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PDH 裝置丙烯丙烷分離及熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)備布置及優(yōu)化

2022-04-02 07:50王文杰許宏虎文圣舉
石油化工建設(shè) 2022年2期
關(guān)鍵詞:沸器丙烷丙烯

王文杰 許宏虎 文圣舉

惠生工程(中國(guó))有限公司北京分公司配管室 北京 100102

丙烯丙烷分離及熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)是PDH 中的重要組成單元,主要作用使丙烯與丙烷及其他重組分分離,得到純凈的丙烯產(chǎn)品。探討該系統(tǒng)的設(shè)備布置,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),可以為今后的PDH 項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工藝流程簡(jiǎn)介

從冷箱出來的液態(tài)烴經(jīng)過脫乙烷塔脫除掉乙烷及輕烴組分,經(jīng)SHP(選擇加氫工藝裝置)脫除MAPD(二烯烴)后進(jìn)入丙烯- 丙烷分離塔。塔底未轉(zhuǎn)化的丙烷經(jīng)換熱返回脫氫單元,塔頂丙烯經(jīng)熱泵壓縮機(jī)入口一級(jí)分液罐分液后進(jìn)入熱泵壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮。熱泵壓縮機(jī)一級(jí)出口的丙烯,部分至丙烯- 丙烷分離塔再沸器作為熱源冷凝后,回流至丙烯- 丙烷分離塔;另一部分進(jìn)入熱泵壓縮機(jī)二級(jí)入口分液罐,罐頂氣體進(jìn)行二級(jí)壓縮。二級(jí)出口丙烯氣體經(jīng)丙烯后冷器冷卻后返回至熱泵壓縮機(jī)二級(jí)入口分液罐。熱泵壓縮機(jī)二級(jí)入口分液罐的液相丙烯,部分回流至丙烯- 丙烷分離塔,另一部分作為丙烯產(chǎn)品經(jīng)產(chǎn)品泵送出界區(qū)。

2 丙烯丙烷分離及熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)備布置及優(yōu)化

2.1 設(shè)備布置

丙烯丙烷分離系統(tǒng)及熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)分別在分離單元東側(cè)的管廊兩側(cè),分離單元按工藝流程順序布置在PDH 裝置的主道路東側(cè)中部,北臨原料精制單元,南側(cè)為反應(yīng)再生單元,西側(cè)為壓縮單元。

丙烯丙烷分離塔直徑9.6m、塔高113m,是整個(gè)裝置最高的設(shè)備,布置在分離單元東北角,靠近裝置主道路,方便安裝及檢修。熱泵壓縮機(jī)與丙烯丙烷分離塔管道連接緊密,故將熱泵壓縮機(jī)布置在單元東南角,與丙烯丙烷分離塔相隔一條管廊。

布置要點(diǎn):

(1)熱泵壓縮機(jī)為甲類可燃?jí)嚎s機(jī),在布置時(shí)需要考慮防火間距的要求,甲類可燃?jí)嚎s機(jī)與其他甲類設(shè)備或廠房需要有9m 的防火間距。壓縮機(jī)的分液罐、緩沖罐、中間冷卻器以及其他與主體設(shè)備密切相關(guān)的設(shè)備,可直接連接或靠近布置。值得注意的是丙烯產(chǎn)品泵雖然在壓縮機(jī)系統(tǒng)中,但不屬于上述與主體設(shè)備密切相關(guān)的設(shè)備,需要滿足與壓縮機(jī)9m 防火間距。由于該壓縮機(jī)廠房為敞開廠房,不影響可燃?xì)怏w擴(kuò)散,防火間距起始點(diǎn)可按照設(shè)備外緣確定[1]。本壓縮機(jī)的布置已經(jīng)充分考慮了防火事宜,滿足防火安全間距的要求。

(2)丙烷循環(huán)泵和丙烯產(chǎn)品泵為液化烴泵,不易布置在管廊或者可燃液體設(shè)備下方[2]。

由丙烯丙烷分離塔塔頂去一級(jí)分液罐的汽相管線為60 寸,考慮到管線從塔頂下來后的柔性,把丙烯丙烷分離塔及其再沸器與壓縮機(jī)廠房及分液罐分別布置在管廊兩側(cè),這樣管廊頂有空間可以布置壓縮機(jī)出口防喘閥。按照專利商(UOP)要求,丙烯丙烷分離塔再沸器對(duì)稱就近布置在丙烯丙烷分離塔四周。由于液化烴泵不宜布置在管廊下,為方便進(jìn)出口管道布置,丙烷循環(huán)泵及其操作平臺(tái)布置在丙烯丙烷分離塔及管廊中間。

考慮壓縮機(jī)的安裝及檢修,壓縮機(jī)廠房布置在該區(qū)東南側(cè)靠近道路。壓縮機(jī)一級(jí)二級(jí)分液罐就近布置在壓縮機(jī)廠房附近。按照工藝流程,考慮經(jīng)濟(jì)性,產(chǎn)品泵布置在二級(jí)分液罐旁邊靠近管廊出界區(qū)處,使得保證產(chǎn)品泵入口管道短阻力降小的前提下,使泵出口去罐區(qū)管道盡量短。

