加氫裝置高壓空冷器進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)探析

(中石化洛陽(yáng)工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471003)

近年來(lái)，由于我國(guó)煉制原油中劣質(zhì)高硫原油的比例不斷增加，造成加氫裝置原料中的硫和氮含量較高，在加氫反應(yīng)器中生成大量的H2S、NH3以及少量的氯化物等腐蝕性介質(zhì)，對(duì)下游高壓冷卻設(shè)備和管道造成了嚴(yán)重的腐蝕和破壞[1]。加氫裝置中的熱高分氣空冷器，操作條件苛刻、管道分支多、管道復(fù)雜，是整個(gè)裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，但處于高壓、臨氫和H2S工況下，一旦出現(xiàn)泄漏，將會(huì)引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸，如2016年境外某加氫裝置就是由于高壓空冷管道法蘭泄漏引發(fā)大火。此外，隨著裝置規(guī)模的大型化，熱高分空冷器管道的直徑和壁厚相應(yīng)增大，空冷器數(shù)量增多，如何通過(guò)優(yōu)化管道布置，在滿(mǎn)足工藝要求和空冷管嘴受力要求的前提下節(jié)約高壓管道，成為管道設(shè)計(jì)中的難題之一。筆者結(jié)合某加氫裂化裝置高壓空冷器進(jìn)出口管道的優(yōu)化布置過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

1 裝置基本情況

1.1 工藝流程

某加氫裂化裝置熱高分空冷器部分的工藝流程見(jiàn)圖1。反應(yīng)產(chǎn)物與混氫原料油換熱后進(jìn)入熱高壓分離器進(jìn)行油、氣分離，熱高分氣分別與冷低分油、循環(huán)氫換熱，再經(jīng)高壓空冷器冷卻至約46 ℃，進(jìn)入冷高壓分離器進(jìn)一步進(jìn)行油、水、氣三相分離。根據(jù)規(guī)定，工藝專(zhuān)業(yè)將裝置高壓空冷器內(nèi)的工藝介質(zhì)物性(包括流速、Kp值、Cl-含量等)及下游冷高壓分離器酸性水中的硫氫化銨濃度委托給下游專(zhuān)業(yè)進(jìn)行初步選材，空冷管束的選材應(yīng)考慮合適的流速。其中，碳鋼材質(zhì)介質(zhì)流速為3.05～6.10 m/s，雙相不銹鋼材質(zhì)介質(zhì)流速范圍為3.05～9.1 m/s，鎳基合金材質(zhì)介質(zhì)流速范圍為3.05～15.2 m/s。

由于反應(yīng)流出物中NH3的存在，此部位容易形成銨鹽(主要是NH4HS和NH4Cl)。為防止銨鹽結(jié)晶析出堵塞換熱器和空冷器管束，通常在進(jìn)入空冷器前設(shè)置注水系統(tǒng)[2]。經(jīng)查閱資料可知，NH4Cl的結(jié)晶溫度約為176～204 ℃，而NH4HS的結(jié)晶溫度約為26～65 ℃。本裝置中，在熱高分氣進(jìn)入高壓換熱器6之前，管道操作溫度已降至約194 ℃，為防止NH4Cl鹽結(jié)晶析出堵塞高換，在此處設(shè)置間斷注水系統(tǒng)；介質(zhì)經(jīng)過(guò)高壓空冷換熱后操作溫度已降至約46 ℃，為防止NH4HS鹽結(jié)晶析出堵塞空冷器管束，在空冷器前設(shè)置連續(xù)注水系統(tǒng)。

圖1 某加氫裂化裝置熱高分空冷器部分的工藝流程

1.2 高壓空冷器平面布置

空冷器宜布置在裝置常年最小頻率風(fēng)向的下風(fēng)向，且宜按工藝流程設(shè)置在管橋或構(gòu)架頂部[4]。綜合考慮流速、Kp值、Cl-含量和硫氫化銨濃度等因素，對(duì)高壓空冷連續(xù)注水點(diǎn)后進(jìn)口管道和出口管道，專(zhuān)利商分別選用N08825和A312 TP316L材質(zhì)。為節(jié)省貴重管材，宜將高壓空冷與相關(guān)的熱高壓分離器、高壓換熱器及冷高分等設(shè)備綜合考慮、統(tǒng)一布置，且高壓空冷距離高壓換熱器及冷高分間距離盡量小。此外，還應(yīng)重點(diǎn)考慮地面上檢修空冷器所用吊車(chē)回旋的空間及通道，所以宜將空冷布置于靠近道路側(cè)或預(yù)留檢修場(chǎng)地以便吊裝和檢修。

