催化裂化裝置主風機管道設計要點

曾章傳

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

催化裂化裝置主風機管道設計要點

曾章傳

(中石化廣州工程有限公司，廣東 廣州 510000)

結合某煉廠350萬t/a催化裂化裝置，重點闡述了主風機系統的工藝設備特性和廠房設備布置要求，并對此部分的工藝管道設計要點和注意事項進行探討，為同類裝置中主風機系統管道設備布置設計提供了參考。

催化裂化；主風機；配管設計

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

主風機是催化裂化裝置的關鍵轉動設備，主風自大氣進入主風機，升壓后經主風管道、輔助燃燒室及主風分布管進入再生器，以保證再生系統的流化和燒焦， 一旦主風機出現故障，會引起裝置的不穩定，甚至會導致整個裝置的停工，造成巨大的經濟損失。因此，主風機的正常運轉，關系到裝置的安全運行，而主風機管道的設計，又是保證整個機組能否正常運轉的關鍵技術之一。

本文以某煉廠350萬t/a催化裂化裝置為例，重點闡述了主風機系統的工藝設備特性和廠房設備布置要求，并對此部分的工藝管道設計要點和注意事項進行探討，為同類裝置中主風機系統管道設備布置設計提供了參考。

1 工藝介質及管道選材

主風機工藝介質為空氣，空氣通過主風機吸入，升壓后送至再生系統，工藝設計條件為入口設計溫度40℃，壓力0.28MPa，出口管道設計溫度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，因此主風管道一般為大管道設計(管道公稱直徑DN≥400mm)。隨著裝置日益大型化，主風機進出口管道公稱直徑也越來越大，本套裝置主風機主機進出口分別為DN2600，備機進出口管道公稱直徑分別為DN2100。根據管道設計條件，管道材料選擇Q235B焊接鋼管，相應連接管件采用鋼板沖壓對焊管件。

2 主風機組設備布置和廠棚概況

2.1 主風機機組設備特性

催化裝置主風機機組一般包含主備機兩臺風機，其中主風機組采用煙氣輪機-軸流壓縮機-齒輪箱-電動機的三機組布置形式，如圖1所示。

主風自大氣進入主風機，升壓后經主風管道、輔助燃燒室及主風分布管進入再生器。再生產生的煙氣經旋風分離器分離催化劑顆粒后，進入煙氣輪機膨脹作功，驅動主風機。從煙氣輪機出來的煙氣，通過水封罐然后進入余熱鍋爐進一步回收煙氣的熱能，使煙氣溫度降到約198℃后，經煙氣脫硫部分凈化后排入大氣。當煙機停運時，主風由備用風機提供，此時再生煙氣經三旋后由雙動滑閥及降壓孔板降壓后再進入余熱鍋爐。

圖1 煙氣輪機-主風機三機組布置簡圖Fig.1 Layout diagram of Gas turbines & Main air Blower

2.2 主風機機組布置要求

主風機機組設備布置必須符合相關標準要求，滿足工藝流程、施工、維護和檢修的要求。根據自然條件、機組特性及用戶要求，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，機組布置主要原則如下：

2.2.1 平面布置

(1)根據壓縮機機組數量和自身占地要求，機組在廠房內可按順置或橫置的方式布置設備。機組基礎應與廠房結構相互脫開，與廠房墻壁的凈距離應滿足壓縮機或驅動機的活塞、曲軸、轉子等部件的檢修要求，并且不應小于2m。

(2)廠房宜按兩層布置，在不妨礙主風機出入口管道布置的原則下，一層布置潤滑油站，吊裝檢修空地；二層布置機組、檢修承重區設置吊裝孔。

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

(4)檢修承重區大小應能放置機組最大部件并能進行檢修作業，并按折算出的單位面積最大檢修荷重設置，并按要求將其范圍和承載能力明確標記在相應的建(構)筑物上。

(5)煙機機組宜按煙氣輪機入口軸線與三級旋風分離器中心線取齊布置。各相關設備之間緊湊布置，以縮短煙氣管道、主風管道和蒸汽管道長度。

2.2.2 豎面布置

(1)主風機組安裝高度，應根據煙氣輪機和主風機機組特性要求，進出口在下部的壓縮機，安裝高度除滿足其附屬設備的安裝凈空要求以外，還應滿足壓縮機進出口管道與地面的凈空要求。機組采用兩層布置時，廠房一層為水泥地面，二層宜為鋼格柵平臺。

(2)高位油箱應按機組特性要求的高差布置，宜布置在廠房兩端吊車死區處，并設置專用平臺和梯子。

(3)吊車軌頂高度的確定，對出口向上的煙氣輪機，要求吊車行走不受出口管道的阻隔；對出口向下的煙氣輪機，應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高已取以下兩者之間的較大值。

1)吊車軌頂標高與吊車要求的軌頂以上最小空高相加之和；

2)高位油箱頂面標高加1.2m之和。

2.3 廠棚布置概況

根據主風機設備圖紙和裝置占地情況，本參考裝置主風機廠棚布置如圖2所示。主風機廠房采用半敞開式廠棚，按上下兩層布置，其中地面層布置潤滑油站、動力油站；二層布置主風機組，機組采用同軸線縱向布置。根據煙氣輪機和主風機進出口布置直管段要求和管道柔性設計要求，確定機組中心安裝標高EL+9000，廠棚二層標高EL+7500；根據主機最大部件尺寸，廠房設置一長7.5mx6m的吊裝孔，吊裝孔一側設置承重檢修區。

