煤化工变换设备在改扩建项目中利旧的可行性分析

赵巍(内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司，内蒙古 赤峰 025350)

0 引言

近年来，煤制天然气市场根据发展需要，结合装置实际生产运行及工程建设的现状，考虑到下游天然气市场供需形势的变化以及调整产品结构、提升项目盈利能力的需要，存在依托原生产装置建设改扩建项目的可行性。

因该类项目上游以煤为原料，造气采用固定床煤气化技术生产粗煤气，粗煤气中有机硫成分复杂，有机硫含量高，且含有不饱和烃以及残氧。原变换冷却单元变换反应完全旁路，为避免粗煤气中有机硫对甲醇洗及后系统的影响，增加有机硫转化及烯烃饱和装置，将粗煤中的有机硫进行转化，将不饱和烃进行加氢饱和，脱除残余氧气，以满足下游装置的操作要求。

本文针对二期变换装置变换炉在改扩建项目有机硫转化及烯烃饱和装置中利旧的可行性，进行了计算与分析。

1 问题来源

为满足改扩建项目有机硫转化及烯烃饱和装置进、出口流量要求，符合设备法兰尺寸要求，利旧设备要分别对主变换炉和预变换炉的上、下管口进行开孔[1]。依据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[2]，主变换炉和预变换炉均为固定式压力容器中的三类压力容器，须对开孔部位进行补强计算及分析。

2 专业分析

2.1 分析依据

依据GB 150.3—2011《压力容器 第3部分：设计》计算、分析[3]。

2.2 主变换炉分析步骤

由GB 150.3—2011的第6.1.1条b)款，取主变换炉管口a (介质入口)、b(介质出口)开孔最大直径dop=812.8 mm(DN800)。已知主变换炉内径Di=3186 mm，则dop＜Di/2，符合等面积法适用范围要求。

(1)主变换炉上管口

由GB 150.3—2011的第6.4.1条b)款：

①管口中心距：

主变换炉管口a与管口d1、d2、d3中心距均为800 mm。

其他管口中心距按公式(1)计算：

主变换炉管口a与管口c1(人孔)中心距：

②主变换炉管口a和管口d1、d2、d3直径之和均为(812.8+114.3) mm=927.1 mm，平均直径均为927.1 mm/2=463.55 mm，平均直径的4/3倍均为463.55 mm×4/3=618.1 mm。

主变换炉管口a与管口c1直径之和为(812.8+508) mm=1 320.8 mm，平均直径为1320.8 mm/2=660.4 mm，平均直径的4/3倍为660.4 mm×4/3≈880.5 mm。

③由上述计算可知：主变换炉管口a与管口d1、d2、d3、c1需采用联合补强(引自GB 150.3—2011)。

④联合补强的面积计算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3条6.3.3.2款，补强面积按公式(2)计算：

其中因壳体材料、接管材料相同，均为15CrMoR，则fr=1.0。

主变换炉管口a的补强面积：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=812.8 mm×52 mm=42 265.6 mm2。

主变换炉管口d1-d3的补强面积：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=114.3 mm×52 mm=5 943.6 mm2。

主变换炉管口c1的补强面积：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=508 mm×52 mm=26 416 mm2。

总补强面积=(42 265.6+5 943.6+5 943.6+5 943.6+26 416)mm2=86 512 mm2。

主变换炉上封头表面积=4πr2/2=4×π×(1 603 mm)2/2=16 145 329.52 mm2。

总补强面积远小于主变换炉上封头表面积。

(2)主变换炉下管口

由GB 150.3—2011的第6.4.1条b)款：

①管口中心距：

管口中心距按公式(1)计算：

主变换炉管口b与管口c2(卸料口)中心距：

主变换炉管口b与管口c3(卸料口)中心距：

②主变换炉管口b和管口c2、c3直径之和均为(812.8+273.1)mm=1 086 mm，平均直径均为1 086 mm/2=543 mm，平均直径的4/3倍均为543 mm×4/3=724 mm。

