浅谈催化裂化装置烟气轮机出口管道设计

2012-02-09

河南化工 2012年15期

(中国石化集团洛阳石油化工工程公司配管室，河南洛阳 471003)

烟气轮机是催化裂化装置再生烟气能量回收的专用动力回收设备，是把催化裂化再生系统烧焦产生的高温烟气所具有的热能和压力能膨胀做功转变为机械能的高速旋转机械，其发出的功率用于驱动主风机和通过电动/发电机发电，从而达到能量回收的目的。

烟气轮机是催化裂化装置中的核心设备之一，对全装置能耗起着重要作用，一旦烟气轮机出现故障，处理不当就可能使整个催化裂化装置停产，造成巨大的经济损失。因此，能否保证烟气轮机的正常运转也就关系到整个催化裂化装置能否正常运行，而烟气轮机进出口管道的合理布置，又是保证整个机组正常运行的关键。

烟气轮机在含有催化剂粉尘的高温烟气中工作，操作条件苛刻，因此对烟气轮机进出口管嘴所受的力和力矩要求极为严格。再生烟气管道温度高、管径大，需考虑的问题复杂，烟气轮机进出口管道设计的合理与否不仅关系到烟气轮机的正常操作和使用寿命，也会影响整个催化裂化装置的正常运行［1］。由于烟气轮机进口管道的布置更为复杂，相关的论述和研究也较多，从而得到了人们足够的重视，出口管道由于走向和支架相对较为简单，反而没有入口管道那么引人重视，本文在此浅谈一下烟气轮机出口管道的设计。

1 烟气轮机出口管道的布置型式

烟气轮机出口管道是指从烟气轮机出口到烟机出口水封罐入口之间的管道。烟气轮机按照出口管嘴结构型式不同可分为上排气式和下排气式两种，近年来上排气式最为常见。水封罐的形式根据介质流向不同可分为侧进顶出式和顶进侧出式两种。本文仅探讨最为常见的两种烟气轮机出口管道的布置形式，即上出侧入式和上出顶入式两种，见图1。

图1 烟气轮机出口管道的布置形式示意图

2 烟气轮机出口管道材料的选择

为避免异物特别是衬里材料脱落后进入烟气轮机内，烟气轮机出口垂直管段及折转的弯头或三通应采用耐高温不锈钢材质的热壁形式，外加保温结构，其后管段采用隔热耐磨衬里的冷壁形式，即碳钢加内衬里形式。

3 烟气轮机出口管道走向及设计要点

3.1 烟气轮机出口管道走向

烟气轮机出口法兰一般为方形，跟该法兰配对的烟气轮机出口过渡段为方形法兰加一个天圆地方大小头，一般是由烟气轮机制造厂家自带的。由于烟气轮机出口管道仍处于高温状态，热膨胀量大，而且烟气轮机出口受力要求条件苛刻，故在烟气轮机正上方出口处设置一个弯管压力平衡型膨胀节，主要用于吸收热态时烟气轮机和该段立管的膨胀，并且满足其受力要求。

根据烟机出口水封罐的结构形式以及烟气轮机出口与烟机出口水封罐的相对位置关系，可以确定弯管压力平衡型膨胀节三通的朝向，通过设置弯管压力平衡型膨胀节，管道由垂直方向改为水平方向，其后设置一个大小头，小端口径与弯管压力平衡型膨胀节一致，即与烟气轮机出口过渡段的圆端一致，大端口径与管道工艺口径一致。

上出顶入式管道在大小头后设置一段水平管段加一个90度弯头再加一个复式万向铰链型膨胀节;与烟机出口水封罐入口相连即可，见图3。

上出侧入式管道需根据平面布置在合适位置设置水平管段后的90度弯头，然后设置一个复式万向铰链型膨胀节后再设置一个90度弯头，再用一水平管段与烟机出口水封罐入口相连，见图2。

图2 上出侧入式管道布置示意图

图3 上出顶入式管道布置示意图

3.2 烟气轮机出口管道的设计要点

3.2.1 膨胀节的设置

膨胀节的选型一般分为两步:第一步是根据烟道的布置及走向确定管段的形状，然后选择膨胀节形式;第二步是计算管段因热变形而产生的位移量，再估计安装偏差量，据此确定膨胀节的结构参数。这里要强调的是第一步最为关键［2］。

3.2.1.1 弯管压力平衡型膨胀节

弯管压力平衡型膨胀节可吸收轴向和横向组合位移而不使系统支座或设备承受内压推力的作用，所以广泛用于对荷载敏感的设备进出口，吸收设备与管道的热位移，使设备所受的载荷减至最小，所以用在烟气轮机出口处是非常合适的。

