罗佳伟

(中核能源科技有限公司,北京 100193)

1 概述

近年来,世界能源市场发生了重大变化,能源的供需矛盾日益突出。石油作为当代经济社会发展的核心能源,其供需矛盾已经极端的显现出来。在这种背景下,基于我国“富煤、缺油、少气”的化石能源赋存特点,为保障我国能源安全,推进国家中长期能源发展战略,该项目应运而生,也是迄今为止,全球最大的煤制油项目。随着第一轮三大煤制油示范项目(神宁400万t/a、杭锦旗120万t/a和潞安100万t/a)的顺利建成并开车,在新一轮煤制油项目来临之前,非常有必要进行阶段性地总结及提升,以校核人的身份出发,针对大型构架装置进行系统性剖析。从而提高管道设计能力和设备布置能力。

神华宁煤项目建设地点位于宁夏回族自治区灵武市宁东镇,规模为年产油品405万t和烯烃配套合成气275 km3/h,年转化煤炭(原料煤+燃料煤)2 448万t。项目总投资约550亿元,总占地面积约为570.7 hm2。项目建设范围主要包括空分、备煤、煤气化、一氧化碳变换、合成气净化、硫回收、油品合成、油品加工、尾气处理等工艺装置,以及与工艺装置配套的储运工程、公用工程、辅助工程、服务性工程和厂外工程。主要工艺技术采用西门子公司的GSP煤粉加压气化技术和我公司的油品合成及加工工艺技术。油品合成装置包含原料气精脱硫、F-T合成、催化剂还原、尾气脱碳、蜡过滤单元。油品加工装置包含加氢精制、加氢裂化、低温油洗、合成水处理单元。

本项目是在宁煤400万t/a煤炭间接液化项目的基础上规划的产品提质优化改造项目,原设计油品加工装置的主要产品有柴油、石脑油和LPG。考虑到加氢精制柴油富含正构烷烃,可用于生产正构烷烃或液体石蜡,加氢裂化柴油几乎不含硫和芳烃,可用于生产优质的轻质白油产品,为使企业效益最大化,调整柴油产品结构,降低柴油产量,通过市场调研,决定利用部分加氢精制柴油和加氢裂化柴油,生产正构烷烃产品或液体石蜡,利用加氢裂化柴油生产轻质白油。通过产品结构的调整,可以有效增加企业的经济效益及市场竞争力。其中裂化侧线塔框架区所出产的产品为 W2-40 号白油、W2-60 号白油、W2-80 号白油和W2-100 号白油,实际生产时可根据市场适当调整。

由于该项目原料来自于油品加工装置,公用工程条件也依托油品加工装置提供,因此装置隶属上按油品加工装置的一个单元考虑,定名为产品提质单元。

2 单元总体布置原则及特点

2.1 单元总体布置原则

产品提质单元属于甲类生产装置,主要火灾危险介质为甲类可燃气体和甲B、乙A类可燃液体。

产品提质单元平面中的设备主要按流程顺序布置,同时考虑同类设备适当集中布置。

产品提质单元的平面布置符合GB—50160《石油化工企业设计防火规范》和SH—3011《石油化工工艺装置布置设计规范》等有关现行规范的规定,能够满足操作、检修、施工、消防、工艺设计和全厂总体规划的要求。

2.2 单元总体布置特点

产品提质单元布置于合成油厂区西侧油品加工装置的预留空地上,东侧为新增渣蜡预过滤单元,南侧为加氢精制单元,北侧为低温油洗单元及装置机柜间、配电室。占地东西方向长128 m,南北方向宽45 m,占地面积5 760 m2。