2.2 設(shè)備布置優(yōu)化

(1)丙烯丙烷分離塔再沸器布置優(yōu)化。

丙烯丙烷分離塔有四臺(tái)并聯(lián)的再沸器,為方便換熱器抽芯及檢修,基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)四臺(tái)換熱器兩兩對(duì)稱布置在丙烯丙烷分離塔東西兩側(cè)。

兩側(cè)再沸器進(jìn)出口管線分別匯合后再與塔的管口相接,這樣就間接抬高了集合管的高度,增加了管線支撐的難度。在已建PDH 項(xiàng)目中丙烯丙烷分離塔再沸器返回管線極易出現(xiàn)震動(dòng),此布置方案也增加了管道震動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。 在設(shè)計(jì)過程中把四臺(tái)再沸器分別對(duì)稱布置在丙烯丙烷分離塔的四周,由于丙烯丙烷分離系統(tǒng)西側(cè)還有其他設(shè)備,這樣會(huì)影響西側(cè)兩個(gè)再沸器抽芯,最終更換再沸器的形式為固定管板高效再沸器避免了抽芯問題。此方案中四臺(tái)再沸器嚴(yán)格對(duì)稱,更滿足專利商對(duì)再沸器的對(duì)稱要求,見圖1。

圖1 優(yōu)化后設(shè)備布置

(2)熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)布置優(yōu)化。

由于分離單元占地面積有限,冷箱和熱泵壓縮機(jī)無法同時(shí)布置在分離單元?;A(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)的布置方案為:冷箱系統(tǒng)布置在分離單元東南角;熱泵壓縮機(jī)布置在壓縮單元的北側(cè),與反應(yīng)氣壓縮機(jī)并排布置,壓縮機(jī)集中布置,方便檢維修。

冷箱系統(tǒng)與分離單元其他設(shè)備連接的兩條10 寸的碳鋼管線,熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)與分離單元其他設(shè)備主要連接管線有60 寸、40 寸、20 寸、16 寸、12 寸的碳鋼管線各一根熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)與分離單元的聯(lián)系明顯要比冷箱系統(tǒng)的更加緊密。在詳細(xì)設(shè)計(jì)過程中,將熱泵壓縮機(jī)系統(tǒng)與冷箱系統(tǒng)的位置互換,熱泵壓縮機(jī)布置到丙烯丙烷塔南側(cè),冷箱系統(tǒng)布置到壓縮單元。

3 壓縮機(jī)廠房及附屬設(shè)備布置

3.1 壓縮機(jī)廠房高度設(shè)計(jì)

(1)壓縮機(jī)基礎(chǔ)高度的設(shè)定。

要點(diǎn):該熱泵壓縮機(jī)的安裝高度(基礎(chǔ)高度)設(shè)定主要考慮其本身構(gòu)造的特點(diǎn)、附屬設(shè)備的數(shù)量及尺寸、進(jìn)出口管線的布置要求、管道凈空、過濾器的安裝操作空間以及彈簧高度要求。

該熱泵壓縮機(jī)和汽輪機(jī)均是采用下進(jìn)下出的方式。由于項(xiàng)目選用背壓式汽輪機(jī)做驅(qū)動(dòng),沒有冷凝冷卻器和凝結(jié)水泵,因此壓縮機(jī)安裝高度可以適當(dāng)放低。進(jìn)出口管線需要滿足壓縮機(jī)廠商的5 倍管徑直管段要求。此外,壓縮機(jī)入口管線CCD 要求最小凈空2500mm(積液包+ 液體收集管)。

綜合考慮壓縮機(jī)廠家直管段要求、管道及過濾器凈空要求、過濾器安裝檢修、及液封冷凝器,得出壓縮機(jī)基礎(chǔ)最嚴(yán)苛高度H。

H15 倍管徑直管段(6750mm)+ 法蘭厚度(350mm)+CCD 要求最小凈空(2500mm)+ 過濾器高度(1700mm)-管口相對(duì)與壓縮機(jī)底板高度(425mm)=10875mm。

最終壓縮機(jī)安裝高度設(shè)定為11m,見圖2。

圖2 壓縮機(jī)基礎(chǔ)高度核算圖

(2)高位油箱的布置。

廠家要求高位油箱的布置需距離壓縮機(jī)軸中心高度大于等于6.3m,最終高位油箱布置高度為20m。

H2(高位油箱支撐點(diǎn)高度)=6.3m(廠家要求高位油箱和壓縮機(jī)軸中心最小高差)+2.4m(壓縮機(jī)軸中心距設(shè)備底板高度)+11m(壓縮機(jī)基礎(chǔ)高度)=19.7m。

