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加氫裝置加熱爐機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化探討

文檔作者：艾國(guó) 文檔來源：中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年03月11日
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工業(yè)爐 石油化工設(shè)備技術(shù)，2016，37(1)·29· Petro—Chemical Equipment Technology
加氫裝置加熱爐機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化探討
艾國(guó)
(中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京100101)
摘 要：加氫裝置加熱爐典型的設(shè)計(jì)模式是：反應(yīng)爐為兩箱純輻射方箱型加熱爐，重沸爐為輻射對(duì)流
型圓筒爐。為節(jié)省燃料，將出反應(yīng)爐輻射室的高溫?zé)煔庖胫胤袪t的對(duì)流室下部，匯同重沸爐的輻射煙氣共
同加熱重沸爐的對(duì)流段工藝介質(zhì)。文章闡述了在不改變?cè)O(shè)計(jì)的節(jié)能理念和不降低原設(shè)計(jì)的節(jié)能效果的同
時(shí)，改變出反應(yīng)爐輻射室的高溫?zé)煔馊胫胤袪t的位置，由對(duì)流室底部降至輻射室上部或中上部，再通過優(yōu)化
相關(guān)的其它機(jī)械設(shè)計(jì)，降低各種荷載，從而節(jié)省材料和施工，降低一次性投資。
關(guān)鍵詞：加氫爐 優(yōu)化設(shè)計(jì) 降低投資
石油化工加氫裝置的種類較多，一般來說，加
氫裝置通常需要有2臺(tái)加熱爐：1臺(tái)反應(yīng)爐F一101
(以下簡(jiǎn)稱F一101)和1臺(tái)重沸爐F一201(或分餾
爐，這里以重沸爐為例，以下簡(jiǎn)稱F一201)。此類
加熱爐典型的設(shè)計(jì)模式為：F一101為兩箱純輻射
方箱型加熱爐，F(xiàn)一201為輻射一對(duì)流型圓筒爐。
將F一101出輻射室的高溫?zé)煔庖隖一201的對(duì)流
室下部，匯同F(xiàn)-201的輻射煙氣共同加熱F一201
的對(duì)流介質(zhì)。如圖1所示。這種設(shè)計(jì)無疑是一種
典型的有利于節(jié)約能源的設(shè)計(jì)。
圖1 原設(shè)計(jì)示意
原設(shè)計(jì)的煙氣流程是，F(xiàn)一101兩個(gè)輻射室的
高溫?zé)煔?，?jīng)過各自的輻射轉(zhuǎn)空對(duì)流煙道，匯集到
空對(duì)流室(這個(gè)對(duì)流室是空的，沒有爐管，起煙氣
集箱作用。因此本文稱之為“空對(duì)流室”)，再經(jīng)過
空對(duì)流室轉(zhuǎn)煙囪煙道匯集于煙囪，通過F一101至
F一201熱煙道(以下簡(jiǎn)稱“熱煙道”)，引入F一201
的對(duì)流室下部，匯同F(xiàn)-201輻射煙氣，共同加熱
F-201的對(duì)流工藝介質(zhì)。
這種設(shè)計(jì)，往往需要把F一201的爐體設(shè)計(jì)得
較高。
首先，由于受設(shè)計(jì)規(guī)范中的高徑比參數(shù)限制，
F一201的輻射室不可能設(shè)計(jì)成矮胖形狀，因此具
有了相當(dāng)?shù)母叨取Ｆ浯?，F(xiàn)一201的輻射室頂距離
熱煙道的底面凈空，至少要留出2 m 的距離，以
便巡檢檢修。第三，熱煙道自身高度，一般也要
1．5 m 以上。這樣，即便扣除對(duì)流室底大梁距離
輻射頂?shù)谋仨毐Ａ艏s0．9 m 的高度，無形當(dāng)中將
F一201的對(duì)流室拔高了至少2．6 m。
F一101由于是臥管純輻射爐，爐體自身設(shè)計(jì)
本來就不宜很高，為了使高溫?zé)煔庖隖一201的
對(duì)流室下部，就不得不被迫往高拔。出于要匯集
煙氣、支撐自排放的煙囪和一些附加煙道的需要，
