產品提質單元裂化側線塔框架區設備及管道布置特點

羅佳偉

(中核能源科技有限公司,北京 100193)

1 概述

近年來,世界能源市場發生了重大變化,能源的供需矛盾日益突出。石油作為當代經濟社會發展的核心能源,其供需矛盾已經極端的顯現出來。在這種背景下,基于我國“富煤、缺油、少氣”的化石能源賦存特點,為保障我國能源安全,推進國家中長期能源發展戰略,該項目應運而生,也是迄今為止,全球最大的煤制油項目。隨著第一輪三大煤制油示范項目(神寧400萬t/a、杭錦旗120萬t/a和潞安100萬t/a)的順利建成并開車,在新一輪煤制油項目來臨之前,非常有必要進行階段性地總結及提升,以校核人的身份出發,針對大型構架裝置進行系統性剖析。從而提高管道設計能力和設備布置能力。

神華寧煤項目建設地點位于寧夏回族自治區靈武市寧東鎮,規模為年產油品405萬t和烯烴配套合成氣275 km3/h,年轉化煤炭(原料煤+燃料煤)2 448萬t。項目總投資約550億元,總占地面積約為570.7 hm2。項目建設范圍主要包括空分、備煤、煤氣化、一氧化碳變換、合成氣凈化、硫回收、油品合成、油品加工、尾氣處理等工藝裝置,以及與工藝裝置配套的儲運工程、公用工程、輔助工程、服務性工程和廠外工程。主要工藝技術采用西門子公司的GSP煤粉加壓氣化技術和我公司的油品合成及加工工藝技術。油品合成裝置包含原料氣精脫硫、F-T合成、催化劑還原、尾氣脫碳、蠟過濾單元。油品加工裝置包含加氫精制、加氫裂化、低溫油洗、合成水處理單元。

本項目是在寧煤400萬t/a煤炭間接液化項目的基礎上規劃的產品提質優化改造項目,原設計油品加工裝置的主要產品有柴油、石腦油和LPG。考慮到加氫精制柴油富含正構烷烴,可用于生產正構烷烴或液體石蠟,加氫裂化柴油幾乎不含硫和芳烴,可用于生產優質的輕質白油產品,為使企業效益最大化,調整柴油產品結構,降低柴油產量,通過市場調研,決定利用部分加氫精制柴油和加氫裂化柴油,生產正構烷烴產品或液體石蠟,利用加氫裂化柴油生產輕質白油。通過產品結構的調整,可以有效增加企業的經濟效益及市場競爭力。其中裂化側線塔框架區所出產的產品為 W2-40 號白油、W2-60 號白油、W2-80 號白油和W2-100 號白油,實際生產時可根據市場適當調整。

由于該項目原料來自于油品加工裝置,公用工程條件也依托油品加工裝置提供,因此裝置隸屬上按油品加工裝置的一個單元考慮,定名為產品提質單元。

2 單元總體布置原則及特點

2.1 單元總體布置原則

產品提質單元屬于甲類生產裝置,主要火災危險介質為甲類可燃氣體和甲B、乙A類可燃液體。

產品提質單元平面中的設備主要按流程順序布置,同時考慮同類設備適當集中布置。

產品提質單元的平面布置符合GB—50160《石油化工企業設計防火規范》和SH—3011《石油化工工藝裝置布置設計規范》等有關現行規范的規定,能夠滿足操作、檢修、施工、消防、工藝設計和全廠總體規劃的要求。

2.2 單元總體布置特點

產品提質單元布置于合成油廠區西側油品加工裝置的預留空地上,東側為新增渣蠟預過濾單元,南側為加氫精制單元,北側為低溫油洗單元及裝置機柜間、配電室。占地東西方向長128 m,南北方向寬45 m,占地面積5 760 m2。

