刘芋宏

(中石化广州工程有限公司，广东 广州 510000)

塔是炼油装置主要工艺设备之一，塔设备的性能对于整个装置的产品质量、生产能力和消耗定额以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响[1]。

塔作为传质或者传热过程的设备，可以使气体和液体或两液体两相之间进行充分接触，以完成相互传热的目的。石油化工企业中广泛应用的塔类型很多，根据其结构可分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔塔内设有一层层相隔一定距离的塔盘，每层塔盘上液体与气体相互接触后又分开，气体继续上升到上一层塔盘，液体继续留到下一层塔盘上，塔内气、液组成呈梯级式变化[2]。本文主要以塔河石化装置中的板式塔进行讨论。

1 板式塔简介

图1 塔盘溢流形式Fig.1 Plate tray overflow form

塔盘由气液接触元件、塔板、降液管以及受液盘、溢流堰等构成。一般塔径在800～2400 mm的塔盘，采用单溢流式，见图1(a)；塔径在2000 mm以上的，用双溢流式塔盘，见图1(b)，使塔盘上的液体向两个方向流动，缩短流程，降低液面落差，有利于精馏过程的进行。在塔河石化航煤加氢装置中，分馏塔的塔径为1800 mm，故其选择了单溢流式塔盘。在塔河石化异构化装置中，脱异己烷塔的塔径为2800 mm，故其选择了双溢流式塔盘。两种塔板形式都为浮阀型塔板，见表1。

表1 塔河石化装置塔的数据表Table 1 Data table of tahe petrochemical plant tower

浮阀型塔板的阀片开度是随着气量的变化而变化，气体流量增大，浮阀被顶起的开度也增大，且雾沫夹带太少，全塔盘鼓泡均匀，效率较高。

2 板式塔的管道设计

2.1 塔裙座高度

塔的裙座高度一般由工艺决定，但在配管过程中也应考虑以下几个方面：

(1)裙座尽可能低，降低投资成本；

(2)对于用泵抽吸塔底液体时，应由泵的必需汽蚀余量和吸入管道的压力降来确定塔的高度。对于处于负压状态的塔，为了保证塔底泵的正常操作，其最低液面高度应考虑较大裕量。

(3)带有非明火加热的重沸器的塔，其安装高度应满足塔的裙座高度与重沸器顶面有足够的标高差，足以满足推动力的要求，以保证重沸器在操作时的正常循环[3]。

(4)塔顶部有安全阀时，安全阀的出口管线需步步低坡向火炬总管。

(5)成组布置的塔器等立式设备采用联合平台时，为取齐平台标高，可适当调整塔的裙座高度。

在具体的配管设计过程中，确定塔裙座高度常见的几种情况如下：

①塔底出口直接进入管桥：裙座高度=0.25 D(D为塔直径)+直管段(一般考虑为300～500 mm)+管道的保温厚度+管头高度+连接管桥的侧梁高度(注意：计算出的裙座高度必须满足汽蚀余量)。

②塔底部有液位计或者其他仪表设备时，在确定裙座高度时需要考虑平台高度。平台高度在满足可过人等基本要求的基础上，需低于液位计嘴子至少300 mm。

③塔底出口管道在没有特殊要求的情况下，需满足塔底管道安装和操作所需要的最小净空，出口管道底标高宜高于基础高度500 mm。

2.2 塔开口的设置

塔开口设置时，要结合工艺流程中的要求和塔内部结构以及考虑整个设备总平面位置进行布置。塔体的开口方位要容易操作便于检修并且经济合理，同时也应充分考虑与塔嘴子连接的管道布置和塔的外观[4]。对塔的周围进行功能分区，宜分为配管区和操作区。管道应布置在配管区，仪表、人孔和梯子应布置在操作区。

2.2.1 人孔和出入口的开设

人孔的方位应设在操作侧，一般每5～8层塔板布置一个人孔。有降液管的方位不应设置人孔，一般应设在塔板上方的鼓泡区。对于直径大于等于1500 mm的塔，需考虑2个对称的出入口，直径小于1500 mm的塔也需设置一个出入口，出入口的方位也宜在操作侧。

