加氢进料泵管道设计浅析

2019-04-27 07:39
山东化工 2019年7期
关键词:泵管原料油进料

荣 春

(中石化广州工程有限公司,广东 广州 510000)

加氢裂化工艺可以使减压蜡油、焦化蜡油得到深度的处理,在现代油品升级中起到越来越重要的作用。加氢进料泵是加氢裂化装置中的关键设备,其作用是将自原料油缓冲罐来的原料油升压后送至热高分换热器,其特点为流量大,扬程高,泵轴功率大,配置复杂,可靠性要求高,一般备用率100%。该类泵操作温度不高,一般在150℃上下,但出口压力大,进出口管线大,是管道设计的难点之一。

本文以某蜡油加氢裂化装置为例,对进料泵管道设计进行探讨。该装置采用UOP工艺包,主要操作条件见表1。该装置设两台裂化反应进料泵,一开一备,主泵为进口泵,液力透平联合驱动;备泵为国产泵,由异步电机单独驱动。每台泵配有单独的润滑油站。

表1 加氢进料泵进出口工况

1 进料泵平面布置

由于加氢进料泵的体积较大,一般在装置主管廊的一侧露天布置[1],其优点是通风良好,便于检修,利于消防。由于进料泵的操作压力高,将泵布置在管廊外侧,也可以使管道布置空间相对宽松,有利于进料泵出入口管线的柔性设计。进料泵与原料油缓冲罐尽量靠近布置。将泵与油站基础前端取齐,既美观也方便边沟的设置。由于高位油箱有一定的高度要求,需要单独设置操作平台进行放置。进料泵和透平的检修需要设置吊梁,故一般将其作为一个独立的构架。平面布置图如图1所示。

图1 加氢进料泵平面布置

2 进料泵管道受力计算

加氢进料泵是高速回转机械,为了保证进料泵的长期、高效、安全运行,就必须保证管道对管嘴的作用力不应超过设备制造厂提出的允许受力值。当制造厂未提供该方面的数值时,可以参照美国石油学会标准API610[2]中关于离心泵管嘴受力的有关规定。API610在给出允许受力时,允许的联轴器处的轴位移较大,对管嘴磅级,泵体结构等诸多因素未加区分,具有较大的保守型,一般按API标准的2倍核算[3]。

表2 进料泵管嘴允许受力

在该项目中,经过协商,进口泵和国产泵管嘴受力分别满足不大于2.5,3倍API规定的数值。从而得到计算模型坐标系下,进料泵管嘴允许受力如表2所示。

3 入口管道设计

为了防止气蚀的发生,应当尽量减少入口管道的压降,缩短管道的长度,减少弯头的使用量。入口管道设计宜采用步步低的设计原则,以免出现袋型。这就要求在进行装置平面布置时,进料泵尽量靠近原料油缓冲罐布置,管线的应力通过管道的自然走向进行补偿。

加氢进料泵入口顶进,入口管线尽量不要布置在泵和电机的正上方,以免影响检修吊装。入口管道在水平管上的变径采用顶平安装,目的是避免形成气袋。泵的入口管线不能出现下U型,故应设置平台操作泵入口阀门,且平台不应妨碍泵的检修。

由于入口过滤器需要经常拆卸清洗,要在过滤器后面加支架支撑。在闸阀前的支架前设置至少一米的直管段再变等级,这是因为高低压等级的管线壁厚相差较大,在法兰处变等级会使流体波动太大,引起管线震动。在满足嘴子受力的条件下,宜设刚支,少设或不设弹簧,以增加管系的稳定性。

加氢进料泵入口管道布置如图2所示。通过应力计算可以发现,过滤器后面的应力点有向上的位移,为了不使支架脱空,选用弹簧。闸阀前的支架沿管道方向位移较大,故选用低摩擦支架,减小水平摩擦力。由于管桥部分的水平管较长,导致位移较大,为减少主、备泵之间的相互影响,在两泵中间的管桥处设置止推支架。

图2 进料泵入口管道布置

表3 入口管嘴受力

不考虑偶然工况和两泵同时运行时的操作工况,可得到入口管嘴最大受力如表3所示。从该表中我们可以看到,应力计算得到的入口管嘴受力满足进料泵管嘴受力要求,该布置方案合理。

