大型粉煤气化炉及废锅系统整体动力效应分析.docx

大型粉煤气化炉及废锅系统整体动力效应分析郭文元1段新群2蒋自平2(11 中国石化集团宁波技术研究院 ;21 中国石化集团宁波工程有限公司 ,浙江宁波 ,315103)摘要 大型煤粉气化炉及废热锅炉通过导管连接成一整体 ,且气化炉底部裙座固定 ,在废热锅炉侧采用恒力弹簧吊架吊挂支撑 ,如采用“常规设计”无法进行承压外壳的强度计算 。建立了气化炉与废热锅炉系统的整 体计算模型 ,采用应力分析计算方法进行系统整体动力效应计算 ,确定了各种载荷工况下的系统整体变形 、力 和力矩 ,为准确计算各关键部件的强度 ,保证气化炉和废热锅炉系统整体的安全奠定了基础 。关键词 气化炉 废热锅炉 动力效应 分析1概述目前国际上知名的煤气化技术主要有 GE ( 原 Texaco) 水煤浆气化 , 壳牌 ( Shell ) 的 SCGP 和 Krup Uhde 的 Prenflo 粉煤气化 ,鲁奇 (Lurgi) 固定床煤气化 、德国未来能源公司的 GSP 气化技术等 。国内目前投入工业化的有华东理工大学“四喷嘴对置” 水煤浆气化技术和西北化工研究院“多元料浆”水 煤浆气化技术 ,西安热工院“两段式干煤粉加压气 化技术”、清华大学“非熔渣 熔渣分级气化技术” 等 。其中 ,以 GE、华东理工大学“四喷嘴对置”为 代表的水煤浆气化技术和以壳牌 SCGP 煤粉气化 技术最具有发展前途 ,在国内建成或正在建设 10 套以上的工业化装置 。与水煤浆气化相比 ,干粉 煤气化具有对煤种适应性广 ,气化温度高 ,耗氧量 少 ,单台设备 (气化炉) 能力大 ,有效气产量高 ,环 境效果好等特点 。基于此 ,对轻油和渣油为原料 的合成氨装置进行以干粉煤气化工艺为主导的煤 代油“能源替代”原料路线改造 ,以及制备羰基合 成气与氢气 ,是大型化肥 (合成氨) 、甲醇等企业生 存发展及提高经济效益首选路线 。国内某 2000 t/ d 投煤量煤气化装置采用 Shell粉煤气化工艺 ,其气化及合成气冷却工段的关键 设备包括气化炉 、导管及废热锅炉 (即合成气冷却器) ,在总体结构上主要由内件和承压外壳组成 ,其操作条件苛刻 ,技术难度大 ,如外接管口达 260 多个 ,气体返向室的大直径斜开孔结构应力计算 难度大 ,恒力弹性吊挂支撑难度大 ,如图 1 所示 。图 1 气化炉及废锅系统布置气化炉支撑方式为气化反应 器 底 部 座 落 在35m 混凝土框架上 ,由于气化炉系统整体“柔性”收稿日期 :2008210212 。作者简介 :郭文元 ,男 ,教授级高工 ,1988 年毕业于华东化工 学院化工机械专业 ,现任中国石化集团宁波技术研究院副院长 , 获 12 项 中 国 专 利 。联 系 电 话 : 0574287975205 ; E2mail : guowy snec1com 。2008 年 第 31 卷362要求 ,在废热锅炉侧采用恒力弹簧吊架吊挂支撑 。由图 1 看出 ,为保证气化炉系统整体强度 ,必 须对各部件进行强度计算 。由于气化炉和废热锅 炉连接成一整体 ,且气化炉侧采取在气化炉底部 裙座固定式支撑 (在 35 m 框架上) ,为了保障该系统整体在操作状态下无任何限制 (约束) 而较自由 热膨胀 , 在废热锅炉侧采取恒力弹簧吊挂方式 。 这样特殊的“固定 + 弹性”支撑方式如采用“常规 设计”无法进行承压外壳的强度计算 。因为 : 由 于在废热锅炉侧采取恒力弹性吊挂 ,传递给作为固定处的气化炉裙座有多大的力和力矩 ; 相应 地 ,由于在气化炉裙座处固定支撑 ,分担了多少废 热锅炉侧的质量 ,恒力弹簧的承重按多大的质量 计算 ,恒力弹簧的行程量按多少进行设计 ; 由于 在废热锅炉侧采取恒力弹性吊挂 ,在气化炉锥壳处 、导 管 与 气 化 炉 激 冷 段 交 界 处 、气 体 返 向 室 ( GRC) 交接处应该产生多大的力和力矩以及位移 (变形量) ; 废热锅炉的水平限位装置按多大的 力进行设置 ,在垂直方向会产生多大的位移 。