產品提質單元西側空地為精制常二線框架區的預留地(東西方向長33 m,南北方向寬45 m)。單元有南北兩個界區,位于精制常二線框架區預留地的東側,進出的原料和產品通過南北兩個界區與外界對接。管廊沿東西向布置,將單元分成南北兩排。管廊的南側布置精制減壓框架區(出產的產品為富正C12烷),管廊北側自西向東依次布置地下污油罐、裂化側線塔框架區(出產的產品為W2-40、W2-60、W2-80、W2-100四個牌號的白油)和裂化減壓框架區。公用工程設備布置于管廊[1]兩側;塔、容器等設備和構筑物大多按流程順序布置在管廊兩側;冷凝器、冷卻器、換熱器和臥室容器等設備大多相對集中布置在構架各層上;空冷器集中布置在構架上方;機泵集中布置在管廊或構架下方。

產品提質單元的設備之間均按相關規范和規定要求留有足夠的安全間距和檢修場地,能夠滿足操作、檢修和人員疏散要求;冷換設備、空冷器、機泵等設備的周圍均留有足夠的空間,能夠滿足抽芯、檢修和吊裝要求;各構筑物和立式設備均設有操作平臺和梯子,能夠滿足操作、檢修和人員安全疏散的要求[2]。

產品提質單元除了在每個構架單獨設有圍堰外,整個單元設有大圍堰,以盡可能減少操作和檢修時有可能泄漏介質的污染范圍。

產品提質單元在精制減壓框架區西側和裂化減壓框架區北側均設有重載區,該區域按道路鋪砌,可供檢修車輛通行、作業和擺放檢修設備部件[3]。

圍繞產品提質單元四周設有環形道路,并與廠區道路相連,能滿足檢修、消防車輛通行和作業的要求[4]。

3 裂化側線塔框架區設備及管道布置說明

3.1 裂化側線塔框架區流程簡述

主產品流程:常一線精餾塔由高到低分別抽出減一線、減二線、減三線和減四線分別自流至減一側線塔、減二側線塔、減三側線塔、減四側線塔。四個側線塔塔頂氣線分別返回常一線精餾塔,四個側線塔塔底液線分別自流至減一線、減二線、減三線和減四線油泵。油泵出口線一支分別返回各自側線塔,油泵主要出口線經過各自空冷器、水冷器降溫后分別得到產品為W2-40、W2-60、W2-80、W2-100四個牌號的白油。經管廊運輸至裝置原有成品罐區儲存。

輔助工藝流程:每個側線塔各配備一臺再沸器。塔側抽出線自流至再沸器,再沸器頂部氣體排出線返回側線塔,再沸器底液線也自流回側線塔。為再沸器加熱的中壓蒸汽引自管廊[5],其產生的凝液自再沸器底部自流至各自的側線塔底分水罐,凝液經分水罐收集后由底部經管廊[6]排至蒸汽凝結水管網,分水罐頂部設安全閥,將分水罐內過剩蒸汽引至無人經過的安全地點后直接排放。

3.2 裂化側線塔框架區設備、構架布置說明

裂化側線塔的構架主要以裝置占地、工藝要求、管廊、塔器及空冷器等主要設備的布置為依據進行設計。

首先確定四臺側線塔的位置,由于裝置外北側為重載區,將四臺側線塔并排布置在裝置北側,方便檢修。側線塔為常一線精餾塔的附屬設備,二者關系密切,根據上述流程看,二者所連接的管線也比較多,且管徑較大(最大管線直徑可達DN600),要求高且應力不易計算,這些管線不宜過長且需依靠構架支撐,遂將裂化側線塔構架布置在側線塔的南側。從流程來看,連接側線塔和空冷器的側線塔底油泵需與二者就近布置,遂將其布置在靠近側線塔那一跨的構架下方。裝置內需設置精制減壓框架、裂化減壓框架、裂化側線塔框架和管廊,且占地較小,單元總寬度僅為45 m,如按常規布置原則無法實現。裂化側線塔框架區設備種類和數量比較多,且構架頂部需設置寬度為9 m的空冷器。綜合考慮采取構架與管廊部分軸線共用柱子的布置方法。其中管廊寬為8 m,南北向軸線號為3D軸和3E軸。裂化側線塔構架則布置為寬兩跨(南北向軸線號為3D軸、3E軸和0A軸),長四跨(與管廊共用3PR05～3PR09軸)。

