石化装置中塔布置和配管设计实践研究

蒋启忠

（广东中化石油化工设计有限公司，广东 广州 510700）

在石油化工生产中，塔是一种常用设备，常见的塔器设备包括洗涤塔、萃取塔、吸收塔、反应塔等，这些塔器设备是液液和气液之间进行传热和传质的重要设施，在石化生产中发挥着至关重要的作用。近年来，随着石油化工生产工艺的进步，对塔器设备的布置及配管设计提出了更高要求，各企业越来越关注对塔布置及配管设计的优化，力求发挥塔器设备在石油化工生产中的最大作用。

1 塔器与配管简介

塔器是一种用于气体和液体、液体和液体传热和传质的设备，在石油化工生产中是许多装置单元的核心设备。石油化工生产中，塔器的类型众多，根据塔的用途不同，可以将其划分为用于气液相间传质的吸收塔、解吸塔、精馏塔和汽提塔等，以及用于液液相间传质的萃取塔等[1]。各类塔器应用于石油化工生产，除了塔器本身的布置非常重要外，还要关注塔的配管设计，塔中管道的配置直接会影响塔的性能，不合理的配管设计方案可能影响塔器运行的稳定性，无法满足石油化工生产的需求，甚至会带来许多安全隐患。塔器布置与配管设计具有较强复杂性，在实际工作中涉及的塔和管道较多，配管设计难度较大，可能出现配管设计不符合塔器运行需求或与塔配置情况脱节的问题。

石油化工生产中，设计人员要在了解塔器设备所有管道材料的基础上，从塔顶、塔侧、塔底等不同角度展开深入分析，明确石油化工生产对塔器设备使用的需求，以需求为导向展开优化设计，力求提高塔器设备的配管效果。设计人员要保证在所有管道安装结束后，各条管道能满足石油化工生产对塔的配管协调性提出的要求，按照相关标准规范，保证塔所有管道配置的合理性，解决塔器设备和管道之间的矛盾，为塔器的安全运行提供保障。设计人员要从石油化工生产的实际情况出发，明确生产实际对塔器设备的需求，将目光放在整个石化生产工艺高度，评估怎样布置塔和配置管道，能避免不合理的布置和设计方式给正常生产工序造成的不良影响。塔在运行过程中与石油化工生产中的其他设备、仪器仪表有着密切联系，在塔布置和配管设计中要充分考虑此类问题，尽量保证相连管道设计的合理性、适应性，进一步优化塔的性能，提高塔的使用成效。塔布置和配管设计中，设计人员还应考虑塔在后期运行中的检修和保养要求，尽量保证塔与相关管道布置的合理性，确保塔器所处位置方便后期保养和维修，避免塔器在运行过程中因为庞大检修量导致的额外成本支出。

2 石化装置塔的布置

2.1 塔器平面布置要求

塔器的平面布置要符合石油化工生产工艺，塔器和塔器或者与其他设备间要保持足够的安全距离，尽量缩短管道和线路的距离，在同一生产单元尽量采用集中布置的形式。根据石油化工生产特点，在塔器的平面布置中，要根据塔的直径确定大体布置形式。通常，直径小于1 000 mm 的塔器，需要布置在框架内，凭借框架的支撑提高塔器的稳定性，直径大于1 000 mm 的塔器可以布置在石化装置的边缘，要保证布置形式方便对石化装置和塔器进行调查、检修。

塔的管廊立柱中心要和外壁保持一定间距，间距一般不能低于3 m；塔器和塔器之间至少要保持2.5 m间距，便于在两塔中间设置平台和管道[2]。对框架侧布置的两个或以上的塔，要保证塔的中心线对接，采用单排布置或三角形布置的形式，结合塔的实际布置情况完成联合平台的设置。

塔器的平面布置，不仅要满足石油化工生产工艺的要求，还要思考采用的平面布置方式，是否留有足够的操作空间、配管空间，要预留足够大小的检修区、配管区，配管侧尽量靠近配管区或管廊，便于管道进出；维修侧设置在靠近通道或吊装位置，方便工作人员进行维修、吊装等操作。

