膨脹，減小管嘴受力和力矩，壓縮機(jī)出口設(shè)置二鉸鏈組合膨脹節(jié)，即出口立管復(fù)式萬向型鉸鏈型膨脹節(jié)+水平管道單式鉸鏈型膨脹節(jié)，同時(shí)，在彎頭處設(shè)置止推支架，減小管系作用在管嘴上的側(cè)向力矩。

(2)根據(jù)管道布置走向，在主機(jī)出口水平管道設(shè)置導(dǎo)向支架，備機(jī)出口水平管道設(shè)置止推支架，減小管道熱漲對(duì)管嘴的彎矩。

(3)管道電動(dòng)蝶閥和單向阻尼閥之間，放空管道連接處分別設(shè)置承重支架，以支撐管道集中荷載。

(4)為減少管道熱膨脹時(shí)承重支架產(chǎn)生的摩擦力，對(duì)嘴子受力造成影響，地面出口管道支架采用聚四氟乙烯低摩擦滑動(dòng)支架。

(5)出口總管合流處采用45°斜接，以減少主備機(jī)并聯(lián)時(shí)，氣流發(fā)生"頂牛"，降低效率。

(6)出口總管與各機(jī)組出口管道連接段設(shè)置彈簧支架，防止立管向上熱膨脹導(dǎo)致支架托空；同時(shí)立管設(shè)置復(fù)式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)，吸收管系軸向和橫向位移。

(7)在出口總管至輔助燃燒室水平管段設(shè)置兩組單式鉸鏈型膨脹節(jié)，以吸收總管熱膨脹位移。

圖3 主風(fēng)出口管道布置圖

Fig.3 Outlet Piping layout of Main Air Blower

設(shè)計(jì)時(shí)還需要注意：(1)充分保證主備機(jī)出口膨脹節(jié)鉸鏈板與主機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)壁間距?？紤]出口管道膨脹節(jié)位移方向及主機(jī)基礎(chǔ)開洞尺寸，一般主機(jī)出口管路采用沿主機(jī)軸線方向布置；(2)出口管道支架設(shè)計(jì)時(shí)，考慮安裝預(yù)偏移量，以預(yù)防管道熱膨脹后支架移位托空，(3)出口總管阻尼單向閥靠近再生設(shè)備布置設(shè)置，以防止事故停機(jī)工況再生器內(nèi)高溫催化劑倒流；同時(shí)，事故蒸汽線主風(fēng)接口盡量靠近輔助燃燒室，以使事故狀態(tài)下，蒸汽迅速進(jìn)入兩器，防止催化劑坍塌；(4)文丘里管流量計(jì)應(yīng)盡量保證前后管段距離要求；(5)膨脹節(jié)鉸鏈板方位需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工，以保證膨脹節(jié)變形與吸收管系位移方向一致。

3.3 防喘振放空管道布置

為防止壓縮機(jī)臨界轉(zhuǎn)速下發(fā)生喘振，于出口管道阻尼單向閥前設(shè)置反喘振放空管道，管道安裝防喘振蝶閥，并在放空管道頂部設(shè)置放空消音器，減小放空噪音。放空消音器宜集中相鄰布置，同時(shí)在布置放空消音器時(shí)，應(yīng)保證消音器與入口空氣過濾器間距不小于4m，防止主風(fēng)機(jī)吸入熱風(fēng)循環(huán)。防喘振蝶閥布置于廠房二層平臺(tái)，便于操作。當(dāng)管道變徑需要采用特制偏心大小頭時(shí)，為減小流阻損失，非標(biāo)大小頭長(zhǎng)度應(yīng)盡量保證大小頭擴(kuò)散角度小于20°。

4 開口補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

根據(jù)SH3059-2001《石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則》8.7.2節(jié)關(guān)于開孔補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)定：當(dāng)管子環(huán)向應(yīng)力大于管子材料在工作溫度下許用應(yīng)力的50%時(shí)，被支管開孔削弱的管子應(yīng)經(jīng)驗(yàn)算確定是否需要補(bǔ)強(qiáng)。補(bǔ)強(qiáng)通常采用等面積補(bǔ)強(qiáng)方法。