产品提质单元西侧空地为精制常二线框架区的预留地(东西方向长33 m,南北方向宽45 m)。单元有南北两个界区,位于精制常二线框架区预留地的东侧,进出的原料和产品通过南北两个界区与外界对接。管廊沿东西向布置,将单元分成南北两排。管廊的南侧布置精制减压框架区(出产的产品为富正C12烷),管廊北侧自西向东依次布置地下污油罐、裂化侧线塔框架区(出产的产品为W2-40、W2-60、W2-80、W2-100四个牌号的白油)和裂化减压框架区。公用工程设备布置于管廊[1]两侧;塔、容器等设备和构筑物大多按流程顺序布置在管廊两侧;冷凝器、冷却器、换热器和卧室容器等设备大多相对集中布置在构架各层上;空冷器集中布置在构架上方;机泵集中布置在管廊或构架下方。

产品提质单元的设备之间均按相关规范和规定要求留有足够的安全间距和检修场地,能够满足操作、检修和人员疏散要求;冷换设备、空冷器、机泵等设备的周围均留有足够的空间,能够满足抽芯、检修和吊装要求;各构筑物和立式设备均设有操作平台和梯子,能够满足操作、检修和人员安全疏散的要求[2]。

产品提质单元除了在每个构架单独设有围堰外,整个单元设有大围堰,以尽可能减少操作和检修时有可能泄漏介质的污染范围。

产品提质单元在精制减压框架区西侧和裂化减压框架区北侧均设有重载区,该区域按道路铺砌,可供检修车辆通行、作业和摆放检修设备部件[3]。

围绕产品提质单元四周设有环形道路,并与厂区道路相连,能满足检修、消防车辆通行和作业的要求[4]。

3 裂化侧线塔框架区设备及管道布置说明

3.1 裂化侧线塔框架区流程简述

主产品流程:常一线精馏塔由高到低分别抽出减一线、减二线、减三线和减四线分别自流至减一侧线塔、减二侧线塔、减三侧线塔、减四侧线塔。四个侧线塔塔顶气线分别返回常一线精馏塔,四个侧线塔塔底液线分别自流至减一线、减二线、减三线和减四线油泵。油泵出口线一支分别返回各自侧线塔,油泵主要出口线经过各自空冷器、水冷器降温后分别得到产品为W2-40、W2-60、W2-80、W2-100四个牌号的白油。经管廊运输至装置原有成品罐区储存。

辅助工艺流程:每个侧线塔各配备一台再沸器。塔侧抽出线自流至再沸器,再沸器顶部气体排出线返回侧线塔,再沸器底液线也自流回侧线塔。为再沸器加热的中压蒸汽引自管廊[5],其产生的凝液自再沸器底部自流至各自的侧线塔底分水罐,凝液经分水罐收集后由底部经管廊[6]排至蒸汽凝结水管网,分水罐顶部设安全阀,将分水罐内过剩蒸汽引至无人经过的安全地点后直接排放。

3.2 裂化侧线塔框架区设备、构架布置说明

裂化侧线塔的构架主要以装置占地、工艺要求、管廊、塔器及空冷器等主要设备的布置为依据进行设计。

首先确定四台侧线塔的位置,由于装置外北侧为重载区,将四台侧线塔并排布置在装置北侧,方便检修。侧线塔为常一线精馏塔的附属设备,二者关系密切,根据上述流程看,二者所连接的管线也比较多,且管径较大(最大管线直径可达DN600),要求高且应力不易计算,这些管线不宜过长且需依靠构架支撑,遂将裂化侧线塔构架布置在侧线塔的南侧。从流程来看,连接侧线塔和空冷器的侧线塔底油泵需与二者就近布置,遂将其布置在靠近侧线塔那一跨的构架下方。装置内需设置精制减压框架、裂化减压框架、裂化侧线塔框架和管廊,且占地较小,单元总宽度仅为45 m,如按常规布置原则无法实现。裂化侧线塔框架区设备种类和数量比较多,且构架顶部需设置宽度为9 m的空冷器。综合考虑采取构架与管廊部分轴线共用柱子的布置方法。其中管廊宽为8 m,南北向轴线号为3D轴和3E轴。裂化侧线塔构架则布置为宽两跨(南北向轴线号为3D轴、3E轴和0A轴),长四跨(与管廊共用3PR05～3PR09轴)。

