多段床氣化爐高溫設備及管道應力分析

10-3969/j.ssn.1673- 3355.2012.05.010多段床氣化爐高溫設備及管道應力分析葉水祥'，趙石軍，唐升連2摘要:利用CAESAR II管道應力分析軟件對某公司多段分級轉化流化床煤氣化中試裝置核心設備:氣化爐、三級旋風(fēng)分離器、廢熱鍋爐及附屬管道進(jìn)行整體建模與應力分析，比較三種不同管道布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)。按美國ASME B31.3《工藝管道》標準要求及工程實(shí)踐經(jīng)驗，考慮管道在內壓、自重、溫度、地震、風(fēng)載等載荷作用下管道的受力情況，并通過(guò)載荷T況的組合作用，得出各個(gè)工況下管道的應力分布，確定各彈貸支座的型號，計算管道對設備管口的管道載荷。關(guān)鍵詞:煤氣化;應力分析;彈簧支座;偶然載荷中圖分類(lèi)號: TQ545文獻標識碼: B文章編號: 1673-3355 (2012) 05-0016-03Stress Analysis of High Temperature Equipment and Pipe in Multistage Bed GasifierYe Shuixiang，Zhaoshijun, Tang ShenglianAbstract: The pipe stress analysis software CAESARII is used to establish the model to perform the stress analysis on thecore. equipment of the mulistage conversion fnuidized bed coal -gasification pilot plant that is developed by a company:gasifier, triple cyclones and waste heat boiler as well as accessory piplines. The advantages and disadvantage of three dfferentpiping schemes are compared. The stress distribution under different service conditions is obtained on the basis of ASMEB31.3 Process Piping and the experience gained from previous projects and under the consideration of the forces acting on thepipelines under the loads of intemal pressure, dead weigh, temperature, seismic ，wind and etc and by the combination ofdifferent service conditions. With the stress distribution result, the type of spring supports can be determined and the load ofthe pipelines exerting on the nozzle of vessels can be calculated.Key words: coal gasification; stress analysis; spring support; occasional load某公司多段分級轉化流化床煤氣化中試裝置礎_上進(jìn)行改造，受原平臺空間限制，設備和管道布核心設備為氣化爐、三級旋風(fēng)分離器、廢熱鍋爐置緊湊，利用CAESAR I管道應力分析軟件"對中及附屬管道(見(jiàn)圖1)。人爐煤從氣化爐下部和上試裝置核心部分進(jìn)行整體建模，可分析計算其在內部分別進(jìn)入，在高溫(1 000~1 1009C)下，與氣化壓和各種載荷作用下的應力分布情況;分析比較管劑進(jìn)行反應，生成灰渣團聚物和粗煤氣?；以鼒F系在各種布置方案下的應力水平，為選擇最佳方案聚物經(jīng)渣鎖排出氣化爐，粗煤氣進(jìn)人三級旋風(fēng)分提供依據;計算管道對各設備管口的管道載荷，為離器，所夾帶的細粉被捕集后經(jīng)料腿和返料閥門(mén)設備設計提供外載;計算彈簀支吊架!21的載荷和位返回氣化爐進(jìn)一步氣化。