基于上述分析 ,必须对气化炉及废热锅炉系统整体做动力效应分析计算 ,才能确定上述各交 接截面处的力和力矩以及位移 ( 变形量) ,通过采 用“应力分析”的设计计算方法 ,才能全面确定各 关键部件的强度 ,从而保证气化炉和废热锅炉系 统整体的安全 。同时 ,对于气化炉和废热锅炉在制造 、安装中 出现的“偏差”,如壳体制造整体直线度偏差 、“四 大件”组焊后的“错边”偏差 、安装后的整体垂直度 偏差 、就位后的“定位”偏差等 ,整体动力效应分析 均可进行气化炉和废热锅炉的强度安全性校核 。5110 MPa 、400 的中压过热蒸汽混合后也送入粉煤烧嘴 。粉煤 、氧气和蒸汽混合物由粉煤烧嘴喷 入气化炉内 ,在 410 MPa 的压力下进行燃烧反应 。 反应后的高温合成气 ( 14001700 ) 在气化炉出 口被冷合成气激冷至约 900 , 然后经合成气冷却器冷却至 340 后进入除灰工序 。气化反应过 程中产生的大量高位能显热在气化炉及合成气冷 却器中被回收以产生中压过热蒸气 。图 2 粉煤气化工艺流程212 气化炉工艺技术Shell 粉煤气化炉工艺以干煤粉为原料 ,纯氧 作为气化剂 , 液态排渣 , 加压气 流 床 气 化 。干 煤 粉 、氧气及蒸汽混合物流经粉煤燃烧器喷入气化 炉内在 412 MPa 压力 ,14001700 温度发生“非催化部 分 氧 化”反 应 , 产 生 粗 合 成 气 ( CO + H2 ) 。 出气化炉的粗合成气温度约为 1500 ,用进入气化炉顶部的循环气体激冷至 900 后经导管进入 废热锅炉进一步换热冷却 ,并产生饱和中压蒸汽 。Shell 粉煤气化技术的核心是四喷嘴斜对置 非催化部分氧化反应在水冷壁围成的“炉膛”内完成 。粒度小于 100m 粉煤用高压 N2 输送 , 与纯 氧和少量水蒸气经置于炉体下部的 4 个对置喷嘴 射流 进 入 炉 膛 , 在 约 1500 下 进 行 部 分 氧 化 反 应 ,炉渣以熔融态从炉底排出 ,高温气体 ( CO + H2 93 %) 在炉顶与回收热量后循环气混合 ,降温至 约 900 后进入废热锅炉 。Shell 干煤粉气化炉炉体外壳主要技术参数见表 1 。2粉煤气化炉及废热锅炉技术简介211粉煤气化工艺流程如图 2 所示 ,来自粉煤给料罐的粉煤通过粉 煤加料器由高压氮气送入粉煤烧嘴 ,来自空分单元的 4152 MPa 、25 的纯氧首先在氧气预热器中 被 预 热 至 180 , 之 后 在 氧/ 蒸 汽 混 合 器 中 与表 1 气化炉炉体外壳主要技术参数规范设计压力/ MPa 设计温度/ 主体材质 主要规格/ mmJB4732“钢制压力容器 应力分析设计标准”512350 ;蒸汽过热段 450 ; SGC 出口 380SA387 Gr111CL12/ IN825 + SA387 Gr111CL12/ 304L + SA387 Gr111CL12气化炉及激冷管 ID4630/ ID3020 30900 ;导管 ID3020 ;气体返向室 ( GRC) ID1870 285/ ID3400 ;废热锅炉 ID3400 40500第 6 期郭文元等 1 大型粉煤气化炉及废锅系统整体动力效应分析3633气化炉及废热锅炉系统整体动力效应分析311计算模型气化炉及废热锅炉的支撑系统 ,用于确保装 置在操作过程中发挥正确的功能 ,因此设计计算意味着对整个支撑系统的校核 ,整个装置的适用 性表现为稳定性 ,通过校核单个部件的机械性能及各自的强度来保证 。