1.3 相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

該裝置采用AXENS工藝包，高壓空冷數(shù)量為16片，其進(jìn)出口管道部分的編號(hào)見(jiàn)圖2，相應(yīng)操作條件與設(shè)計(jì)條件等工藝參數(shù)見(jiàn)表1。由于此處管內(nèi)介質(zhì)為氣液兩相，且銨鹽容易在空冷管束中結(jié)晶析出堵塞管路，進(jìn)而使空冷管束中介質(zhì)流速不一致，因此，專(zhuān)利商要求進(jìn)出口管道對(duì)稱(chēng)布置，以保證各分支管道的流速一致。具體各級(jí)管道公稱(chēng)直徑及管道壁厚見(jiàn)表2。

圖2 高壓空冷器進(jìn)出口管道

表1 工藝參數(shù)

表2 進(jìn)出口管道參數(shù)

2 管道設(shè)計(jì)難點(diǎn)

(1)從上述所列相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)中可以看出，高壓空冷進(jìn)出口管徑及壁厚較大，管道分支多，使整個(gè)管系由于管道自身的荷載而產(chǎn)生較大的一次應(yīng)力，對(duì)支撐管道的結(jié)構(gòu)梁荷載大，需要根據(jù)管道的具體布置形式設(shè)置合適的構(gòu)架來(lái)支撐管道，且為增加構(gòu)架的穩(wěn)定性，還應(yīng)使構(gòu)架高度盡可能低。

(2)空冷進(jìn)口沒(méi)有設(shè)置閥門(mén)調(diào)節(jié)流量，且介質(zhì)為氣液兩相流體，為盡可能減少偏流，使工藝介質(zhì)均勻地進(jìn)入每片空冷，入口管道需對(duì)稱(chēng)布置[3]。

(3)由于空冷器數(shù)量多，整組空冷兩端管嘴的間距長(zhǎng)達(dá)59.5 m，且管道設(shè)計(jì)溫度高，管道熱脹產(chǎn)生的二次應(yīng)力會(huì)使管道對(duì)空冷器管嘴的作用力和力矩較大。因此，需要合理布置管道走向，依靠管道柔性吸收熱脹，減少管嘴的受力和力矩，使其滿(mǎn)足API661要求。

(4)根據(jù)SH/T 3041—2016 第5.1條要求，進(jìn)行管道柔性設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算溫度的選取應(yīng)計(jì)其正常操作溫度，還應(yīng)計(jì)其開(kāi)車(chē)、停車(chē)、除焦、再生及蒸汽吹掃等工況的溫度。專(zhuān)利商基于全廠大停電且無(wú)法預(yù)估大停電工況的持續(xù)時(shí)間，包括熱高分氣空冷器、循環(huán)氫脫硫系統(tǒng)和循環(huán)氫壓縮機(jī)入口管路都按停電工況考慮(見(jiàn)表1)。從表1可知，空冷器進(jìn)出口管道的操作溫度不高，但設(shè)計(jì)溫度均高于300℃，這增加了管道柔性分析的難度，也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

(5)進(jìn)出口管道分別采用價(jià)格昂貴的鎳基合金鋼B423 N08825材料和不銹鋼A312 GR.TP316L材料，在滿(mǎn)足空冷管嘴和冷高分管嘴受力的前提下，如何節(jié)省大口徑貴重管材是設(shè)計(jì)過(guò)程中重點(diǎn)考慮的因素。

3 空冷器入口管道設(shè)計(jì)

為保證入口管道內(nèi)介質(zhì)不發(fā)生偏流，專(zhuān)利商要求入口管道需按圖3所示進(jìn)行布置。

(1)每個(gè)分支處的彎頭和三通之間的直管段應(yīng)不小于6倍管道直徑，以保證介質(zhì)在分支前有足夠的空間充分混合，從而可以更均勻地分配到兩個(gè)分支中。

