一種新型立式火管式過熱器的結構設計

張志遠 安連想 雷 飛

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司）

隨著煤化工裝置規模的日益擴大，人們對煤制合成氨工藝中魯奇爐氣化出的粗煤氣熱量回收越發重視，該工藝流程中，從魯奇爐產出的粗煤氣需要經過廢熱鍋爐設備降溫后送至下游工藝。 從魯奇爐產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行冷卻，雖然可以達到降溫的目的，但是能量沒有被充分利用，并且造成了水資源的浪費。 最大程度地利用廢熱鍋爐設備回收粗煤氣中的熱量，使粗煤氣在降溫的同時產生中低壓或者高壓過熱蒸汽是比較理想的選擇。

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

立式廢熱鍋爐蒸汽發生器的設計已經完全可以滿足運行要求［1］，而過熱器的設計、制造要求很高，現有的過熱器形式中：固定管板的過熱器需要在殼側設置膨脹節，不利于立式設備的安裝支撐； 浮頭式過熱器在出口管箱設有內置膨脹節，可以解決過熱器的膨脹差問題［1］，但是膨脹節的檢修不方便；U 形管過熱器，由于結構限制，不適用于此類立式設備的工藝氣流向。 因此，針對魯奇爐氣化出的粗煤氣熱量回收項目，筆者提出將撓性薄管板應用于立式過熱器的新型結構［2］。

1 設備型式和結構

根據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隨著高溫中壓煤氣進入余熱回收裝置的，故此國內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 級蒸汽發生器，第2 段為過熱器，第3 段為2 級蒸汽發生器，并將這3 段管板全部設計為撓性薄管板結構。 其中蒸汽發生器中的撓性薄管板結構強度實踐證明已經解決［1］，而立式過熱器采用撓性薄管板和殼體內增設內筒體的結構（圖2）在此類項目中，尚無公開文獻報道。

2 過熱器結構應力強度分析

2.1 有限元分析模型確定

過熱器結構具有對稱性， 采用1/8 結構模型對管板進行耦合場強度分析，由于筒體補強接管處局部應力的衰減，忽略工藝接管對管板的應力影響。

圖1 立式廢熱鍋爐結構簡圖（逆時針旋轉90°）

圖2 立式過熱器結構簡圖（逆時針旋轉90°）

過熱器的設計條件和所用材料［3］如下：

管程設計壓力 4.6MPa

管程設計溫度 450℃

管程材料 15CrMoR

管板材料 14Cr1MoⅣ

殼程設計壓力 6.0MPa

殼程設計溫度 400℃

殼程材料 Q345R

換熱管材料 15CrMo

2.2 單元選擇

進行熱分析的體單元類型為solid90，進行結構分析的體單元類型為solid95。 管板結構模型網格劃分結果如圖3 所示， 總共劃分了108 580 個網格單元。

圖3 管板結構模型網格劃分示意圖

2.3 邊界條件

力學邊界條件，模型簡化為在管箱端部施加軸向平衡面載荷F（MPa）。

位移邊界條件，是在直角坐標系下，將換熱管工藝氣進口方向作為z 軸的正向，xoz 平面內的y 方向位移Δy=0，yoz 平面內的x 方向位移Δx=0，設備中間處z 方向的位移Δz=0。這樣也消除了結構的剛體漂移。 管板結構模型邊界加載如圖4所示。

圖4 管板結構模型邊界加載示意圖

2.4 載荷分析

根據國家標準GB/T 151—2014［4］的要求，結合筆者的工程經驗，對3 種載荷工況進行耦合場分析，即：

a. 只有殼程設計壓力ps， 而管程設計壓力pt=0，同時計入溫差應力；

b. 只有管程設計壓力pt， 而殼程設計壓力ps=0，同時計入溫差應力；

c. 既有管程設計壓力pt，也有殼程設計壓力ps，同時計入溫差應力。

2.5 管板應力強度分析

第1 種載荷工況（ps=6.0MPa，pt=0，同時計入溫差應力）。 此時的應力云圖如圖5 所示，應力強度最大值為Smax=353.1MPa。

圖5 第1 種載荷工況應力云圖

第2 種載荷工況（ps=0，pt=4.6MPa，同時計入溫差應力）。 此時的應力云圖如圖6 所示，應力強度最大值為Smax=207.5MPa。

第3 種載荷工況 （ps=6.0MPa，pt=4.6MPa，同時計入溫差應力）。 此時的應力云圖如圖7 所示，應力強度最大值為Smax=255.2MPa。

圖6 第2 種載荷工況應力云圖

圖7 第3 種載荷工況應力云圖

2.6 強度評定

按照JB/T 4732—1995 （2005 年確認）《鋼制壓力容器——分析設計標準》［5］對應力進行線性化處理，根據相關規定，應力評定依據為SⅣ＜3Sm，具體結果見表1， 從表1 可以看出此過熱器的管板結構在計算載荷工況下均滿足強度要求。

表1 應力評定結果

3 此結構的局限性

針對魯奇爐氣化出的粗煤氣熱量回收項目提出的將撓性薄管板應用于立式過熱器的新型結構，也有一定的局限性，具體如下：

a. 蒸汽的過熱溫度值不大于360℃， 當過熱溫度值大于360℃時， 需相應提高1 級蒸汽發生器飽和蒸汽的溫度；

b. 筆者還驗證了其他過熱溫度時的局部應力，當蒸汽的過熱溫度值與蒸汽的飽和溫度值之差大于100℃時不適宜采用此撓性薄管板結構。

4 結束語

從分析結果和現場運行情況來看，針對魯奇爐氣化出的粗煤氣熱量回收項目，將撓性薄管板應用于立式過熱器的新型設備結構是安全合理的。 但同時也需注意此結構過熱器的局限性。 此設備的成功研發設計和安全運行，為類似設備的工業化和進一步推廣應用提供了依據，尤其適宜推廣于產生高品位的過熱蒸汽的煤化工加壓氣化的余熱回收裝置。