便產(chǎn)生了“空對(duì)流室”的設(shè)計(jì)。
收稿日期：2015 09—18。
作者簡(jiǎn)介：艾國(guó)，男，1988年畢業(yè)于大連理工大學(xué)化工機(jī)械
專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，長(zhǎng)期從事煉油廠加熱爐設(shè)備設(shè)計(jì)工作，現(xiàn)任
專業(yè)副總工程師，高級(jí)工程師。
Email：aiguo．sei@sinopec．corn。
石油化工設(shè)備技術(shù)
在占地面積相同的條件下，隨著爐體高度的
增加，除了要增加本體構(gòu)造要求的鋼結(jié)構(gòu)和隔熱
耐火材料外，還要增加許多用于加固、連接和支撐
的輔助材料，比如副框架、牽拉件等，這些都會(huì)使
爐體靜荷載增大。靜荷載增大，會(huì)引起地震荷載
的增加；爐體高度的增加，必然增大風(fēng)荷載。而靜
荷載、地震荷載和風(fēng)荷載的累計(jì)增加，使得土建基
礎(chǔ)的荷載就會(huì)加重很多，做的基礎(chǔ)會(huì)更大些。所
有這些增加，累計(jì)起來就不可小覷，如果能減少下
來，就能節(jié)省一筆不小的一次性投資。
作為一種探討，可以認(rèn)為，如果將熱煙道的
入口，由F 201對(duì)流室下部降至輻射室上部或中
上部，優(yōu)化其機(jī)械設(shè)計(jì)，會(huì)將使增加的成本降
回來。
為保證裝置正常操作，首先必須要有加熱爐
傳熱計(jì)算數(shù)據(jù)的支持。以某廠160萬t／a汽柴油
加氫裝置為例，在F一201的總熱負(fù)荷不變的前提
下，當(dāng)來自F一101的煙氣以不同的溫度注入F一201
不同部位時(shí)，F(xiàn)一201各盤管段熱負(fù)荷會(huì)重新分配。
其理論計(jì)算結(jié)果見表1。
表1 煙氣以不同的溫度和部位引入F-201的傳熱計(jì)算
21 對(duì)流0．791 1．192 1．254 1．187 1．277
20 遘藏 2．019 L j． 嬲 l。枷 ¨
10 輻射 7．767 6．760 6．592 6．771 6．529
總熱負(fù)荷／Mw 10：261 10．260 lo．26o j 1o·弱。一 1o．26
火墻溫度／℃ 781．8 740．5 733．1 741．0 730．4
1．096
O．9|84
7．O17
10, 28l
751．2
注：① “無煙氣引入”工況為：F 101的煙氣沒有被引入，F(xiàn) 201獨(dú)自運(yùn)行時(shí)的計(jì)算結(jié)果。
② “等溫”狀態(tài)描述是指被引入的F--i0I的煙氣溫度與“無煙氣引入”時(shí)F 201的火墻溫度相等，即781．8℃。其它“高溫／低溫”
狀態(tài)的描述即為F 101的煙氣溫度高于／低于“無煙氣引入”時(shí)F一201的火墻溫度。
③ 每個(gè)計(jì)算工況的煙氣引入質(zhì)量流量都是相等的。
分析計(jì)算結(jié)果，可得出以下結(jié)論：
1)不論以何種狀態(tài)將F一101的煙氣引入，都
會(huì)使F一201的火墻溫度降低和輻射段熱負(fù)荷降
低，從而降低了操作的苛刻度。
2)當(dāng)F-一101的煙氣以等溫和高溫狀態(tài)被引
入F-一201時(shí)，對(duì)于輻射段熱負(fù)荷而言，都是煙氣入
輻射時(shí)要略高于煙氣入對(duì)流，唯獨(dú)當(dāng)煙氣低溫被
引入F一201時(shí)，結(jié)果正相反。這是因?yàn)椋?dāng)?shù)蜏匾?
入對(duì)流段時(shí)，對(duì)流段的熱負(fù)荷增量減弱，而這些減
弱的量自然要推給輻射段來承擔(dān)，以維持總熱負(fù)
荷的不變。
3)模擬計(jì)算與實(shí)際的布置，其實(shí)是不完全一
致的。當(dāng)煙氣被引入輻射室時(shí)，程序是默認(rèn)為整
個(gè)輻射室，而實(shí)際上的入口應(yīng)該在輻射室的上部
或中上部，與對(duì)流下部已經(jīng)沒有多大的區(qū)別了。
4)不管以上哪種結(jié)果，其偏差量都很小，只
是代表一種趨勢(shì)，工程上都是完全可以接受的。
因此，將熱煙道的人口，由F 201對(duì)流室下部變?yōu)?
