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延迟焦化装置关键管道布置方案比较

更新时间:2009-03-28

延迟焦化是将重油在加热炉中迅速加热至所需温度,在高流速、短停留时间的条件下,使原料只发生少量反应,就迅速离开加热炉进入焦炭塔进行高温热裂解和缩合反应,生成焦化气体、汽油、柴油、蜡油及焦炭等产品的技术。国内外延迟焦化的主流程基本一致,如图1所示。焦炭塔是整个焦化装置的核心部分,与其相关的管道布置是焦化装置管道布置的重点与难点。本文以已经投产的两套延迟焦化装置为例,比较延迟焦化装置转油线、四通阀管线及大油气线等关键管道的布置方案。两套装置主体部分均采用“两炉四塔”的布置形式,其中A装置采用的是国内工艺,B装置采用的是国外工艺。

  

图1 延迟焦化流程Fig.1 The process diagram of delayed coking

1 转油线布置

转油线是由焦化炉出口流入焦炭塔入口的管线。该管线具有以下特点:①管线内介质温度高(一般为500 ℃),易结焦,管道选材一般为Cr5Mo或Cr9Mo;②此段管道内介质为两相流,流速达40~60 m/s,当介质流经分支汇合处、拐弯等管件处时,管道会因为管件受到冲击、碰撞而发生振动[1]。此段管道设计时要求尽量短而直,且要兼顾考虑管道的柔性;同时加热炉出口流速较高,为防止冲刷,加热炉出口第一个弯头设置为内衬钨铬钴合金(Stellite)涂层的可转向弯头。

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装置A的加热炉辐射室炉管采用上固定的吊挂结构,转油线自加热炉出口对称布置,如图2所示。为防止管系的振动,在炉出口管道上设置阻尼减振器,减振器外形如图3所示。同时,各路分支汇合处采用Y型三通,以吸收管道的热变形,并有效减小两相流介质在分支管道汇合处的冲击,减小管道振动[1]。A装置在开车升温过程中,加热炉出口管线在200 ℃左右时出现过明显振动,装置升温至正常操作状态后,振动现象消失。

  

图2 装置A转油线布置Fig.2 The transfer line layout of unit A

  

图3 阻尼减振器外形Fig.3 The drawing of clamping vibration absorber

在运用 CAESARII 进行应力分析时,装置A和装置B的二次应力最大值点都是出现在焦炭塔出口嘴子后的第一个弯头处。在不同的工况下,相比装置A,装置B中二次应力与许用应力值的百分比都大大降低,由此可以判断,装置B中的管道受力情况要明显优于A。管道对焦炭塔油气出口管嘴的力和力矩,在装置B中也大大降低。

  

图4 装置B转油线布置Fig.4 The transfer line layout of unit B

所有患者中,5例存在呼气末扫描腹腔干上翘,为V型凹陷结构(起始部上缘),吸气末进行检查得知水平走行的腹腔干结构,明显减轻了外压性狭窄情况或者无外压性凹陷结构。1例患者进行手术病理检查得知压迫腹腔干结构为膈肌脚下缘增厚纤维、少量神经节组织、神经丛。

2 四通阀管道布置

通过以上分析可知,B装置的关键管道布置具有以下优点:

大油气线自塔顶至焦炭塔下部一层平台的立管上需要设置弹簧支吊架,装置A、B分别采用了布置在焦炭塔构架上部平台和下部平台两种不同的方式。选择焦炭塔上部支撑有利于整个油气管线的稳定,而选择在焦炭塔下部平台支撑,则能降低整个焦炭塔框架的重心,对土建构架设计相对有利。

  

图5 装置A四通阀布置Fig.5 The four-way valve's arrangement of unit A

  