图1 裂化侧线塔框架EL 0.00 m平面布置图

管廊顶层为9 m平层,裂化侧线塔构架在9 m层与管廊[7]一致,为布置产品线阀组,需设置9 m层平台。该层框架平台与四个侧线塔圈平台均设置联合平台,方便人员检修。

根据工艺流程,再沸器与侧线塔密切相关,侧线塔的侧出线需自流到再沸器,再沸器底部液线也需自流回侧线塔,且再沸器的顶部气线返回侧线塔时,侧线塔的管口也要高出再沸器管口,再结合侧线塔基础标高及塔装配图上的管口高度。综合四台侧线塔及四台再沸器的具体情况,将四台再沸器并排布置在裂化侧线塔构架EL 18000 m层平台上,再沸器顶部设置平台,操作其顶部仪表和阀门。同时根据应力计算,利用构架及塔对管线进行支撑。该层构架平台与四个侧线塔圈平台均设置联合平台,方便人员检修。

图2 EL 18 000 m层平面布置图

根据工艺流程,水冷器和空冷器部分管线有自流要求,侧线塔底分水罐与再沸器部分管线也有自流要求。空冷器布置在构架顶层,再沸器布置在EL18 000 m层平台,EL9 000 m层平台布置的产品线阀组正是由水冷器排出,也需要满足步步低要求。考虑到水冷罐和侧线塔底分水罐因底部设排液且水冷罐的冷却循环水阀门仪表较多,导致其基础比较高,水冷罐顶部设置人孔等诸多因素。综合考虑将水冷器和侧线塔底分水罐布置在EL13 000 m平台上。该层构架平台与四个侧线塔圈平台均设置联合平台,方便人员检修。

空冷器应布置在构架顶层,且位于再沸器平台上方,因再沸器自身尺寸较大,顶部阀门仪表均需操作,须设置罐顶平台,并考虑操作的安全间距。同时还需考虑空冷平台下方至少应留有1.2～1.5 m的布管空间,方便空冷进出口及蒸汽凝液等公用工程管线的安装。综合考虑将空冷器布置在El 25 000 m层平台上。该层构架平台与四个侧线塔圈平台均设置联合平台,方便人员检修。

其余管线布置原则有:空冷器进出口管线与空冷器接口连接时严格执行对称要求;布置在框架外侧的立管,除部分与侧线塔连接的管线布置在框架北侧外,其余立管均从框架南侧上下,避免与测线塔平台碰撞;框架各层平台下均设置管线支撑梁,其与平台梁之间应留有1.2～1.5 m净距,在此空间可实现管线错层布置,方便工艺及公用工程管线进出装置。

3.3 裂化侧线塔重难点管线布置说明

裂化精馏塔减一线(设计温度:250 ℃,操作温度:108 ℃ 常压)、减二线(设计温度:250 ℃,操作温度:139 ℃ 常压)、减三线(设计温度:300 ℃,操作温度:153 ℃ 常压)和减四线(设计温度:300 ℃,操作温度:175 ℃ 常压)分别从裂化精馏塔不同高度管口自流至侧线塔。这几根管线上均设置调节阀组(工艺要求尽量靠近侧线塔管口布置),调节阀组前设置流量计和开工油线。根据侧线塔和精馏塔的布置位置考虑,应将上述管线上的阀组和流量计、开工油线分层布置。经应力计算,此类管线上应设置弹簧和限位措施,根据弹簧高度及平台标高合理选择支簧和吊簧。

侧线塔顶出气线返回至裂化精馏塔,气线直径较大,最大口径达到+DN600 m,该管线操作温度较高,其设计温度为300 ℃,操作温度为186 ℃ 常压。由于侧线塔距离裂化精馏塔较近,且该管线立管部分较长,水平方向管线不足以抵消垂直管线位移,应力计算不易通过,因此在裂化侧线塔框架区段内的管线均设置弹簧,个别支架应设置限位和导向。因为支架处荷载较大,支架位置应选在主梁主柱上,保证管线的运行安全。