2.2.2 塔常见管口的开设

(1)塔顶油气管道介质一般为气相，宜布置在塔顶头盖中心，步步低布置管道[5]。

(2)塔各侧线管口、仪表管口原则上均应开在塔的操作侧，无法兰连接的管口可开在管道侧[3]。

(3)塔顶的回流开口的开口和降液管方位与塔板溢流方式有关，具体如下：分馏塔为单溢流塔板，回流口正对着挡板，故其开口和降液管之间的关系见图2；脱异己烷塔为双溢流塔板，其开口和降液管之间的关系见图3。

(4)塔气相进料开口一般布置在塔板上方，平行于降液管方向，当气流速度较高时，应设分配管。气液混相进料开口一般布置在塔板上方，在内部设置分配管，可设置螺旋导板以防止流速过快[5]。

(5)单溢流塔盘的抽出管管口应在受液盘的弧长范围内开设；而双溢流塔盘的抽出管管口开在中间降液管下面受液槽的两端上，且应与降液管中心线平行。

(6)重沸器返回管口和蒸汽入口的方位宜设在塔中心线上并与受液盘平行。

(7)压力计口布置在塔的气相区，使压力计读数不受液位压头影响。

(8)液位计管口不得布置在进料管口对面的60°范围内，避免进料时产生的气流对液位计的液位产生波动，影响其精确性。

(9)温度计管口应位于液相区，与塔盘内的液体接触，但不得碰到内部构件。

(10)吊柱应可旋转达到平台外起吊点上方，以及平台所有人孔位置，以方便吊装。

图2 单溢流塔板开口和降液管之间的关系Fig.2 Relationship between single overflow tray opening and downcomer

图3 双溢流塔板开口和降液管之间的关系Fig.3 Relationship between the opening of the double overflow tray and the downcomer

2.3 塔的管道设计

塔的管道一般分为塔顶管道、塔体侧面管道和塔底管道。敷设管道的设计，一般应注意以下几个事项：

(1)根据(P&ID)图，满足图中各项要求；

(2)在管道规划中，应从上而下进行规划，优先考虑塔顶管道、大直径管道和有特殊要求的管道，比如说，有自流要求管道，需考虑其走向要求，确定完油气管道的走向后，在这个基础上规划其他管道，最后考虑塔底管道和小直径管道[6]；

(3)管道的设置应满足方便操作和安全的要求；

(4)管道按照它的起止点都应尽可能的短，并且充分考虑热应力的影响[6]；

(5)每根管道都应沿塔敷设，并且整齐美观，布置合理，尽可能以同心圆的方式沿塔外壁布置，或者与塔外壁周围呈切线布置。

2.3.1 塔顶管道设计

塔顶馏出线是连接塔顶与换热器或冷凝器之间的管道。在塔河石化异构化中的脱异己烷塔和航煤加氢中分馏塔顶到空冷器的油气管道，其介质为气相，管径较大，管道既应短且具有一定柔性，“步步低”布置，不应有“液袋”。同时需要考虑敷塔管线的支架设置，以免设备管嘴受力过大。

安全阀口和放空口位于塔顶气相开口附近。放空管可在检修前吹扫或者开工前暖塔的时候，直接排放塔内的油气和蒸汽。放空阀门的温度、压力等级和材质，应与塔顶主管上的温度、压力等级和材质相同。

安全阀排放管应高于火炬总管，并不宜有“袋形”，公称直径大于或等于50 mm的排放管应顺介质流向45°斜接到火炬总管顶部，尽可能的减少局部阻力，同时避免排放管道出现积液情况。因此，安全阀宜安装在塔顶平台或者接近塔的构架平台上，当安全阀安装位置离塔较远时，应校核压降。当安全阀出口管道排大气时，应在低点设直径为6 mm泪孔，从而方便排出凝液和雨水。

2.3.2 塔体侧面管道设计

对于塔体侧面管道，为保证阀门关闭后无积液，以上管道上的阀门宜与塔体开口直接连接，设备管口法兰压力等级应与阀门一致，不宜将阀门设在向下弯的垂直管段上。阀门的安装高度，应考虑阀门手轮距平台1.0～1.5 m。