(3)壓縮機(jī)廠房吊裝機(jī)具及其高度的確定。

壓縮機(jī)廠房吊裝機(jī)具的選擇主要考慮最大檢修部件的重量,該廠房的最大檢修部件為壓縮機(jī)蝸殼, 重量為38.8t,宜選用電動(dòng)橋式吊車。該項(xiàng)目選用型號(hào)為QY 型50/ 10t 橋式起重機(jī),最大起重質(zhì)量為50t。吊車高度首先要滿足制造廠的要求,其次要考慮吊裝最大部件以及機(jī)組最高部件的高度。壓縮機(jī)廠家要求吊鉤高出軸中心至少高出5.2m,汽輪機(jī)最高部件高出軸中心2.9m(吊裝壓縮機(jī)蝸殼需要越過汽輪機(jī)最高點(diǎn)才能送至吊裝區(qū)域),壓縮機(jī)軸中心距離壓縮機(jī)基礎(chǔ)2.4m。

實(shí)際吊車最小起吊高度H3= 壓縮機(jī)蝸殼最小起吊高度5200mm+[汽輪機(jī)最高點(diǎn)(相對(duì)于軸中心)2900mm-壓縮機(jī)本體最小起吊高度實(shí)際位移900mm(壓縮機(jī)本體最小起吊高度2500mm- 壓縮機(jī)蝸殼高度1600mm)]+ 壓縮機(jī)軸中心距離壓縮機(jī)基礎(chǔ)高差2400mm+ 壓縮機(jī)基礎(chǔ)標(biāo)高11000mm=20795mm。

依據(jù)以上公式得出吊車起吊高度最少為20.795m,另外考慮吊鉤和吊車梁有750mm 的高差及裕量,最終確定吊車軌頂標(biāo)高為EL 22.000m。綜合以上三點(diǎn),我們最終確定壓縮機(jī)廠房高度為EL25.000m。

3.2 壓縮機(jī)附屬設(shè)備、操作檢修平臺(tái)及吊裝孔的布置

該熱泵壓縮機(jī)廠房采用雙層布置,見圖3。

圖3 壓縮機(jī)廠房平面圖

上層布置壓縮機(jī)汽輪機(jī)機(jī)組、干氣密封盤、汽輪機(jī)低壓蒸汽出口安全閥等,同時(shí)也作為機(jī)組操作檢修的平臺(tái),平臺(tái)一側(cè)設(shè)置有檢維修時(shí)放置機(jī)組部件的場(chǎng)地,滿足放置機(jī)組最大部件并能檢修作業(yè)的需求。該機(jī)組最大部件為壓縮機(jī)蝸殼,尺寸為3m×5m。下層布置汽封冷卻器,同時(shí)下層兼具儀表的檢修及操作層。壓縮機(jī)上層操作檢修平臺(tái)設(shè)置為11.8m,平臺(tái)和壓縮機(jī)之間有800mm 的高差,該空間可以布置干氣密封管線和油管。

下層6.2m 有兩個(gè)平臺(tái),2~3 軸平臺(tái)用于壓縮機(jī)出入口儀表的檢修,壓縮機(jī)二級(jí)入口管線彈簧的支撐等,為避免因壓縮機(jī)進(jìn)出口震動(dòng)導(dǎo)致廠房震動(dòng),此平臺(tái)生根在壓縮機(jī)基礎(chǔ)上;3~4 軸層平臺(tái)用于液封冷凝器布置、操作和檢修,汽輪機(jī)超高壓蒸汽及低壓蒸汽相關(guān)儀表閥的操作和檢修,與2~3 軸平臺(tái)連接處留50mm 縫隙。

干氣密封盤布置在11.8m 平臺(tái)靠近壓縮機(jī)處,干氣密封盤和壓縮機(jī)間留有安全通道;高位油箱為滿足制造廠的要求布置在廠房南側(cè)的20m 平臺(tái)上。考慮到油站及其冷卻器檢修操作,以及油站盡量靠近機(jī)組布置的要求,將油站布置在壓縮機(jī)廠房西側(cè)的雨棚中,雨棚南側(cè)緊靠道路,西側(cè)有抽芯和檢修場(chǎng)地。

吊裝孔的布置充分考慮最大吊裝進(jìn)出組件的尺寸[3]。該廠房最大吊裝進(jìn)出組件為壓縮機(jī)蝸殼, 尺寸為3m×5m。同時(shí)也考慮吊車行車死點(diǎn)以及吊裝組件進(jìn)出廠房的空間,最終把吊裝孔設(shè)置在廠房東南側(cè)靠道路的位置。

4 結(jié)語

隨著石化行業(yè)的不斷發(fā)展,化工裝置越來越大型化、露天化、流程化和集中化。在進(jìn)行裝置設(shè)備布置時(shí),各設(shè)計(jì)要點(diǎn)需要全面考慮,從決定布置的關(guān)鍵點(diǎn)入手,結(jié)合裝置自身的特點(diǎn),調(diào)整優(yōu)化布置,實(shí)現(xiàn)工藝流程更加順暢,設(shè)備布置更加合理美觀。在配管設(shè)計(jì)過程中,在充分理解了工藝原理的前提下,結(jié)合設(shè)備布置和管道設(shè)計(jì)規(guī)范以及專利商的特殊要求,根據(jù)裝置的實(shí)際情況,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行多方面綜合研究和考慮,在滿足安全和工藝要求的基礎(chǔ)上積極進(jìn)行優(yōu)化,使裝置更加經(jīng)濟(jì)、安全、合理。

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