乙烯裂解炉辐射盘管进出口保温设计_刘克刚.pdf

设备技术石油化工设计PetrochemicalDesign2023，40(2)25 28乙烯裂解炉辐射盘管进出口保温设计刘克刚(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)摘要:介绍了乙烯裂解炉辐射盘管进出口保温的重要性，从进出口保温设计须考虑的因素出发，从材料选择、结构设计、细节设计、施工注意事项等方面介绍了多种进出口保温。重点总结了每种进出口保温的适用范围、优点和缺点。并对辐射盘管进出口保温的发展趋势进行了展望。关键词:裂解炉辐射盘管进出口保温doi:10 3969/j issn 1005 8168 2023 02 006裂解炉是乙烯装置的核心设备，原料经对流段预热后进入辐射盘管被加热发生裂解反应生成裂解产物。为满足裂解反应条件需要，裂解炉辐射段炉膛出口烟气温度可达 1 027 1。为保证金属在高温下的膨胀和蠕变等变化不引起炉管材料的损坏，裂解炉辐射盘管一般以顶进顶出、上部悬挂、下部自由的方式安装于炉膛内，辐射盘管穿过进出口保温层进出炉膛。辐射盘管进出口保温除了应具备耐火隔热的功能外，还要保证盘管的位移不受限制，同时又要保证高温烟气不泄漏。结合裂解炉操作工况特点及辐射盘管的高温特性设计安全、可靠、经济且易于实施的辐射盘管进出口保温具有重要意义。1辐射盘管进出口保温设计要点辐射盘管进出口保温与传统管道保温的最主要区别在于:一是炉管的表面温度较高;二是盘管表面结构复杂，多数结构不是简单的平面或曲面。裂解炉辐射盘管从炉顶盖板进出炉膛，炉顶盖板一般采用不锈钢材质。以炉顶盖板为分界，辐射盘管进出口保温可分为盖板内部分和盖板外部分(见图 1)。在设计辐射盘管进出保温时，盖板内外部分均应考虑如下因素。1 1具有良好的密封性辐射段高温烟气在炉顶处转向对流段，高温烟气对炉顶热冲刷较大。进出口保温密封效果不理想可导致高温烟气泄漏到炉顶外，不仅影响裂解炉的热效率，还可能导致炉顶盖板、炉顶仪表及弹簧吊杆等的损坏。同时，炉顶又是裂解炉操作频繁的场所，需要进行日常巡检。如果保温设计不合理，在场操作人员会被烫伤，即给操作人员的人身安全带来威胁。图 1辐射盘管进出口保温分界1 炉管;2 炉顶盖板;3 盖板内部分;4 盖板外部分1 2应满足位移量要求1 2 1应能吸收盘管的热位移裂解炉辐射盘管在投用后，由于热膨胀导致炉管产生向下较大位移，且每个管程由于温度不同，向下的位移量也不同。同时，按照分组进料、分组控制的设计原则，裂解炉辐射盘管一般由若干组小盘组成;而在实际操作中每一组盘管的向下位移并不完全相同，在设计中需要考虑应对措收稿日期:2023 02 01。作者简介:刘克刚，男，2009 年毕业于大连理工大学化工过程机械专业，工学硕士，高级工程师，长期从事裂解炉设备设计工作。联系电话:[phone];E mail:liukegang sei sinopec com 26 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)施，以避免裂解炉在运行过程中因为温差和位移不同导致其进出口保温层被撕裂。1 2 2不应过度限制盘管的高温位移为延长裂解炉辐射盘管的使用寿命，应使其自由悬垂在炉顶外弹簧吊架处，即它在高温运行时处于无应力状态。在设计辐射盘管进出口保温时，应尽量避免保温材料固定在盘管上，并减少保温材料对炉管高温位移的约束。1 3进出口保温设计应与钢结构和盘管设计协调炉顶盖板开孔大小、盖板与炉顶板的高差直接影响到盖板内部分保温形式的选择。炉顶盖板的围堰高度、托板宽窄程度同样影响盖板外部分保温的连接和支撑型式。不同的盘管进口型式(吊耳弯头进口、集合管进口等)、出口型式(掌形管、卜型管等)、COT 设置型式(表面型、直插型、斜插型等)都对辐射盘管进出口保温的设计有诸多影响。不仅在结构设计上需要总体考量，对节点部分也要细致分析，以进行有针对性的设计。1 4应考虑防水和排水要求裂解炉炉顶处有来自上层平台和裂解炉侧面的雨水。雨水如直接淋在进出口保温处，耐火材料在雨水浸泡后会发生粉化老化，降低进出口保温层的保温效果和使用寿命。为其设计硬质防雨罩是必要的，并对保护层接口部分涂硅胶进行密封。同时，应使侧面与炉顶排水通道相连通。1 5进出口保温设计应便于现场实施关于盖板内部保温的施工，一般可以从炉内或炉外进行，具体采用哪种施工方式则取决于保温结构。而对于盖板外部保温，通常是从炉外进行施工，而炉内施工方式，需要从炉底搭设脚手架，施工人员采用仰头的姿势施工，作业环境差、施工难度大。炉外施工方式，因炉顶有横跨管、COT、TLE 等管线、仪表和设备，炉顶施工空间也较小。