靈活焦化裝置主風(fēng)機(jī)組管道設(shè)計(jì)淺析

王劍

(中石化廣州工程有限公司,廣東 廣州 510620)

靈活焦化裝置具有原料適應(yīng)性強(qiáng)、裝置連續(xù)運(yùn)行、焦炭收率低、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn),在環(huán)保要求日趨嚴(yán)格和原油價(jià)格偏高位運(yùn)行的背景下,對(duì)于劣質(zhì)重油加工具有越來越大的吸引力。主風(fēng)機(jī)作為靈活焦化裝置的關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備,主要作用是給反應(yīng)器、加熱器和氣化器提供風(fēng)源,保證焦炭在三器中處于流化狀態(tài),同時(shí)使焦炭氣化成低熱值靈活氣;另一方面為固體焦炭產(chǎn)品的流態(tài)化輸送提供輸送介質(zhì),便于焦炭產(chǎn)品的處理和回收。主風(fēng)機(jī)的順利運(yùn)行關(guān)系著整個(gè)裝置的安全生產(chǎn),與主風(fēng)機(jī)相關(guān)的設(shè)備、儀表和管道等的設(shè)計(jì),特別是主風(fēng)機(jī)組的管道設(shè)計(jì),是保證整個(gè)機(jī)組長(zhǎng)周期安全、正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

本文對(duì)某靈活焦化裝置中主風(fēng)機(jī)組的平面布置和管道設(shè)計(jì)等進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析,為同類型裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 主風(fēng)機(jī)的平面布置

按照工藝流程的特點(diǎn),應(yīng)將主風(fēng)機(jī)布置在主要用風(fēng)設(shè)備(氣化器)附近,減小主風(fēng)管道長(zhǎng)度,降低投資。同時(shí)應(yīng)充分考慮機(jī)組的吊裝檢修,宜將主風(fēng)機(jī)布置在道路附近,廠房二層平臺(tái)吊裝孔開在道路側(cè)。結(jié)合裝置平面布置風(fēng)格,本裝置將主風(fēng)機(jī)縱向布置在道路建南側(cè)的廠房?jī)?nèi),氣化器位于道路建北側(cè),如圖1所示。

圖1 主風(fēng)機(jī)平面布置圖

2 管道布置要求

管道布置應(yīng)符合工藝管道和儀表流程圖(包括PI&D和UI&D)的要求,統(tǒng)籌規(guī)劃,做到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、整齊美觀,滿足施工、操作、檢修等各方面的要求。

在動(dòng)設(shè)備的管道設(shè)計(jì)過程中,還應(yīng)格外關(guān)注管嘴受力要求。主風(fēng)機(jī)和汽輪機(jī)屬高速轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備,當(dāng)作用于設(shè)備管嘴的作用力和力矩較大時(shí),將造成轉(zhuǎn)動(dòng)軸的不對(duì)中、轉(zhuǎn)子與定子間隙的改變,引起磨損和振動(dòng),降低設(shè)備效率,影響設(shè)備安全運(yùn)行和使用壽命,因此必須對(duì)管道作用于設(shè)備管嘴的外力加以限制。

對(duì)軸流式和離心式壓縮機(jī)而言,一般在美國(guó)石油學(xué)會(huì)API STANDARD 617要求的基礎(chǔ)上,由管道設(shè)計(jì)單位與制造廠協(xié)商一個(gè)系數(shù)。對(duì)汽輪機(jī)而言,一般在美國(guó)電氣制造商協(xié)會(huì)NEMA SM23要求的基礎(chǔ)上,由管道設(shè)計(jì)單位與制造廠協(xié)商一個(gè)系數(shù)。

API STANDARD 617與NEMA SM23對(duì)設(shè)備管嘴受力的限制具有相似性,前者是由后者發(fā)展而來。本文先以NEMA SM23為例,介紹管嘴受力的具體要求,再闡明API STANDARD 617的不同之處。

NEMA SM23中的坐標(biāo)約定是:X方向與轉(zhuǎn)動(dòng)軸平行,+Y方向垂直向上,Z方向在水平方向上與轉(zhuǎn)動(dòng)軸垂直,此坐標(biāo)約定與后文中CAESAR II建模的坐標(biāo)系不同,在計(jì)算和分析過程中需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和區(qū)分。