图6 装置B四通阀布置Fig.6 The four-way valve's arrangement of unit B

3 大油气线布置

从图7可以看出,竖直平面内的π形补偿器由于架设在高空中,容易发生振动。通过对已建成在役延迟焦化装置的调研,现场情况确实如此。这是因为操作温度和压力变化较为频繁,从而导致塔顶油气线内气液两相介质的压力发生波动,尤其是当介质流经汇合处或者拐弯处时,更易产生振动。并且由于焦炭塔的高度通常很高,风荷载影响较大,竖直平面内的π形补偿器长期处于高空状态,时间久了,生根在焦炭塔框架上的支架很难达到设计要求的刚度,该管系不可避免地会出现振动问题,这是装置A大油气线管道布置的一大弊病。与装置A相比,装置B将π形补偿器布置的位置由高空改在了焦炭塔下部的一层平台上。这样不但能有效地吸收塔顶油气线和焦炭塔间由于温度差引起的位移差,而且使π形补偿器远离了焦炭塔顶油气出口的位置,支架很容易生根,刚度也能达到防振要求,管系的抗振效果更加明显。并且随着油气管道直径的增大,焦炭塔下部一层平台处的π形弯可适当加大,既可以解决管系的热胀问题,又可以很容易地控制管道的振动[5]

从美观上来讲,B装置加热炉出口线的这种配管方式要优于前者;在控制管道振动方面,A装置通过使用减振器的方法,兼顾考虑管道防振及柔性设计两方面,是一种比较好的设计方法。由于两套装置的炉管支撑形式不同,加热炉出口竖管顶部的弹簧位移情况也不同,根据以往的设计经验判断,B装置的加热炉管嘴受力会相对容易控制。

油气线的操作温度为415~420 ℃,材料热膨胀引起的管系热应力或管系对焦炭塔管嘴的推力较大,并且由于焦炭塔与其塔顶油气线之间温度不同,材质不同,因此装置运行过程中会产生热位移差。装置A采用国内较为普遍的管道布置形式,如图 7 所示。大油气管线在竖直平面内设置 π 形补偿器,来吸收因热膨胀不同引起的热位移差,减小管系热应力和管系对焦炭塔管嘴的推力。由于 π 形补偿器形成的水平管道占用了框架外伸平台的大部分空间,因此此种方案对平台的宽度有比较高的要求。装置 B 的布置与国内大部分炼油厂同类装置不同,油气管线从塔顶直接竖直敷设,至焦炭塔下部的一层平台后向焦炭塔构架外侧延伸,通过在焦炭塔下部的一层平台上设置立体 π 形补偿器来实现同样的目的[4],如图 8 所示。

  

图7 装置A油气线布置Fig.7 The large oil-gas pipeline's arrangement of unit A

  

图8 装置B油气线布置Fig.8 The large oil-gas pipeline's arrangement of unit B

装置B的加热炉结构相对前者有所不同,辐射室炉管采用的是下固定的支撑结构,炉出口管线(图4)在竖直方向上没有附加位移,在总管的左右两侧对称布置。从现场调研情况看,加热炉个别出口竖管顶部有轻微低频振动。

焦炭塔与分馏塔之间的油气管道习惯上称为“大油气线”。延迟焦化装置的油气线与一般的塔顶油气线不同,除正常工况外,还有小吹汽、大吹汽、小给水、大给水等工况,并且几塔互为备用,需要频繁切换操作,因此整个管系的工况非常复杂。操作工况的复杂性使得该管系的管道设计难度增加。焦炭塔顶油气线与焦炭塔之间的温差较大,受热不同步,存在不同程度的热膨胀,而塔的管嘴设计并不考虑承担管道的重量,故在设计敷塔管线时,需要在管线上部设置承重支架,以避免焦炭塔顶管嘴受力和弯矩过大。焦炭塔顶油气线管径较大,管线越短、越直,越有利于减少管道压力降和防止管道结焦。但为防止管道发生疲劳破坏,影响其使用寿命,引起火灾等恶性事故,在设计时,不能一味追求管线短而直,应使其具有一定的柔性。同时要防止由于管道内介质发生改变而引起的振动问题[3]。并且随着装置的大型化,焦炭塔塔径逐步扩大,冷焦不均也会引起焦炭塔的“香蕉效应”,从而影响管道的安全运行。可以说,该管系设计的优劣,直接影响到延迟焦化装置能否安全平稳地运行。下面以焦化装置 A、B两种大油气线的的布置方案为例,对塔顶油气线管道的设计进行对比分析。