鉴于上述原因和炉管外形复杂，在设计保温层时，应尽量设计成相对简单的保温层表面，并尽量少使用软质材料的保温层，亦即减少其现场缝合工作量。2材料选择应根据设计条件和上述的各项考虑因素选择合适的炉管进出口保温材料、保护层材料、锚固材料。1)保温材料。因炉管壁温最高可达1 000，辐射盘管进出口保温的材料分类温度不应低于1 260(2 300)。2)保护层材料。在辐射盘管位移量较小、外形不复杂之处，一般选用不锈钢皮或铝皮作为其进出口保温的硬质保护层。保护层材质的选择应尽量与全厂保护层材质一致。同时，因进出口保温外形较管道保温复杂，不宜选择太厚的金属保护层，以避免现场施工时弯折困难。对于位移量较大部位、或者硬质保护层难以加工成理想外形的部位，应选用软性材料作为保护层。一般选用高硅氧布或玻璃纤维布，其耐温等级一般不低于 260。高硅氧布或玻璃纤维布缝合需要的缝合线一般由布供货厂家配套供应。对于材料接缝处，宜采用密封胶进行涂抹以防水。密封胶黏度应易于涂刷，耐温等级不低于 260 3)锚固材料。裂解炉常用的不同材质锚固件顶部最高温度列于表 12。表 1锚固件顶部最高温度锚固件材质锚固件顶部最高温度/碳钢455304 不锈钢760310 不锈钢927Alloy 6011 093陶瓷1 093针对炉管安装位置不同保温锚固件材质选择见表 2。表 2进出口保温锚固件材料选择安装部位用途材质盖板内部分层铺毯固定杆310 不锈钢层铺毯固定帽陶瓷补偿毯固定 U 型钉Alloy 601陶纤模块固定螺柱310 不锈钢陶纤模块预埋件310 不锈钢盖板外部分与盖板围堰连接螺栓304 不锈钢捆毯用钢丝304 不锈钢连接用自攻螺钉碳钢3结构设计辐射盘管的进出口保温结构在设计时需要有空间构想框架，即考虑各个方向结构设计的密封性和可实施性。2023 年第 2 期(第 40 卷)刘克刚 乙烯裂解炉辐射盘管进出口保温设计 27 3 1盖板内部分3 1 1层铺结构盖板内部分进出口保温采用多层陶纤毯层铺的结构进行密封(见图 2)3，层铺毯奇数和偶数层切毯方向不一致，以达到较好的密封效果(见图3)。这种保温适用于炉顶与炉顶盖板间采用角钢连接的钢结构。多层陶纤毯层铺保温结构的优点是炉顶盖板标高较低，可以为炉管入口水平段向下位移留出较大空间。其缺点是:由于角钢的竖直段比较短，无法在角钢边设置拐角模块锚固，因此也无法在炉顶盖板下设计拐角模块，层铺毯重量靠炉顶盖板承担;这种盖板内部分保温只能从炉膛内进行施工，需要搭设脚手架，仰着施工难度大，质量难控制;层铺毯一般采用陶瓷杯进行固定，施工难度大，后期裂解炉运行过程中易脱落;更换炉管时层铺毯需要全部拆除。图 2层铺结构盖板内保温结构示意1 炉管;2 角钢;3 陶瓷杯;4 炉顶模块图 3层铺毯切缝3 1 2拐角模块结构盖板内部分进出口保温采用拐角模块的结构进行密封，拐角模块上部设置数层层铺毯，来吸收盘管的水平位移(见图 4)4。拐角模块与炉管间净空尽可能小，以减少炉管处漏热。这种保温适用与炉顶与炉顶盖板间采用槽钢连接、且炉顶盖板开孔较小的钢结构。其优点是:槽钢的竖直段比较高，可以在槽钢腹板设置拐角模块锚固;层铺毯重量可完全通过拐角模块承担;拐角模块在炉膛内施工，层铺毯在炉膛外施工，施工难度相对较小，质量易得到保障;层铺毯通过 U 型钉从顶部锚固于拐角模块上，施工简单，锚固件后期不会脱落。其缺点是:采用槽钢连接的结构牺牲了一部分入口管向下位移的空间;虽然设计时考虑拐角模块与炉管间净空尽可能小，但炉管与拐角模块间的缝隙处仅靠几层层铺毯保温，容易漏热;更换炉管时层铺毯须拆除，如果仅拆除层铺毯炉管无法安装，则拐角模块也需要全部拆除。图 4拐角模块结构盖板内保温结构示意1 槽钢;2 拐角模块;3 炉管;4 陶纤毯3 2盖板外部分3 2 1进口管结构辐射盘管进口管位移量较大，其保温结构应重点考虑其最大位移空间。其上部保温材料一般使用不锈钢丝将陶瓷纤维毯固定于炉管表面，使用硬质保护层。在靠近炉顶处，应采用散棉进行松散填充;为满足其向下位移的要求，使用软质保护层(见图 5)。图 5进口炉管盖板外保温结构示意1 硬质保护层;2 软质保护层;3 进口炉管;4 散棉，5 陶纤毯3 2 2出口管结构辐射盘管出口管温度较高，其保温结构应重点考虑保温效果要求，出口管保温材料厚度一般较进口管厚。出口管位移量较小，靠近炉顶盖板处仅需保留少量位移空间(见图 6)。在设计出口管保温时，应注意这些细节:应结合急冷换热器内外保温设计，对于急冷换热器图纸中不要求保温的外保温范围，出口管保温不得将其覆盖;出 28 石 油 化 工 设 计2023 年第 2 期(第 40 卷)口管上的插入式热电偶套管下方应留有足够的净空，避免保温影响热电偶套管热位移;表面式热电偶的活接头应位于保温结构外部，以便于后期仪表检修更换。