蔡建光,韓艷萍,楊 芳

(1.中國石化工程建設有限公司,北京100101;2.洛陽超藍節(jié)能技術有限公司,河南 洛陽471000)

煙、風道擋板是煉油裝置中加熱爐的關鍵附屬配件,用于對煙、風道系統(tǒng)的密封和調節(jié)。現(xiàn)有加熱爐用煙、風道擋板大部分為蝶形結構、普通力矩連桿傳動,在實際操作過程中經常出現(xiàn)板葉間隙大、泄漏率高、調節(jié)不靈敏、傳動機構卡澀等情況,不利于加熱爐的正常操作和調整;在異常工況時,甚至可能威脅到加熱爐的安全。隨著對節(jié)能、降碳、減排要求的提高,加熱爐余熱回收系統(tǒng)回收煙氣余熱能力的重要性日益突顯。常見的加熱爐及余熱回收系統(tǒng)如圖1所示,其中空氣旁通擋板1和煙氣旁通密封擋板2的密封性能尤為關鍵。如擋板1有泄漏,將會導致空氣預熱器中參與換熱的冷空氣減少(從冷空氣旁通直接進入熱空氣風道),從而使排煙溫度增高、加熱爐熱效率降低;如擋板2有泄漏,將會導致部分高溫煙氣直接經煙囪排入大氣,熱能損失更大,同樣會使加熱爐熱效率降低。

圖1 常見加熱爐及余熱回收系統(tǒng)示意

1 問題提出

如圖2所示,目前加熱爐設備上普遍采用的煙、風道密封/調節(jié)擋板是傳統(tǒng)的“板軸剛性角轉動”密封結構和多連桿、銷軸傳動機構。由于板片、傳動機構形式的制約,導致其存在易卡澀、密封不嚴和控制受限等問題。

圖2 傳統(tǒng)的煙、風道密封/調節(jié)擋板

1.1 易卡澀的原因

擋板易卡澀的原因主要有:

1)采用內置式滑動軸承,一方面滑動軸承摩擦力大,另一方面熱煙氣中的顆粒性雜質容易進入軸承,造成軸承卡死;

2)葉片尺寸大,受熱膨脹后,葉片之間、葉片與擋圈之間或葉片與襯里之間在打開過程中發(fā)生干涉;

3)多個連桿共用一套執(zhí)行機構,長距離傳輸,若一個連桿卡澀,所有連桿都會受影響;

4)傳統(tǒng)密封擋板采用單作用氣動執(zhí)行器,非正常工況下,依靠彈簧力推動活塞使擋板迅速打開,由于彈簧長時間處于壓縮狀態(tài),一旦生銹卡澀、無法回彈,則無法工作,容易造成事故。

1.2 密封不嚴的原因

擋板密封不嚴的原因主要有:

1)葉片之間、葉片與擋圈之間、轉軸與擋圈之間間隙大,且為硬接觸,再結合應用情境下?lián)醢鍍蓚葴夭?、壓差、使用頻率導致的葉片變形,使得密封效果差。

2)多葉片同步性差,具有不同的關閉角度,很難做到所有葉片都能可靠關閉。一方面由于共用同一套執(zhí)行機構的多葉片通過多連桿傳動,存在誤差積累,無法實現(xiàn)多葉片同步動作;另一方面,連桿長度不可調,后期使用過程中的磨損會使誤差進一步增大。

1.3 控制受限的原因

擋板控制受限的原因主要有:

1)每個擋板只有一套執(zhí)行機構,要么接收調節(jié)信號成為調節(jié)擋板,要么接受開關信號成為兩位式擋板,功能單一。

2)在加熱爐系統(tǒng)中,當緊急事故狀態(tài)應將爐內煙氣盡快排出時,需要迅速打開煙氣旁通密封擋板2。余熱回收系統(tǒng)未投入使用的情況下,爐內的氧含量、負壓等需要通過煙囪調節(jié)擋板3來調節(jié)(同時打開煙氣旁通密封擋板2),以滿足加熱爐安全操作的工藝條件。所以,為了滿足工藝操作需求,加熱爐需要同時設置煙囪調節(jié)擋板3和煙氣旁通密封擋板2(見圖1)。