高溫煤氣經(jīng)過(guò)除塵后，移， 確定彈簧支吊架型號。再進(jìn)人廢熱鍋爐進(jìn)行廢熱回收。2三種方案的比較分析1 CAESAR整體應力分析的目的由于各設備布置緊湊，如何配管使管道既能滿(mǎn)由于該多段分級轉化流化床煤氣化中試裝置足工藝要求，又能使管道在各種工況下滿(mǎn)足應力強是在原加壓灰熔聚流化床粉煤氣化中試平臺的基度條件是最困難的問(wèn)題，為此配管工程師提出了三中國煤化工1.一重集團大連設計研究院有限公司助理.程師，遼寧大連166002.一重集團大連設計研究院有限公司高級T程師，遼寧大連16600MYHCNMH G62 ，2012年第5期(總149期)CFHIyz.Ss@chi.com233計算機應用諧蹣動(dòng)限明a a路 法線(xiàn)雅CFHI TECHNOLOGY132.3 方案三:旋風(fēng)分離器用彈簧支座在該方案中氣化爐和廢熱鍋爐用固定支座支撐4_2在鋼結構框架上，三個(gè)旋風(fēng)分離器改用彈簧支座支\0撐，用彈簧支座的變形來(lái)吸收熱脹量,降低管道應力(見(jiàn)圖 2)。142/41一第三旋風(fēng)分離器; 2- -管道三; 3一管道二;4一管道一;5一第一旋風(fēng)分離器; 6-- 旋支座; 7- -- -料腿返回管道; 8- 三旋支座;1-第三旋風(fēng)分離器; 2- 彈簧支座; 3一三旋至廢鍋管9-第二旋風(fēng)分離器; 10- 二旋支座; 11一二料腿返回管道; 12-道; 4←廢熱鍋爐; 5一固定支座。氣化爐固定支座; 13- -管道四; 14- -廢熱鍋爐; 15一固定 支座。圖2方案三:旋風(fēng)分離器改用彈簧支座結構示意圖圖1氣化爐、 旋風(fēng)分離器、廢鍋鍋爐及附屬管道整體結構示意圖該方案雖然結構上較前兩個(gè)方案復雜，但占用空間小，可以安裝在原框架結構上，經(jīng)過(guò)計算后管種配管方案。道應力又能滿(mǎn)足應力強度條件，因此該方案切實(shí)可2.1 方案一:固定支座加膨脹節行，某公司開(kāi)發(fā)的多段分級轉化流化床煤氣化中試氣化爐和三個(gè)旋風(fēng)分離器都由固定支座支撐在裝置正是采用了該種方案。鋼結構框架.上,在三級旋風(fēng)分離器到廢熱鍋爐的長(cháng)管道上加膨脹節，以吸收由熱脹引起的變形量，從3 CAESARI應力分析計算而降低管道應力。該方案的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，安裝方便。但因膨3.1管道載荷的確立脹節每隔-段時(shí)間就必須更換，所以不利于維護，(1) 計算壓力及計算溫度且由于管道內壁需敷設耐火及保溫層材料，膨脹節氣化爐的操作壓力為3.0 MPa,氣化爐內部的在管系的變形協(xié)調中會(huì )受拉壓作用而發(fā)生彎曲，導操作溫度約為1200C,但因設備和管道內壁都敷致內壁的耐火材料被破壞，高溫介質(zhì)將直接與金屬設有耐火材料，所以管線(xiàn)的計算壓力為3.0 MPa,管道接觸，致使管道許用應力降低，最終破壞管計算溫度為150 C。道。(2)風(fēng)載荷在CAESARI中用考慮了保溫層和風(fēng)向角的管2.2 方案二:固定支座加“T”形彎管道的暴露面積乘以等效風(fēng)壓和管道的形狀系數來(lái)得氣化爐和三個(gè)旋風(fēng)分離器周支在鋼結構框架到風(fēng)載荷”，用戶(hù)一般可以用三種方法來(lái)計算等效上，在第旋風(fēng)分離器到廢熱鍋爐的長(cháng)管道中加入風(fēng)壓。第一種用ASCE7-2005規范進(jìn)行計算，第二“I”形彎管，用彎管來(lái)吸收熱脹引起的變形量，種用風(fēng)壓和高度關(guān)系表進(jìn)行計算，第三種用風(fēng)速和降低管道應力。高度關(guān)系表進(jìn)行計算。單元上總的風(fēng)力計算公式:該方案同樣結構簡(jiǎn)單，安裝方便，但由于受原F=P2SA1)框架空間限制，“II” 形彎管將超出框架并和框架式中，F一單元上總的風(fēng)力(N); P2-等效風(fēng)壓橫梁干涉，因此該方案雖然能滿(mǎn)足T藝和應力強度(動(dòng)中國煤化花節元風(fēng)形狀系數;條件，但卻無(wú)法在中試裝置中實(shí)現。TYHCNM HG2012年第5期(總149期)CFHIyzjs @chmi.com一技術(shù)eT3rowaaa計算機應用在本項目中由于試驗基地的風(fēng)壓隨高度的變化根據操作L況和持續工況組合出膨脹工況(EXP) 。