石化裝置中配管專業塔器設計探究

趙素娟

(青島武船麥克德莫特海洋工程有限公司,山東 青島 266520)

石化裝置中塔器設備尤為常見,主要有反應塔、吸收塔、蒸餾塔、萃取塔以及洗滌塔等,

作為重要的傳質和傳熱的設備,塔器在裝置中起著核心作用,同時通過頂端、側端,下端產物確定產品方向。市場上對化工產品的不斷精細化,使得石化裝置對塔器的內部科技——塔盤設計、催化劑種類設計等要求越來越苛刻,同時塔器在石化裝置中的外部要求——塔器平面布置、管道設計等要求也在不斷優化中。

1 塔平面布置

在石油化工裝置中,尤其在裝置的產品分離部分,幾乎每套裝置都包含數臺塔器,塔系統通常包含進料加熱器、重沸器、空冷器、回流罐、回流泵、塔底泵等相關設備,按照工藝流程順序靠近布置的原則就近布置系統內的設備,便于操作管理。圖1是某石化10萬t/a碳九分離裝置中的塔平面布置。

圖1 某石化10萬t/a碳九分離裝置設備布置圖

1.1 塔器布置方式

以上設備布置圖中的C-1201、C-1202、C-1301、C-1601及其系統中的設備均布置在相應塔附近的構架-4、構架-5、構架-6中。項目中塔是單排布置,中心對齊。另外對于直徑較小、本體較高的塔,可雙排布置或成三角布置; 而對于直徑小于或等于1 m的塔宜布置在構架內或構架的一側,可用支耳固定,依次提高其穩定性。

1.2 塔與塔、塔與管廊間距

因項目中C-1201、C-1202相關聯設備大部分布置在構架-5上,因此C-1201、C-1202沿管廊布置,便于塔與關聯設備間的管線布置,C-1201塔底泵P-1204置于管廊下方,C-1202塔底泵P-1205置于構-5地面層,因此塔與管廊之間無泵布置情況,C-1201直徑2.6 m,C-1202直徑1.8 m,兩塔中心線距管廊立柱中心線設計取6.5 m,以此滿足規范大于3 m的要求。兩塔單排布置,考慮到塔底液位計布置比較密集,加之人孔的布置方位,以及兩塔之間的聯合平臺的布置,所以兩塔之間間距設計取6 m,6-1.3-0.9=3.8 m大于2.5 m的設計要求[1]。

1.3 塔的安裝高度

塔的安裝高度主要由相關的工藝要求決定,當利用內壓或流體重力將塔底物料送往其他設備或管道時,塔的安裝高度應由其內壓和被送往設備或管道的壓力、高度和輸送管道壓力降決定;當用泵輸送時,安裝高度要考慮泵的必需汽蝕余量(NPSHr);帶有非明火加熱的重沸器的塔,安裝高度應按塔和重沸器之間的操作要求確定。另外,塔的安裝高度還應滿足塔底管道安裝和操作所需要的最小凈空,且塔的基礎面高出地面不應小于200 mm[2]。再結合具體的工藝流程之后可以將相鄰的塔做成聯合平臺。

圖2是某石化10萬t/a碳九分離裝置中的C-1201(碳九分離塔)、C-1202(單體分離塔)底部的立面圖,重沸器管程為工藝介質,殼程為高壓蒸汽,設計確定裙座高度需考慮的因素如下:

圖2 某石化10萬t/a碳九分離裝置C-1201、C-1202

(1)塔底泵的必需汽蝕余量(2 m);

(2)泵入口管路壓力降(約10 kPa);

(3)重沸器凝結水液面要高于凝結水罐封頭的要求;

(4)重沸器進出口管線應力計算要求;

(5)C-1201、C-1202聯合平臺的需求;

(6)塔底管道標高與管廊側梁標高一致的角度;

(7)裕量0.5 m。

綜合以上因素C-1201、C-1202裙座高度設計取值7 m。

2 塔體開口的布置

塔體上的開口數量與其他設備相比要多很多,在塔體上開口時,應詳細了解工藝要求(各個管口的目的性)和塔的內部結構。塔體的開口方位應滿足工藝、儀表要求并便于操作及檢修,同時也應考慮與塔開口連接的管道布置,且因塔管口較多,應避免管道交叉。在布置塔的設備位置時,就應該考慮到塔體的管道側和操作側的方位。當兩塔相鄰布置時,還需統籌考慮聯合平臺的設置。我們常見的是單/雙溢流塔,因此本文主要針對單/雙溢流塔的開口方位進行闡述。