管道作用于設(shè)備管嘴的作用力和力矩須滿足以下兩個(gè)要求:

1)作用于任一管嘴的合力及合力矩應(yīng)滿足:

0.914 4FR+MR≤26.689De

(1)

式中:De——當(dāng)量直徑,mm;當(dāng)管嘴公稱直徑不大于200 mm時(shí),De= 管嘴公稱直徑;當(dāng)管嘴公稱直徑大于200 mm時(shí),De= (管嘴公稱直徑+400)/3;

FR——單個(gè)管嘴上的合力,N;

MR——單個(gè)管嘴上的合力矩,N·m。

(2)

(3)

式中:FX,FY,FZ——單個(gè)管嘴上X、Y、Z方向的作用力,N;

MX,MY,MZ——單個(gè)管嘴上X、Y、Z方向的力矩,N·m。

2)各管嘴的力和力矩合成到排汽口中心處的合力及合力矩應(yīng)滿足:

①FC和MC在X、Y、Z三個(gè)方向的分力和分力矩應(yīng)滿足:

|FCX|≤8.75DC

(4)

|FCY|≤21.891DC

(5)

|FCZ|≤17.513DC

(6)

|FCX|≤13.345DC

(7)

|FCY|≤6.672DC

(8)

|FCZ|≤6.672DC

(9)

式中:FC——各管嘴的合力,N;

MC——各管嘴的力和力矩合成到排汽口中心處的合力矩,N·m;

FCX、FCY、FCZ——FC在X、Y、Z三個(gè)方向的分力,N;

MCX、MCY、MCZ——MC在X、Y、Z三個(gè)方向的分力矩,N·m。

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

式中:n——管嘴的數(shù)量。

②合力及合力矩應(yīng)滿足:

0.609 6FC+MC≤13.345DC

(16)

式中:DC——按公稱直徑計(jì)算得到的各管嘴面積之和的當(dāng)量直徑,mm;當(dāng)各管嘴面積之和折合成圓形的折算直徑不大于230 mm時(shí),DC= 折算直徑;當(dāng)各管嘴面積之和折合成圓形的折算直徑大于230 mm時(shí),DC= (折算直徑+460)/3。

API STANDARD 617規(guī)定的管嘴受力要求與NEMA SM23有兩點(diǎn)不同之處,其一是API STANDARD 617的受力允許值為NEMA SM23的1.85倍,其二是在進(jìn)行第2)項(xiàng)校核時(shí),力與力矩應(yīng)合成到最大管嘴(一般是進(jìn)汽口)中心處。

在進(jìn)行主風(fēng)機(jī)和汽輪機(jī)管道設(shè)計(jì)過程中,如何滿足上述管嘴受力要求是管道布置的難點(diǎn)和關(guān)鍵點(diǎn)。一般而言,首先考慮通過優(yōu)化管道走向來增加管道自身柔性,此方法在主風(fēng)機(jī)廠房?jī)?nèi)經(jīng)常因空間限制而難以實(shí)現(xiàn),因此需要通過調(diào)整支吊架形式與位置或者在管道中增設(shè)金屬波紋管膨脹節(jié)吸收熱位移,從而減小管道對(duì)設(shè)備管嘴的作用力和力矩,最終滿足設(shè)備管嘴受力要求。

3 主風(fēng)機(jī)管道布置

在管道布置過程中,需要關(guān)注管道的設(shè)計(jì)條件,根據(jù)管道特點(diǎn)“因材施教”。表1所示為主風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道的設(shè)計(jì)條件,從表中可以看出管道的主要特點(diǎn)包括:管道直徑較大,介質(zhì)無毒無害,壓力低。

表1 主風(fēng)機(jī)進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)條件

3.1 主風(fēng)機(jī)入口管道設(shè)計(jì)

主風(fēng)機(jī)入口管道直徑大,廠房空間有限,且需避免管道與主風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及廠房立柱碰撞,因此將入口消聲器設(shè)置在立管上,并利用廠房和附近管橋設(shè)置支撐平臺(tái)。

