反应器进料加热炉的模块化设计

王子兴，杨美娥

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

自上世纪90年代开始，管式加热炉的建造逐渐由传统方式的设计、制造、安装向工业炉的模块化设计进行转变。根据工业炉结构特点，对其按结构、运输限制等要求划分成若干个部件，每一部件能以模块集成而进行的设计，称为工业炉模块化设计[1]。模块化设计的优劣是影响管式加热炉建造质量、建造周期的首要因素，成熟的模块化设计不但能缩短工程周期，而且能节约运输和建造成本。按照模块化程度的不同，管式加热炉的模块化主要有3种形式：传统的分体制造运输和现场组装，部分模块化以及整体模块化[2]。

目前，国外大型工程公司为确保工程质量节省费用投资多采用整体模块化设计。如1992年沙特阿拉伯石油化工公司500kt/a乙烯装置中的10台Kellogg毫秒裂解炉，在比利时Antwerp制造，交货状态以两台为一组，5组模块整体交付；2008年新加坡Jurong岛埃克森美孚化学厂100kt/a乙烯装置中的7台ExxonMobil裂解炉及整体管廊，由Heurtey Petrochem公司在泰国Sattahip港进行整体模块化制造。交货状态包括炉体，钢结构，所有附属设备，仪表，配管，电气，电缆及照明。国内由于受到制造、运输及施工条件等因素的限制，基本采用部分模块化的设计方式[3-6]。

本文以某炼化装置中的反应器进料加热炉为例，对管式加热炉的辐射段，对流段及烟囱段部分模块化设计实施方法进行具体介绍。反应器进料加热炉设计热负荷为12.26MW，炉型为对流-辐射型立式圆筒加热炉，对流段与辐射段均加热同一种工艺介质。综合考虑加热炉的结构，制造和运输条件等因素，采用部分模块化的设计方式。反应器进料加热炉总图如图1所示。

图1 反应器进料加热炉总图

1 辐射段的模块化

1.1 炉底模块化设计

反应器进料加热炉的炉底直径为Φ7962mm，由于超出公路运输高度和宽度的限制，因此炉底钢结构采用模块化设计方法。炉底柱脚板模块化设计采用整体柱脚板结构，一半带整体底板，另一半组合后用高强度螺栓连接的结构，如图2-1所示；炉底柱脚板组装后的结构如图2-2，柱脚板现场组装后施加密封焊。

1.底板整体结构 2.组装结构

炉底环梁和炉底梁的分块数量应与炉底柱的分块相一致。炉底环梁采用箱型槽钢结构，模块分块处用连接钢板进行连接，炉底梁则采用同型号的槽钢"背靠背"方式进行分块，现场组装后用高强螺栓进行连接，炉底连接界面之间采用内侧连续焊，外侧间断焊。为满足炉底钢结构的刚度和稳定性的要求，炉底中心设置中心柱进行支撑。炉底中心柱与炉底梁连接处各设置一块托板，现场安装时将各自的托板进行对接，并用高强度螺栓进行连接，其结构如图3所示。

图3 炉底中心柱连接结构图

1.2 炉体模块化设计

加热炉辐射段炉体的模块化主要是对炉体立柱和炉墙的分块设计。本台加热炉辐射段直径Φ7282mm，高度12430mm。炉体立柱选用H型钢，为保证立柱的整体强度不被削弱采用两个同型号的槽钢“背靠背”高强螺栓连接附加现场焊接的方式进行代替，如图4所示。

图4 辐射段立柱分块结构图

考虑到炉膛的密封性以及现场焊接施工问题，对于辐射段端墙、侧墙相邻两个模块连接界面之间采用炉内间断焊，外侧连续焊结构。在连接面处设置耐高温，具有一定密封作用的材料，如陶瓷纤维绳(带)，高温密封胶等，以此增加结构的密封性，减少漏风损失保证加热炉热效率。模块柱顶与副框架立柱连接，采用两个背对的槽钢各带一半柱顶板与副框架立柱底板先用高强度螺栓连接，再在连接板之间施加强度焊，如图5立柱螺栓焊接连接结构图。

图5 立柱螺栓连接结构图

1.3 炉顶模块化设计

辐射段炉顶环梁结构与炉底环梁结构相类似，因而其模块化设计方式一致。根据辐射段炉顶结构特点，炉顶板与炉顶梁同时进行分块设计。分块的原则尽量沿对流室炉管方向的横梁进行分割。其中沿对流盘管方向和垂直盘管方向横梁间的连接尤为重要，因此采用沿对流盘管方向的横梁上焊接两块连接角钢，连接角钢另一端和垂直盘管方向的横梁用高强度螺栓连接的方式。为保证炉顶板的刚度，在炉顶板各模块上焊接一定量的加强筋。炉顶分块之间连接后内外侧均采用连续焊，以确保炉顶的密封性。

