石化裝置中塔布置和配管設計實踐研究

蔣啟忠

（廣東中化石油化工設計有限公司，廣東 廣州 510700）

在石油化工生產中，塔是一種常用設備，常見的塔器設備包括洗滌塔、萃取塔、吸收塔、反應塔等，這些塔器設備是液液和氣液之間進行傳熱和傳質的重要設施，在石化生產中發揮著至關重要的作用。近年來，隨著石油化工生產工藝的進步，對塔器設備的布置及配管設計提出了更高要求，各企業越來越關注對塔布置及配管設計的優化，力求發揮塔器設備在石油化工生產中的最大作用。

1 塔器與配管簡介

塔器是一種用于氣體和液體、液體和液體傳熱和傳質的設備，在石油化工生產中是許多裝置單元的核心設備。石油化工生產中，塔器的類型眾多，根據塔的用途不同，可以將其劃分為用于氣液相間傳質的吸收塔、解吸塔、精餾塔和汽提塔等，以及用于液液相間傳質的萃取塔等[1]。各類塔器應用于石油化工生產，除了塔器本身的布置非常重要外，還要關注塔的配管設計，塔中管道的配置直接會影響塔的性能，不合理的配管設計方案可能影響塔器運行的穩定性，無法滿足石油化工生產的需求，甚至會帶來許多安全隱患。塔器布置與配管設計具有較強復雜性，在實際工作中涉及的塔和管道較多，配管設計難度較大，可能出現配管設計不符合塔器運行需求或與塔配置情況脫節的問題。

石油化工生產中，設計人員要在了解塔器設備所有管道材料的基礎上，從塔頂、塔側、塔底等不同角度展開深入分析，明確石油化工生產對塔器設備使用的需求，以需求為導向展開優化設計，力求提高塔器設備的配管效果。設計人員要保證在所有管道安裝結束后，各條管道能滿足石油化工生產對塔的配管協調性提出的要求，按照相關標準規范，保證塔所有管道配置的合理性，解決塔器設備和管道之間的矛盾，為塔器的安全運行提供保障。設計人員要從石油化工生產的實際情況出發，明確生產實際對塔器設備的需求，將目光放在整個石化生產工藝高度，評估怎樣布置塔和配置管道，能避免不合理的布置和設計方式給正常生產工序造成的不良影響。塔在運行過程中與石油化工生產中的其他設備、儀器儀表有著密切聯系，在塔布置和配管設計中要充分考慮此類問題，盡量保證相連管道設計的合理性、適應性，進一步優化塔的性能，提高塔的使用成效。塔布置和配管設計中，設計人員還應考慮塔在后期運行中的檢修和保養要求，盡量保證塔與相關管道布置的合理性，確保塔器所處位置方便后期保養和維修，避免塔器在運行過程中因為龐大檢修量導致的額外成本支出。

2 石化裝置塔的布置

2.1 塔器平面布置要求

塔器的平面布置要符合石油化工生產工藝，塔器和塔器或者與其他設備間要保持足夠的安全距離，盡量縮短管道和線路的距離，在同一生產單元盡量采用集中布置的形式。根據石油化工生產特點，在塔器的平面布置中，要根據塔的直徑確定大體布置形式。通常，直徑小于1 000 mm 的塔器，需要布置在框架內，憑借框架的支撐提高塔器的穩定性，直徑大于1 000 mm 的塔器可以布置在石化裝置的邊緣，要保證布置形式方便對石化裝置和塔器進行調查、檢修。

塔的管廊立柱中心要和外壁保持一定間距，間距一般不能低于3 m；塔器和塔器之間至少要保持2.5 m間距，便于在兩塔中間設置平臺和管道[2]。對框架側布置的兩個或以上的塔，要保證塔的中心線對接，采用單排布置或三角形布置的形式，結合塔的實際布置情況完成聯合平臺的設置。

塔器的平面布置，不僅要滿足石油化工生產工藝的要求，還要思考采用的平面布置方式，是否留有足夠的操作空間、配管空間，要預留足夠大小的檢修區、配管區，配管側盡量靠近配管區或管廊，便于管道進出；維修側設置在靠近通道或吊裝位置，方便工作人員進行維修、吊裝等操作。

