乙烯裂解炉炉体钢结构设计初探.pdf

夏红文 乙烯裂解炉炉体钢结构设计初探 2 9 乙烯裂解炉炉体钢结构设计初探 夏红文 中国寰球工程公司北京1 0 0 0 2 9 摘要 分析与探讨乙烯裂解炉的支撑钢构架如何根据专利商的初步设计数据，完成符合中国规范的 设计及构造要求的设计。 关键词裂解炉钢结构标准程序分析 1 概述 2 设计 在乙烯装置的结构设计中，裂解炉炉体支撑 结构属重大设备装备钢结构设计 ，该结构布局紧 凑 ，承载着裂 解辐 射炉管、对 流炉 管、S L E设 备、急冷汽包、炉顶风机和烟囱以及十余层操作 平台，结构受力工况极其复杂 ，所 以保证炉体钢 结构在复杂工况下的安全运行是结构专业 面临的 重大挑战。 新疆独山子 1 0 0 0 k t ／ a乙烯装置包括 8台1 5 0 k t ／ a裂解炉 ，是 目前国内单 台裂解能力最大的裂 解炉 ，初步设计 由德 国 L I N D E公 司承担 ，但该 结构设计面临着如何将美 国 U B C规 范的系数转 换为中国规范的取值 ，对中国规范不 了解 ，不能 按国标进行设计检验 ，需考虑如何采用中国规范 验算错综复杂 的杆件。针对上述难题 ，结构设计 人员首先研究规范内容 ，由于外方在计算中还使 用 了德 国 D I N标 准 ，通过 与外 方沟通后 ，对 各 项荷载逐一对 比，按照 中国规范整理输入数据。 根据裂解炉炉体结构初步设计图纸用 P D S 软件 建模 ，将模 型导人通 用计算 软件 A N S Y S程序 ， 研究工艺的各种操作工况和建筑结构的地震和风 载等参数进行加载，用求解器计算；然后分析各 种后处理结果， 研究炉体结构在各种不利工况组 合下的结构安全，将计算结果与原设计的结果进 行比较分析 ；最后修改设计 图纸提交施工图。按 照以上程序方法 ，设计人员攻克 了 P D S数据与 A N S Y S 数据接 口、地震反应谱加载、结构的动 力响应、弹塑性分析和炉顶风机平台动力分析等 难题。 2 ． 1 P D S数据与 A N S Y S数据接 口 对于复杂的钢结构建模一般采用 P D S软件， 但用 P D S软件建立 的模型数据 输 出导人 A N S Y S 数据求解计算不能直接进行，为此， 设计人员详 细研究 P D S输出的数据格式 ，在 A N S Y S软件 中 用命令 流编制了专 门的程序 ，经过反复修 改试 验，成功地将裂解炉结构模型 P D S数据 导入到 A N S Y S程序 ，并 对结 构进行 有 限元 单元 划 定 ， 采用梁 、板混合单元进行计算 。 2 ． 2 地震反应谱加载和结构的动力响应 根据 建筑抗震设计规范 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 、 建筑工程抗震设 防分类标准G B 5 0 2 2 3 2 0 0 4 、 石油化工企业建筑抗震设 防等级分类 标准S H 3 0 4 9 9 3 、 石油化工企业构筑 物抗 震设防分类标准S H 3 0 6 9 9 5等规定 ，裂解炉 炉体结构抗震等级为乙类 ，构造应按当地设 防提 高 1度设计 。 地震反应谱按 建筑抗震设计规范 G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1曲线输入 ，地震强度 8级 ，设计地 震分组第二组，场地类别 I I ，采用 S R S S振型组 合反应谱分析法， 计算水平地震作用对结构的影 响。反 应谱 曲线定 义如 下0 ，0 ． 0 7 2 ；0 ． 1 ， 0 ．1 6；0 ． 4，0．1 6； 1 ． 2， 0 ． 0 5 9 5； 1 ． 95，0． 0 3 8 5； 2 ． 7 5， 0 ． 0 3 5 2 ； 3 ． 6， 0 ． 0 3 2 5； 4 ． 4， 0 ． 0 2 9 9； 5 ．1 5，0． 0 2 7 5；6，0 ． 0 2 48。 通过计算 ，第 1 、2振型为平动 ，第 5振 为 } 夏红文 高级工程师 。