2 对流段的模块化

加热炉对流段尺寸5700mm(长)×3200mm(宽)×5200(高)，对流段模块包含钢结构、炉壳板及其加强筋、管束、导向架、弯头箱、衬里及锚固件、仪表接管、人孔等。对流段的炉管为水平布置，共分为上下两组。对流段模块化设计沿盘管布置方向按照制造、运输能力等条件被分割成两个模块。然后以"搭积木"的形式在现场进行对接，模块之间连接处的立柱采用与辐射段模块分割方式进行，如图5所示。模块连接界面之间采用外侧密封焊。

对流模块衬里厚度根据对流段管排最外侧尺寸进行调整，侧墙衬里上设置折流凸台。对流段模块衬里下部设置衬里护板，衬里护板宽度小于衬里厚度。由于衬里护板宽度大于50mm，因此沿长度方向每隔300～500mm设置一个3mm宽切口。护板与炉壳板之间宜采用间断焊。对流段模块分界的衬里结构见图6。

图6 对流段模块分界处衬里结构图

对流段副框架被分割成梁构件和柱构件两部分，构件之间的连接利用连接角钢采用高强度螺栓连接结构。对流段副框架与主框架之间的连接形式采用连接角钢和对流段立柱焊接在一起，现场安装时采用高强度螺栓将其与副框架的横梁相连接，最后施加密封焊。

3 烟囱段的模块化

烟囱高度19100mm，依据当地环保部门有害物允许排放浓度烟囱经40m高度进行排放。由于烟囱的直径较小，按悬臂梁进行设计，因此对于烟囱的模块化设计，本质上是对烟囱的分段处理。该烟囱共分为3段，烟囱分段连接处焊接连接法兰，现场用高强度螺栓进行连接，考虑到法兰面的强度问题，相邻两个螺栓之间用筋板进行加强，如图7所示。

图7 烟囱段分段连接结构图

4 模块化设计的主要问题

管式加热炉的模块化设计目的在于满足制造、运输和施工过程的便捷性以及投资费用的最小化。为实现更好的模块化设计，加热炉的设计工作者还需注意以下几个方面：

4.1 合理的划分模块

合理的划分模块化设计是保证制造、运输和安装的首要影响因素。设计者需要对加热炉的炉体、运输及安装做充分的调研，在不削弱炉体各部分强度及刚度的前提下，满足从工厂到安装地点的运输条件，并完成结构的优化设计。

4.2 变形控制

设计者应在焊接接头高度、单个模块侧墙尺寸允许偏差、预组装尺寸允许偏差、模块尺寸以及最终模块尺寸等方面做出相应的规范及要求。以保证制造、运输和现场安装过程中出现模块变形问题，影响施工质量，将变形降低到允许的范围内。国内已有相关的标准规范对模块化的制作过程中的变形及尺寸要求做出了相应的规定[1，7-8]。

4.3 模块间的密封

虽然模块化设计有诸多优点，但模块与模块之间的拼接会加大漏风系数，这便给加热炉的热效率带来了新的问题。加热炉热效率的高低对装置的能耗水平有直接的、重要的影响，是衡量加热炉先进性的重要指标[9]。设计者应确保加热炉的热效率不因模块化的设计而受到影响。如对流段模块化设计中，应在模块对接处预留15mm左右的缝隙，施工时用陶瓷纤维毯进行填充，然后进行对接，见图6。

5 结语

介绍了反应器进料加热炉辐射段、对流段及烟囱段的模块化设计具体实施方法。通过对反应器进料加热炉的模块化设计，缩短了加热炉的建造周期，节省费用投资并确保了加热炉本体的现场施工质量。另外，加热炉的模块化设计除依照相关标准规范外，还应与制造、运输及安装紧密结合，以提高项目建设质量，缩短建设周期。

[1] 中华人民共和国工业和信息化部. HG/T20659-2014化学工业管式炉对流段模块技术规范[S]. 北京:中国计划出版社,2015.

[2] 余海军.石油化工圆筒炉模块化设计[J].工业炉,2013,35(5):26-30.

[3] 刘 克,王 宏,倪云峰,等.裂解炉对流段的模块化设计[J].化工科技,2009,17(3):51-53.

[4] 蔡建光.加热炉的模块化设计与工厂制造[J].工业炉,2003,24(5):34-36.

[5] 史方军,郭慧波.石油化工工业炉模块化设计、制造与安装[J].化工设备与管道,2011,48(4):15-18.

[6] 王昌冕.石油化工装置加热炉模块化设计[J]. 企业技术开发,2012,31(25):36-37.

[7] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. HG/T20541-2006化学工业炉结构设计规定[S]. 北京:中国计划出版社,2007.

[8] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. SH/T3036-2003一般炼油装置用火焰加热炉[S]. 北京:中国石化出版社,2004.

[9] 刘 勇.提高加热炉热效率方法研究和应用[D].大庆:东北石油大学,2015:1-5.

(本文文献格式：王子兴，杨美娥.反应器进料加热炉的模块化设计[J].山东化工，2018，47(02)：94-96.)