關(guān)系已經(jīng)測得(見(jiàn)圖3)，故使用第二種方法計算(2)偶然載荷工況風(fēng)壓和單元所受的風(fēng)力，風(fēng)形系數取0.6。偶然載荷包括風(fēng)載荷和地震載荷，按照ASMECAESAR IB31.3151的規定，風(fēng)載荷和地震載荷不考慮疊加，分別與正常運行載荷單獨組合。PRESSUREELEVATIOH①風(fēng)載荷工況KPa.0. 450010. 0000風(fēng)載荷工況除了自重(W)、位移(D)、 溫度0. 513015. 00000. 562520. 0000 I(7)、壓力(P)、 彈簧附加力(H) 等載荷分量外，0.639030.0000還包括風(fēng)載分量，本項目中風(fēng)載方向由風(fēng)玫瑰圖中0.702040. 0000.751550. 000比例最高的方向確定。0.7965”60. 0000②地震載荷工況.0. 837070. 0000.877580. 000地震載荷工況除了自重(W)、位移(D)、溫度(T)、壓力(P)、彈簧附加力(H) 等載荷分量圖3某基地風(fēng)壓隨高 度變化關(guān)系表外，還包括X、Y、Z三向地震分量。(3)地震載荷③載荷組合工況.CAESAR I軟件對地震載荷H可采用靜態(tài)計算CAESARII提供的基本工況為持續工況和動(dòng)態(tài)計算兩種分析方法，施加靜態(tài)地震載荷的方(SUS).操作工況(OPE)、 熱脹工況(EXP) 和偶法與風(fēng)載荷類(lèi)似，地震載荷的大小與單元重量成正然工況(OCC)，用戶(hù)可利用這些基本工況組合出比。本項目采用靜態(tài)計算方法，地震加速度取0.2go所需的各種. L況，以校核一次應力和二次應力，計算管道上各約束在不同工況下的受力和位移等，具3.2載荷組合工況及計算有極高的靈活性，為用戶(hù)提供了很大的方便。在CAESAR II中利用工況代數組合可以將基本.④結果分析載荷工況進(jìn)行組合，形成各種組合工況。通過(guò)上述T況組合計算后，從CAESAR I輸出(1)正常載荷工況文件中可以得到該中試裝置在各個(gè)工況下的應力分正常載荷工況應考慮自重(W)、位移(D) 、布、端點(diǎn)位移和約束載荷，通過(guò)計算彈簧支座的載溫度(T)、 壓力(P) 和彈簧附加力(H) 等載荷荷和位移，確定了彈簧支座型號(見(jiàn)表1),從結分量，并由這些載荷分量組合出彈簧工況果文件可以判斷，方案三的管道布置是合理的，既(HGR)，操作工況(OPE)、 持續工況(SUS), 并滿(mǎn)足工藝要求，又滿(mǎn)足應力強度條件。表1旋風(fēng)分離 器彈簧支座選型表位置彈簧型號數量垂直位移(向上)工作載荷 安裝載荷 彈簧剛度水平位移 最大高度 最小高度(JB/T 8130.2- 1999(mm)(N)N)(N/cm)第一旋風(fēng)分離器TD60 F11825.093355514351631744.5482272第二旋風(fēng)分離器TD90FI 1828.141340403999521162.8018939第三旋風(fēng)分離器TD60FI 1728.018260373235922563.7376616參考文獻4結語(yǔ)川CAESAR I 2011 User's Guide, COADE Eingineering Software, Inc.[2]中華人民共和國機械行業(yè)標準，JB/T8130.2-1999， 可變彈簧支由于CAESAR II程序將管線(xiàn)作為梁?jiǎn)卧幚砭W(wǎng),吊架.與實(shí)際情況仍有一-定偏差， 因此該程序只能用于整[3] CAESAR I 2011 Applications Guide, C0ADE Engineering Software,體的受力分析和應力評判，而各個(gè)管件的強度是否[4| CAESAR I 2011 Technical Relerence Manual, COADE Engineering滿(mǎn)足要求還需進(jìn)行局部應力分析計算，而且Software, Ine.CAESAR II軟件分析只是整個(gè)中試裝置應力分析的[51 ASME Code for Pressure Piping. B31.3. Process Piping,基礎，對于個(gè)別危險管件，還需通過(guò)有限元計算米[6]唐永進(jìn).壓中國煤化工國石化出版社, 2003.判斷其應力強度條件。收稿日期:|YHCNMH G642012年第5期(總149期)CFyzsGctm.com