Architecture and pipe reconstruction design of RFCC unit reactor-regenerator system
CPECC East-China Design Branch, Qingdao 266071, China
催化裂化(FCC)用于将重油转化为汽油、柴油、液化气及干气等轻质组分,是目前原油二次加工的主要装置之一[1]。而反应-再生系统作为重油催化裂化装置的技术核心,其平面布置、框架结构、管道及支吊架设计均为炼厂装置管道设计的技术难点,对装置的安全平稳运行至关重要。
中国石油大连石化公司1 400 kt/a重油催化裂化反-再系统改造项目由中国石油工程建设公司华东设计分公司设计。该项目自2013年11月15日启动,2014年3月20日完成施工图设计,装置已于2014年6月21日一次喷油开车成功,反应器、再生器流化正常,操作平稳。本次催化裂化反-再系统改造项目主要涉及到提升管反应器、第一、二再生器以及第二再生器烧焦罐等方面的改动,具体内容包括:
(1) 更换预提升段及提升管反应器,提升管原料油喷嘴由4组调整为6组。同时,更换原急冷油喷嘴(2组),对相关管线进行现场局部整改。
(2) 更换第一再生器外取热器及汽包、更换半再生斜管,更换外取热器上、下斜管,同时,新增第一再生器外取热器提升返回管和催化剂卸剂线,并对相应管线进行改造。
(3) 第二再生器新增烧焦罐、待生斜管、外取热器、汽包及相应管线。
通过对项目在设计及施工过程中出现的问题进行分析和总结,探讨反-再系统结构框架布置、管道、支吊架设计思路及优化方法。
1 反-再构架改造设计
本次反-再系统改造采用新工艺流程,更换了局部设备。原反-再系统构架无法满足要求,所涉及到的改动主要从以下几点考虑:
(1) 新提升管线尺寸及进料形式发生了变化,管嘴位置也发生了变化,因此要根据新提升管的热位移及管嘴标高重新规划平台层高。开工后,以支撑点为界,反应器会分别产生向上和向下的热位移,在构架设计过程中要提前考虑到这部分由于热膨胀而引起的位移,防止进料喷嘴及仪表管嘴在提升管热胀后与平台及结构梁发生碰撞,如图 1所示。
(2) 反-再系统再生及待生斜管需要重新放样、建模(PDMS),要对发生碰撞的平台重新进行规划设计,主要包括调整平台标高、改变斜撑形式等,必要时也可对平台形状做出调整。斜管在开工过程中也存在热位移,同样也要考虑(1)中提到的热涨碰撞问题,不仅要考虑斜管上的管嘴与梁、斜撑等发生碰撞,还需考虑斜管本体与构架的碰撞,及时确定梁的尺寸,进而确定平台形式及标高。
(3) 对于新增的外取热器及汽包等设备,需设置新的框架支撑,新增框架需选择最有利的位置,不能占据分馏塔等设备的检修空间,也不能与再生器外置料腿、大支架等发生碰撞。因此,在设计过程中需查阅旧图纸,多放样,以减少不合理的设计。
2 反-再系统管道改造设计
2.1 反应器、再生器管道设计
提升管反应器管道应遵循自上而下规划设计的原则,回炼油及回炼油浆管道的操作温度达到350 ℃,固定点通常设置在管桥上。因此,当装置处于运行状态时,位于反-再构架的立管会产生向上的热位移,管道要与构架平台及梁之间留有足够的热胀空间,以避免与构架发生碰撞[2]。
本次改造将原料油由原来的6支分路流控进料改为总管流控,由环管分布为6支路进料。为防止提升管内介质倒流,进料喷嘴管道需至少高出喷嘴10倍DN值且不小于1 m的Π弯,入口根部闸阀安装在立管上,止回阀水平安装在弯管顶部。环管需用弹簧支撑,若管道自身柔性无法完全吸收提升管向上的热位移,则可设置弹簧支撑,如图 2所示。