輻射室上部或中上部，從傳熱計(jì)算結(jié)果上看，是完
全司行的。
由此可見，高溫?zé)煔庖氲牟课徊煌?，不?huì)造
成工藝操作上的差異，對(duì)工藝操作沒有影響。因
此，也就有了進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化的基礎(chǔ)了。
機(jī)械設(shè)計(jì)擬在以下幾個(gè)方面做優(yōu)化工作。
1)能把熱煙道從高處降下來是首要問題。
如圖2所示。由于兩爐爐型的先天性差異，使得
兩爐的輻射頂已經(jīng)存在了不小的高度差，而這個(gè)
高度差所產(chǎn)生的空間，足以容納熱煙道的尺寸。
這也就給優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了先決條件。
2)熱煙道的高度降下來以后，先看F-一201，原
設(shè)計(jì)的對(duì)流下部空段可以取消了，爐體總高度可
以至少減掉2．6 m。原設(shè)計(jì)的對(duì)流副框架可以改
為簡(jiǎn)單的斜撐。
3)再來看F一101，原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空對(duì)
流室完全可以取消，代之以簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的集合煙道。
保留輻射轉(zhuǎn)空對(duì)流室的熱煙道，熱煙氣由集合煙
道直接進(jìn)入煙囪。由于取消了空對(duì)流室，也就取
消了空對(duì)流室的斜撐。
9 6 7 “融 4
。二 。
第37卷第1期 艾 國(guó)．加氫裝置加熱爐機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化探討
圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)以后的設(shè)計(jì)示意
4)高溫?zé)釤煔膺M(jìn)入F-201入口處的設(shè)計(jì)，可
根據(jù)具體情況，設(shè)計(jì)成靠上端的扁平狀，也可設(shè)計(jì)
位于中上部的瘦高狀。扁平狀人口設(shè)計(jì)，可有效
利用F一201輻射盤管上彎頭距離爐頂襯里之問的
空間，或可將高溫?zé)釤煔馊肟谔幘植繝t管稍矮一
點(diǎn)而擴(kuò)大入口空間。瘦高狀人口設(shè)計(jì)，需將入口
處的輻射爐管空開，會(huì)導(dǎo)致輻射段直徑變大來補(bǔ)
償，但補(bǔ)償?shù)南牧亢苡邢蕖Ｒ话銇碇v，這類煙道
的寬度在1．5 m 左右，導(dǎo)致的輻射筒體直徑增大
量也只有0．5 m左右。
更清晰的F一101的優(yōu)化方案，如圖3所示，該
圖為“圖2”的局部側(cè)視A—A 向視圖，表示的是
F一101輻射頂?shù)臒釤煹啦糠謨?yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。
仍以某廠160萬t／a汽柴油加氫裝置為例來
初步計(jì)算一下優(yōu)化的工程量。表2為優(yōu)化部位的
原設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化后方案的主材量計(jì)算結(jié)果。
鋼材節(jié)省量：38 329—20 698—17 631 kg，約
17．6 t；
爐襯材料節(jié)省量：68．9—50—18．9 m。，按體
積密度750 kg／m。澆注料計(jì)，約核14．2 t。
A— A
下延?jì)谷?r—JIJ1士f—ZUl
／ 熱炯道開口
原輻射轉(zhuǎn)空＼
對(duì)流室炯道 ＼ 集合嫻道
／＼
乒蹲 南F目
— — ～ l
／
圖3 F-101輻射頂?shù)臒釤煹啦糠衷O(shè)計(jì)示意
(圖2的A—A向局部側(cè)視)
表2 優(yōu)化部位的原方案與優(yōu)化后方案的主材量計(jì)算比較
輻 譚 f壟f魍 3。9≯ 一∞ 鏍留
空對(duì)流室 19 050 22．76 替代
參空對(duì)癌 廖 艄 ：5 194 | l11．60l|||| 取游
下延煙囪至輻射頂 需補(bǔ)充
| I I? | F-2r01
副框架 1 092 改為斜撐
劇落 靜擻 一| 4蒯 |。 |8,94 |。刖
輻射增量 增大
阱 | 騮冊(cè) 6|8．9 。
集合煙道
下延煙囪
斜撐
8 309
5 380
直徑增加0．5 m 3 433
20 698
8．19
50．O0
計(jì)算表明，經(jīng)過優(yōu)化以后，鋼結(jié)構(gòu)材料用量節(jié)
省了約17．6 t，按價(jià)格3 000元／t計(jì)，可節(jié)省5．28
萬元；爐襯材料節(jié)省了約19 m。(約核14．2 t)，按
價(jià)格6 500元／m。計(jì)，可節(jié)省12．35萬元。核減重
量約32 t，主材費(fèi)約17．63萬元。
如果考慮由于各種荷載降低而導(dǎo)致的土建基
礎(chǔ)核減量，以及材料的運(yùn)輸費(fèi)、材料復(fù)檢費(fèi)、人工
時(shí)、制作安裝費(fèi)、輔材耗材、產(chǎn)品驗(yàn)收等，則節(jié)省的
費(fèi)用還要增加。這些費(fèi)用的計(jì)算與統(tǒng)計(jì)，已不在
本專業(yè)的范圍內(nèi)，因此未給出具體數(shù)據(jù)，但可以肯
定的說，累計(jì)起來節(jié)省的費(fèi)用將是一筆比較可觀
的一次性投資。

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