(2)彎頭的上游管道所在平面與下游三通所在平面呈90°，使介質(zhì)沿垂直方向流入分支前的水平直管段形成旋流，從而可以減小由于慣性而產(chǎn)生的偏流。

(3)入口線(xiàn)按照“上不積氣，下不積液”的原則，采用“步步低”的方式，即入口總管處于管系最高點(diǎn)，各分支處偏心異徑管均采用底平安裝，可避免液相介質(zhì)在管路中堆積。

圖3 空冷器進(jìn)出口管道布置要求

由于高壓空冷進(jìn)出口管道壓力等級(jí)高、管道剛度大，且設(shè)計(jì)溫度都在300℃以上，管道對(duì)空冷管嘴的作用力比中低壓空冷器大許多，因此在設(shè)計(jì)早期將高壓空冷管嘴受力和力矩按API661標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的3倍向制造廠提出要求非常重要。管道設(shè)計(jì)中應(yīng)首先通過(guò)優(yōu)化管道布置，增加自身柔性吸收熱脹，以減小對(duì)管嘴的作用力。若管道布置滿(mǎn)足管嘴受力要求確實(shí)有困難時(shí)，也可將應(yīng)力計(jì)算的受力值及時(shí)反饋給制造廠，由制造廠考慮對(duì)管口進(jìn)行加強(qiáng)處理，增大管嘴的允許受力范圍。

AXENS要求注水接入口與高壓空冷器入口主管道分支點(diǎn)間應(yīng)有不小于10m的直管段，也有其他專(zhuān)利商要求直管段不小于10倍工藝管道公稱(chēng)直徑，以保證注水點(diǎn)之后有足夠的空間使水與熱高分氣中的銨鹽充分混合。此外，還應(yīng)注意注水管開(kāi)口或噴頭方向應(yīng)和工藝物流的流向相同。

3.1 入口管道初步設(shè)計(jì)方案

按照空冷器管道布置要點(diǎn)和專(zhuān)利商要求，得到的入口管道初步布置方案見(jiàn)圖4。

圖4 入口管道初步布置方案

該設(shè)計(jì)方案中，沿著從空冷管嘴至高換的順序看，首先在空冷器各管嘴入口彎頭處設(shè)置了可拆卸法蘭，使入口管道不會(huì)影響空冷的吊裝檢修；其次為增加靠近管嘴處管道柔性，在各管嘴入口處DN150的管道上設(shè)置了YZ面內(nèi)的“π”形補(bǔ)償器，并將補(bǔ)償器處的支架設(shè)置為X方向的導(dǎo)向支架，以減小管道對(duì)管嘴的作用力。最后將管系頂部的支架設(shè)置為X方向的導(dǎo)向支架，以減小注水點(diǎn)后10 m的直管段在X方向的熱脹對(duì)N1側(cè)管嘴的作用力。

據(jù)此進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算得到的結(jié)果顯示，空冷入口的大多數(shù)管嘴出現(xiàn)超標(biāo)情況，且超標(biāo)管嘴主要分布于兩端管嘴處，其中兩端的管嘴超標(biāo)尤為嚴(yán)重。兩端8個(gè)管嘴受力和力矩結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 入口管道初步布置方案的空冷兩端管嘴作用力和力矩

注：*表示超標(biāo)數(shù)據(jù)。

從表3可以看出，管嘴超標(biāo)數(shù)據(jù)均為MZ方向的扭矩，且兩端力矩方向相反，說(shuō)明在熱脹的作用下，管道的熱脹量由管系最高點(diǎn)處的總管部位向空冷兩端逐漸增大，從而導(dǎo)致兩端管嘴的受力和力矩最大，過(guò)大的扭矩易使法蘭密封面失效泄漏，引發(fā)事故。此外，計(jì)算得到的入口總管的導(dǎo)向支架處(見(jiàn)圖4節(jié)點(diǎn)1)導(dǎo)向力多達(dá)5 t，使得39 m高的空冷器構(gòu)架根本無(wú)法承受，同時(shí)也不利于構(gòu)架的穩(wěn)定性，因此應(yīng)對(duì)管道做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 入口管道優(yōu)化方案

