裂解炉全炉设计模型化及数字化工厂应用

薛 磊，隋 文

(1. 中国石化工程建设有限公司，北京 100101； 2. 北方华锦化学工业集团有限公司设备管理部，辽宁 盘锦 124000)

裂解炉模型化设计是当今裂解炉设计过程中比较重要的设计手段。利用三维设计有助于提高裂解炉模块化的设计水平，避免裂解炉模块设计可能出现的各种问题。但就目前的应用情况来看，还主要集中在钢结构的设计上，裂解炉本体管系、衬里以及炉附件等部分还未纳入模型化设计内容。开展裂解炉全炉模型化设计，一方面是为了适应裂解炉全炉设计模型化和数字化工厂在裂解炉设计中应用的新要求，急需开展全炉模型化设计(包括辐射段和对流段钢结构、衬里、炉管以及附件)以及数字化工厂应用研究；另一方面，全炉模型化设计，能极大提高设计质量和设计效率，将全炉模型传递到配管及结构专业，还可以减少专业间的设计界面，减少设计错误，作为数字化工厂的一部分具有重要意义。

1 裂解炉全炉设计模型化和数字化工厂应用的研究背景

1.1 裂解炉全炉设计模型化和数字化工厂应用现状

目前，裂解炉钢结构模型化设计已经经过工程应用，在提高设计质量的同时，也大大提高了设计效率，取得了很好的效果。而对流盘管、辐射盘管、辐射段衬里、对流段衬里等并未实现应用，在裂解炉设计中还是空白，与配管专业管道之间的对接也尚未实现，同时数字化工厂应用也尚未全面实施，由此可见，裂解炉全炉设计模型化和数字化工厂应用还有很大发展空间。

1.2 裂解炉全炉设计模型化和数字化工厂应用的研究方法及内容

利用三维建模软件TEKLA为平台，针对裂解炉包括钢结构、衬里、炉管以及炉附件等进行全炉建模，并开发部分节点。然后将模型输出到配管专业的PDS、结构设计软件STAAD PRO里进行校核，并结合项目管理进行设计流程的优化。

主要研究内容包括以下几方面：

1) 利用三维建模软件TEKLA完成全炉模型化设计；

2) 结合标准化工作和TEKLA二次开发，研究适应TEKLA建模及出图模式的设计方式；

3) 完成TEKLA模型输出配管专业的参照模型的测试，使设计界面进一步清晰化，提高设计效率；

4) 结合数字化工厂内容，进行TEKLA模型设计、设备制造及专业间设计条件等流程的优化，包括提高设计效率、电子文件提交、制造和存档等TEKLA应用中设计流程的优化问题。

2 裂解炉全炉模型化设计

采用TEKLA对钢结构建模已经有较为成熟的应用，结合现有对钢结构节点的开发，极大地提高了钢结构建模的效率。采用全炉模型化设计，需要对除钢结构之外的衬里、炉管以及炉附件进行建模，这部分需要进行相应的二次开发。

2.1 采用TEKLA进行钢结构建模

1) 应用TEKLA对裂解炉建模包括：构建模型主要构件，自定义新材料、新截面，建立自定义节点，施加模型节点、细部和零件，模型检查。

2)采用其他建模软件建立的模型，通过TEKLA输入选项进行模型的导入。这样可以减少建模时间，提高效率。裂解炉辐射段钢结构模型如图1所示。

图1 裂解炉辐射段钢结构模型

2.2 采用TEKLA进行衬里建模

采用TEKLA软件对耐火砖、浇注料、陶瓷纤维类衬里、锚固件等建模，并开发形成相应的节点图。利用上述节点建模型，形成对流段炉墙衬里(见图2)、辐射段炉墙衬里。

图2 对流段炉墙衬里

2.3 采用TEKLA进行盘管、弯头箱和细部节点建模

2.3.1采用TEKLA进行盘管建模

采用TEKLA对裂解炉对流盘管及辐射盘管进行建模，并形成标准管件节点，管系模型见图3。

图3 辐射盘管模型

2.3.2采用TEKLA进行弯头箱建模

采用TEKLA对裂解炉弯头箱进行建模，建立全对流段弯头箱模型，见图4。

图4 弯头箱模型

2.3.3形成全炉模型

使用TEKLA将裂解炉各部分进行组合，建立裂解炉全炉模型，见图5。

图5 裂解炉全炉模型

3 裂解炉全炉模型的设计传输

将TEKLA全炉模型输出到供参照的模型和可供STAAD PRO计算的结构模型，结构专业拿到模型即可直接进行结构计算。

将TEKLA全炉模型输出到供配管专业PDS参照的模型，配管专业无需再建炉体模型，达到模型共享的目的，使设计界面进一步清晰化，提高设计效率。

结合数字化工厂内容，提高设计效率，采用TEKLA进行裂解炉的模型设计，可以在项目执行中期提出制造厂备料清单，方便项目顺利执行。

4 结语

采用模型开发和实际工程项目应用相结合的技术路线，通过TEKLA软件可完成裂解炉全炉模型的建立，多专业间模型传输及应用，全炉模型对项目执行、辅助制定、完善运输以及安装方案等方面的研究，其优势如下：

1) 通过裂解炉全炉模型的开发、建模以及二次开发，使裂解炉由平面设计向三维模型化设计转化，提高设计效率的同时，减少设计错误，最终经工程项目实际验证，至少可以提升设计效率20%；

2) 使用TEKLA全炉模型输出到供参照的模型和可供STAAD PRO计算的结构模型，可提升专业间的文件传送效率，使设计环节得以并行及简化，提高设计效率，有利于实现数字化工厂的应用；

3) 优化项目执行过程中的设计环节。经工程项目检验，裂解炉全炉模型化设计可以在设计过程中形成项目过程文件，有利于项目执行，并且可以在模块加固及运输设计中进行辅助指导，促进裂解炉模块化的发展。