2.2 塔器安裝高度控制

塔器布置過程中，如果石化裝置是利用壓差或重力流將物料送往下游設備，要根據石化裝置的內壓和下游設備的壓力確定塔器的高度；如果采用泵抽塔底物料，在設置塔安裝高度時，要考慮管道的壓力降和泵的汽蝕余量。在塔的安裝高度控制中，設計要考慮配管要求和塔器、石化裝置的操作要求，塔的基礎、裙座、再沸器等基礎高度要統一進行考慮，不僅要滿足石油化工生產工藝的要求，還應考慮生產過程中相關應力條件，確保塔器安裝高度滿足石化裝置運行的需要。

成組布置的塔器，通常要設置聯合平臺，設計要根據塔器的裙座高度決定，在聯合平臺高度和裙座高度無法齊平時，可以設置錯層樓梯為平臺通行提供保障。塔器安裝高度設置中，要考慮配管方面的要求，塔器高度應滿足管道通行的基本要求，滿足檢修、操作和保養對塔器最小凈空高度的要求，避免塔器安裝高度設置不合理影響后期各類業務操作。

2.3 操作平臺設置

石化裝置塔布置過程中，針對塔器上設置有閥門、儀表、人孔、手孔、管口的部位，都要設置操作平臺，操作平臺寬度要根據各部門檢修和操作條件決定，盡量在不影響正常作業的條件下增加操作平臺的寬度。如果一些平臺的人孔高度無法滿足要求，可以將平臺的人孔部分標高和其他部分標高取不同值，用斜梯連接不同標高部分，滿足不同操作平臺間的通行需求。塔器上各平臺的寬度要體現出適宜性，避免平臺寬度過小影響操作安全，避免寬度過大導致塔器負載。設計人員要明確各平臺之間斜梯的最大高度，一般最大高度不超過8 m，最下層平臺高度至少要高出地面2.2 m，為下方通行安全或檢修、吊裝等作業創造良好條件。塔器操作平臺的設置，要綜合考慮單塔和組塔的布置情況。針對兩個或以上的塔組成的布局結構，要重視聯合平臺的設置，根據不同類型塔的人孔、管口高度，盡量保證不同塔之間聯合平臺高度一致；對兩塔之間管口、人孔高度不一致的情況，也要采取設置斜梯的方式保證兩塔之間的正常通行[3]。如果塔器布置在靠近框架的位置，平臺和框架之間也可以設置通道，成組的塔可以將平臺連接起來。需要注意的是，針對操作工況不同可能引起的熱膨脹差異，兩塔之間的操作平臺優選鉸接方式進行連接，保證兩塔間平臺設置的牢固性。

3 石化裝置塔器配管設計

3.1 塔器管口方位設計

在確定塔器管口的方位時，設計人員要了解石化裝置對塔器及管道提出的要求。塔一般需要在裝置的管道側或者檢修側進行設置。在塔器的檢修側，要預留足夠的作業空間，方便作業人員展開吊裝、檢修等操作，并且要在靠近道路的一方進行設置。在配管設計中，可以不用考慮管道側的管口方位，其余管口方位要重點考慮生產工藝的條件，根據塔內介質形態、進口分布器和探班形式等確定管口的方位。在塔器設備上，所有的管口在方位的布置上，都要以生產工藝為導向，先要做好塔頂的配管設計，控制好管徑、管道走向等情況，按照從上到下的順序設計其他類型的管道。

塔盤間各類管道出口方位的設計中，為了便于人員的出入，要將人孔設置在檢修區域。塔頂、塔釜等部位的管口設置，要根據配管具體情況來確定管口的方位。在實際設計中，管口要盡量靠近受液槽，但也要和降液管保持安全距離，避免管口和塔器內的各類器件發生碰撞，重點對塔上各部位管口位置的角度展開調整。

針對溫度計、壓力表管口的設置，盡量避免在人孔的周圍設置，溫度計和壓力表的管口要設置在塔上對應的區域，如溫度計管口應設置在液相區，壓力表管口應設置在氣相區。假如塔器布置在結構框架當中，在溫度計和壓力表與梁接近的情況下，需要考慮后期的安裝和檢修條件，明確溫度計和壓力表管口的設置是否合理，避免在后期操作中引起溫度計和壓力表管口與梁相撞[4]。板式塔的配管設計中，應控制好溫度計與壓力表管口和降液管的關系，不能在安裝儀器儀表或者設置管口時與降液管發生碰撞，在設計好管口后，儀器儀表要盡量設置在平臺的操作范圍內，便于后續開展相關作業。