装置A阀体底部设有支承,四通阀入口线水平接入,阀门两侧出口分别接两个焦炭塔的原料油入口线,阀门顶端出口接开工线,如图5所示。入口线横在平台上,影响了操作检修人员正常通行。焦化装置B四通阀采用底部进料的方式,焦炭塔进料线从阀体两侧水平接出,中间水平出口接开工线,阀体本身不设置支承,在底部进料线的弯头处设置弹簧支承,并在两个塔底进料线上设有刚性支承,如图6所示。由于阀体下方的管道使用弹簧支承,因此四通阀入口线的热胀不会给阀体的几个法兰面造成过大的弯矩,而且管道的布置也不占用操作和维护空间,这种管道布置方式是装置B设计的一个亮点[2]

在图7所示的装置A的油气线布置中,塔顶及沿塔向下布置的管线的支吊架,采用的是支撑搁置型的弹簧支架,弹簧支架均生根在焦炭塔构架较高层的平台上,工程实践证明,在具有较大位移的大直径管道上,尤其是管道同时具有水平方向上的位移时,支撑搁置型弹簧的使用效果并不理想。在图8所示的装置B的油气线布置中,管线在焦炭塔下部平台下方设有恒力弹簧吊架,在装置生产过程中,管线的运行状况比较稳定。但需要注意,随着焦炭塔直径加大,冷焦不充分,温度下降速率不同而造成的“香蕉效应”,会引起与之相连的反应油气线、放空油气线、开工循环线等产生位移,且方向,位移量均不定,所以设置弹簧吊架时要注意考虑此部分位移,吊杆垂直方向的摆动角度不能大于3°,选择吊杆长度时要注意。另一方面,在弹簧荷载不变的情况下,可以考虑加大弹簧的行程量,在现场实际情况与计算结果存在误差时,有可调整的空间。

4 结束语

在延迟焦化转油管道上有一个非常重要的切换装置——四通阀,它连接着焦化炉和焦炭塔,同时还与开工管道连通,是炉塔区进料阀组管道布置的核心部分。四通阀的法兰压力等级一般为CL600,较少为CL900,各炼厂基本使用VELAN的阀门。现场经常发生四通阀法兰泄漏的问题,通过应力分析发现,影响法兰密封性的主要因素除了内压以外,最主要就是法兰的两个弯矩。根据应力分析模型可判定,法兰泄漏主要是由于四通阀进口线的热膨胀对阀体本身的水平推力造成的。对于四通阀这种需要经常切换操作工况的设备来说,阀体受力状态不好,不利于阀门的长期运行。

这20 分钟的时间非常紧张,因为洞里那些发光的巨型透明石膏水晶体,像缠绕在一起的光柱一般,散落在洞穴四周,人们行走在其中,极其困难。可能大家还没走出10 米,20分钟就临近了,得赶紧往回撤。

(1)转油线布置美观、加热炉管嘴受力易控。

(2)四通阀的管道布置不占用操作和维护空间,且四通阀入口线的热膨胀不会给阀体的法兰面造成过大的弯矩,能有效改善四通阀法兰面泄漏问题。

(3)大油气线在焦炭塔下部一层平台处设置π形补偿器,既可以解决管系的热胀问题,又可以控制管道的振动,有利于装置的安全平稳运行。

(2) 厚层砂岩、软弱基座和差异风化形成的凹岩腔,构造形成的剪切裂隙及组合共同构成了滑坡活动的控制性内因,裂隙水及其补给为控制性外因,施工弃土对滑坡活动具有积极推动作用。

参考文献

[1]王新民.浅谈延迟焦化装置转油线的布置[J]. 石油化工设计,2011,28(1):54-55.

[2]谢楠.焦炭塔主要管道及其平台的设计[J]. 石油化工设计,2013,30(1):50-51.

[3]庞伟. 延迟焦化装置焦炭塔顶油气线的管道设计[J]. 炼油技术与工程,2012,42(12):47-50.

[4]唐杰. 大型延迟焦化装置焦炭塔顶油气线的管道布置[J]. 山东化工,2014,43(8):145-148.

[5]王桂华. 大型焦化装置焦炭塔顶油气管道的受力分析[J]. 石油化工设备技术,2009,30(3):23-27.

 
车春媚,王浩,郑志伟,朱大亮,李雷
《化工设备与管道》 2018年第01期
《化工设备与管道》2018年第01期文献
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