大型粉煤氣化爐關(guān)鍵部件結構應力分析研究

2009年12月...Dec.2009第32卷第6期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol.32 No.6大型粉煤氣化爐關(guān)鍵部件結構應力分析研究郭文元段新群? 蔣自平2(1.中國石化集團寧波技術(shù)研究院,浙江寧波,315103;2.中國石化集團寧波工程有限公司.浙江寧波,315103)摘要通過(guò)對大型干煤粉 氣化爐及廢熱鍋爐系統的結構受力分析,進(jìn)行了爐體大直徑斜開(kāi)孔、導管、氣化爐錐殼和裙座等關(guān)鍵部件(部位)的結構應力分析研究,并將研究結果用于指導爐體的設計、制造檢驗驗收.組裝等,經(jīng)過(guò)煤氣化裝置氣化爐和廢熱鍋爐的操作運行實(shí)踐表明完全滿(mǎn)足裝置操作要求。關(guān)鍵詞氣化爐應力分析 結構粉煤1概述保證整個(gè)系統處于安全狀態(tài)。這樣特殊的“固定日投煤量2000t SCGP煤氣化工藝干煤粉氣+彈性”支撐方式,在進(jìn)行結構設計時(shí)必須進(jìn)行系化爐作為以固態(tài)原料采用非催化部分氧化制合成統承壓外殼的強度計算,從而保證其安全性。氣,在國內已建成或正在建設的裝置有20套以氣體源劇室上,中國石化集團寧波工程有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)寧波工程公司)承建了其中4套裝置用于合成氨“煤代油”技術(shù)改造的氣化裝置,已分別于2006年底、2007年初相繼開(kāi)車(chē)投人工業(yè)化運行。粉煤氣化裝置的核心設備是氣化爐及其廢熱鍋爐系統。干煤粉氣化爐中發(fā)生部分氧化氣化反魅7段應,工藝選擇必須使氣流以接近45°角度進(jìn)人廢熱鍋爐中進(jìn)行余熱回收。氣化反應生成主要成分為2CO+ H2、溫度為1400~ 1600C的粗合成氣,經(jīng)激冷至900C后通過(guò)導管、氣體返向室進(jìn)人廢熱鍋爐,粗合成氣的余熱回收在廢熱鍋爐(合成氣冷卻氣化護器)中完成。就氣化爐及廢熱鍋爐系統機械結構方面而言,與常規大型設備的結構、安裝方式不同,該氣化爐、導管、氣體返向室、廢熱鍋爐組成了一個(gè)整一部分第二部分體結構安裝在氣化島內的開(kāi)放式剛性框架中,如圖1所示。裝置第一部分氣化爐側高度約40m,圖1氣化爐及廢鍋系統布置其支撐方式為底部固定在35 m混凝土框架上;裝1--氣化爐裙座與下球封連接處;2-氣化爐錐殼;置第二部分廢熱鍋爐側高度約50m,采用恒力彈3一激冷段與導管連接處;4- GRC大直徑斜開(kāi)孔處簧吊架吊掛支承;該兩部分軸線(xiàn)間距為10m,通過(guò)導管+氣體返向室連為一體。這樣的“固定+彈中國煤化工E程師，1988年畢業(yè)于華性"支撐方式的優(yōu)點(diǎn)是使整個(gè)系統無(wú)論在冷態(tài)(安東化fYHC N M H G集團寧波技術(shù)研究院副裝、停車(chē)期間),還是在熱態(tài)(操作運行期間)都能院長(cháng),獲12項中國專(zhuān)利。聯(lián)系電話(huà):0574.87975205; E-mail: guowy夠保證不會(huì )因為熱脹冷縮產(chǎn)生過(guò)大的結構應力，@ snee . com。第6期郭文元等.大型粉煤氣化爐關(guān)鍵部件結構應力分析研究407寧波工程公司通過(guò)對粉煤氣化爐與廢熱鍋爐熱鍋爐側采取恒力彈性吊掛(采用恒力彈簧)的方系統結構全面的技術(shù)分析和研究,并結合已有的式,從而滿(mǎn)足氣化爐和廢熱鍋爐系統整體的“柔工程設計經(jīng)驗,采用應力分析的方法開(kāi)展了該系性"要求。這樣特殊的“固定+彈性”支撐方式必統關(guān)鍵部件結構的設計,并堅持設計的先進(jìn)性與須首先考慮這些關(guān)鍵部件(部位)的結構受力狀技術(shù)的穩妥可靠相結合、設備的結構設計與制造技術(shù)要求相結合、現場(chǎng)組裝安裝技術(shù)要求與設備1)氣化爐裙座連接處。