3)煙氣旁通密封擋板2在事故狀態(tài)下同時迅速打開所有葉片,會導致煙囪對爐膛的抽力過大,造成爐膛負壓瞬間波動太大,可能造成加熱爐燃燒器脫火的安全隱患。此類事故在中化和中石化的煉廠都曾發(fā)生過。

2 問題解決的方法及措施

針對上述問題,對目前廣泛采用的舊形式煙、風道擋板從傳動機構、密封結構和控制方式等方面進行革新設計,改進為新型翼式閥,有翼式密封閥、翼式調節(jié)閥、翼式密封調節(jié)閥三種形式,其結構如圖3所示。

圖3 翼式閥結構示意

2.1 傳動機構方面的改進

采用單軸單控,即每個葉片設置一套獨立的執(zhí)行機構;無連桿傳動機構,使得每個葉片都能夠做到精準控制,無誤差、無卡澀。

2.2 密封結構方面的改進

密封結構方面進行了如下改進:

1)用隔板替代傳統(tǒng)的擋圈,葉片與隔板之間設置軟密封,密封效果優(yōu)于傳統(tǒng)的硬接觸密封。

2)采用四連桿機構,轉軸相對于葉片的中心偏心設置。通過四連桿(見圖4)設計,實現(xiàn)打開過程中葉片先平移退出,離開密封面安全距離后再大角度旋轉打開(見圖5,葉片關閉過程與之相反),避免葉片打開過程中對密封面造成磨損,可保持密封效果長周期穩(wěn)定。

圖4 四連桿結構示意

圖5 葉片打開過程中葉片及四連桿運動軌跡

2.3 控制方式方面的改進

控制方式方面進行了如下改進:

1)每個葉片設置一套獨立的四連桿機構和執(zhí)行機構,保證每個葉片能夠快速開關、準確定位。這樣每套執(zhí)行機構可以分別輸入獨立的控制信號(開關信號或調節(jié)信號),根據(jù)控制信號的不同可分別作為翼式密封閥(所有執(zhí)行機構均輸入開關信號)、翼式調節(jié)閥(所有執(zhí)行機構均輸入調節(jié)信號)和翼式密封調節(jié)閥(部分執(zhí)行機構輸入開關信號,部分輸入調節(jié)信號)使用,以滿足不同的使用場合需要。其中翼式密封調節(jié)閥的調節(jié)葉片(執(zhí)行機構的控制信號為調節(jié)信號)能夠實現(xiàn)葉片角度的精確調節(jié),實現(xiàn)對爐膛負壓、氧含量的調整;翼式密封調節(jié)閥的開關葉片(執(zhí)行機構的控制信號為開關信號)能夠滿足事故狀態(tài)下快速打開的需求,避免事故的發(fā)生,因此翼式密封調節(jié)閥能同時兼顧葉片角度精確調節(jié)及事故狀態(tài)快速開啟的需求。

2)采用雙作用氣動執(zhí)行器,葉片開關均通過主氣源推動活塞運動來實現(xiàn),無彈簧參與,不存在彈簧無法回彈、卡死的問題。

3)翼式密封閥和翼式密封調節(jié)閥配置儲氣罐,保證斷氣情況下的氣源供應,避免事故狀態(tài)下無法控制葉片的開關。

2.4 其他方面的改進

其他方面進行了如下改進:

1)采用外置式關節(jié)軸承,避免熱煙氣中的顆粒性雜質進入軸承內部,且關節(jié)軸承具有自潤滑能力,不易卡死。

2)設計時考慮葉片等的膨脹問題,預留足夠的膨脹間隙。

針對兩組急性心肌梗死患者實施不同檢查方式后，與對照組相比，研究組的檢出率明顯高于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表。