图 6出口管盖板外保温1 贴壁式热电偶活接头;2 出口炉管;3 插入式热电偶4施工注意事项辐射盘管进出口保温的施工质量直接影响其保温密封效果。施工时应重点关注的事项包括:1)应在辐射盘管平衡调试完成后进行进出口保温施工。这样既便于在调试炉管时观察炉管的状态，也可以避免炉管调整时的横向位移导致炉管与保温间出现缝隙。2)图纸要求松散填充处，不得填塞过于密实，以避免保温设施限制炉管的位移。3)对于固定于炉管上的陶纤毯，应对其绑扎情况进行隐蔽工程检查，避免后期陶纤毯脱落。4)应重点关注各组炉管保温间的间隙，避免彼此发生干涉。5)辐射盘管进出口保温应参照 SH/T 35222017石油化工绝热工程施工技术规程5 进行施工。5结语裂解炉辐射盘管和盘管进出口保温是裂解炉设计中最复杂的部分之一，不同工程项目中进出口保温结构繁多，本文无法一一列举。每种保温结构都有其优缺点和适用范围，应根据具体项目情况选择最优设计。随着技术的不断进步，盘管进出口保温向着便于施工和更换炉管方向发展。目前有文献6 和工程项目采用了整体箱式隔热罩的形式，使用效果良好，具有很好的发展前景。针对不同特点的项目，制定科学合理，经济且可实施的方案，仍是一个不断进行中的课题。参考文献:1吴德飞，何细藕，孙丽丽，等 乙烯裂解炉辐射段三维流场和燃烧的数值模拟计算J 石油化工，2005，34(8):749 753 2中国石化工程建设有限公司 一般炼油装置用火焰加热炉:SH/T 30362012 S 北京:中国石化出版社，2013 3丁文跃，由文渤 裂解炉炉顶纤维衬里的设计与应用J 乙烯工业，2011，23(4):62 64 4张焕耀 复杂位移工况下管式炉炉管进出口密封结构设计 J 工业炉，2019，41(3):39 41 5中石化第四建设有限公司 石油化工绝热工程施工技术规程:SH/T35222017 S 北京:中国石化出版社，2017 6中国石化工程建设有限公司，中石化炼化工程(集团)股份有限 公 司 裂 解 炉 辐 射 段 的 炉 顶 保 温 隔 热 装 置:2016101784299 P2016 03 25(上接第 24 页)10结构为 1 44 MW。即:与 10结构相比，5 5结构下辐射炉管的热效率提高约 2%。参考文献:1刘荣 渣油加氢装置加热炉综合改造分析J 炼油技术与工程，2021，51(12):34 38 2钱家麟 管式加热炉(第二版)M 北京:中国石化出版社，2003:519 524 3郑志伟 基于 FLUENT 的加热炉模拟与优化D 中国石油大学，2010 4王福军 计算流体动力学分析:CFD 软件原理与应用M北京:清华大学出版社，2004:113 253 5Launder BE，Spalding D B Lectures in Mathematical Model of Turbu-lence Academic Press，1972 6周力行 湍流气粒两相流动与燃烧的数值模拟M 北京:清华大学出版社，1991:24 28 7Fiveland W A Discrete Ordinates Solutions of the RadiativeTransport Equation for Rectangular EnclosuresJ Trans asmeJ heat Transfer，1984，106(4):699 706 8Turelove J S Discrete ordinate solutions of the radiative heat trans-port equation J J Heat Transfer，1987，109(4):1048 1051and analysis of flue gas flow and combustion heat transferprocess in the hydrogenation reaction feed fired heater of acertain unit，and reveals the characteristics of flue gas flow andcombustion heat transfer process in the hydrogenation reactionfeed fired heater The effects of the opening angles at the top ofthe two fuel gas secondary lances on the flue gas flow，flameshape，furnace temperature