③由上述计算可知：主变换炉管口b与管口c2、c3需采用联合补强。

④联合补强面积计算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3条6.3.3.2款。

补强面积按公式(2)计算：

其中因壳体材料、接管材料相同，均为15CrMoR，则fr=1.0。

主变换炉管口b的补强面积：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=812.8 mm×52 mm=42 265.6 mm2。

主变换炉管口c2、c3的补强面积：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=273 mm×52 mm=14 196 mm2。

总补强面积=(42 265.6+14 196+14 196)mm2=70 658 mm2。

主变换炉下封头表面积=4πr2/2=4×π×(1 603 mm)2/2=16 145 329.52 mm2。

总补强面积远小于主变换炉下封头表面积。

2.3 预变换炉分析步骤

由GB 150.3—2011的第6.1.1条b)款。

取预变换炉管口a(介质入口)、b(介质出口)开孔最大直径dop=812.8 mm(DN800)。已知预变换炉内径Di=1 986 mm。则dop＜Di/2，符合等面积法适用范围要求。

(1)预变换炉上管口：

由GB 150.3—2011的第6.4.1条b)款。

①管口中心距：

预变换炉管口a与管口d1、d2、d3中心距均为600 mm。

其他管口中心距按公式(1)计算：

预变换炉管口a与管口c1(人孔)中心距

②预变换炉管口a和管口d1、d2、d3直径之和均为(812.8+114.3)mm=927.1 mm，平均直径均为927.1 mm/2=463.55 mm，平均直径的4/3倍均为463.55 mm×4/3=618.1 mm。

预变换炉管口a与管口c1直径之和为(812.8+508)mm=1 320.8 mm，平均直径为1 320.8 mm/2=660.4 mm，平均直径的4/3倍为660.4 mm×4/3≈880.5 mm。

③由上述计算可知：

预变换炉管口a与管口d1、d2、d3、c1需共同作为一个假想孔进行计算(引自GB 150.3—2011)。

该假想孔直径=(812.8+114.3+114.3+114.3+508)mm=1 663.7 mm。

该假想孔直径dop＞Di/2，不符合等面积法适用范围要求。

④预变换炉上管口a(介质入口)取值为DN750。

由GB 150.3—2011的第6.1.1条b)款。

取预变换炉管口a(介质入口)开孔最大直径dop=762 mm。已知预变换炉内径Di=1 986 mm。则dop＜Di/2，符合等面积法适用范围要求。

由GB 150.3—2011的第6.4.1条b)款。

(a)管口中心距：

预变换炉管口a与管口d1、d2、d3中心距均为600 mm。

其他管口中心距按公式(1)计算：

预变换炉管口a与管口c1(人孔)中心距

(b)预变换炉管口a和管口d1、d2、d3直径之和均为(762+114.3) mm=876.3 mm，平均直径均为876.3 mm/2=438.15 mm，平均直径的4/3倍均为438.15 mm×4/3=584.2 mm。

预变换炉管口a与管口c1直径之和为(762+508) mm=1 270 mm，平均直径为1 270 mm/2=635 mm，平均直径的4/3倍为635 mm×4/3≈847 mm。

(c)由上述计算可知：

预变换炉管口a与管口d1、d2、d3、c1需采用联合补强。

(d)联合补强面积计算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3条6.3.3.2款。

补强面积按公式(2)计算：

其中因壳体材料、接管材料相同，均为15CrMoR，则fr=1.0。

预变换炉管口a的补强面积：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=762 mm×32 mm=24 383 mm2。

预变换炉管口d1-d3的补强面积：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=114.3 mm×3 2mm=3 657.6 mm2。

预变换炉管口c1的补强面积：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=508 mm×32 mm=16 256 mm2。