為了盡量避免空氣以湍流的方式進(jìn)入主風(fēng)機(jī),在離管嘴最近的兩個(gè)管道拐彎處設(shè)置整流柵,使空氣盡可能平穩(wěn)有序地通過導(dǎo)流葉片,減少氣流對(duì)風(fēng)機(jī)葉片的擾動(dòng)。同時(shí),整流柵的設(shè)置能減小氣流的壓力損失,有利于減小盲板力。

在操作態(tài)下,主風(fēng)機(jī)入口管道溫度較低,熱脹量較小,但是由于機(jī)組高速轉(zhuǎn)動(dòng),管嘴一般也存在熱位移。為了盡量減小管嘴受力,在管嘴附近設(shè)置一個(gè)單式軸向型膨脹節(jié),同時(shí)在水平管上離膨脹節(jié)軸線盡量近的位置設(shè)置一個(gè)承重支架,此支架限制了該點(diǎn)豎直向下的位移,與管嘴一起相當(dāng)于膨脹節(jié)兩側(cè)的固定點(diǎn),從而保證軸向位移能被吸收。需要注意的是,自由型膨脹節(jié)無法自吸收盲板力,適用于壓力值較低的情況,因此應(yīng)盡量減小空氣的壓力損失,從而避免管口承受較大拉力。

由于管道公稱直徑大于500,為便于檢查和清掃管道,在由整流柵隔開的三個(gè)管道空間內(nèi)分別設(shè)置了一個(gè)人孔。

基于以上設(shè)計(jì)得到主風(fēng)機(jī)入口管道的布置方案,圖2為管道平面布置圖,圖3為A-A豎面布置圖。

3.2 主風(fēng)機(jī)出口管道設(shè)計(jì)

主風(fēng)機(jī)出口管道直徑較大、設(shè)計(jì)溫度較高,同樣受限于廠房空間,難以通過改變管道走向的方式增加管道自然補(bǔ)償能力來優(yōu)化管嘴受力,因此考慮通過合理設(shè)置支架和金屬波紋管膨脹節(jié)來吸收熱脹。由于出口管道操作壓力達(dá)到0.411 MPa,在選用膨脹節(jié)時(shí),管道內(nèi)壓推力(盲板力)較大,因此需選擇約束型膨脹節(jié)自吸收盲板力。

主風(fēng)機(jī)與氣化器之間的管道長(zhǎng),分支多,走向復(fù)雜,為了簡(jiǎn)化管道設(shè)計(jì)并保證設(shè)計(jì)的可靠性,將整個(gè)管道分成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。同時(shí)考慮到盡量減小彎頭處(節(jié)點(diǎn)36)的熱位移,將出口消音器靠近機(jī)組側(cè)的支座設(shè)為固定點(diǎn),主風(fēng)機(jī)出口管道對(duì)管嘴受力的影響可以大致簡(jiǎn)化成對(duì)一段L形管道的分析,如圖4所示。

圖4 主風(fēng)機(jī)出口管道三維模型圖(CAESAR II建模坐標(biāo)系)

彎頭(節(jié)點(diǎn)36)在熱態(tài)下由于管道自身熱脹在+X和-Y方向有熱位移,并形成一個(gè)角變形,與此同時(shí),管嘴由于機(jī)組熱脹存在+Z和-Y方向的位移,立管隨之存在+Z方向的位移。因此在立管上選用一個(gè)復(fù)式萬向鉸鏈型膨脹節(jié)吸收X和Z方向任意位移組合,在水平管上選用一個(gè)單式鉸鏈型膨脹節(jié)吸收立管熱脹形成的X-Y平面內(nèi)角位移,同時(shí)由于存在-Y方向位移,彎頭處應(yīng)選擇彈簧支架承重。

