煤化工變換設備在改擴建項目中利舊的可行性分析

趙巍(內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司，內蒙古 赤峰 025350)

0 引言

近年來，煤制天然氣市場根據(jù)發(fā)展需要，結合裝置實際生產運行及工程建設的現(xiàn)狀，考慮到下游天然氣市場供需形勢的變化以及調整產品結構、提升項目盈利能力的需要，存在依托原生產裝置建設改擴建項目的可行性。

因該類項目上游以煤為原料，造氣采用固定床煤氣化技術生產粗煤氣，粗煤氣中有機硫成分復雜，有機硫含量高，且含有不飽和烴以及殘氧。原變換冷卻單元變換反應完全旁路，為避免粗煤氣中有機硫對甲醇洗及后系統(tǒng)的影響，增加有機硫轉化及烯烴飽和裝置，將粗煤中的有機硫進行轉化，將不飽和烴進行加氫飽和，脫除殘余氧氣，以滿足下游裝置的操作要求。

本文針對二期變換裝置變換爐在改擴建項目有機硫轉化及烯烴飽和裝置中利舊的可行性，進行了計算與分析。

1 問題來源

為滿足改擴建項目有機硫轉化及烯烴飽和裝置進、出口流量要求，符合設備法蘭尺寸要求，利舊設備要分別對主變換爐和預變換爐的上、下管口進行開孔[1]。依據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》[2]，主變換爐和預變換爐均為固定式壓力容器中的三類壓力容器，須對開孔部位進行補強計算及分析。

2 專業(yè)分析

2.1 分析依據(jù)

依據(jù)GB 150.3—2011《壓力容器 第3部分：設計》計算、分析[3]。

2.2 主變換爐分析步驟

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款，取主變換爐管口a (介質入口)、b(介質出口)開孔最大直徑dop=812.8 mm(DN800)。已知主變換爐內徑Di=3186 mm，則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

(1)主變換爐上管口

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款：

①管口中心距：

主變換爐管口a與管口d1、d2、d3中心距均為800 mm。

其他管口中心距按公式(1)計算：

主變換爐管口a與管口c1(人孔)中心距：

②主變換爐管口a和管口d1、d2、d3直徑之和均為(812.8+114.3) mm=927.1 mm，平均直徑均為927.1 mm/2=463.55 mm，平均直徑的4/3倍均為463.55 mm×4/3=618.1 mm。

主變換爐管口a與管口c1直徑之和為(812.8+508) mm=1 320.8 mm，平均直徑為1320.8 mm/2=660.4 mm，平均直徑的4/3倍為660.4 mm×4/3≈880.5 mm。

③由上述計算可知：主變換爐管口a與管口d1、d2、d3、c1需采用聯(lián)合補強(引自GB 150.3—2011)。

④聯(lián)合補強的面積計算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3條6.3.3.2款，補強面積按公式(2)計算：

其中因殼體材料、接管材料相同，均為15CrMoR，則fr=1.0。

主變換爐管口a的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=812.8 mm×52 mm=42 265.6 mm2。

主變換爐管口d1-d3的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=114.3 mm×52 mm=5 943.6 mm2。

主變換爐管口c1的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=508 mm×52 mm=26 416 mm2。

總補強面積=(42 265.6+5 943.6+5 943.6+5 943.6+26 416)mm2=86 512 mm2。

主變換爐上封頭表面積=4πr2/2=4×π×(1 603 mm)2/2=16 145 329.52 mm2。

總補強面積遠小于主變換爐上封頭表面積。

(2)主變換爐下管口

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款：

①管口中心距：

管口中心距按公式(1)計算：

主變換爐管口b與管口c2(卸料口)中心距：

主變換爐管口b與管口c3(卸料口)中心距：

②主變換爐管口b和管口c2、c3直徑之和均為(812.8+273.1)mm=1 086 mm，平均直徑均為1 086 mm/2=543 mm，平均直徑的4/3倍均為543 mm×4/3=724 mm。

③由上述計算可知：主變換爐管口b與管口c2、c3需采用聯(lián)合補強。

④聯(lián)合補強面積計算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3條6.3.3.2款。

補強面積按公式(2)計算：

其中因殼體材料、接管材料相同，均為15CrMoR，則fr=1.0。

主變換爐管口b的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=812.8 mm×52 mm=42 265.6 mm2。

主變換爐管口c2、c3的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=273 mm×52 mm=14 196 mm2。

總補強面積=(42 265.6+14 196+14 196)mm2=70 658 mm2。

主變換爐下封頭表面積=4πr2/2=4×π×(1 603 mm)2/2=16 145 329.52 mm2。

總補強面積遠小于主變換爐下封頭表面積。

2.3 預變換爐分析步驟

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款。

取預變換爐管口a(介質入口)、b(介質出口)開孔最大直徑dop=812.8 mm(DN800)。已知預變換爐內徑Di=1 986 mm。則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

(1)預變換爐上管口：

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

①管口中心距：

預變換爐管口a與管口d1、d2、d3中心距均為600 mm。

其他管口中心距按公式(1)計算：

預變換爐管口a與管口c1(人孔)中心距

②預變換爐管口a和管口d1、d2、d3直徑之和均為(812.8+114.3)mm=927.1 mm，平均直徑均為927.1 mm/2=463.55 mm，平均直徑的4/3倍均為463.55 mm×4/3=618.1 mm。

預變換爐管口a與管口c1直徑之和為(812.8+508)mm=1 320.8 mm，平均直徑為1 320.8 mm/2=660.4 mm，平均直徑的4/3倍為660.4 mm×4/3≈880.5 mm。