由于在廢熱鍋爐側開(kāi)車(chē)操作運行的工況相結合等原則，經(jīng)多個(gè)技術(shù)采取恒力彈性吊掛,將傳遞給作為固定處的氣化方案反復比選分析研究最終確定了氣化爐殼體的爐裙座連接處有多大的附加力和彎矩,才能確定設計結構,而且大大降低了氣化爐及廢熱鍋爐這裙座連接處的全部受力狀況。些大型引進(jìn)設備的造價(jià)投資,具有明顯的經(jīng)濟效2)導管。由于在氣化爐裙座處固定支撐,相益和深遠的社會(huì )效益。應地通過(guò)導管將分擔(支撐)了多少廢熱鍋爐側的重量,才能確定導管的全部受力狀況。2爐體 系統整體結構受力分析3) GRC大直徑斜開(kāi)孔處、氣化爐錐殼處。由煤粉氣化裝置中,氣化爐與廢熱鍋爐系統由于在廢熱鍋爐側采取恒力彈性吊掛，在氣化爐錐爐體(承壓外殼)和相應的內件(膜式水冷壁、盤(pán)管殼處.氣化爐激冷段與導管交界處、氣體返向室等)組成,粉煤氣化爐的氣化反應器和廢熱鍋爐通GRC大直徑斜開(kāi)孔交界處產(chǎn)生多大的附加力和過(guò)導管+氣體返向室(GRC)連接在一起成為整彎矩,才能進(jìn)行強度與開(kāi)孔補強計算。顯然,如采用“常規設計”則無(wú)法進(jìn)行爐體外體[1。爐體外殼主要技術(shù)特性參數見(jiàn)表1。殼各部件的強度計算,必須首先對氣化爐及廢熱表1爐體(承壓外殼)主要 技術(shù)特性參數設計、制造、檢驗JB4732- 19959“ 鋼制壓力容器一應力鍋爐系統整體做動(dòng)力效應分析計算[2] ,確定上述及驗收規范分析設計標準"各交界截面處的附加力和彎矩后,再通過(guò)采用“有設計壓力/MPa5.2限元應力分析”的設計計算方法,才能全面確定各關(guān)設計溫度/350主體材質(zhì)氣化爐:SA387Gr.11CL.2/IN825 +鍵部件的強度,從而保證氣化爐和廢熱鍋爐系統整SA387Gr. 11CL.2體安全。導管、CRC與廢鍋上段:SA387Gr.11CL.2廢鍋下段:SA387Gr.11CL.2/304L氣化爐及廢熱鍋爐系統整體動(dòng)力效應分析計主要規格/ mm氣化爐及激冷管:ID4630/1D3020 x 30900算的上述部件(部位)處的附加操作載荷見(jiàn)表2。導管:1D3020表2氣化爐 系統關(guān)鍵部件(部位)附加操作載荷GRC:ID1870x 285/ ID34000廢熱鍋爐: ID3400x 40500位置F,/kN F,/kN F/AkN M./kNim M,/kNn M./kNin爐體外殼按“壓力容器安全技術(shù)監察規程”、GRC8873.975.6292.3 17065.1 319.8導管820.2 47.2 1306 494.7. 15601.4 522.1JB4732- -1995 鋼制壓力容器一-應力分析設計標氣化爐錐殼888.9 69.2 3249.5. 1150.8 12674.9 625.2準”體系以及寧波工程公司工程標準進(jìn)行設計、制裙座連接處988.9 169.1 8966.3 3773.1 25618.3 625.2造、試驗、檢驗和驗收,按ASMEI材料、ASME第v皿篇第二分篇鍋爐和壓力容器規范及寧波工程公3關(guān)鍵部件結構應力分析司工程標準“氣化關(guān)鍵設備壓力容器外殼材料技采用有限元分析,對GRC、導管、氣化爐錐殼術(shù)條件"進(jìn)行材料采購和復驗。和裙座,應用三維實(shí)體和二維軸對稱(chēng)力學(xué)模型。為保證氣化爐系統的整體強度，就必須對各1)計算程序。有限元分析采用ANSYS計算部件進(jìn)行強度計算。本文重點(diǎn)擇取爐體外殼的關(guān)程序鍵部件及關(guān)鍵部位一氣體返向室(GRC)大直徑2)材料特性見(jiàn)表3。斜開(kāi)孔處、氣化爐激冷段與導管交界處、氣化爐錐表3材料特性殼、裙座與氣化爐下球封連接處進(jìn)行分析研究。. Sm許用設計應力中國煤化工踱(30C下)AMP由圖1可以看出,由于氣化爐和廢熱鍋爐通SA387158.6過(guò)導管連接成一整體,為保障該系統整體在操作SA182 I:YHCNMHG140.7狀態(tài)”下無(wú)任何限制(約束)而較自由熱膨脹,在廢3)幾何模型和劃分網(wǎng)格見(jiàn)表4。