3.3 主風(fēng)機(jī)管嘴受力校核

在設(shè)備訂貨階段與制造廠協(xié)商約定主風(fēng)機(jī)管嘴受力按照API STANDARD 617執(zhí)行。主風(fēng)機(jī)入口管嘴較大,受力允許值相應(yīng)較大,同時(shí)由于管道溫度低,且設(shè)置了一個(gè)單式軸向型膨脹節(jié)吸收熱位移,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)實(shí)際受力值遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求的允許值,因此入口管道一般不進(jìn)行模擬計(jì)算。由于沒有入口管嘴受力的準(zhǔn)確計(jì)算值,主風(fēng)機(jī)在進(jìn)行管嘴受力校核時(shí)一般只對(duì)出口管嘴進(jìn)行單個(gè)管嘴受力校核,不再進(jìn)行合力及合力矩的校核。

通過CAESAR II軟件模擬計(jì)算得到主風(fēng)機(jī)出口管嘴在操作態(tài)下的作用力和力矩,如表2所示。

表2 主風(fēng)機(jī)出口管嘴作用力和力矩(NEMA 約定坐標(biāo)系)

通過式(1)～(3)計(jì)算結(jié)果如下:

0.914 4FR+MR=10 362

1.85×26.689×De=21 396

通過比較得到計(jì)算值為允許值的48.4%,作用力和力矩的校核滿足要求。值得一提的是,在對(duì)設(shè)備管嘴進(jìn)行受力校核時(shí),必須分別校核安裝態(tài)和操作態(tài)下的受力情況,兩者均必須滿足受力要求。大部分情況下,操作態(tài)下管嘴受力更為苛刻,因此本文只節(jié)選了操作工況下的計(jì)算數(shù)據(jù)。

4 汽輪機(jī)管道布置

表3所示為汽輪機(jī)進(jìn)出口和漏汽口管道的設(shè)計(jì)條件,根據(jù)管道設(shè)計(jì)條件的不同,分別進(jìn)行管道設(shè)計(jì)和分析,以期滿足管嘴受力要求。

表3 汽輪機(jī)蒸汽管道設(shè)計(jì)條件

4.1 汽輪機(jī)入口管道設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)入口管道溫度、壓力較高,管道布置需具有一定柔性,且需要合理設(shè)置支架,使管道在操作態(tài)下按照預(yù)期的方式受力和變形,從而減小管嘴受力。

蒸汽入口管道在管橋上沿Z方向較長(zhǎng),汽輪機(jī)附近管道X和Y方向無法吸收此段直管的熱位移,因此在節(jié)點(diǎn)260設(shè)置Z向限位支架,此點(diǎn)在Z向與入口管嘴位置相當(dāng),保證260點(diǎn)到入口管嘴之間的管道在Z向熱位移基本上不會(huì)傳遞到460點(diǎn)和580點(diǎn),減小了管嘴FZ和MX,如圖5所示。

圖5 汽輪機(jī)入口管道三維模型圖(CAESAR II建模坐標(biāo)系)

入口管道在分成兩路之后管徑變小,且分別沿-X和+X方向設(shè)置了“ π ”型補(bǔ)償器,管道柔性增加。為了減小主管在X方向的位移影響管嘴受力,在340點(diǎn)設(shè)置-X方向的止推支架,340點(diǎn)到兩管嘴之間的管道以汽輪機(jī)軸線為中心線對(duì)稱布置,X方向管道的熱位移由兩分支上的補(bǔ)償器吸收,因此460點(diǎn)和580點(diǎn)的X向位移很小,減小了管嘴FX和MZ。

為了減小FY,將460點(diǎn)、420點(diǎn)、400點(diǎn)、580點(diǎn)、540點(diǎn)、520點(diǎn)和360點(diǎn)均設(shè)為彈簧支架。需要注意的是,為了減小管嘴作用力和力矩,一般根據(jù)需要在管嘴附近選用帶聚四氟乙烯組件的低摩擦支架。

4.2 汽輪機(jī)入口管道設(shè)計(jì)

汽輪機(jī)出口管道直徑較大,廠房空間有限,無法通過改變管道走向的方式增加管道柔性。考慮到管道壁厚較小,管道自身變形能力較強(qiáng),因此優(yōu)先考慮通過調(diào)整支吊架的形式與位置增加管道的自然補(bǔ)償能力,改善管嘴受力情況。

如圖6所示,出口管線整體位于管嘴的+X方向,因此在23和26點(diǎn)設(shè)置-X方向止推支架,減小了管嘴受到的FX和MZ。

圖6 汽輪機(jī)出口管道三維模型圖(CAESAR II建模坐標(biāo)系)