大口径高温管道和管口以及位移较大的管道应进行应力分析。对于进料管道的布置应考虑流体的特性，当为气液混相进料，流速超过一定限度时，为防止管道振动，管道的布置应在满足柔性要求的同时，直管应短，弯头应少。

2.3.3 塔底部管道设计

塔底的操作温度一般较高，所以对于管子的柔性有更高的要求，在满足柔性的前提下使配管形状尽量简单。尤其是塔底抽出管道和泵相连时，管道应短且少拐弯，从而保证泵进出管道对于管口的作用力和力矩应符合制造厂或API Std 610的要求。当管道柔性不能满足自我补偿时，通常可采取调整塔底出口方位改变管道走向或调整进料泵的位置以此来解决。泵吸入管道不得有“袋形”，避免塔底泵产生汽蚀现象。塔底重沸器与塔连接的汽液两相管道，为使其流量相等，管道应对称布置并尽量减少压力降[6]。

2.4 塔管道支架的设置

在设计塔管道支架时，需要注意以下几个方面：

(1)对于热处理的塔，其支架需要生根在垫板上，所用垫板应按设备外型成型，设计过程中要向设备专业提出垫板条件；

(2)垂直管道敷设时，支架若生根在低温介质设备上时，在设备和管道上均应垫置木块或硬质隔热材料块；

(3)直接与塔相连或靠近塔管口处水平安装公称直径等于或大于150 mm的阀门，应在阀门附件的管道上设置承重支架；

(4)生根在塔外壁上的承重支架设计应按最不利的工况确定其位置和型式。

从塔顶部出来的管道或侧线出口的管道，为减少管口受力，应在靠近设备管嘴处的第一个支架为承重支架。如果管道重量过重，垂直荷载较大时，一个固定承重支架承重有困难，为降低最顶部承重支架生根点塔体的局部应力，可在垂直管中间增设弹簧支架分担垂直荷载。而当管道距离较长时，在承重支架下面设置导向支架，立管导向架的最大间距可参考表2。(注意：最下面的一个导向支架距管道转弯处至少为1/3 h，以免影响管道的自然补偿)。因此在设计过程中，在确定承重支架和最后一个导向支架位置后，这两个支架中间的管道按照支架最大间距平均分配，则可确定其他导向支架位置[3]。

表2 导向支架间距Table 2 Space between guide brackets

塔侧面管道向下拐弯敷设时，其垂直管承重支架位置应考虑距离弯头焊缝300 mm；为了保证沿塔同心圆设置，管道需在在中间转弯时，弯管下第一个支架用固定承重支架或用导向支架，应充分研究热应力之后再确定[3]。当“H”和“J”很短时，弯管下第一个支架应为固定承重支架，弯管上部可不设任何支架，如图4所示。

对设计中遇到的敷塔管线的支架设置进行一个总结，常见有以下几种情况：

(1)对于进料口、回流口等处的管道宜在平台下方设置水平直管段，在水平直管段弯头下方最近处设置承重支架，目的是可以吸收由于塔和管道的温差而引起的承重支架托空。

(2)敷塔管线与管桥或构架相连，如果水平管段太短，水平管短处第一个支架需考虑用弹簧支撑，以避免此处管线托空，如图5所示。

(3)对于底部抽出口存在气动切断阀的管线，需在切断阀后最近处设置承重支架，具体用弹簧还是刚支需应力核算。

(4)对于口径较大的重沸炉或重沸器返回口，需根据应力分析来合理设置支架，如管口处力或力矩过大，需向设备专业提供管嘴受力委托。

图4 支架在管道上的设置Fig.4 Setting of the bracket on the pipeline

图5 支架在管道上的设置Fig.5 Setting of the bracket on the pipeline

3 结 论

(1)塔的安装高度首先要满足工艺要求，然后根据塔底油出口管线走管桥侧梁的标高向上推算得出；

(2)在规划塔开口时，首先要根据工艺数据表及塔的操作侧、管道侧确定塔盘及降液管的方位，然后依据塔上各类开口设置要求进行调整；

(3)在满足工艺、管道和仪表流程图的要求下，管道的设计敷设要布置合理、整齐美观，具有可操作性和安全性，敷塔管线上的支吊架也要合理选择，从而达到优化设计。