气化炉和废锅系统 ( 气化炉 导管 废热锅 炉) 可考虑为一个刚性的框架结构 ,通过一个坚固 的近乎敞开的下层为混凝土建筑的钢结构来支 撑 ,与其他容器 (如蒸汽汽包) 通过配管方式连接 。 见图 1 和 3 所示 。采用有限元分析的三维模型对弹性支撑系统进行分析计算 。计算节点将为钢结构的相关部分 (例如裙座 、重力中心 、筒体至锥体接合处 、接管 口 、法兰等) ,并作进一步考虑 。图 4 气化炉系统简化模型气化炉系统的固定点是气化炉裙座 。废热锅 炉通过恒力吊挂系统支撑 。另外 ,在合成气冷却 器的底部安装有导向限位架 ,用于在水平方向位 移固定 ,但允许在垂直方向移动 。气化炉支撑系 统和气化框架的相互影响可以忽略不计 。312载荷工况分析为分析研究支撑系统的原理 ,应考虑以下载 荷工况 :1) 载荷工况 1 :静重 1 。在正常操作工况下 , 重量载荷 100 %直接作用在恒力弹簧吊架吊挂支 撑上 ,水平导向装置承受很小的载荷 。2) 载荷工况 2 : 静重 2 。该载荷基于如载荷 工况 1 所述的相同条件 ,不同点在于额定值与实际外壳重量之间的差别 ,例如 ,系统预应力假定为 最大操作重量值的 110 % 。载荷工况 1 ,2 备注 :外加载荷来自连接设备 , 例如破渣机 ( 接管口 N2) ,或来自接管 ,例如气化 炉外管 (接管口 N51) ,且一些额外载荷例如渣 ,将 被充分考虑在任何工况中 。为了计算气化炉反应 器裙座的重量载荷 ,下部的外壳部件 (界区内) ,以及外加渣载荷被考虑 ,对恒力弹簧吊架吊挂支撑 无影响 。3) 载荷工况 3 :热膨胀 。在操作过程中 ,垂直 部件 (热的外壳) 不同的热膨胀将由恒力弹簧吊架图 3气化炉示意首先设定系统坐标系统 ( 图 4) , 作为测量及所有附图 (外力和方位) 的基准 。 采用右旋坐标系统 , 分为 : X 、Y 、Z 轴 。 + Z方向上 : 垂直向上 ( 以 Z = 0 顶点为基 准 向 上) 。+ X 方向上 :操作方向 ,水平 。 + Y 方向上 :水平 ,正交与 X 方向 ( Y = 0 1 轴) 。 外力及作用在钢结构和外壳系统主要部分的力矩的计算通过相应的计算机程序完成 ( 采用程序系统 ANSYS 中的梁单元) 。理想化的部件可以 用外壳的十字交叉部分制成支架 (单个管件) 。2008 年 第 31 卷364的行程充分补偿 。因此在开停车条件下无轴向阻力 ,外壳部分 (例如反应器及合成气冷却器) 可能 具有不同的温度 。水平部件 (导管) 的热膨胀将通 过管长 (合成气冷却器) 进行补偿 ,因此 ,恒力弹簧 吊架转动量最小 。每个水平面的位移范围也是计算的结果部分 ,由于积灰位于导管下部产生的导 管部分温差导致的外应力也应被考虑 。4) 载荷工况 4 : 来自外管的管道推力 。如果 已知气化炉系统外管道走向 ,这种接管的影响可 用一个如上描述放大的计算模型进行估算 。管线的边界条件被考虑作为相对下一个支撑或界区内 的固定点被计算管线推力主要来自操作条件下的 热膨胀作用的结果 。整个管道系统的影响 ( 包括水/ 蒸汽侧) 最初 未知 ,对于管道推力应考虑附加的安全系数 ,例如管道风载荷近似考虑于载荷工况 5 和 6 中 。5) 载荷工况 5 : X 方向的风载荷 。风载荷根 据中国国家建筑规范考虑 。风压载荷影响取决于 总高度 ,约 76 m 。该输入压力用于进一步计算 ,参 考平均横向尺寸 (外壳直径 + 2 倍保温壁厚) 作为整个高度的固定值 。为了确定有效的压力载荷 ,以下因基本推力 (根据规范) 增加的因素将被加以考虑 : 动力效应 的静止移位因素 ;光滑筒体的阻尼系数 ;外壳配管 的校正因素 。动力效应的静止移位因素依赖于外壳系统的固有频率 。 