為了減小FX和MZ,需要合理干預(yù)管道在Z向的變形趨勢(shì),保證管嘴附近23/26點(diǎn)基本沒有Z向位移。通過在43點(diǎn)和95點(diǎn)止推支架的配合,43點(diǎn)到95點(diǎn)之間的Z向熱位移由L形管道自吸收,95點(diǎn)以后管道的Z向位移由下游管道吸收。

減小FY的原則與入口管道類似,將管嘴附近的Y向支架設(shè)置為帶聚四氟乙烯組件的低摩擦彈簧支架。

4.3 汽輪機(jī)漏汽口管道設(shè)計(jì)

漏汽口管道設(shè)計(jì)溫度和壓力均較低,管道熱脹量較小,管道布置柔性較好,只需將靠近管嘴的兩個(gè)水平管支架26點(diǎn)和40點(diǎn)設(shè)置為彈簧即可,管道布置如圖7所示。

圖7 汽輪機(jī)漏汽口管道三維模型圖(CAESAR II建模坐標(biāo)系)

4.4 汽輪機(jī)管嘴受力校核

考慮到汽輪機(jī)進(jìn)出口蒸汽管道溫度較高,在設(shè)備訂貨階段與制造廠協(xié)商約定汽輪機(jī)管嘴受力按照NEMA SM23標(biāo)準(zhǔn)的2倍執(zhí)行,因此在進(jìn)行管嘴受力校核時(shí)均需在第2節(jié)所列不等式右側(cè)乘以系數(shù)2。

通過CAESAR II軟件模擬計(jì)算得到汽輪機(jī)各個(gè)管嘴在操作態(tài)下的作用力和力矩,如表4所示。

表4 汽輪機(jī)管嘴作用力和力矩(NEMA 約定坐標(biāo)系)

首先根據(jù)式(1)～(3)計(jì)算,對(duì)作用于每個(gè)管嘴的合力及合力矩進(jìn)行校核,計(jì)算結(jié)果如表5所示,通過比較可以發(fā)現(xiàn),每個(gè)管嘴的合力及合力矩綜合數(shù)值均不到允許值的50%,滿足校核要求。

表5 汽輪機(jī)單個(gè)管嘴受力校核結(jié)果

再對(duì)各管嘴的力和力矩合成到排汽口中心處的合力及合力矩進(jìn)行校核,合力及合力矩在X、Y、Z三個(gè)方向分量的比較按照式(4)～(16)進(jìn)行,結(jié)果如表6所示,通過比較可以得到合力及合力矩在三個(gè)方向的分量都不到允許值的50%,滿足校核要求。

表6 合成到排汽口中心處的合力及合力矩分量校核結(jié)果

通過式(16)對(duì)合力及合力矩的綜合數(shù)值進(jìn)行計(jì)算如下:

0.914 4FC+MC=7 508

2×13.345×DC=10 143

通過比較得到計(jì)算值為允許值的74%,各管嘴的力和力矩合成到排汽口中心處的合力及合力矩滿足要求。需要注意的是,在進(jìn)行單個(gè)管嘴受力校核、各管嘴的力和力矩合成到排汽口中心處的合力及合力矩分量校核時(shí),計(jì)算值均不到允許值的50%,而合力及合力矩校核時(shí)比值達(dá)到74%,因此在進(jìn)行汽輪機(jī)管嘴受力校核時(shí),合力及合力矩的校核非常關(guān)鍵,不能忽略。

5 結(jié)語

管道設(shè)計(jì)對(duì)主風(fēng)機(jī)組能否長(zhǎng)周期安全、正常運(yùn)轉(zhuǎn)有至關(guān)重要的影響,主要體現(xiàn)為管嘴受力是否能滿足要求。本文通過增設(shè)金屬波紋管膨脹節(jié)、優(yōu)化管道走向、調(diào)整支吊架形式與位置等方式增加管道熱補(bǔ)償能力,并核算了管嘴受力。在滿足受力要求的情況下,得到優(yōu)化的管道布置,為同類型裝置的設(shè)計(jì)提供參考。