加氢反应器的管道设计要点

罗冬明

（长岭炼化岳阳工程设计有限公司，湖南岳阳 414000）

1 概述

加氢工艺是国内重油深加工、改质和精制的主要工艺技术，所以各类加氢装置（如汽油加氢、柴油加氢、渣油加氢、加氢裂化、加氢精制等）已成为炼油厂的重要组成部分[1]。加氢装置的核心设备加氢反应器具有高温、高压及临氢的特点，其管道设计的合理性对反应器的正常操作、检修以及整个装置的安全生产、降低投资都有着重要作用。本文主要从设备平面布置、框架及平台布置、开口方位和附属管道布置等方面进行简单讨论

2 反应器的平面布置

加氢反应器的平面布置不应仅考虑反应器自身的布置，还应与装置内的进料加热炉、产物换热器、管廊等协同考虑。反应器的平面布置应满足工艺设计的要求，为了控制反应系统的压降、温降，一般将进料加热炉和反应器靠近布置。根据《石油化工企业设计防火标准》，加氢反应器与进料加热炉应布置在装置的边缘，且宜位于可燃气体、液态烃和甲B、乙A类设备的全年最小频率风向的下风侧，且加氢反应器与加热炉属于一个系统，没有防火间距要求，在规范中规定间距不应少于4.5m，在进料加热炉与反应器之间需要留出通道和管道布置及检修需要的空间[2]。本项目把进料加热炉与反应器布置在管廊的同一侧，位于装置边缘西南角，三台反应器中心线对齐成组布置在一个框架内，南侧是检修区域。平面布置如图1所示。

图1 平面布置图

3 反应器框架及平台的布置

本项目的三台反应器设备尺寸为R-101（,1800×30348）、R-301（,2200×20058）、R-302（,1800×14648），框架大小设置三跨，每跨5m，构成一个15m×6m的框架。反应器设备基础生根地面，反应框架也有独立的框架基础，所以在设置反应框架平台时应充分考虑到反应器本身的热膨胀，根据设备的管口高度设置平台，每层平台净高不低于2.2m。根据框架大小，两侧设置斜梯。调节三台反应器的裙座高度使三台反应器的出料口和卸料口位于第一层平台（EL+2900）上方，第一层平台卸料口下方设置卸料检修区域。中间层平台主要需满足热电偶口和冷氢口的操作空间。反应器顶层平台朝检修侧设置检修重载和催化剂堆放区域，顶平台开孔大小需要考虑反应器热膨胀，确保不碰结构钢梁。根据反应器催化剂装填方式，上部设置钢梁悬挂吊装机具。钢梁的高度根据被吊物尺寸、最低起吊高度、起吊重量和吊装机具的型式确定，因三台反应器高度不一致，所以整个反应框架层高不一致，各自设置吊装机具[3]。构架及平台如图2所示。

图2 框架及平台图

4 反应器的开口方位设置

物料入口管嘴应避开催化剂堆放检修区域，且朝管廊侧，进料管线可以利用管廊做π弯自然补偿增加管道柔性。由于场地占地影响，构架尽量紧凑，为了不影响催化剂卸料和操作人员通行，物料出口应远离卸料口和框架斜梯侧，同时方便配管。卸料口应朝检修场地，方便催化剂卸料。冷氢口的开口方位应考虑检修和安装需要抽出和插入的检修空间，要根据结构专业的设计考虑不正对构架立柱、斜撑，同时不能妨碍操作人员的正常通行。热电偶口的方位首先应满足工艺和仪表专业的要求，本项目热电偶都是三个一组，所以需成120°均匀分布，且需要根据仪表专业所选的热电偶型式，若是不能弯曲的热电偶，周围需要有热电偶插入、抽出的检修空间，确定周围不能有构架立柱、斜撑或其他管线。