1 9 9 2年毕业 于郑州工学院 ，2 0 0 7年获清华大学工程 硕士学位。一 直从事结构设计 和设计 管理工作 ，目 前负责中东市场项目开发及执行。联系电话 1 3 6 9 1 5 0 3 9 0 2 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m C HE MI C A L E NG I N E E R I NG D E S I GN 化 工设计 2 0 1 0 ， 2 0 5 扭转振型。结构的振动周期为0 ． 5 5 s 。结构的前 6 个振型见图 l 。 mo d e s h a p e 2 mo d e s h a p e 3 mo d e s h a p e 4 mo d e s h a p e 5 mo d e s h a p e 6 图 1 炉整体结构振型图 2 ． 3 弹塑性分析 2 ． 3 ． 1 结构计算荷载组合原则 恒载初值 P ri m a r y 1 D L D E A D L O A D 活载初值 P r i m a ry 2 L L L WE L O A D 风载初值 P ri m a r y 3 wL WI N D L O A D，左风 风载初值 P r im a r y 4 wR WIN D L O A D ， 右风 风载初值 P r i m a r y 5 WF 聊 N D L O A D，前风 风载初值 P r i m a r y 6 wB WI N D L O A D，后风 地震初值 P ri ma ry 7 E X S P E C T R U M I N X D I R E C T I O N，X方向 地震初值 P r i m a ry 8 E Z S P E C T R U M I N Z D I R E C T I O N， Z方向 组合 C o mb i n a t i o n 9 D LL L 组合 C o mb i n a t i o n 1 0 D LL L wL 组合 C o m b i n a t i o n 1 1 D LL L WR 组合 C o m b i n a t i o n 1 2 D LL L WF 组合 C o mb i n a t i o n 1 3 D LL L WB 组合 C o mb i n a t i o n 1 4 D LL L wL 组合 C o m b i n a t i o n 1 5 D LL L WR 组合 C o mb i n a t i o n 1 6 D LL LWF 组合 C o m b i n a t i o n 1 7 D LL LWB 组合 C o mb i n a t i o n 1 8 D LL LE X 组合 C o mb i n a t i o n 1 9 D LL LE X 组合 C o mb i n a t i o n 2 0 D LL L E Z 组合 C o mb i n a t i o n 2 1 D LL L E Z 2 ． 3 ． 2 计算结果分析及弹塑性设计 通过计算原则和上述方法验算专利商的结构 得出结论 ，发现专利商 的结构设计存 在两 个 问 题 ①z型转换桁架强度和稳定性不足；②角柱 根处强度和稳定性不足。为此 ，多次与专利商联 络和讨论 ，经过对方重新计算 ，同意修改 z型转 换桁架设计 ，增加截面面积。对于角柱根处强度 不足的问题 ，采用 了国际上先进的塑性极限设计 理论方法 ，对地震情况下的结构考虑局部出现塑 性后的整体强度进行结构安全性验算 ，同时也验 算 了变形 ，满足规范的要求。 2 ． 4炉顶风机平台动力分析 针对国内其他 乙烯装置裂解炉风机平 台震动 过大影响裂解炉运行的实际问题 ，在独山子 乙烯 裂解炉的钢结构设计中非常重视炉顶风机平 台的 防振动问题 ，采用 S A P软件对炉 顶结构进 行模 态分析见图2 。 