总补强面积=24383+3657.6+3657.6+3657.6+16256=51611.8 mm2。

预变换炉上封头表面积=4πr2/2=4×π×(1 603 mm)2/2=16 145 329.52 mm2。

总补强面积远小于预变换炉上封头表面积。

(2)预变换炉下管口：由GB 150.3—2011的第6.4.1条b)款。

①管口中心距：

管口中心距按公式(1)计算：

预变换炉管口b与管口c2(卸料口)中心距

预变换炉管口b与管口c3(卸料口)中心距

②预变换炉管口b和管口c2、c3直径之和均为(812.8+219.1)mm=1 032 mm，平均直径均为1 032 mm/2=516 mm，平均直径的4/3倍均为516 mm×4/3≈688 mm。

③由上述计算可知：

预变换炉管口b与管口c2、c3需共同作为一个假想孔进行计算。

该假想孔直径=(812.8+219.1+219.1)mm=1 251 mm。

该假想孔直径dop＞Di/2，不符合等面积法适用范围要求。

④预变换炉下管口b(介质出口)取值为DN550。

由GB 150.3—2011的第6.1.1条b)款。

取预变换炉管口b(介质出口)开孔最大直径dop=558.8 mm。已知预变换炉内径Di=1 986 mm。则dop＜Di/2，符合等面积法适用范围要求。

由GB 150.3—2011的第6.4.1条b)款。

(a)管口中心距

管口中心距按公式(1)计算：

预变换炉管口b与管口c2(卸料口)中心距

预变换炉管口b与管口c3(卸料口)中心距

(b)预变换炉管口b和管口c2、c3直径之和均为(558.8+273.1)mm=832 mm，平均直径均为832 mm/2=416 mm，平均直径的4/3倍均为416 mm×4/3=554.67mm。

(c)由上述计算可知：

预变换炉管口b与管口c2、c3需共同做为一个假想孔进行计算。

该假想孔直径=558.8+219.1+219.1mm=997mm。

该假想孔直径dop＞Di/2，不符合等面积法适用范围要求。

(d)预变换炉下管口b(介质出口)取值为DN500：

由GB 150.3—2011的第6.1.1条b)款。

取预变换炉管口b(介质出口)开孔最大直径dop=508 mm。已知预变换炉内径Di=1 986 mm。则dop＜Di/2，符合等面积法适用范围要求。

由GB 150.3—2011的第6.4.1条b)款。

(a)管口中心距

管口中心距按公式(1)计算：

预变换炉管口b与管口c2(卸料口)中心距

预变换炉管口b与管口c3(卸料口)中心距

(b)预变换炉管口b和管口c2、c3直径之和均为(508+273.1)mm=781.1 mm，平均直径均为781.1 mm/2=390.55 mm，平均直径的4/3倍均为390.55 mm×4/3=520.73 mm。

(c)由上述计算可知：

预变换炉管口b与管口c2、c3需共同作为一个假想孔进行计算。

该假想孔直径=(508+219.1+219.1)mm=946.2 mm。

该假想孔直径dop＜Di/2，符合等面积法适用范围要求。

(d)补强面积计算：

由GB 150.3—2011的第6.3.3条6.3.3.2款。

补强面积按公式(2)计算：

其中因壳体材料、接管材料相同，均为15CrMoR，则fr=1.0。

假想孔补强面积：

A=dopδ+2δδet(1-fr)=946.2 mm×32 mm=30 278.4 mm2。

预变换炉下封头表面积=4πr2/2=4×π×(998 mm)2/2=6 258 078 mm2。

假想孔补强面积远小于预变换炉下封头表面积。

3 结语

(1)主变换炉管口a(介质入口)、b(介质出口)开孔最大直径均为dop=812.8 mm(DN800)，需采用联合补强。

(2)预变换炉管口a(介质入口)开孔最大直径dop=762 mm(DN750)，需采用联合补强。

(3)预变换炉管口b(介质出口)开孔最大直径dop=508 mm(DN500)，需采用整体补强，并且补强材料不得使用接管金属(15CrMoR)。