根据以下几点确定风载荷的特性值 : 迎风面 ,包括绝缘材料厚度与连接管线的当量宽度在 内的容器外直径 ; 根据全国风压参考分布图确 定风压参考值 ; 风载影响系数取决于地面粗糙度和设备在地面以上的高度 ; 风载荷体形系数 ;考虑风载的脉动影响系数 。6) 载荷工况 6 : Y 方向的风载荷 。此处 Y 方 向的风载荷类同于载荷工况 5 : X 方向所描述 。7) 载荷工况 7 : X 方向的地震因素 。地震载荷根据中国国家建筑规范考虑 。以下因素必须已 知 : 特殊占地种类的重要因素 ; 现场土壤特性 的地质类型 ; 技术说明中的地震区域 ; 地震 响应系数 ; 建筑结构系统类型 。基于与这些因素有关的每一点的地震静重载荷 ,作用于每个部位的重力中心的设计横向力可 以作为以上提及的计算模型的输入值 。代替侧力 法 ,一个动态特性曲线分析将用于整个建筑 (外壳系统包括在钢结构内) 。所得结果为支撑于挠性钢结构的部件的水平加速度 。 地震载荷的确定依据 : 经常发生地震的地区确定了地震设防烈度 ,满足地震设防烈度的结构 尺寸可以被损害但修复后仍然可用 ,普通建筑物的地区地震设防烈度标准是 6 到 9 级 。8) 载荷工况 8 : Y 方向的地震因素 。此处 Y 方向的地震因素类同于载荷工况 7 : X 方向所描 述 。运输 、吊装及检修的载荷工况将单独考虑 ,但对通用支撑原理无任何影响 。此处将考虑对该模 型的偏差以及有关的载荷工况顺序 ,尽可能达到 目的 。313系统整体动力效应计算结果 气化炉及废热锅炉系统整体动力效应的计算结果是各给定点处在各种工况下的力 、力矩和变 形量 (位移) ,以下仅给出气化炉裙座底部 、导管和 气体返向室连接处 、废热锅炉导向架处的力 、力矩 计算结果和系统整体结构变形示意图 。1) 载荷工况 1 : 净重 。表 3 列出了截面处的力和力矩 ,图 5 给出了在载荷工况 1 时的结构变 形示意图 。表 3载荷工况 1 的力和力矩位置Fx/ kNFy/ kNFz/ kNMx/ kNm My/ kNm Mz/ kNm裙座底部导向架 导管和 GRC- 666000- 4935- 6688- 4900071201002002) 载荷工况 2 : 10 %的重量差 。表 4 列出了截面处的力和力矩 ,图 5 给出了载荷工况 2 时的 结构变形示意图 。表 4载荷工况 2 的力和力矩位置Fx/ kNFy/ kNFz/ kNMx/ kNm My/ kNm Mz/ kNm裙座底部导向架 导管和 GRC- 101010000- 5405- 7159- 7500081201105000图 5重量引起的变形示意第 6 期郭文元等 1 大型粉煤气化炉及废锅系统整体动力效应分析365列出了截面处的力和力矩 ,图 8 给出了在载荷工况 6 时的结构变形示意图 。图 6 温度引起的变形示意3) 载荷工况 3 : 总体热膨胀 。表 5 列出了截 面处的力和力矩 ,图 6 给出了在载荷工况 3 时的 结构变形示意图 。图 8 Y 方向地震引起的变形示意表 8载荷工况 6 的力和力矩表 5载荷工况 3 的力和力矩位置Fx/ kNFy/ kNFz/ kNMx/ kNm My/ kNm Mz/ kNm位置Fx/ kNFy/ kNFz/ kNMx/ kNm My/ kNm Mz/ kNm裙座底部导向架 导管和 GRC000191315000565039000945917裙座底部导向架 导管和 GRC167167167000000000536053650007) 载荷工况 7 : + / 2 X 方向风载荷 。表 9 列出了截面处的力和力矩 ,图 9 给出了在载荷工况7 时的结构变形图 。4) 载荷工况 4 : T = 50 的温差 。表 6 列出了截面处的力和力矩 , 图 6 给出了在载荷工况 4时的结构变形示意图 。