408大氛配2009年第32卷表4幾何模型和網(wǎng)格劃分幾何模型網(wǎng)格劃分部件(部位)特構特性單元類(lèi)型單元數節點(diǎn)數單元連接圖CRC1347562949圖2SOLID95和SOLID923297044872圖3(三維對稱(chēng)的實(shí)體單元)錐殼對稱(chēng)裙座與球封連接處軸對稱(chēng)PLANE82(二維軸對稱(chēng)的實(shí)體單元)1453045947圖5表面上的力) P。= 5.1MPa;②計算溫度: T。=350C ;③附加操作載荷見(jiàn)表2。6)應力分析計算結果。氣體返向室、導管、氣化爐錐殼和裙座的應力分析計算結果見(jiàn)表5。表5應力分析計算結果最大的應力應力強度部件變形情況點(diǎn)位置、數值云圖圖6位于連接處最下點(diǎn)內側內圖7璧、395.6MPa圖2氣體返 向室單元網(wǎng)格劃分導管圖8位于兩連接下端處內側內圖9壁、202.73 MPa圖10位于大端內側內壁、圖11339.67 MPa裙座圖12位于連接處上部外側、圖13282.353 MPa圖3導管單元網(wǎng)格劃分圖6 GRC 變形圖4氣化爐錐殼單元網(wǎng)格劃分AN圖7GRC應力強度云圖中國煤化工圖5氣化爐裙座單元網(wǎng)格劃分MHCNMHG4)邊界條件(略)。5)操作載荷。①計算壓力(作用在殼體內圖8導管變形第6期.郭文元等.大型粉煤氣化爐關(guān)鍵部件結構應力分析研究40914;②導管:選擇位于導管的連接部位最大應力點(diǎn)截面(危險截面)進(jìn)行應力強度評定,線(xiàn)性化應力強度見(jiàn)圖15和表7;③氣化爐錐殼:選擇錐殼大端與圓簡(jiǎn)體連接處最大應力點(diǎn)截面(危險截面)進(jìn)行應力強度評定，線(xiàn)性化應力強度見(jiàn)表8和圖圖9導管應力強度 云圖.16;④裙座連接處:選擇氣化爐裙座與球殼連接處最大應力點(diǎn)截面(危險截面)進(jìn)行應力強度評定,線(xiàn)性化應力強度見(jiàn)表9和圖17。表6氣體返向窒危險截面線(xiàn)性化應力強度位置內壁中心外璧應力強度358.4 MPa195. 1 MPa36.37MPa圖10氣化爐 錐殼變形應力種類(lèi)PL+ QPrP+ Q許用應力強度3S. =1.58m=3Sm=475.8MPa237 .9MPa475.8MPa .評定結果合格360 N288 t252上5216MEM+ RANE司180108-TOTAL圖11氣化爐錐殼應力強度云圖6-MEM+BENDAN031812192266304 342380DIST圖14氣體返向室危險截面線(xiàn)性化應力分布92.44181.7171.1160.5+MEM+RANE了149.1287圖12裙座連接處變形118.0107.41N圖15導管危險 截面線(xiàn)性化應力分布表7導管連接部位危險截面線(xiàn)性化應力強度露外壁203.0MPa149.9MPa96.80 MPa圖13裙座連接處應 力強度云圖7)判定準則3。①總體一次薄膜應力P應475.8 MPa3S。=1.5Sm=237.9 MPa滿(mǎn)足Pm≤Sm;②→次局部薄膜應力PL應滿(mǎn)足合格，Pr≤1.5Sm ;③一次局部薄膜應力PL和一次彎曲表8錐殼大端與圓筒體連接處危險截面線(xiàn)性應力強度應力Pb應滿(mǎn)足PL + Pb≤1.5Sm;④一次應力和二次應力Pr、Pb、Q 應滿(mǎn)足Pr+ Pb+ Q≤3Smo應力中國煤化工-MPa138.3 MPa8)應力評定。①氣體返向室:選擇位于導管P+Q和氣體返向室連接處的最大應力點(diǎn)截面(危險截許MHCNMHG.:=日罐a面)進(jìn)行應力評定,線(xiàn)性化應力強度見(jiàn)表6和圖.評定結果410大氛職2009年第32 卷316.7 K正常、安全操作運行有多大的影響,并以此可以得257.1出爐體制造、組裝與安裝的最大允許偏差,考慮一227.3~;197.6 t定的安全裕度后用于指導爐體的制造檢驗、驗收6167.8 t108.2MEM+ BEND/和爐體大部件組裝、安裝驗收。