圖1 裂化側線塔框架EL 0.00 m平面布置圖

管廊頂層為9 m平層,裂化側線塔構架在9 m層與管廊[7]一致,為布置產品線閥組,需設置9 m層平臺。該層框架平臺與四個側線塔圈平臺均設置聯合平臺,方便人員檢修。

根據工藝流程,再沸器與側線塔密切相關,側線塔的側出線需自流到再沸器,再沸器底部液線也需自流回側線塔,且再沸器的頂部氣線返回側線塔時,側線塔的管口也要高出再沸器管口,再結合側線塔基礎標高及塔裝配圖上的管口高度。綜合四臺側線塔及四臺再沸器的具體情況,將四臺再沸器并排布置在裂化側線塔構架EL 18000 m層平臺上,再沸器頂部設置平臺,操作其頂部儀表和閥門。同時根據應力計算,利用構架及塔對管線進行支撐。該層構架平臺與四個側線塔圈平臺均設置聯合平臺,方便人員檢修。

圖2 EL 18 000 m層平面布置圖

根據工藝流程,水冷器和空冷器部分管線有自流要求,側線塔底分水罐與再沸器部分管線也有自流要求。空冷器布置在構架頂層,再沸器布置在EL18 000 m層平臺,EL9 000 m層平臺布置的產品線閥組正是由水冷器排出,也需要滿足步步低要求。考慮到水冷罐和側線塔底分水罐因底部設排液且水冷罐的冷卻循環水閥門儀表較多,導致其基礎比較高,水冷罐頂部設置人孔等諸多因素。綜合考慮將水冷器和側線塔底分水罐布置在EL13 000 m平臺上。該層構架平臺與四個側線塔圈平臺均設置聯合平臺,方便人員檢修。

空冷器應布置在構架頂層,且位于再沸器平臺上方,因再沸器自身尺寸較大,頂部閥門儀表均需操作,須設置罐頂平臺,并考慮操作的安全間距。同時還需考慮空冷平臺下方至少應留有1.2～1.5 m的布管空間,方便空冷進出口及蒸汽凝液等公用工程管線的安裝。綜合考慮將空冷器布置在El 25 000 m層平臺上。該層構架平臺與四個側線塔圈平臺均設置聯合平臺,方便人員檢修。

其余管線布置原則有:空冷器進出口管線與空冷器接口連接時嚴格執行對稱要求;布置在框架外側的立管,除部分與側線塔連接的管線布置在框架北側外,其余立管均從框架南側上下,避免與測線塔平臺碰撞;框架各層平臺下均設置管線支撐梁,其與平臺梁之間應留有1.2～1.5 m凈距,在此空間可實現管線錯層布置,方便工藝及公用工程管線進出裝置。

3.3 裂化側線塔重難點管線布置說明

裂化精餾塔減一線(設計溫度:250 ℃,操作溫度:108 ℃ 常壓)、減二線(設計溫度:250 ℃,操作溫度:139 ℃ 常壓)、減三線(設計溫度:300 ℃,操作溫度:153 ℃ 常壓)和減四線(設計溫度:300 ℃,操作溫度:175 ℃ 常壓)分別從裂化精餾塔不同高度管口自流至側線塔。這幾根管線上均設置調節閥組(工藝要求盡量靠近側線塔管口布置),調節閥組前設置流量計和開工油線。根據側線塔和精餾塔的布置位置考慮,應將上述管線上的閥組和流量計、開工油線分層布置。經應力計算,此類管線上應設置彈簧和限位措施,根據彈簧高度及平臺標高合理選擇支簧和吊簧。

側線塔頂出氣線返回至裂化精餾塔,氣線直徑較大,最大口徑達到+DN600 m,該管線操作溫度較高,其設計溫度為300 ℃,操作溫度為186 ℃ 常壓。由于側線塔距離裂化精餾塔較近,且該管線立管部分較長,水平方向管線不足以抵消垂直管線位移,應力計算不易通過,因此在裂化側線塔框架區段內的管線均設置彈簧,個別支架應設置限位和導向。因為支架處荷載較大,支架位置應選在主梁主柱上,保證管線的運行安全。