3.2 塔上管道的布置

3.2.1 附塔管道布置

在塔的配管設計中，從塔的不同位置考慮，可分為塔頂、塔側和塔底三種類型的管道，不同類型管道的設計有著不同條件。塔頂的主要管道有安全閥的進出口、頂油氣線等；塔側則有進料管、回流管等；塔底管道主要是塔釜抽出和排液管道。塔的配管設計中，要根據生產的工藝條件，控制好塔器的管理布置情況，盡量將管道設置在配管區域，人孔、儀表等應設置在操作區域。在布置管道的過程中，設計人員要重點把控好塔上管道布置的間距，嚴格控制管道外壁和管道之間的距離，一般情況下二者要至少間隔300 mm。

3.2.2 塔頂配管設計

塔頂氣相配管設計中，要考慮到裝置運行時氣相管道溫度較高的特點，將氣相管道設計成“L”型，保證氣相配管設計滿足相關應力要求。塔頂氣相配管設計中，要避免液袋問題，防止積液產生；在設置空冷器時，與空冷器連接的管道盡量采用對稱布置的形式，保證其阻力降相同，規避偏流的問題。

塔頂安全閥的排放管配置中，排放至大氣的安全閥通常設置塔頂人孔下的第一層平臺，而安全閥排放管的位置設置要考慮安全閥的位置。針對排放至火炬系統的安全閥，通常設置在高于火炬縱管的平臺上，在配管設計時要計算入口段壓損，入口段壓損不能低于安全閥定壓值的3%，如果不滿足條件可以適當擴大管徑；安全閥出口段壓損不能大于定壓制的10%，如果不滿足條件也可以選擇擴徑[5]。如果安全閥的出口管道和火炬總管相連，建議按45°從頂部順流接入。

3.2.3 塔側配管設計

塔側配管設計中，對最常見的進料管道，要保證進料管道能向裝置正常供應物料，根據鄰近裝置對不同物料的需求，以及塔內介質出來對管道材質的需求，靈活選擇進料管道的材質和連接方式。對塔側的回流管道，設計人員要結合不同回流功能需求，確定好管道的內徑，控制好管道布置高度和設置角度，保證管道的回流功能可以滿足石化裝置與塔器連接的要求。塔側返回管道的設計中，要保證返回管道能順利對需要返回的物料進行處理，根據裝置運行對塔側返回管道的需求，合理設計管道的材質、內徑、位置、長度等，便于返回的物料能及時得到處理。

3.2.4 塔底配管設計

塔底配管設計，由于塔器底部管道的操作溫度普遍處在飽和狀態，塔底出口和泵連接的管道要具有足夠柔軟性，以降低泵口受力；要盡量減小管道長度和管道壓損問題，盡量少設計拐彎的管道，為泵的正常運行創造良好條件。塔底配管設計中，設計人員需要加強與應力工程師的溝通，結合管道結構展開合作，在協同設計的基礎上保證塔底管道的柔性能滿足裝置和塔器運行對塔底配管設計提出的要求。

3.3 塔器管道支架設計

塔器管道支架的設計中，要考慮不同工況下塔器和管道之間的溫差，明確塔器布置和配管設計要求，合理設計管道支架；如果支架設置在需要進行熱處理的塔上，需要提前在塔上設置隔熱板。在塔的配管設計中，要注意作業安全問題，對設置在塔外壁的承重支架，需要考慮最不良工況對生根支架的布置要求，合理設計管道支架[6]。首先，從塔頂出來的管道或側線進出口的管道，要將靠近管口進出位置的第一個支架設置為承重支架，隨后根據應力計算結果設置第二個承重支架時考慮彈簧支吊架的問題。人工計算和選擇該部位的彈簧支吊架時，要先確定該點管道的熱脹量，計算公式如下。

公式（1）中，Δt代表管系熱脹量；ΔT代表管系溫升；為線膨脹系數；U為管系兩端點的直線距離；et為單位線膨脹量。

其次，設計人員要控制好導向支架的間距，根據管道直徑、荷載等參數確定導向支架的間距。最后，多根附塔管線支架的設置，要滿足跨距的相關規定，盡量將支架設置在同一層高，便于后期作業和維修，保持支架設置的美觀性。

4 結語

塔器設備在石油化工生產中極其重要，塔器的布置和配管設計，直接會影響石化裝置運行效果，影響石油化工生產的整體情況。要根據石油化工生產工藝及石化裝置運行條件，合理布置塔器，優化塔的配管設計，確保在石化裝置運行過程中能發揮出塔和管道的實際作用。