張志遠(yuǎn) 安連想 雷 飛

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司）

隨著煤化工裝置規(guī)模的日益擴(kuò)大，人們對(duì)煤制合成氨工藝中魯奇爐氣化出的粗煤氣熱量回收越發(fā)重視，該工藝流程中，從魯奇爐產(chǎn)出的粗煤氣需要經(jīng)過(guò)廢熱鍋爐設(shè)備降溫后送至下游工藝。 從魯奇爐產(chǎn)出的粗煤氣溫度范圍在560～700℃，需降溫至300～360℃，以滿足下游工藝的要求。 若采用激冷等措施進(jìn)行冷卻，雖然可以達(dá)到降溫的目的，但是能量沒(méi)有被充分利用，并且造成了水資源的浪費(fèi)。 最大程度地利用廢熱鍋爐設(shè)備回收粗煤氣中的熱量，使粗煤氣在降溫的同時(shí)產(chǎn)生中低壓或者高壓過(guò)熱蒸汽是比較理想的選擇。

從魯奇爐產(chǎn)出的粗煤氣，通過(guò)立式火管式廢熱鍋爐入口管箱進(jìn)入1 級(jí)蒸汽發(fā)生器，進(jìn)行熱量交換降溫并副產(chǎn)飽和蒸汽，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的飽和蒸汽進(jìn)入汽包進(jìn)行汽水分離后，通過(guò)飽和蒸汽總管進(jìn)入過(guò)熱器， 將飽和蒸汽過(guò)熱為過(guò)熱蒸汽，再通過(guò)2 級(jí)蒸汽發(fā)生器，將粗煤氣降至滿足下一段工藝要求的溫度，通過(guò)立式火管式廢熱鍋爐的出口管箱進(jìn)入下一工藝流程。

立式廢熱鍋爐蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)已經(jīng)完全可以滿足運(yùn)行要求［1］，而過(guò)熱器的設(shè)計(jì)、制造要求很高，現(xiàn)有的過(guò)熱器形式中：固定管板的過(guò)熱器需要在殼側(cè)設(shè)置膨脹節(jié)，不利于立式設(shè)備的安裝支撐； 浮頭式過(guò)熱器在出口管箱設(shè)有內(nèi)置膨脹節(jié)，可以解決過(guò)熱器的膨脹差問(wèn)題［1］，但是膨脹節(jié)的檢修不方便；U 形管過(guò)熱器，由于結(jié)構(gòu)限制，不適用于此類立式設(shè)備的工藝氣流向。 因此，針對(duì)魯奇爐氣化出的粗煤氣熱量回收項(xiàng)目，筆者提出將撓性薄管板應(yīng)用于立式過(guò)熱器的新型結(jié)構(gòu)［2］。

1 設(shè)備型式和結(jié)構(gòu)

根據(jù)魯奇爐氣化出的粗煤氣余熱回收工藝條件，煤中的灰分是以飛灰狀態(tài)隨著高溫中壓煤氣進(jìn)入余熱回收裝置的，故此國(guó)內(nèi)類似裝置中首次采用立式廢熱鍋爐型式（圖1）。 為滿足工藝需要，廢熱鍋爐分成了3 段，其中第1 段為1 級(jí)蒸汽發(fā)生器，第2 段為過(guò)熱器，第3 段為2 級(jí)蒸汽發(fā)生器，并將這3 段管板全部設(shè)計(jì)為撓性薄管板結(jié)構(gòu)。 其中蒸汽發(fā)生器中的撓性薄管板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)踐證明已經(jīng)解決［1］，而立式過(guò)熱器采用撓性薄管板和殼體內(nèi)增設(shè)內(nèi)筒體的結(jié)構(gòu)（圖2）在此類項(xiàng)目中，尚無(wú)公開(kāi)文獻(xiàn)報(bào)道。

2 過(guò)熱器結(jié)構(gòu)應(yīng)力強(qiáng)度分析

2.1 有限元分析模型確定

過(guò)熱器結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性， 采用1/8 結(jié)構(gòu)模型對(duì)管板進(jìn)行耦合場(chǎng)強(qiáng)度分析，由于筒體補(bǔ)強(qiáng)接管處局部應(yīng)力的衰減，忽略工藝接管對(duì)管板的應(yīng)力影響。

圖1 立式廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°）

圖2 立式過(guò)熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°）

過(guò)熱器的設(shè)計(jì)條件和所用材料［3］如下：

管程設(shè)計(jì)壓力 4.6MPa

管程設(shè)計(jì)溫度 450℃

管程材料 15CrMoR

管板材料 14Cr1MoⅣ

殼程設(shè)計(jì)壓力 6.0MPa

殼程設(shè)計(jì)溫度 400℃

殼程材料 Q345R

換熱管材料 15CrMo

2.2 單元選擇

進(jìn)行熱分析的體單元類型為solid90，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的體單元類型為solid95。 管板結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示， 總共劃分了108 580 個(gè)網(wǎng)格單元。

