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【摘 要】随着石油化工行业催化裂化技术的不断发展，催化裂化装置越来越大型化，装置能耗及运行费用也不断上升。为了降低装置能耗，节约运行费用，对于大、中型催化裂化装置均设置烟气能量回收系统。本文从烟气轮机对烟气管道的要求出发，介绍了烟气轮机人口管道设计要点，提出了烟气管道的设计原则，并分析了设计中应注意的问题。
【关键词】装置；膨胀节；管道设计
引言：
催化裂化技术是炼油工业中最重要的二次加工工艺，随着催化裂化技术的不断发展，再生烟气的温度、压力越来越高，主风机功耗也相应越来越大。催化裂化装置的再生烟气含有大量可回收的能量，烟气轮机是催化裂化装置能量回收系统的核心设备，烟气管道设计水平将直接影响烟气轮机能否正常运行。
一.催化裂化装置烟气能量回收系统
催化裂化装置烟气能量回收系统，一般包括：催化裂化烟气轮机系统和催化裂化烟气余热回收锅炉两部分。尽管烟气能量回收系统技术较为复杂，但经济效益十分显著。
烟气管道设计要尽量减小热膨胀产生的力和力矩，一般用支架、吊架、有限位结构的摆式支架、导向支架等方式，把烟气管道的重量支承到土建结构上，限制烟气管道的移动方向，并设法减小支架摩擦力，来满足烟气轮机对力和力矩的要求。详见流程图1。
烟气轮机入口管道设计的合理与否，不仅直接关系到烟气轮机的正常操作和使用寿命，也会影响整个催化裂化装置正常运行。
二.关于烟气管道的布置方案
在满足工艺、施工、运行、维护、检修及管道柔性要求的前提下，三旋与烟气轮机应尽可能紧凑，以尽量缩短烟气管道长度，减小烟气的温降和压降，降低能耗，提高能量回收效率，减少投资。
根据三旋及烟气轮机平面布置情况，烟气轮机入口管道的布置形式一般有两种，见图2、图3。
平面布置即由三旋出口至烟气轮机入口在同一个平面上，这样的设计相对简单，比较有利于烟气管道热膨胀的吸收，有益于烟气轮机入口的受力，见图2。
空间布置即指由于三旋与烟气轮机平面位置受限，由三旋出口至烟气轮机入口的烟气管道布置在两个平面上，见图3。
以上两种布置方案，均有一个共同特点：用一个固定支架在垂直管道上合适的位置将“z”型管系分解成两个二维平面“L”型，每个“L”型管系各设计一组三个单式铰链型膨胀节（以下简称三铰链）。见图4。
三.关于膨胀节的注意事项
（一）膨胀节的选择
1.一个万向铰链膨胀节
由于烟气中含有催化剂粉尘，为防止对烟气轮机叶轮的局部磨损过大，保证烟气均匀无偏流地流入烟气轮机，烟气轮机入口法兰前需设置直管段，并在此管段上设置一组复式万向型波纹管膨胀节，以减少烟气管道各支架基础及烟气轮机本身基础不均匀沉降带来的偏差对烟气管道的影响，也可较好地解决由于安装误差产生的作用在烟气轮机上的附加安装力和力矩。
2.三个单式铰链
单式铰链型能吸收单平面内的角位移，铰链具有承受内压推力的能力，因此选用时可组合使用。
通常做法是在三旋出口水平管段上设置一个铰链型膨胀节，用来吸收垂直烟气管道的热膨胀。在立管上设置两个铰链型膨胀节，应用两个波纹管的转角所产生的横向移动来吸收烟气轮机入口方向水平烟气管道的热膨胀。
（二）膨胀节的预变位
膨胀节预变位的目的是为了减少波纹管的应力，延长膨胀节的使用寿命，减少操作状态烟气管道作用在烟气轮机或固定支座上的力和力矩，有利于烟气轮机平稳运行。
膨胀节的预变位是通过在立管段和烟气轮机入口水平段预留拉伸口，在安装状态下对烟气管道进行水平和垂直方向的预拉伸。见图4。
四.关于烟气管道支架
膨胀节的设置仅解决了管路二次应力和烟气轮机入口的受力问题。烟气管道对烟气轮机的力和力矩，主要包括由波纹管变形引起的推力、烟气管道重量和烟气管道热膨胀移动产生的摩擦力等，以及由这些力引起的力矩。
（一）关于导向支架
支架的位置不能妨碍膨胀节的补偿，图4中支架2及支架6为导
向支架，分别限制立管段垂直于水平管段的摆动，以免抵消操作状态膨胀节的变位。见图7。
（二）关于摆式支架