图4 弯管压力平衡型膨胀节示意图

如图4所示，将弯管压力平衡型膨胀节的支耳用螺栓固定在烟道支架上，由烟道支架来承受整个烟气轮机出口垂直管段和部分水平管段的质量，该膨胀节上的恒力弹簧用来承载膨胀节的质量，工作波和平衡波共同作用，依靠拉杆结构使得波纹管产生的压力推力大小相等，方向相反而抵消。烟气轮机本体以及烟气轮机出口至弯管压力平衡型膨胀节支耳处的竖向位移差由弯管压力平衡型膨胀节的两个工作波的轴向位移来吸收，该部分的横向位移由两个工作波的转角位移来吸收。

3.2.1.2 复式万向铰链型膨胀节

复式万向铰链型膨胀节能吸收任一个平面内的横向位移并能承受波纹管压力推力。不管是在如图2中所示弯管压力平衡型膨胀节支耳至烟机出口水封罐入口的Z型管道上的垂直部分设置复式万向铰链型膨胀节，或者在如图3中弯管压力平衡型膨胀节支耳至烟机出口水封罐入口的L型管道上的垂直部分设置复式万向铰链型膨胀节，均可吸收这两点之间的横向位移。而这两点之间的竖向位移部分相互抵消，部分通过管道的自然补偿而吸收。

3.2.2 支架的设置

一般把烟气轮机和水封罐等设备本体视为固定件，在这里可以将烟气轮机出口和烟机出口水封罐入口视为固定支架，弯管压力平衡型膨胀节支耳在烟道支架上固定后相当于一个固定支架，这样可将一个复杂的管段分成两个简单的管段。

由于衬里管道的自重相当大，在弯管压力平衡型膨胀节后的水平管段上设置一个承重支架。对于上出顶入式管道，该承重支架用来承受烟气轮机出口部分水平管段及入水封罐前垂直管段的重量。对于上出侧入式管道，该承重支架用来承受烟气轮机出口部分水平管段及随后弯头后部分垂直管段的重量，另一部分垂直管段及入水封罐前水平管段的重量分别由立管上的吊架和进水封罐前的弯头下方的支架来承受。由于该管道温度较高，热胀较大的原因，支架和吊架选用弹簧型式。

4 烟气轮机出口管道设计注意事项

4.1 由于催化裂化装置平面布置与烟气管道的布置息息相关，所以在考虑平面布置的时候就应该充分考虑烟气管道的布置形式，对于烟气轮机出口管道来说应尽早落实烟机出口水封罐的形式，从而落实水封罐的位置并确定烟气轮机出口管道的布置形式。

4.2 由于烟气轮机出口管道的重要性和特殊性，建议烟气轮机出口过渡段的圆端口径待应力分析做到一定深度后将其所需的适宜尺寸返给烟气轮机制造厂家，该口径一般会比烟气轮机出口管道的工艺口径小些。

4.3 根据烟气轮机和烟机出口水封罐的位置关系，烟气轮机出口管道弯管压力平衡型膨胀节后的水平管段一般都是倾斜着出主风机厂房，规划主风机厂房的时候应先放样，确保该厂房的立柱位置不与该管道相干涉，同时在两立柱间所拉梁上预埋用于放置弹簧的钢板时应与该管道垂直。

4.4 由于烟气轮机出口向上，紧接着又安装了弯管压力平衡型膨胀节，整个烟气轮机出口管道的安装高度较高，考虑到主风机厂房的吊车需要跨越该管道顶，所以该管道的高度直接影响了整个主风机厂房的高度，因此在确定该厂房的轨顶标高前一定要认真核算该管道的高度。

4.5 在烟气轮机正上方需要设置烟道支架用于支撑弯管压力平衡型膨胀节上的支耳，烟道支架的设置需要考虑的问题有:①烟道支架立柱生根在主风机和烟气轮机的联合基础上，两基础间有高差，立柱位置应避开交界线。②烟道支架不能在机组轴线方向的机组范围内打斜撑，否则可能会碰联轴器，垂直于轴线方向的斜撑也需要考虑烟气轮机的检修，应尽量设置一根较高的中间梁，在该中间梁上方打斜撑。③烟道支架顶部的横梁用来放置弯管压力平衡型膨胀节上的支耳，该梁上应该预留固定支耳用的螺栓孔，螺栓孔到烟气轮机出口中心的间距应由膨胀节厂家确定，结构专业确定梁上预留孔的方式后即可确定该梁的位置，而所需要的螺栓螺母是耐高温的，由膨胀节厂家自带并让其提供尺寸。④烟道支架设计好之后需将其结构图纸以及膨胀节的布置图返给膨胀节厂家，让其核对该支架的梁柱等构件是否与膨胀节本体的构件(如拉杆和弹簧等)相干涉，假如有干涉也好做出相应的调整。⑤上出侧入式管道在两弯头间的立管上需要设置弹簧吊架，而此立管就是一个复式万向铰链型膨胀节，所以该弹簧的吊点所需的支耳位置(标高及方位)应提前提供给膨胀节厂家，由膨胀节厂家带此支耳。