分析入口管道初步設(shè)計(jì)方案可知，兩端管嘴MZ方向扭矩過(guò)大主要是因?yàn)榭绽鋬啥丝缇啻?，使得管道在X方向的熱脹量過(guò)大。而管道沿X方向的熱脹可通過(guò)增加Z向或Y向的直管段吸收。增加Y向長(zhǎng)度則需要抬高整個(gè)構(gòu)架，不利于構(gòu)架的穩(wěn)定性，因此優(yōu)先選擇調(diào)整Z方向的直管長(zhǎng)度，即對(duì)圖4中a和b段的管道進(jìn)行優(yōu)化。

最終選擇圖5所示布置方案，a和b段增加了一個(gè)“π”形補(bǔ)償器(見(jiàn)圖5中A處)，并取消了總管最高點(diǎn)處的導(dǎo)向支架。據(jù)此方案得到的所有管嘴受力均在API661規(guī)定的允許值3倍之內(nèi)，其中受力最大的兩端8個(gè)管嘴受力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖5 入口管道優(yōu)化布置方案

表4 入口管道優(yōu)化方案所得空冷兩端管嘴作用力和力矩

與入口管道初步布置方案相比，優(yōu)化后得到空冷管嘴在MZ方向的扭矩有了明顯減小，整體受力狀況得到改善，并且取消總管頂部的導(dǎo)向支架，使得空冷構(gòu)架的設(shè)計(jì)可以實(shí)施，因此選擇該布置形式為最終方案。

4 空冷器出口管道設(shè)計(jì)

與入口管道可在空冷器本體構(gòu)架上支撐不同，大部分出口管道需要從管橋上以步步低的形式進(jìn)入冷高分設(shè)備。出口管道既要滿(mǎn)足對(duì)稱(chēng)布置要求和管道柔性設(shè)計(jì)，也要避免碰撞儀表、電氣槽盒，滿(mǎn)足操作平臺(tái)的通行要求。因此，可調(diào)整空間相比入口管道更有限。

綜合上述分析，并結(jié)合入口管道優(yōu)化方案，對(duì)出口管道進(jìn)行了下列優(yōu)化設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖6)：①靠近管嘴處的管道上設(shè)置“π”形補(bǔ)償器(見(jiàn)圖6中A處)，并將補(bǔ)償器處的支架設(shè)置為X方向的導(dǎo)向支架；②在出口總管兩側(cè)的DN600的支管上設(shè)置豎直面內(nèi)的“π”形補(bǔ)償器(見(jiàn)圖6中B處)；③出口總管匯合點(diǎn)與冷高分入口管嘴在X方向距離較遠(yuǎn)，故在總管上增設(shè)一個(gè)XZ面內(nèi)的“π”形補(bǔ)償器(見(jiàn)圖6中C處)。

據(jù)此方案進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，得到的空冷器出口管嘴受力均在允許值范圍內(nèi)，空冷出口兩端管嘴受力值見(jiàn)表5。

圖6 出口管道優(yōu)化設(shè)計(jì)

表5 出口管道優(yōu)化設(shè)計(jì)空冷兩端管嘴作用力和力矩

5 結(jié)語(yǔ)

文中引用的某大型加氫裝置已成功開(kāi)車(chē)，從實(shí)踐的角度也檢驗(yàn)了高壓空冷器管道設(shè)計(jì)的合理性。本文介紹了高壓空冷器平面布置和管道布置的要求和原則，概述了大型加氫裝置高壓空冷器進(jìn)出口管道布置的難點(diǎn)，討論了如何根據(jù)初步應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析并解決問(wèn)題，既達(dá)到專(zhuān)利商要求管道對(duì)稱(chēng)布置的要求，又滿(mǎn)足API661規(guī)定的管嘴受力允許值的布置方案。該布置方案在裝置大型化高壓空冷設(shè)計(jì)過(guò)程中具有一定的代表性，希望為加氫裝置類(lèi)似高壓空冷器的管道設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。