烟气管道直径大，入口烟气管道还有闸阀、蝶阀等。若采用滑动支座，仅由摩擦力产生的对烟气轮机的推力就已不能满足要求，故采用摆式支架代替滑动支座，采用吊架代替支架，以尽量减少烟气管道热位移产生的摩擦力。在满足相关条件的前提下，尽可能缩短水平管道的长度，以减小摆式支架的正压力。高温闸阀和高温蝶阀应布置在水平管段上的两摆式支架之间，并在高温闸阀和高温蝶阀中间设置吊架（见图4）。为了减少作用于烟气轮机入口法兰处的垂直荷载，在靠近入口法兰处设置一组弹簧吊架。
上图8示意了摆式支架摆板在不同状态下的位置，设计时应结合水平烟气管道预拉伸长度，使摆式支架摆板在烟气轮机操作状态位于竖直中心位置。
（三）关于承重支架
烟气管道立管承重支架的位置设置及选型凸显重要，烟气管道管径较大，管道自重及膨胀节等附件的重量使得承重支架所需承载的重量很大。
为了减小单个支架的承重量，将其分解成两个承重点：一个刚性承重点，一个弹簧承重点。
五.其他辅助管线系统
凡与烟气轮机入口管道直接相连的辅助管道，如高温闸阀和蝶阀的吹扫冷却蒸汽及其动力风管道等，高温闸阀前的预热线等均要有一定的柔性，能随烟气管道一同位移，不能限制烟气管道的热胀位移。烟气轮机开机前需要暖机，烟气经高温闸阀和蝶阀的旁通线流入烟气轮机。旁通线按自然补偿设计，并按不同工况考虑。烟气轮机长期停运时，尽管高温闸阀前有小流量的预热线，但仍不能完全避免烟气中凝液的产生，凝液中含有大量的氯离子和亚硫酸根离子对奥氏体不锈钢具有极强的应力腐蚀作用。
结束语：
烟气是催化裂化装置裂解反应后的副产物，烟机是催化裂化装置中利用烟气回收能量的重要设备之一，烟机入口管道也是催化裂化装置中重要的管道之一，如何做好烟机入口管道的设计与施工就显的尤为重要。
因此，催化裂化装置的烟气轮机入口烟气管道设计时，尽量采用紧凑的平面管道布置，合理地選择膨胀节，巧妙地布置支吊架，辅以精确地管道应力计算，以满足热补偿和烟气轮机入口受力要求，确保烟气轮机的长周期安全运行。
参考文献：
[1]刘凤臣.催化裂化装置烟机入口管道设计探讨[J].化工设计.2004（05）
[2]赵铁柱.催化裂化装置烟道设计要点分析[J].炼油技术与工程.2004（09）
[3]马和明.催化裂化装置烟气轮机出入口管道设计[J].炼油技术与工程.2010（09）
【关键词】装置；膨胀节；管道设计
引言：
催化裂化技术是炼油工业中最重要的二次加工工艺，随着催化裂化技术的不断发展，再生烟气的温度、压力越来越高，主风机功耗也相应越来越大。催化裂化装置的再生烟气含有大量可回收的能量，烟气轮机是催化裂化装置能量回收系统的核心设备，烟气管道设计水平将直接影响烟气轮机能否正常运行。
一.催化裂化装置烟气能量回收系统
催化裂化装置烟气能量回收系统，一般包括：催化裂化烟气轮机系统和催化裂化烟气余热回收锅炉两部分。尽管烟气能量回收系统技术较为复杂，但经济效益十分显著。
烟气管道设计要尽量减小热膨胀产生的力和力矩，一般用支架、吊架、有限位结构的摆式支架、导向支架等方式，把烟气管道的重量支承到土建结构上，限制烟气管道的移动方向，并设法减小支架摩擦力，来满足烟气轮机对力和力矩的要求。详见流程图1。
烟气轮机入口管道设计的合理与否，不仅直接关系到烟气轮机的正常操作和使用寿命，也会影响整个催化裂化装置正常运行。
二.关于烟气管道的布置方案
在满足工艺、施工、运行、维护、检修及管道柔性要求的前提下，三旋与烟气轮机应尽可能紧凑，以尽量缩短烟气管道长度，减小烟气的温降和压降，降低能耗，提高能量回收效率，减少投资。
根据三旋及烟气轮机平面布置情况，烟气轮机入口管道的布置形式一般有两种，见图2、图3。
平面布置即由三旋出口至烟气轮机入口在同一个平面上，这样的设计相对简单，比较有利于烟气管道热膨胀的吸收，有益于烟气轮机入口的受力，见图2。
空间布置即指由于三旋与烟气轮机平面位置受限，由三旋出口至烟气轮机入口的烟气管道布置在两个平面上，见图3。
以上两种布置方案，均有一个共同特点：用一个固定支架在垂直管道上合适的位置将“z”型管系分解成两个二维平面“L”型，每个“L”型管系各设计一组三个单式铰链型膨胀节（以下简称三铰链）。见图4。