圖3 管板結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 邊界條件

力學(xué)邊界條件，模型簡(jiǎn)化為在管箱端部施加軸向平衡面載荷F（MPa）。

位移邊界條件，是在直角坐標(biāo)系下，將換熱管工藝氣進(jìn)口方向作為z 軸的正向，xoz 平面內(nèi)的y 方向位移Δy=0，yoz 平面內(nèi)的x 方向位移Δx=0，設(shè)備中間處z 方向的位移Δz=0。這樣也消除了結(jié)構(gòu)的剛體漂移。 管板結(jié)構(gòu)模型邊界加載如圖4所示。

圖4 管板結(jié)構(gòu)模型邊界加載示意圖

2.4 載荷分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 151—2014［4］的要求，結(jié)合筆者的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)3 種載荷工況進(jìn)行耦合場(chǎng)分析，即：

a. 只有殼程設(shè)計(jì)壓力ps， 而管程設(shè)計(jì)壓力pt=0，同時(shí)計(jì)入溫差應(yīng)力；

b. 只有管程設(shè)計(jì)壓力pt， 而殼程設(shè)計(jì)壓力ps=0，同時(shí)計(jì)入溫差應(yīng)力；

c. 既有管程設(shè)計(jì)壓力pt，也有殼程設(shè)計(jì)壓力ps，同時(shí)計(jì)入溫差應(yīng)力。

2.5 管板應(yīng)力強(qiáng)度分析

第1 種載荷工況（ps=6.0MPa，pt=0，同時(shí)計(jì)入溫差應(yīng)力）。 此時(shí)的應(yīng)力云圖如圖5 所示，應(yīng)力強(qiáng)度最大值為Smax=353.1MPa。

圖5 第1 種載荷工況應(yīng)力云圖

第2 種載荷工況（ps=0，pt=4.6MPa，同時(shí)計(jì)入溫差應(yīng)力）。 此時(shí)的應(yīng)力云圖如圖6 所示，應(yīng)力強(qiáng)度最大值為Smax=207.5MPa。

第3 種載荷工況 （ps=6.0MPa，pt=4.6MPa，同時(shí)計(jì)入溫差應(yīng)力）。 此時(shí)的應(yīng)力云圖如圖7 所示，應(yīng)力強(qiáng)度最大值為Smax=255.2MPa。

圖6 第2 種載荷工況應(yīng)力云圖

圖7 第3 種載荷工況應(yīng)力云圖

2.6 強(qiáng)度評(píng)定

按照J(rèn)B/T 4732—1995 （2005 年確認(rèn)）《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［5］對(duì)應(yīng)力進(jìn)行線性化處理，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，應(yīng)力評(píng)定依據(jù)為SⅣ＜3Sm，具體結(jié)果見(jiàn)表1， 從表1 可以看出此過(guò)熱器的管板結(jié)構(gòu)在計(jì)算載荷工況下均滿足強(qiáng)度要求。

表1 應(yīng)力評(píng)定結(jié)果

3 此結(jié)構(gòu)的局限性

針對(duì)魯奇爐氣化出的粗煤氣熱量回收項(xiàng)目提出的將撓性薄管板應(yīng)用于立式過(guò)熱器的新型結(jié)構(gòu)，也有一定的局限性，具體如下：

a. 蒸汽的過(guò)熱溫度值不大于360℃， 當(dāng)過(guò)熱溫度值大于360℃時(shí)， 需相應(yīng)提高1 級(jí)蒸汽發(fā)生器飽和蒸汽的溫度；

b. 筆者還驗(yàn)證了其他過(guò)熱溫度時(shí)的局部應(yīng)力，當(dāng)蒸汽的過(guò)熱溫度值與蒸汽的飽和溫度值之差大于100℃時(shí)不適宜采用此撓性薄管板結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

從分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來(lái)看，針對(duì)魯奇爐氣化出的粗煤氣熱量回收項(xiàng)目，將撓性薄管板應(yīng)用于立式過(guò)熱器的新型設(shè)備結(jié)構(gòu)是安全合理的。 但同時(shí)也需注意此結(jié)構(gòu)過(guò)熱器的局限性。 此設(shè)備的成功研發(fā)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行，為類似設(shè)備的工業(yè)化和進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供了依據(jù)，尤其適宜推廣于產(chǎn)生高品位的過(guò)熱蒸汽的煤化工加壓氣化的余熱回收裝置。