3)四連桿機構位于葉片完全關閉時不接觸高溫煙氣/空氣的一側,可避免高溫氣體對四連桿機構可能造成的滯澀、腐蝕等問題。

3 工程應用

3.1 應用方案

福建泉州某石化公司延遲焦化加熱爐原空氣旁通擋板和煙氣旁通密封擋板(如圖6所示)均為傳統(tǒng)擋板,存在較嚴重的泄漏問題,直接影響加熱爐實際熱效率。

圖6 原煙氣旁通密封擋板

2021年利用該裝置檢修的契機更換了這2個旁通擋板,將原空氣旁通擋板更換為翼式調節(jié)閥CL-PWR-F-1-1200×1200×700,單葉片,可實現(xiàn)打開角度的精確調節(jié),且完全關閉時能實現(xiàn)零泄漏密封;將原煙氣旁通密封擋板更換為翼式密封調節(jié)閥CL-PWSR-F-4-3300×2200×1000(其結構見圖7),共設計4個葉片,其中中間2個葉片(葉片②和③)的執(zhí)行機構共用1個調節(jié)信號作為調節(jié)葉片使用,可精確調節(jié)打開角度;兩側2個葉片(葉片①和④)的執(zhí)行機構共用1個開關信號作為開關葉片使用,事故狀態(tài)下能夠快速打開,保證加熱爐的安全運行;此外每個開關葉片的執(zhí)行器均配置儲氣罐,在斷氣狀態(tài)下,儲氣罐內的氣源仍可維持開關葉片進行至少3次開關操作。

圖7 更換后的煙氣旁通翼式密封調節(jié)閥

3.2 翼式閥密封性驗證

出廠前,2臺翼式閥在工廠分別進行了水壓試驗,以檢查內漏情況。以翼式調節(jié)閥(CLPWR-F-1-1200×1200×700)為例做水壓試驗,數(shù)據(jù)見表1。

表1 翼式調節(jié)閥(CL-PWR-F-1-1200×1200×700)水壓試驗數(shù)據(jù)

水壓試驗結果顯示,該形式的翼式閥在上述條件下能夠實現(xiàn)零泄漏。

3.3 傳動可靠性、葉片開關靈敏度、調節(jié)定位準確性

工廠試驗驗證單軸單控,結果顯示,關閉開啟可靠。翼式閥多次開關、動作可重復性試驗數(shù)據(jù)見表2～表5。

表2 翼式調節(jié)閥CL-PWR-F-1-1200×1200×700開關動作試驗數(shù)據(jù)(調節(jié)型執(zhí)行器)

表5 翼式密封調節(jié)閥CL-PWSR-F-4-3300×2200×1000開關動作試驗數(shù)據(jù)(驗證儲氣罐儲氣能力)

3.4 應用效果

4 結論

通過上述試驗驗證及實踐應用效果可得出如下結論:

1)改進的翼式閥,采用單軸單控,無連桿傳動機構,可保證葉片動作的精準控制,無誤差積累、無卡澀;同時設置隔板,且隔板與葉片之間設置軟密封,并采用偏心轉動軸機構,使得打開過程中葉片先平行退出安全距離后再大角度旋轉打開,能夠保證每個葉片均實現(xiàn)可靠關閉、零泄漏密封。

表3 翼式密封調節(jié)閥CL-PWSR-F-4-3300×2200×1000開關動作試驗數(shù)據(jù)(開關型執(zhí)行器)

2)采用兩種控制方式的翼式密封調節(jié)閥,在單個閥中集成了密封和調節(jié)功能,能夠兼顧調節(jié)閥對葉片打開角度的精確控制和密封閥對開關控制信號的快速響應。

表4 翼式密封調節(jié)閥CL-PWSR-F-4-3300×2200×1000開關動作試驗數(shù)據(jù)(調節(jié)型執(zhí)行器)

3)裝置運行數(shù)據(jù)表明,改進的翼式閥的密封性能大幅度提升,可以充分回收煙氣的余熱,提高了加熱爐熱效率,降低了燃料消耗量和排煙溫度,減少了溫室氣體的排放。在保證加熱爐設備安全、高效運行方面具有重大實用意義,值得推廣使用。