再沸器顶部气向返塔线,最大口径为DN600 m,其设计温度为250 ℃,操作温度为203 ℃ 常压。管线直径大,构架小,设备多,且侧线塔和再沸器只能一一对应,不能错开布置,因层高受限,该管线自再沸器顶部引出后只能平拐出装置。经应力计算该管线需设置弹簧支架和限位导向支架,且荷载较大,不能依靠平台梁支撑,综合考虑,该管线最佳布置方案为:自再沸器顶部引出后,留有足够的净空,并平拐至临近柱子边缘,利用柱子外挑三角撑对管线支架进行支撑。同时为满足管子柔性,合理设计侧线塔接口位置,使管线形成π弯,尽量做到利用最少的弯头满足管线应力要求。尽量将荷载较大点设计在框架柱子处,将荷载较小的点利用设备支撑。

4 技术成果

本项目建设在已建成项目中,占地尺寸与方位受限,在满足工艺流程要求的前提下,为满足规范要求、检维修方便、节省占地,对设备布置进行了一些优化设计,主要有如下几点:

(1)由于热油设备与其他可燃液体设备需4.5 m间距,重沸器需高于地面16 m,需放在框架上,而塔顶分液罐、回流罐、水封罐、真空泵、空冷器均有严格的高差、自流要求,在立面布置上优化层高设置,满足高差、自流要求的同时实现了将热油设备与其他可燃液体设备分层布置,重沸器中间放置占地极小的水封罐,平台楼板采用无泄漏的封闭式楼板,既满足了安全生产的要求,又缩小框架规模,节省占地。

(2)考虑热油泵作为动设备在安全和检维修要求上的特殊性,与普通热油设备区分考虑。由于热油泵与冷油设备需4.5 m间距,且不宜放在冷油设备下方,框架下空间有限,经综合考虑,泵的布置利用装置末端的空余占地将热油泵布置在框架外,其他泵(真空泵除外)布置在框架下;各类泵集中成排布置,且符合就近布置的原则;在框架内设置了一条能直通框架外的检修通道。这样提高了框架的安全性、检维修更方便、占地合理、管线集中、用电集中。

(3)使设计更人性化,检维修更方便。在以往项目中业主经常提出高塔上检维修比较耗费体力,存在安全隐患,此次设计时为了解决这一问题,尽量考虑将塔器平台与框架平台作为联合平台统筹考虑,将两个平台布置在同一高度,使之能够联通,既方便了现场巡检也降低了安全风险,达到了事倍功半的效果,两台塔分别有4处和5处与框架平台相连。另外还将空冷器平台与框架平台相连,框架平台与塔平台相连。

(4)将之前项目常用的单跑楼梯改为双跑楼梯,上下楼梯在一处,检维修更方便,也更利于安全疏散,同时将楼梯间单独升至需要的高度,使得塔进料管线和安全阀管线配管更合理。

(5)本分区的阀组在满足就近原则的情况下,选择集中成排布置在框架边缘,使其兼具操作方便、少占用通道、美观的优点。

5 总结

本论文所研究的项目为神华宁煤400万t/a煤炭间接液化项目油品加工装置产品提质单元裂化侧线塔框架区,该项目详细设计阶段始自2018年6月至2019年8月成品文件存档结束。该项目特点是构架与管廊共用部分梁柱,巧妙地突破了单元占地不足的限制。在实现装置功能的基础上,使单元内布置得更加紧凑。该分区的不足之处在于工艺较简单,所用到的材料等级少,缺乏大型设备(如加热炉和压缩机等)。但该区所涉及的设备种类较多(如塔器、空冷器、再沸器、换热器、分水罐、油泵等)。涵盖的专业也比较多(如工艺、设备、建筑、结构、仪表、电气、给排水等),区内管线种类齐全(包括工艺管线、公用工程管线、软管站、伴热站和消防竖管等)。综上所述,该项目非常适合归纳总结。