一 一 一 一 图 2 炉顶结构模态分析 下转第 2 2页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 2 C HE MI C A L E NGI N E E R I N G D E S I GN 化 工设计 2 0 1 0 ， 2 0 5 回路温度升高 ，它直接造成合成的氨在冷冻 回路 分离效果差，进合成塔气体的氨含量偏高，导致 合成塔生产能力下降。 2 装置采用的 I C I 7 41型低 温、低压 氨 合成催化剂已使用 2 0年。由于氨合成催化剂长 期处于高温下， 一 F e 微晶体结晶长大，活性表 面积减少 ，活性降低 ，影响合成效率 ，且在 多次 的开停车中出现合成塔进入水等现象 ，以致催化 剂床层出现收缩陷落导致平面温差逐渐增大 ，其 使用效率每况愈下。由经验公式计算目前合成效 率仅为 1 9 ． 6％ ，通过运行 中的数据分析氨净值 不到 l 0％ ，充分证 明合成效率偏低 。 3 水冷换热器冷却效果差。合成回路的 两个水冷换热器的壳程压力为 0 ． 6 MP a的常温冷 却水 ，管程压力 为 1 0 MP a的高温气体。随着设 备运行时间的延长， 换热器腐蚀逐渐加重，从近 来的两次大修可见，每次堵管都在 2 O根以上， 堵管总数 已达到总管数 的 1 2 ％ ，使进 出 口气体 的温差减小了 3 q c。 1 ． 2 ． 2 措 施 由于近期 尚未更换催化剂、废热锅炉及换热 器 ，只有对主要工艺条件及具体操作方法进行调 整来维持高负荷运行。 1 控 制 较 高 的 循 环 量。循 环 量 从 5 5 0 N m ／ h提高到 6 0 0 N m。 ／ h 。增大循环量即增大 空速，缩短气体在催化剂上 的停 留时间，使浓度 差增大 ，反应速度加快 ，瞬时反应得到强化 ，产 量增加。 2 合成塔操作压力控制在 1 0 ． 7 M P a 左右。 但需要注意的是 当系统压力 和甲烷含量很高 ， 而氢 、氮气 的总分压并不高时 ， 也不利于反应的 进行 ，这时应适 当提高前系统的甲烷转化效率 ， 增加氢回收负荷 ， 控制甲烷含量。 3 氢氮比控制。合成氨反应为气 一固相 催化反应， 氮的活性吸附为反应的控制步骤， 维 持较低的氢氮比能提高反应速度。特别是合成塔 催化剂接近衰老时期更应控制较低的 H ／ N 。但 是由于 N 含量增加 ，气体密度增加 ，相 当于增 加合成气压缩机负荷及冷冻 回路的负荷。现在氢 氮比一般控制在 2 ． 2～2 ． 3 ，但此氢氮 比远非合 成反应的最佳氢氮 比。 4 开工加热炉用作散热器。由于废热锅炉 换热不好，导致合成塔进 口温度偏高，以及 H 含量高等原因，既制约了催化剂的生产能力 ，也 加速了催化剂的老化。我们曾咨询 U h d e公司后 把在开车阶段使用的为合成塔催化剂升温还原提 供热量的开工加热炉当作散热器 ，通过调节开工 加热炉盘管的热量来控制合成塔一、二层进 口合 成气的温度收到 良好的效果 。 2 结语 1 通 过上 述分 析 ，并 采 取相 应措 施后 ， 整个装置的生产能力得到最大程度的提高。 2 从 目前装置运行 情况来 看 ，只有整 体 更换合成塔催化剂和换热效率好的废热锅炉才能 从根本上解决瓶颈问题。 修 改回稿 2 0 1 0 0 5 0 5 上接第 3 0页 使结构 的振 动控制在规范允许范 围内。此 外，还在风机支座处设置了减震器，通过项目投 产后的风机运行情况验证，风机运转情况良好， 振动较小 。 3 结语 1 本 文初 步探讨 裂解炉炉体钢结 构设 计 的基本假设与步骤，然而从几何计算模型到设计 图纸，从下料加工到模块安装等许多的关键环节 还需要一系列技术攻关 ，才能保证裂解炉整体 的 顺利安装及运行 。 2 近 日，独 山子石化百 万吨 乙烯 裂解炉 钢结构工程获得 2 0 0 8年度中国建筑钢结构行业 工程质量的最高荣誉一中国建筑钢结构优质工程 “ 钢结构金奖” ，殊荣背后我们看到，裂解炉炉 体钢结构仍有很多设计与施工的课题有待进一步 优化和探讨。 收稿 日期 2 o 1 O o 61 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m