考慮煙機入口可拆卸法蘭短節長度和吊車車檔、死點位置，確定主機基礎邊緣與廠棚軸線距離為4000mm。根據進口空氣過濾器位置宜高于廠房的要求，將主備機進口空氣過濾器分別布置與廠棚兩側構架上，考慮備機進出口管道位置及主機電機檢修空間，備機與主機間距設置為6000mm。在機組布置定位中，需要特別注意煙機出口至水封罐管道、主備機進出口管道與廠棚混凝土柱及機組基礎之間凈距不小于100mm，并預留儀表、閥門操作空間。

圖2 某煉廠主風機廠棚及機組設備布置圖

Fig.2 Layout of main air blower factory

3 管道布置設計

主風機屬于高速轉動機械，進出口管嘴對受力、力矩和允許位移要求極為嚴格，因此進出口管道設計時，首先應滿足管道熱補償和壓縮機嘴子允許受力，管道設計時首先按自然補償的方式考慮，當自然補償無法減少對壓縮機嘴子允許受力時，可在管道上設置補償器；同時，應盡量縮短管道長度，減少彎頭數量，以減少壓降。

3.1 進口管道布置

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

管道布置時，注意入口空氣過濾器與消音器平臺間距凈空應在2.2m以上；根據要求，管道公稱直徑大于500mm應設置人孔，人孔方位應便于檢查和清掃管道。除設置消音器之外，主風機入口管道外壁敷設隔音材料，以降低噪聲。

3.2 出口管道布置

主風機出口管道內空氣介質溫度為220℃，因此，主風機出口管道設計首先考慮管道自然補償的形式，使管道自身一定的柔性吸收熱漲，但由于管道口徑較大、廠棚設備較多、空間狹小，使得管道設計不宜多設彎管，所以，通過在管道上設置波紋管膨脹節，合理布置支架，以減小管系各點應力，降低壓縮機出口管嘴承受外力和力矩，以滿足設計要求。

圖3 所示為本裝置主風出口管道設計簡圖，主要包括主機/備機出口管道和集合總管三部分。在管道的設計中，主要通過以下設計優化管系應力：

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

(2)根據管道布置走向，在主機出口水平管道設置導向支架，備機出口水平管道設置止推支架，減小管道熱漲對管嘴的彎矩。

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

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

(5)出口總管合流處采用45°斜接，以減少主備機并聯時，氣流發生"頂牛"，降低效率。

(6)出口總管與各機組出口管道連接段設置彈簧支架，防止立管向上熱膨脹導致支架托空；同時立管設置復式萬向鉸鏈型膨脹節，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置兩組單式鉸鏈型膨脹節，以吸收總管熱膨脹位移。

圖3 主風出口管道布置圖

Fig.3 Outlet Piping layout of Main Air Blower

設計時還需要注意：(1)充分保證主備機出口膨脹節鉸鏈板與主機基礎內壁間距。考慮出口管道膨脹節位移方向及主機基礎開洞尺寸，一般主機出口管路采用沿主機軸線方向布置；(2)出口管道支架設計時，考慮安裝預偏移量，以預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備布置設置，以防止事故停機工況再生器內高溫催化劑倒流；同時，事故蒸汽線主風接口盡量靠近輔助燃燒室，以使事故狀態下，蒸汽迅速進入兩器，防止催化劑坍塌；(4)文丘里管流量計應盡量保證前后管段距離要求；(5)膨脹節鉸鏈板方位需嚴格按設計施工，以保證膨脹節變形與吸收管系位移方向一致。

3.3 防喘振放空管道布置

為防止壓縮機臨界轉速下發生喘振，于出口管道阻尼單向閥前設置反喘振放空管道，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，同時在布置放空消音器時，應保證消音器與入口空氣過濾器間距不小于4m，防止主風機吸入熱風循環。防喘振蝶閥布置于廠房二層平臺，便于操作。當管道變徑需要采用特制偏心大小頭時，為減小流阻損失，非標大小頭長度應盡量保證大小頭擴散角度小于20°。

4 開口補強設計

根據SH3059-2001《石油化工管道設計器材選用通則》8.7.2節關于開孔補強的規定：當管子環向應力大于管子材料在工作溫度下許用應力的50%時，被支管開孔削弱的管子應經驗算確定是否需要補強。補強通常采用等面積補強方法。

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。設計中，除振動管道外，公稱直徑≤50mm的支管可不需補強；公稱直徑>50mm的支管，根據GB150.3-2011《壓力容器》，當支管管徑符合以下要求時，可將主風管道視為內壓圓筒，采用補強圈形式補強：

(1)當內徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑d≤1/2Di，且d≤520mm；

(2)當內徑Di>1500mm時，開孔最大直徑d≤1/3Di，且d≤1000mm。

本裝置設計中，主風出口總管上增壓風、事故蒸汽工藝管道等接口均采用補強圈形式補強。對主風機出口放空管道分支接口，通常采用異徑三通+大小頭方式連接設計，本裝置設計中，因管道布置空間及柔性設計要求限制，出口放空管道支管也采用管道直接開孔補強結構，開孔按等面積大開孔補強設計校核。

5 結語

主風機系統大管道的設計，關鍵在于管道柔性設計，通過設置膨脹節補償器，合理布置支架，優化管道應力分布，保證管道對壓縮機嘴子受力和力矩要求符合設計規定。本文結合某煉廠350萬噸/年催化裂化裝置主風系統的配管設計，主要從設備機組廠棚布置，進出口管道布置及設計注意事項，以及管道開孔補強進行了一些總結和探討。該裝置投產至今運行良好，說明此部分設備管道的設計達到了預期要求，具有一定合理性和可靠性，可為同類裝置中主風機系統管道設備布置設計提供參考。

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(本文文獻格式：曾章傳.催化裂化裝置主風機管道設計要點[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計工作。

TQ055.8

A

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

化工設計