表 9载荷工况 7 的力和力矩表 6载荷工况 4 的力和力矩位置Fx/ kNFy/ kNFz/ kNMx/ kNm My/ kNm Mz/ kNm位置Fx/ kNFy/ kNFz/ kNMx/ kNm My/ kNm Mz/ kNm裙座底部导向架 导管和 GRC1205080000300900025000313000裙座底部导向架 导管和 GRC1121121120000000003603580005) 载荷工况 5 : + / 2 X 方向地震载荷 。表 7列出了截面处的力和力矩 ,图 7 给出了在载荷工 况 5 时的结构变形示意图 。8) 载荷工况 8 : + / 2 Y 方向风载荷 。表 10 中列出了截面处的力和力矩 ,图 10 给出了在载荷工 况 8 时结构变形图 。表 7载荷工况 5 的力和力矩位置Fx/ kNFy/ kNFz/ kNMx/ kNm My/ kNm Mz/ kNm裙座底部导向架 导管和 GRC21514000220210006050145000图 9 X 方向风载引起的变形示意表 10载荷工况 8 的力和力矩位置Fx/ kNFy/ kNFz/ kNMx/ kNm My/ kNm Mz/ kNm裙座底部导向架 导管和 GRC00010553730002240019900038525918图 7 X 方向地震引起的变形示意6) 载荷工况 6 : + / 2 Y 方向地震载荷 。表 82008 年 第 31 卷366中未列出) ,并且作为管道系统挠性计算的输入变量 。在实际设计中 ,将叠加载荷假定为“最大操作 载荷”,其中包括一定的理论重量确定值的余量以 及叠加载荷 。该假定基于在方案设计阶段一些因素例如实际部件重量以及必须提供的管道走向等 尚未确定 ,且为计算固定支撑 ( 例如外壳裙座 、钢 结构) 所用的方法也很保守 。对于气化炉与废热锅炉系统通过导管连成整 体的特殊结构 ,通过建立梁单元计算模型 ,采用应力分析计算方法进行系统整体动力效应计算 ,可 确定各种载荷工况下的系统整体变形 、力和力矩 , 为准确计算各关键部件的强度 ,指导废热锅炉底 部导向架的设计 、废热锅炉弹性吊挂装置的设计 和恒力弹簧的选型提供依据 。另外 ,各种载荷工况下的系统整体变形量也为气化炉 、导管和废热 锅炉外部配管提供位移补偿依据 ,进而保证气化 炉和废热锅炉系统的整体安全 。参考文献图 10 Y 方向风载引起的变形示意4结论气化炉和废热锅炉系统动力效应分析作为整 体布置的设计计算结果 ,可以确定在支撑点上的受力和力矩 (例如气化炉裙座 、固定吊架及导向装置) 、气化炉所处的支撑结构以及在各部件的重要 交点处的截面载荷和整体变形量 。该载荷将在气 化炉及废热锅炉系统整体以及单个部件 (气化炉 、导管 、气体返向室 、废热锅炉) 的设计中被采用 ,并 按照国内标准 JB4710钢制塔式容器考虑载荷叠 加 (例如风载荷以及地震载荷将不会同时存在) 。 此外 ,位于相关连接点 ( 例如接管口 、固定吊架的 行程范围) 部件的变形也可以被表示出来 (在本文123JB4732 95 ,钢制压力容器 分析设计标准JB/ T4710 2005 ,钢制塔式容器郭文元 1 大型干煤粉气化炉的技术特点 1 石油化工设备技 术 ,2005126 (5) :1921ANALYSIS OF INTEGRAL DY NAMIC EFFECT OFPOWD ERED COAL GASIFIER AND W HB SYSTEMGuo Wenyuan( S INO PEC Ningbo Institute of Technology , Ningbo , 315103)Duan Xinqun and Jiang Ziping( S INO P