field，and furnace tube surfacethermal intensity and thermal efficiency in the fired heater areanalyzed and comparedThe simulation results show that，compared with the 10 structure，the 5 5 structure has higherflame height，the high temperature area of the furnace wallmoves upward，the heat absorption of the furnace tube at thesame position is greater，and the overall thermal efficiency ofthe radiant furnace tube is increased by about 2%Key words:hydrogenation reaction feed fired heater;flue gasflow;flame shape;furnace temperature field;furnace tubesurface thermal intensityINSULATION DESIGN FOR INLET AND OUTLET OFRADIANT COILS IN ETHYLENE CRACKING FURNAC-ES 25Liu Kegang(SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing，100101)Abstract:After introducing the importance of inlet and outletinsulation for radiant coils in ethylene cracking furnaces，thisarticle starts from 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lower than the local environmental protection requirements，and there was no drifting rain or falling rain on the chimneyGood application effect has been achievedKey words:FCC unit;ultra-low emission;flue gas treatment;tower internalsLAYOUT OPTIMIZATION OF LNG PROJECT BASEDON SAFETY ANALYSIS 36Li Shaopeng(SINOPEC Engineering Incorporation，Beijing，100101)Abstract:This paper uses safety analysis methods to solve theproblems encountered in the general layout plan of a LNGprojectAfteradoptingtheconsequencebasedanalysismethod，this paper compares the thermal radiation calculationresults of each process equipment when jet fire occurs underthe same leakage aperture and meteorological conditions，determines the equipment with the largest thermal radiationimpact range，identifiesthemaximumcredibleaccidentscenario on the basis of hazard identification，carries outaccident consequence calculation and proposes optimizationsuggestions for the existing designKey words:layout optimization;chain 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