再沸器頂部氣向返塔線,最大口徑為DN600 m,其設計溫度為250 ℃,操作溫度為203 ℃ 常壓。管線直徑大,構架小,設備多,且側線塔和再沸器只能一一對應,不能錯開布置,因層高受限,該管線自再沸器頂部引出后只能平拐出裝置。經應力計算該管線需設置彈簧支架和限位導向支架,且荷載較大,不能依靠平臺梁支撐,綜合考慮,該管線最佳布置方案為:自再沸器頂部引出后,留有足夠的凈空,并平拐至臨近柱子邊緣,利用柱子外挑三角撐對管線支架進行支撐。同時為滿足管子柔性,合理設計側線塔接口位置,使管線形成π彎,盡量做到利用最少的彎頭滿足管線應力要求。盡量將荷載較大點設計在框架柱子處,將荷載較小的點利用設備支撐。

4 技術成果

本項目建設在已建成項目中,占地尺寸與方位受限,在滿足工藝流程要求的前提下,為滿足規范要求、檢維修方便、節省占地,對設備布置進行了一些優化設計,主要有如下幾點:

(1)由于熱油設備與其他可燃液體設備需4.5 m間距,重沸器需高于地面16 m,需放在框架上,而塔頂分液罐、回流罐、水封罐、真空泵、空冷器均有嚴格的高差、自流要求,在立面布置上優化層高設置,滿足高差、自流要求的同時實現了將熱油設備與其他可燃液體設備分層布置,重沸器中間放置占地極小的水封罐,平臺樓板采用無泄漏的封閉式樓板,既滿足了安全生產的要求,又縮小框架規模,節省占地。

(2)考慮熱油泵作為動設備在安全和檢維修要求上的特殊性,與普通熱油設備區分考慮。由于熱油泵與冷油設備需4.5 m間距,且不宜放在冷油設備下方,框架下空間有限,經綜合考慮,泵的布置利用裝置末端的空余占地將熱油泵布置在框架外,其他泵(真空泵除外)布置在框架下;各類泵集中成排布置,且符合就近布置的原則;在框架內設置了一條能直通框架外的檢修通道。這樣提高了框架的安全性、檢維修更方便、占地合理、管線集中、用電集中。

(3)使設計更人性化,檢維修更方便。在以往項目中業主經常提出高塔上檢維修比較耗費體力,存在安全隱患,此次設計時為了解決這一問題,盡量考慮將塔器平臺與框架平臺作為聯合平臺統籌考慮,將兩個平臺布置在同一高度,使之能夠聯通,既方便了現場巡檢也降低了安全風險,達到了事倍功半的效果,兩臺塔分別有4處和5處與框架平臺相連。另外還將空冷器平臺與框架平臺相連,框架平臺與塔平臺相連。

(4)將之前項目常用的單跑樓梯改為雙跑樓梯,上下樓梯在一處,檢維修更方便,也更利于安全疏散,同時將樓梯間單獨升至需要的高度,使得塔進料管線和安全閥管線配管更合理。

(5)本分區的閥組在滿足就近原則的情況下,選擇集中成排布置在框架邊緣,使其兼具操作方便、少占用通道、美觀的優點。

5 總結

本論文所研究的項目為神華寧煤400萬t/a煤炭間接液化項目油品加工裝置產品提質單元裂化側線塔框架區,該項目詳細設計階段始自2018年6月至2019年8月成品文件存檔結束。該項目特點是構架與管廊共用部分梁柱,巧妙地突破了單元占地不足的限制。在實現裝置功能的基礎上,使單元內布置得更加緊湊。該分區的不足之處在于工藝較簡單,所用到的材料等級少,缺乏大型設備(如加熱爐和壓縮機等)。但該區所涉及的設備種類較多(如塔器、空冷器、再沸器、換熱器、分水罐、油泵等)。涵蓋的專業也比較多(如工藝、設備、建筑、結構、儀表、電氣、給排水等),區內管線種類齊全(包括工藝管線、公用工程管線、軟管站、伴熱站和消防豎管等)。綜上所述,該項目非常適合歸納總結。