三.关于膨胀节的注意事项
（一）膨胀节的选择
1.一个万向铰链膨胀节
由于烟气中含有催化剂粉尘，为防止对烟气轮机叶轮的局部磨损过大，保证烟气均匀无偏流地流入烟气轮机，烟气轮机入口法兰前需设置直管段，并在此管段上设置一组复式万向型波纹管膨胀节，以减少烟气管道各支架基础及烟气轮机本身基础不均匀沉降带来的偏差对烟气管道的影响，也可较好地解决由于安装误差产生的作用在烟气轮机上的附加安装力和力矩。
2.三个单式铰链
单式铰链型能吸收单平面内的角位移，铰链具有承受内压推力的能力，因此选用时可组合使用。
通常做法是在三旋出口水平管段上设置一个铰链型膨胀节，用来吸收垂直烟气管道的热膨胀。在立管上设置两个铰链型膨胀节，应用两个波纹管的转角所产生的横向移动来吸收烟气轮机入口方向水平烟气管道的热膨胀。
（二）膨胀节的预变位
膨胀节预变位的目的是为了减少波纹管的应力，延长膨胀节的使用寿命，减少操作状态烟气管道作用在烟气轮机或固定支座上的力和力矩，有利于烟气轮机平稳运行。
膨胀节的预变位是通过在立管段和烟气轮机入口水平段预留拉伸口，在安装状态下对烟气管道进行水平和垂直方向的预拉伸。见图4。
四.关于烟气管道支架
膨胀节的设置仅解决了管路二次应力和烟气轮机入口的受力问题。烟气管道对烟气轮机的力和力矩，主要包括由波纹管变形引起的推力、烟气管道重量和烟气管道热膨胀移动产生的摩擦力等，以及由这些力引起的力矩。
（一）关于导向支架
支架的位置不能妨碍膨胀节的补偿，图4中支架2及支架6为导
向支架，分别限制立管段垂直于水平管段的摆动，以免抵消操作状态膨胀节的变位。见图7。
（二）关于摆式支架
烟气管道直径大，入口烟气管道还有闸阀、蝶阀等。若采用滑动支座，仅由摩擦力产生的对烟气轮机的推力就已不能满足要求，故采用摆式支架代替滑动支座，采用吊架代替支架，以尽量减少烟气管道热位移产生的摩擦力。在满足相关条件的前提下，尽可能缩短水平管道的长度，以减小摆式支架的正压力。高温闸阀和高温蝶阀应布置在水平管段上的两摆式支架之间，并在高温闸阀和高温蝶阀中间设置吊架（见图4）。为了减少作用于烟气轮机入口法兰处的垂直荷载，在靠近入口法兰处设置一组弹簧吊架。
上图8示意了摆式支架摆板在不同状态下的位置，设计时应结合水平烟气管道预拉伸长度，使摆式支架摆板在烟气轮机操作状态位于竖直中心位置。
（三）关于承重支架
烟气管道立管承重支架的位置设置及选型凸显重要，烟气管道管径较大，管道自重及膨胀节等附件的重量使得承重支架所需承载的重量很大。
为了减小单个支架的承重量，将其分解成两个承重点：一个刚性承重点，一个弹簧承重点。
五.其他辅助管线系统
凡与烟气轮机入口管道直接相连的辅助管道，如高温闸阀和蝶阀的吹扫冷却蒸汽及其动力风管道等，高温闸阀前的预热线等均要有一定的柔性，能随烟气管道一同位移，不能限制烟气管道的热胀位移。烟气轮机开机前需要暖机，烟气经高温闸阀和蝶阀的旁通线流入烟气轮机。旁通线按自然补偿设计，并按不同工况考虑。烟气轮机长期停运时，尽管高温闸阀前有小流量的预热线，但仍不能完全避免烟气中凝液的产生，凝液中含有大量的氯离子和亚硫酸根离子对奥氏体不锈钢具有极强的应力腐蚀作用。
结束语：
烟气是催化裂化装置裂解反应后的副产物，烟机是催化裂化装置中利用烟气回收能量的重要设备之一，烟机入口管道也是催化裂化装置中重要的管道之一，如何做好烟机入口管道的设计与施工就显的尤为重要。
因此，催化裂化装置的烟气轮机入口烟气管道设计时，尽量采用紧凑的平面管道布置，合理地選择膨胀节，巧妙地布置支吊架，辅以精确地管道应力计算，以满足热补偿和烟气轮机入口受力要求，确保烟气轮机的长周期安全运行。
参考文献：
[1]刘凤臣.催化裂化装置烟机入口管道设计探讨[J].化工设计.2004（05）
[2]赵铁柱.催化裂化装置烟道设计要点分析[J].炼油技术与工程.2004（09）
[3]马和明.催化裂化装置烟气轮机出入口管道设计[J].炼油技术与工程.2010（09）