78.4-煤氣化裝置開(kāi)車(chē)成功及正常操作運行期間，48.7 MEM+RANE為了驗證氣化爐與廢熱鍋爐系統爐體大直徑斜開(kāi)081624324048566472孔等關(guān)鍵部件的結構應力分析研究成果的實(shí)際工圖16錐殼大端與圓簡(jiǎn)體連接處線(xiàn)性化應力分布程應用情況,分別在氣化爐系統吊裝就位后對氣表9裙座與球殼連接處線(xiàn)性應力強度化爐裙座與氣化爐底部的連接處、氣化爐上部錐位置內壁中心段處、導管交接處、氣體返向室斜開(kāi)孔處廢熱鍋應力強度88.34 MPa80.28 MPa126.7 MPa爐恒力彈簧吊掛系統、廢熱鍋爐底部導向架等進(jìn)應力種類(lèi)PL+QPPI+ Q許用應力強度3Sm =1.5Sp=3Sm=行了針對性檢查,均未發(fā)現有異?，F象。475.8MPa237.9MPa大型煤粉氣化爐作為SCGP煤氣化工藝的核評定結果合格心設備,與其他型式的氣化爐相比,其技術(shù)具有顯TOTAL/著(zhù)的特點(diǎn)。粉煤氣化爐爐體屬于一個(gè)非常復雜的設備,因而在結構技術(shù)研究、設計過(guò)程中必須考慮結構的合理性,在計算中必須充分考慮到各種附20[MEM+BEND加載荷情況,并找出最危險的工況組合,同時(shí)在制795612182430364248546066MEM+RANE造過(guò)程中對該類(lèi)設備的熱處理、無(wú)損檢測、水壓試驗、開(kāi)停車(chē)工況的要求等都必須充分考慮,從而使圖17裙座 與球殼連接處線(xiàn)性應力分布爐體外殼的設計更加合理、安全,更加經(jīng)濟。參考文獻4結束語(yǔ)通過(guò)氣化爐與廢熱鍋爐系統關(guān)鍵部件及部位1郭文元. 大型干煤粉氣化爐的技術(shù)特點(diǎn)[J].石油化工設備技術(shù),2005.26(5).19~21的應力分析研究,形成的計算方法也可用于校驗2郭文元， 段新群等.干粉煤氣化爐及廢鍋系統整體動(dòng)力效應爐體在制造、組裝過(guò)程中產(chǎn)生偏差的強度與安全分析[J].大氬肥2008.31(6) .361 ~ 366性,同時(shí)，也可以評定制造、組裝產(chǎn)生偏差對爐體JB4732- -995, 鋼制壓力容器一-分析設計標準[S]ANALYSIS OF AND STUDY ON STRUCTURE STRESS OF CRITICALPARTS IN LARGE PULVERIZED-COAL GASIFIERGuo Wenyuan( SINOPEC Ningbo Instiue of Technology , Ningbo ,315103)Duan Xinqun, Jiang Ziping( SINOPEC Ningbo Engg . Corp. , Itd. , Ningbo ,315103)Abstract This article, based upon the force analysis on the structure of large dry pulverized-coal gasifer and WHB system, has carried out the stress analysis and study on the structures of suchcritical parts ( position) as oblique opening of large diameter on the gasifier, ducts, conical shell andskint and further the study result has been used in the engineering applications as guiding the struc-ture design, fabrication/ inspection/ acceptance and ass中國煤化工ice of both gasifierand WHB in the coal-gasification plant has indicated:fYHc N M H Grurement has fllbeen satisfied.Key words: gasifier, stress analysis, structure, pulverized-coal