2.2 塔器安装高度控制

塔器布置过程中，如果石化装置是利用压差或重力流将物料送往下游设备，要根据石化装置的内压和下游设备的压力确定塔器的高度；如果采用泵抽塔底物料，在设置塔安装高度时，要考虑管道的压力降和泵的汽蚀余量。在塔的安装高度控制中，设计要考虑配管要求和塔器、石化装置的操作要求，塔的基础、裙座、再沸器等基础高度要统一进行考虑，不仅要满足石油化工生产工艺的要求，还应考虑生产过程中相关应力条件，确保塔器安装高度满足石化装置运行的需要。

成组布置的塔器，通常要设置联合平台，设计要根据塔器的裙座高度决定，在联合平台高度和裙座高度无法齐平时，可以设置错层楼梯为平台通行提供保障。塔器安装高度设置中，要考虑配管方面的要求，塔器高度应满足管道通行的基本要求，满足检修、操作和保养对塔器最小净空高度的要求，避免塔器安装高度设置不合理影响后期各类业务操作。

2.3 操作平台设置

石化装置塔布置过程中，针对塔器上设置有阀门、仪表、人孔、手孔、管口的部位，都要设置操作平台，操作平台宽度要根据各部门检修和操作条件决定，尽量在不影响正常作业的条件下增加操作平台的宽度。如果一些平台的人孔高度无法满足要求，可以将平台的人孔部分标高和其他部分标高取不同值，用斜梯连接不同标高部分，满足不同操作平台间的通行需求。塔器上各平台的宽度要体现出适宜性，避免平台宽度过小影响操作安全，避免宽度过大导致塔器负载。设计人员要明确各平台之间斜梯的最大高度，一般最大高度不超过8 m，最下层平台高度至少要高出地面2.2 m，为下方通行安全或检修、吊装等作业创造良好条件。塔器操作平台的设置，要综合考虑单塔和组塔的布置情况。针对两个或以上的塔组成的布局结构，要重视联合平台的设置，根据不同类型塔的人孔、管口高度，尽量保证不同塔之间联合平台高度一致；对两塔之间管口、人孔高度不一致的情况，也要采取设置斜梯的方式保证两塔之间的正常通行[3]。如果塔器布置在靠近框架的位置，平台和框架之间也可以设置通道，成组的塔可以将平台连接起来。需要注意的是，针对操作工况不同可能引起的热膨胀差异，两塔之间的操作平台优选铰接方式进行连接，保证两塔间平台设置的牢固性。

3 石化装置塔器配管设计

3.1 塔器管口方位设计

在确定塔器管口的方位时，设计人员要了解石化装置对塔器及管道提出的要求。塔一般需要在装置的管道侧或者检修侧进行设置。在塔器的检修侧，要预留足够的作业空间，方便作业人员展开吊装、检修等操作，并且要在靠近道路的一方进行设置。在配管设计中，可以不用考虑管道侧的管口方位，其余管口方位要重点考虑生产工艺的条件，根据塔内介质形态、进口分布器和探班形式等确定管口的方位。在塔器设备上，所有的管口在方位的布置上，都要以生产工艺为导向，先要做好塔顶的配管设计，控制好管径、管道走向等情况，按照从上到下的顺序设计其他类型的管道。

塔盘间各类管道出口方位的设计中，为了便于人员的出入，要将人孔设置在检修区域。塔顶、塔釜等部位的管口设置，要根据配管具体情况来确定管口的方位。在实际设计中，管口要尽量靠近受液槽，但也要和降液管保持安全距离，避免管口和塔器内的各类器件发生碰撞，重点对塔上各部位管口位置的角度展开调整。

针对温度计、压力表管口的设置，尽量避免在人孔的周围设置，温度计和压力表的管口要设置在塔上对应的区域，如温度计管口应设置在液相区，压力表管口应设置在气相区。假如塔器布置在结构框架当中，在温度计和压力表与梁接近的情况下，需要考虑后期的安装和检修条件，明确温度计和压力表管口的设置是否合理，避免在后期操作中引起温度计和压力表管口与梁相撞[4]。板式塔的配管设计中，应控制好温度计与压力表管口和降液管的关系，不能在安装仪器仪表或者设置管口时与降液管发生碰撞，在设计好管口后，仪器仪表要尽量设置在平台的操作范围内，便于后续开展相关作业。