③由上述計算可知：

預變換爐管口a與管口d1、d2、d3、c1需共同作為一個假想孔進行計算(引自GB 150.3—2011)。

該假想孔直徑=(812.8+114.3+114.3+114.3+508)mm=1 663.7 mm。

該假想孔直徑dop＞Di/2，不符合等面積法適用范圍要求。

④預變換爐上管口a(介質入口)取值為DN750。

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款。

取預變換爐管口a(介質入口)開孔最大直徑dop=762 mm。已知預變換爐內徑Di=1 986 mm。則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

(a)管口中心距：

預變換爐管口a與管口d1、d2、d3中心距均為600 mm。

其他管口中心距按公式(1)計算：

預變換爐管口a與管口c1(人孔)中心距

(b)預變換爐管口a和管口d1、d2、d3直徑之和均為(762+114.3) mm=876.3 mm，平均直徑均為876.3 mm/2=438.15 mm，平均直徑的4/3倍均為438.15 mm×4/3=584.2 mm。

預變換爐管口a與管口c1直徑之和為(762+508) mm=1 270 mm，平均直徑為1 270 mm/2=635 mm，平均直徑的4/3倍為635 mm×4/3≈847 mm。

(c)由上述計算可知：

預變換爐管口a與管口d1、d2、d3、c1需采用聯(lián)合補強。

(d)聯(lián)合補強面積計算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3條6.3.3.2款。

補強面積按公式(2)計算：

其中因殼體材料、接管材料相同，均為15CrMoR，則fr=1.0。

預變換爐管口a的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=762 mm×32 mm=24 383 mm2。

預變換爐管口d1-d3的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=114.3 mm×3 2mm=3 657.6 mm2。

預變換爐管口c1的補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=508 mm×32 mm=16 256 mm2。

總補強面積=24383+3657.6+3657.6+3657.6+16256=51611.8 mm2。

預變換爐上封頭表面積=4πr2/2=4×π×(1 603 mm)2/2=16 145 329.52 mm2。

總補強面積遠小于預變換爐上封頭表面積。

(2)預變換爐下管口：由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

①管口中心距：

管口中心距按公式(1)計算：

預變換爐管口b與管口c2(卸料口)中心距

預變換爐管口b與管口c3(卸料口)中心距

②預變換爐管口b和管口c2、c3直徑之和均為(812.8+219.1)mm=1 032 mm，平均直徑均為1 032 mm/2=516 mm，平均直徑的4/3倍均為516 mm×4/3≈688 mm。

③由上述計算可知：

預變換爐管口b與管口c2、c3需共同作為一個假想孔進行計算。

該假想孔直徑=(812.8+219.1+219.1)mm=1 251 mm。

該假想孔直徑dop＞Di/2，不符合等面積法適用范圍要求。

④預變換爐下管口b(介質出口)取值為DN550。

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款。

取預變換爐管口b(介質出口)開孔最大直徑dop=558.8 mm。已知預變換爐內徑Di=1 986 mm。則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

(a)管口中心距

管口中心距按公式(1)計算：

預變換爐管口b與管口c2(卸料口)中心距

預變換爐管口b與管口c3(卸料口)中心距

(b)預變換爐管口b和管口c2、c3直徑之和均為(558.8+273.1)mm=832 mm，平均直徑均為832 mm/2=416 mm，平均直徑的4/3倍均為416 mm×4/3=554.67mm。

(c)由上述計算可知：

預變換爐管口b與管口c2、c3需共同做為一個假想孔進行計算。

該假想孔直徑=558.8+219.1+219.1mm=997mm。

該假想孔直徑dop＞Di/2，不符合等面積法適用范圍要求。

(d)預變換爐下管口b(介質出口)取值為DN500：

由GB 150.3—2011的第6.1.1條b)款。

取預變換爐管口b(介質出口)開孔最大直徑dop=508 mm。已知預變換爐內徑Di=1 986 mm。則dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

由GB 150.3—2011的第6.4.1條b)款。

(a)管口中心距

管口中心距按公式(1)計算：

預變換爐管口b與管口c2(卸料口)中心距

預變換爐管口b與管口c3(卸料口)中心距

(b)預變換爐管口b和管口c2、c3直徑之和均為(508+273.1)mm=781.1 mm，平均直徑均為781.1 mm/2=390.55 mm，平均直徑的4/3倍均為390.55 mm×4/3=520.73 mm。

(c)由上述計算可知：

預變換爐管口b與管口c2、c3需共同作為一個假想孔進行計算。

該假想孔直徑=(508+219.1+219.1)mm=946.2 mm。

該假想孔直徑dop＜Di/2，符合等面積法適用范圍要求。

(d)補強面積計算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3條6.3.3.2款。

補強面積按公式(2)計算：

其中因殼體材料、接管材料相同，均為15CrMoR，則fr=1.0。

假想孔補強面積：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=946.2 mm×32 mm=30 278.4 mm2。

預變換爐下封頭表面積=4πr2/2=4×π×(998 mm)2/2=6 258 078 mm2。

假想孔補強面積遠小于預變換爐下封頭表面積。

3 結語

(1)主變換爐管口a(介質入口)、b(介質出口)開孔最大直徑均為dop=812.8 mm(DN800)，需采用聯(lián)合補強。

(2)預變換爐管口a(介質入口)開孔最大直徑dop=762 mm(DN750)，需采用聯(lián)合補強。

(3)預變換爐管口b(介質出口)開孔最大直徑dop=508 mm(DN500)，需采用整體補強，并且補強材料不得使用接管金屬(15CrMoR)。