2.1 塔頂管口布置

塔頂管口方位并沒有特殊要求,主要考慮空間及連接管線,例如,安全閥口,因安全閥體較大,加之通常安全閥一開一備加跨線,所占空間較大,因此需主要考慮空間因素。

2.2 塔人孔/手孔的布置要求

人孔的主要作用是裝配、檢查和檢修內件,因此塔人孔的方位首先應置于操作側,其次設置人孔方位必須考慮塔內部構造,例如塔盤方位,因為人孔即人員進出塔內部的通道,必須考慮其可操作性及安全性,人孔應置于塔盤上方,不得設在降液管/槽的上方,另外一座塔上的人孔宜布置在同一垂直線上,既操作方便,又美觀。單/雙溢流塔的人孔方位見下圖3～4。

圖3 雙溢流塔人孔

圖4 單溢流塔人孔

2.3 回流口與進料口的布置

回流口/進料口通常布置在塔板上方的管道側,管口方位與塔板溢流方式密切相關,主要分為管口有無分配管兩種情況,最佳進料/回流管口方位是與降液板垂直方向布置在非降液槽側管口(遠離降液槽的方向),如下圖5～6。

圖5 單溢流塔無分配管

圖6 單溢流塔有分配管

雙溢流塔可參考單溢流塔進料/回流口與降液槽相對位置而確定。在此不再贅述。

2.4 重沸器返回口要求

重沸器返回口應設在塔中心上,并與降液槽平行布置,另外,重沸器管口接管通常是應力管道,因此在考慮方位時除考慮塔內部結構外,應力計算因素也是重點。

2.5 儀表口要求

儀表接口方位首先應考慮的是操作、檢修的因素,因此儀表管口應布置在操作側,在此僅講述液位計及溫度計的管口規劃。

液位計:液位計應安裝在液面波動較小的位置,不宜布置在進料和重沸器返回管口正對面的60°范圍內,溫度計:規劃壓力表/溫度計開口時,首先要明確儀表要測量的是氣體還是液體?如果需要測量液體溫度,則開口應在降液板上0.1 m以內,如果需要測量氣相溫度,則應高于塔盤上0.1 m,特別需要注意的是,因為溫度計需要伸入管嘴一定的長度,如果降液槽的寬度過窄,則溫度計管口需要平行于降液板的方位布置。以防溫度計插不進去,通常塔內保留溫度計的空間最小為0.6 m。

當位置較高的遠傳儀表不方便放在平臺上時,可將其布置在直爬梯附近,便于觀測。

2.6 塔底出料口管道方位布置

塔底出料口管道方位主要考慮因素是管道的柔性,通常根據操作條件以增加彎頭來調整柔性。此管口的高度在塔安裝高度時已考慮。當重沸器為立式時,因為重沸器的安裝高度等因素,塔底出料口的管口高度應與工藝專業共同商定。

3 塔平臺設置

平臺即方便操作、檢修、檢查、調節和觀察的通道,因此,人孔、閥門、儀表管口所在處必須設置平臺,需要注意的一些細節有:

(1)平臺標高通常要高于管嘴凈空0.15 m,當管口為液位計管口時,需確認液位計是否有排凝,當有排凝時需要預留至少0.45 m的凈空。

(2)人孔中心線距離平臺的面的高度一般是0.6～1 m。最佳高度為0.8 m,手孔可抬高至1～1.5 m。

(3)當塔頂部有冷卻器時,則封頭下方有設備殼體法蘭,此時對應層的平臺需要設置360°設備平臺。

(4)當相鄰塔平臺標高接近時,可取一致標高布置成聯合平臺。

(5)塔上下兩層平臺凈空不應小于2.2 m,當兩平臺高差大于10 m時,應中間添加休息平臺。

(6)最下層平臺標高應不小于2.2 m。

(7)平臺的寬度應根據人孔、儀表、閥門及閥組的布置、檢修等實際情況確定,有時部分平臺需要局部加寬,例如安全閥放置的平臺、高壓液位計(通常一次閥為雙高壓閥)所在平臺等都需要局部加寬。

(8)附近有框架平臺的情況需要增加走橋。

4 塔管道布置及支架設置

塔的管道通常分為塔頂管道、塔側管道、塔底管道。從空間考慮,通常布置塔管道時要從上到下規劃,主要考慮大直徑管道和應力計算管道,后考慮塔底和小直徑管道;從美觀上考慮,管道應盡量同心圓布置,或者是切線布置,但是距離塔壁凈空最少0.3 m,以方便布置支架。需要注意的是當敷塔管道,集中荷載較大時,需提偏載給設備專業核算。在塔體設計時未考慮管系荷載,因此,在管口附近必須設置承重支架。具體見以下詳述。另外,如果塔整體需要熱處理,則敷塔管道的支架墊板(與塔體同材質)位置資料需要提前返給設備專業,以便使支架的墊板與塔體整體熱處理。否則待塔體熱處理完畢再加墊板則工序復雜很多。