3.2 塔上管道的布置

3.2.1 附塔管道布置

在塔的配管设计中，从塔的不同位置考虑，可分为塔顶、塔侧和塔底三种类型的管道，不同类型管道的设计有着不同条件。塔顶的主要管道有安全阀的进出口、顶油气线等；塔侧则有进料管、回流管等；塔底管道主要是塔釜抽出和排液管道。塔的配管设计中，要根据生产的工艺条件，控制好塔器的管理布置情况，尽量将管道设置在配管区域，人孔、仪表等应设置在操作区域。在布置管道的过程中，设计人员要重点把控好塔上管道布置的间距，严格控制管道外壁和管道之间的距离，一般情况下二者要至少间隔300 mm。

3.2.2 塔顶配管设计

塔顶气相配管设计中，要考虑到装置运行时气相管道温度较高的特点，将气相管道设计成“L”型，保证气相配管设计满足相关应力要求。塔顶气相配管设计中，要避免液袋问题，防止积液产生；在设置空冷器时，与空冷器连接的管道尽量采用对称布置的形式，保证其阻力降相同，规避偏流的问题。

塔顶安全阀的排放管配置中，排放至大气的安全阀通常设置塔顶人孔下的第一层平台，而安全阀排放管的位置设置要考虑安全阀的位置。针对排放至火炬系统的安全阀，通常设置在高于火炬纵管的平台上，在配管设计时要计算入口段压损，入口段压损不能低于安全阀定压值的3%，如果不满足条件可以适当扩大管径；安全阀出口段压损不能大于定压制的10%，如果不满足条件也可以选择扩径[5]。如果安全阀的出口管道和火炬总管相连，建议按45°从顶部顺流接入。

3.2.3 塔侧配管设计

塔侧配管设计中，对最常见的进料管道，要保证进料管道能向装置正常供应物料，根据邻近装置对不同物料的需求，以及塔内介质出来对管道材质的需求，灵活选择进料管道的材质和连接方式。对塔侧的回流管道，设计人员要结合不同回流功能需求，确定好管道的内径，控制好管道布置高度和设置角度，保证管道的回流功能可以满足石化装置与塔器连接的要求。塔侧返回管道的设计中，要保证返回管道能顺利对需要返回的物料进行处理，根据装置运行对塔侧返回管道的需求，合理设计管道的材质、内径、位置、长度等，便于返回的物料能及时得到处理。

3.2.4 塔底配管设计

塔底配管设计，由于塔器底部管道的操作温度普遍处在饱和状态，塔底出口和泵连接的管道要具有足够柔软性，以降低泵口受力；要尽量减小管道长度和管道压损问题，尽量少设计拐弯的管道，为泵的正常运行创造良好条件。塔底配管设计中，设计人员需要加强与应力工程师的沟通，结合管道结构展开合作，在协同设计的基础上保证塔底管道的柔性能满足装置和塔器运行对塔底配管设计提出的要求。

3.3 塔器管道支架设计

塔器管道支架的设计中，要考虑不同工况下塔器和管道之间的温差，明确塔器布置和配管设计要求，合理设计管道支架；如果支架设置在需要进行热处理的塔上，需要提前在塔上设置隔热板。在塔的配管设计中，要注意作业安全问题，对设置在塔外壁的承重支架，需要考虑最不良工况对生根支架的布置要求，合理设计管道支架[6]。首先，从塔顶出来的管道或侧线进出口的管道，要将靠近管口进出位置的第一个支架设置为承重支架，随后根据应力计算结果设置第二个承重支架时考虑弹簧支吊架的问题。人工计算和选择该部位的弹簧支吊架时，要先确定该点管道的热胀量，计算公式如下。

公式（1）中，Δt代表管系热胀量；ΔT代表管系温升；为线膨胀系数；U为管系两端点的直线距离；et为单位线膨胀量。

其次，设计人员要控制好导向支架的间距，根据管道直径、荷载等参数确定导向支架的间距。最后，多根附塔管线支架的设置，要满足跨距的相关规定，尽量将支架设置在同一层高，便于后期作业和维修，保持支架设置的美观性。

4 结语

塔器设备在石油化工生产中极其重要，塔器的布置和配管设计，直接会影响石化装置运行效果，影响石油化工生产的整体情况。要根据石油化工生产工艺及石化装置运行条件，合理布置塔器，优化塔的配管设计，确保在石化装置运行过程中能发挥出塔和管道的实际作用。