5 反应器的管道布置

加氢反应器的附属管道主要包括：反应器的进料及出料管道、安全阀管道、冷氢管道和消防管道[4]。

5.1 反应器的进料及出料管道

加氢反应器的进料和出料管道均为高温、高压、临氢的管道，本项目的进料管线为加热炉F-301进反应器R-302，管径DN250，设计温度395℃，设计压力2.97MPa，材质为06Cr18Ni11Ti，压力等级600磅级，壁厚号为Sch40S。由于管道材料的等级较高，且为不锈钢材质，所以在满足工艺要求的前提下，减少管道压降和减少管道材料，反应器进出口管道应尽量短，减少弯头。CAESAR Ⅱ是专业的管道应力分析软件，广泛应用于石油、化工、石化等行业。经过CAESAR Ⅱ对进料和出料管线进行详细应力分析，反应器进料管嘴的位移为49.61mm，出料管嘴的位移为-13.07mm，进料管线在顶平台处设置变力弹簧，出料管线布置在框架的地面层，在地面层弯头处设置变力弹簧。如果入口管线如图3方案1所示，入口管嘴所受的垂直方向受力为-18027.79N，校核管嘴受力，超过设备管嘴法兰的许用应力，根据框架设置调整管线走向布置，在充分考虑管线自身的热胀与框架的梁和斜撑不相碰的情况下，入口管线如图4方案2所示，增加一个小π弯来自然补偿，入口管嘴所受的垂直方向受力为-3563.67N，校核管嘴受力，结果在合理范围内。加氢反应器本体一般为合金钢堆焊不锈钢材质，管线材质也为不锈钢，但设备本体的热胀量会大于管线的热胀量，采用普通支架会存在托空的情况，故在其管线上常采用弹簧支吊架[5]。因为反应器、进料和出料管线都是高温高压，所以反应器的管道布置都需要CAESAR Ⅱ进行详细分析[6]，最终本项目的进料管线布置方案如图4所示。

图3 进料管线方案1

图4 进料管线方案2

5.2 反应器的安全阀管道

安全阀的安装位置应尽量靠近被保护设备或管道，且安全阀应垂直安装，周围有足够的空间用于检修、调节和维护。加氢反应器因工作温度较高，设备本体和进料管线热胀位移较大，且安全阀管线以安全阀为界有两种工况，一种是泄放工况，安全阀阀前阀后的设计参数同进料管线。另一种是不泄放工况，安全阀阀前设计参数同进料管线，阀后的设计温度是常温。利用CAESAR Ⅱ对反应器安全阀管线和进料管线一起进行应力分析，输入两种工况进行详细计算。为保证反应器顶部安全阀管道具有足够的柔性，并防止管道支架因热胀脱空，增加π弯和增加弹簧支吊架防止管道应力过大而遭到破坏[7]。本项目的安全阀管线如图5所示。

5.3 反应器的冷氢管道

冷氢管线的设计温度和设计压力一般以止回阀为界，止回阀后设计温度同反应器内的介质温度一致，为395℃，设计压力为2.75MPa；止回阀前的设计温度温度96℃，设计压力2.97MPa。为了减小热介质在急冷氢管道上的行程，所以止回阀应尽量靠近反应器的管口安装；经过CAESAR Ⅱ详细的应力分析，在调节阀后增加一个π弯可以使管嘴的受力更小，调节阀向上脱空的位移越小，增加管线的柔性。本项目的冷氢管线如图6所示。

图5 安全阀管线

图6 冷氢管线

5.4 反应器的消防管道

反应器框架各层应设置独立的消防服务站，面对操作侧，消防服务站包括：氮气、非净化风、新鲜水和1.0MPa蒸汽。服务站主管为DN50，各服务站支管直径为DN20，接闸阀和快速接头，其中氮气线接双阀。反应器进出口法兰处均设置消防蒸汽圈管，消防蒸汽圈管固定于法兰处，圈管内侧开Φ8的圆孔。根据《石油化工企业设计防火标准》，消防蒸汽的切断阀通常布置在地面，且应集中布置在明显、安全和开启方便的地方，切断阀离反应器框架15m。

6 结论

主要对加氢反应器的设备平面布置、框架及平台布置、开口方位设置、附属管道布置等进行了简要阐述，加氢反应器配管设计的优劣对整个加氢装置的操作、检修、消防和长周期安全运行至关重要，熟练掌握这些内容，能避免设计出错，加快设计进度，提高工作效率。