大管道工藝管道接口通常采用管道上直接開孔與支管焊接方式連接。設(shè)計(jì)中，除振動(dòng)管道外，公稱直徑≤50mm的支管可不需補(bǔ)強(qiáng)；公稱直徑>50mm的支管，根據(jù)GB150.3-2011《壓力容器》，當(dāng)支管管徑符合以下要求時(shí)，可將主風(fēng)管道視為內(nèi)壓圓筒，采用補(bǔ)強(qiáng)圈形式補(bǔ)強(qiáng)：

(1)當(dāng)內(nèi)徑Di≤1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤1/2Di，且d≤520mm；

(2)當(dāng)內(nèi)徑Di>1500mm時(shí)，開孔最大直徑d≤1/3Di，且d≤1000mm。

本裝置設(shè)計(jì)中，主風(fēng)出口總管上增壓風(fēng)、事故蒸汽工藝管道等接口均采用補(bǔ)強(qiáng)圈形式補(bǔ)強(qiáng)。對(duì)主風(fēng)機(jī)出口放空管道分支接口，通常采用異徑三通+大小頭方式連接設(shè)計(jì)，本裝置設(shè)計(jì)中，因管道布置空間及柔性設(shè)計(jì)要求限制，出口放空管道支管也采用管道直接開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)，開孔按等面積大開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)校核。

5 結(jié)語

主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)大管道的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于管道柔性設(shè)計(jì)，通過設(shè)置膨脹節(jié)補(bǔ)償器，合理布置支架，優(yōu)化管道應(yīng)力分布，保證管道對(duì)壓縮機(jī)嘴子受力和力矩要求符合設(shè)計(jì)規(guī)定。本文結(jié)合某煉廠350萬噸/年催化裂化裝置主風(fēng)系統(tǒng)的配管設(shè)計(jì)，主要從設(shè)備機(jī)組廠棚布置，進(jìn)出口管道布置及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以及管道開孔補(bǔ)強(qiáng)進(jìn)行了一些總結(jié)和探討。該裝置投產(chǎn)至今運(yùn)行良好，說明此部分設(shè)備管道的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期要求，具有一定合理性和可靠性，可為同類裝置中主風(fēng)機(jī)系統(tǒng)管道設(shè)備布置設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 張德姜, 王懷義,劉紹葉.石油化工裝置工藝管道設(shè)計(jì)手冊(cè) 第一篇.設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京.中國(guó)石化出版社,2009.

[2] 張澄清,羅志軍,龍紅偉.煉油裝置用大直徑鋼管的選擇[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2010,27(2) :54-57.

[3] 馬 雁.軸流風(fēng)機(jī)出口管道的設(shè)計(jì)方法[J].石油化工設(shè)備技術(shù),1999,20(6) :42-45.

[4] 石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則.SH3059-2001.石油化工管道設(shè)計(jì)器材選用通則[S]．北京：中國(guó)石化出版社，2002.

[5] 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC 262).GB150.1～150.4-2011.壓力容器[S]．北京：中國(guó)石化出版社，2011.

(本文文獻(xiàn)格式：曾章傳.催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)管道設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].山東化工，2017，46(14)：142-145.)

Piping Design Principles of Main Air Blower in Catalytic Cracking Unit

ZengZhangchuan

(Guangzhou Petrochemical Engineering Corporation/Sinopec, Guangzhou 510000, China)

Combined with 3.5 million tons/year of Catalytic Cracking Unit, This paper introduces the characteristics of Main air blower in FCC unit, and studies the principles of piping layout. Some key points of Piping design and matters needing attention were discussed in this paper. It can be used as reference in the piping design in the Main air blower system in FCC unit.

catalytic cracking; main air blower; piping design

2017-05-11

曾章傳(1985—)，江西贛州人，工程師，主要從事石油化工裝置管道設(shè)計(jì)工作。

TQ055.8

A

1008-021X(2017)14-0142-04

化工設(shè)計(jì)