因塔的介質溫度通常很高,尤其是塔底管道,因此管系需要應力計算,根據計算結果增加彈簧支架,但值得一提的是彈簧支架并不是設置得越多越好,應根據應力計算結果在合適的位置添加彈簧支架,過多或者位置不合適的彈簧均會造成管道脫空,嚴重者會影響相連設備的穩定性,尤其是動設備,例如機泵、壓縮機等。

4.1 塔頂管道布置及支架設置

塔頂管道通常是大直徑且溫度相對較高的氣相管道,主要包括塔頂氣、安全閥等管道,對于塔頂氣管道,它是流至換熱器/空冷器的管道,存在氣液兩相的可能,因此需要管系“步步低”,且對稱布置,同時保證其柔性;對于安全閥管線,主要分兩種情況,如果塔附近沒有高于安全閥總管的框架,則安全閥需要安裝在塔頂或者高于安全閥總管的塔平臺上,如果塔附近有高于安全閥總管的框架,則安全閥盡量布置在框架上(方便操作)。塔頂管道布置可參考下圖7～8。圖7是當安全閥管口是獨立管口情況下的布置圖,圖8是安全閥引自塔頂氣管道時的情況。需要注意的是安全閥的相關支架需要給設備專業/結構專業單獨提集中荷載,增加次梁,以方便安全閥出入口的支架放置。另外,安全閥管口至安全閥之間的總壓降應小于安全閥定壓值的3%[3]。

圖7 安全閥布置圖

圖8 塔頂管道布置圖

4.2 塔側管道布置及支架設置

塔側面管道主要有進料口,回流口、重沸器返回口等重要管口的連接管。需要注意的一些細節如下:

(1)為避免積液,塔側面管道上靠近管口的閥門宜與管口直連,防止閥門關閉后管道發生積液的不良情況;

(2)當進料管口有2個以上進口時不應直接連接,而應柔性連接,即管系上需要設計出一個水平管道來吸收立管因為熱膨脹而產生的位移;

(3)重沸器管口不僅需考慮應力方面,還要考慮支架(彈簧支架)問題。

塔頂管道與塔側管道敷塔管線的支架布置以圖8為例來說明,支架一為承重支架(固定支架),其位置應盡量靠近塔封頭,但支架頂標高需小于塔封頭切線標高200 mm,可根據管線荷載來確定承重支架所選用型鋼的型號,應力計算時此支架或許為彈簧支架,支架二為導向支架,最后一個導向支架距離水平管線要大于25倍的管道通徑,水平管線后支架三為彈簧支架,應力允許的情況下也可為導向支架。如果塔高度過高時,敷塔管線可通過改向來增加管道柔性,需要注意的是,改向后的垂直管段第一個支架應選用承重支架,關于承重支架需要注意以下幾點[4]:

(1)管道荷載過大,一個剛性承重支架承重不滿足荷載要求時,可在垂直管中間設彈簧承重支架分擔垂直管的荷載,需注意的是在同一垂直管系上設置兩個承重支架時,剛性承重支架必須位于彈簧支架的上方,否則剛性承重支架容易脫空甚至造成安全事故;

(2)多根較大管道的承重支架不僅要在高度上錯開布置,水平方位也應圍繞塔體盡量均勻布置,以減少塔體局部受力,否則應給設備專業提供偏載資料;

(3)如果管道是借助塔體上行敷設,例如消防蒸汽管道或是引至塔頂放空的管道,其固定承重支架應設置在立管的下部,上部設置導向支架。

(4)承重支架承受的核載是管系的最重狀態時的核載,例如,如若管系需要水壓試驗,且保溫狀態,則承重支架需要能承受管系充水滿管狀態且加保溫材料的核載,當然如果介質密度大于水如果垂直管道過長,與承重支架下方應設置多個導向支架,我們需嚴格按照導向支架間距規范設置。在此不再贅述。

4.3 塔底管道及支架設置

塔底管道是塔管道中介質溫度最高的管道部分,通常需要參與應力計算,管道柔性因素是必須要考慮的,塔底管口至泵的管道應“步步低”,管道應在滿足柔性要求的情況下盡量減少彎頭的數量。

舉例如下:圖9為某石化柴油加氫項目中的產品分餾塔塔底泵的管道布置,管道介質溫度為343 ℃,其中管系中有多個彈簧支架。從圖中可以看到,為增加管道柔性布置,塔底管口方位并未布置在正對泵的方向。

圖9 塔底泵管道布置圖

5 結論

塔器作為石化裝置系統中的重要組成部分,從以上論述中我們可以得出,無論是設備布置、管口方位規劃還是管道及其支架布置,其影響因素均很多,設計人員必須從工藝流程及塔內部構造方面,結合塔位置的實際情況出發綜合規劃塔的管道、平臺、支架,并與工藝專業、設備專業、結構專業、應力專業等多方溝通與協調,以此來有效提高裝置塔的運行效率和質量。另外,提高設計人員的綜合處理能力及較強的勝任力,最大程度上規避可能出現的設計偏差隱患。