4 出口管道设计

原料油经进料泵升压输送至加热炉,另外一路通过最小流量线返回至原料油缓冲罐。进料泵的出口管线操作压力较进口管线增大近五十倍,温度基本不变。压力等级的提高使管线壁厚、刚度增大,管系产生的热应力就会增大,降低管线的柔性,通过自然走向来消除应力变得非常困难。所以进料泵出口管线的设计研究具有一定的特殊意义。

为了便于出口线和最小流量线上的阀门进行操作,一般将阀组放在地面层。从管嘴出来的管线在构架上需要绕Π型弯加弹簧进行补偿,从而可以吸收泵嘴初始热位移和管线在垂直方向的热位移。同时也要考虑出口管线上的质量流量计所需直管段要求。由于进料泵启动时管道中会有部分气体无法排出,在出口管线高点需设置防空阀,同时增加排凝,排放到进料泵的边沟即可。

最小流量线上的减压角阀前后压差过大,流体流动的波动性较大,为了降低流体流动的不稳定性对管道造成的振动影响,减压角阀后应有足够的直管段(5DN~10DN),且前后第一个支架应为防震管卡。同时减压阀后的变等级最好设在与直管段相连的弯头后。UOP工艺包规定角阀必须水平放置,由于模头较长且重量很大,要考虑模头的支撑及对管线应力的影响。

图3 进料泵出口管道布置

加氢进料泵出口管道布置如图3所示。从图中我们可以看到,与进料泵出口管嘴相接的管线在构架上线先绕了一个弯后接到构架的一侧。这主要考虑以下三点:躲避检修吊梁,满足孔板流量计直管段要求,增加管道柔性。出口管线在地面上的第一个支架采用止推支架,目的是限制地面管线热胀对出口管嘴的推力。进口泵出口管线的应力点a在竖直方向没有位移,选择硬支;应力点b有向上的位移,故选用弹簧。国产泵在构架上的应力点都有向上的位移,选用弹簧。

表4 出口管嘴受力

管嘴受力如表4所示。从该表中我们发现,进口泵出口管嘴只有Fx值满足要求,其余都要比允许值要大。尤其是Fy是允许值的2倍,Mx是允许值的3倍。通过分析应力点位移和作用力的方向,不难理解,立管的热胀量较大,管嘴位移量很小,构架上的水平管起到了'跷跷板'的作用,使管嘴的Fy/Mx增大。国产泵出口管嘴只有Mx/Mz不满足要求,这是由于泵的平面布置导致国产泵出口管线为了保证孔板流量计的直管段要求,要绕更大的弯。从而南北方向的长度要长,管道柔性相对较好。故国产泵的出口管嘴受力相对较小,但由于力臂增大,力矩还是较大。

一般来讲,当固定点位置一定时,增加管系长度和弯头数量可以增加管道柔性;管道在某一方向位移量过大时,通过增加与其垂直方向的管道长度进行吸收。所以我们可以考虑通过增加东西方向的管道长度,来吸收立管的热胀量,减弱对管嘴的影响。适当增加弹簧,避免管道的'跷跷板效应'。

改进后的进料泵出口管道布置如图4所示。从图中可以看出,从管嘴出来的管线在构架上绕了一个Π弯,增加了东西方向的长度,管线在水平方向的位移通过平Π来吸收。由于构架上支撑点都有向上的位移,所以这几个支架都是弹簧。管嘴受力如表5所示,从该表可以看出进口泵的Fy/Mx值,国产泵的Mx/Mz值明显减小了,其它的值也都在允许范围内。出口管嘴受力满足进料泵管嘴受力要求,该布置方案合理。

图4 改进后的进料泵出口管道布置

表5 改进后的出口管嘴受力

5 结束语

(1)加氢进料泵属于长周期订货,在谈技术协议阶段,管道专业就要与制造厂商定泵嘴需要满足的最大受力条件。

(2)加氢进料泵入口要充分利用平面布置,通过管道的自然走向进行补偿。

(3)加氢进料泵出口是进料泵管道设计的难点,要充分考虑利用管道的柔性吸收热胀,合理使用支架,保证管嘴受力限制在允许范围内。

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