再生器主要涉及到的管道包括主风管、烟气管线、松动吹扫点及催化剂卸剂管线等,本次改造主风及烟气管线未改动。对于松动点、吹扫点在设计过程中要尽量利用以前的服务站,对于影响施工的需要进行整体拆除,以便于后期复位利用。针对反-再系统吹扫点、松动点数量多、管径小的特点,在服务站典型图上标明松动风、吹扫蒸汽需要引至的位置,事先对松动点、吹扫点进行编号并标注在平面图上。
催化剂管线通常由压缩空气输送,由于催化剂一直处于流化态,为降低催化剂对管道的磨损应尽量少拐弯,必须拐弯时,弯头需选用曲率半径不小于6倍DN值的煨弯管,且弯头需局部加厚[3]。当催化剂管线支管与主管相接时,支管需沿着主管催化剂流向以45°斜插接入。对于较长的催化剂管线,为防止催化剂堆积,需在弯头起点处增加松动风管,如图 3所示。
2.2 外取热器及汽包管道设计
外取热器是用于吸收再生器内催化剂热量进行发汽的设备,通过斜管跟再生器联接,斜管上装有滑阀。设计过程中需考虑到滑阀阀杆的安装空间,防止与构架发生碰撞,同时要预留滑阀控制柜的安装空间,滑阀控制柜宜布置在滑阀周围,不宜过远。外取热器顶部汽水管道设计为设计难点,以改造第一再生器外取热器为例,封头顶部管束共54个管嘴,包括27根汽包凝结水管线入口管嘴(DN150)及27根蒸汽返回管线出口管嘴(DN200),封头直径为2.9 m。外取热器管道设计的特点为管线多、空间小、温度高。
设计过程中需根据管线数量及外取汽包构架大小确定管线的层数,并进行管道规划。管道规划可以遵循由外到内、由低到高的原则,即先规划外围低层管道。凝结水入口管道从顶部进入,管道设计相对简单,管道自管嘴升高至相应层高后再改变方向;对于内圈的蒸汽返回口管道,由于从侧面出且空间相对狭小,要采取插缝的方式将管道引出后改变方向,升至相应层高,在此可采用非标准弯头,由施工队现场切割。规划完成后,需及时进行应力计算,若管嘴受力偏大需进行核算,以不高于1.2 t为宜。管嘴开口方位及标高如图 4所示。
为使蒸汽在返回汽包过程中产生的凝结水倒流至外取热器,设计蒸汽返回管线时需考虑坡度,坡度不应小于0.13(约7.5°),凝结水管道虽无坡度要求,但为了管道的整体美观,同时避免与不同层高的坡度管发生碰撞,建议与蒸汽返回管采取相同坡度。由于汽水管线温度较高(约260 ℃),且管道长度较大,需设置较多的弹簧支撑,考虑到汽水管线特别是蒸汽返回管为气液混相,在装置运行过程中很容易发生振动。因此,建议对相邻管道进行捆绑支撑,可有效防止管道振动,如图 5所示。
2.3 管道支撑设计
管道支吊架对于管道的安全平稳运行起到至关重要的作用,反-再系统管道大多为高温管道,需进行应力计算,应严格按照应力报告设置支吊架。对于提升管入口喷嘴管道,从经济性考虑,应利用提升管外壁支撑,采用吊架形式,避免支架生根在构架上,若必须要设置在构架上,需用弹簧支吊架以吸收提升管热位移。直径较大的管道在选用弹簧支撑时,为了增大受力面积且使受力均匀,最好选用两个以上的弹簧支撑。在选弹簧时,应尽量将弹簧位移设置在行程的中间位置,防止超过行程导致弹簧失效。对于外取热器及汽包的汽水管线,则应采取必要的防震措施。
3 结论
本次重油催化裂化反-再系统改造难点主要在于旧管线的拆除、进料喷嘴系统的合理布置、框架主体结构的改造及外取热器和汽包构架管道规划。通过对多种设计方案进行对比优化,达到了较好的改造效果。目前,大连石化1 400 kt/a重油催化裂化装置已一次开车投产成功,装置运行平稳,产品合格,反-再系统生产操作灵活、方便。表明该工艺技术具有先进性,同时体现出优良的管道设计方案对于装置平稳运行的重要性。该改造设计的成功,可为其他类似停工检修改造项目提供参考。在改造设计前需多查阅装置原设计图纸及历次改造图纸,了解装置现场情况,仔细核对管口方位、设备基础、平台开洞及构架斜撑等情况,尽可能减少装置管道设计上的不足。