大型粉煤气化炉关键部件结构应力分析研究

2009年12月...Dec.2009第32卷第6期Large Scale Nitrogenous Fertilizer IndustryVol.32 No.6大型粉煤气化炉关键部件结构应力分析研究郭文元段新群? 蒋自平2(1.中国石化集团宁波技术研究院,浙江宁波,315103;2.中国石化集团宁波工程有限公司.浙江宁波,315103)摘要通过对大型干煤粉 气化炉及废热锅炉系统的结构受力分析,进行了炉体大直径斜开孔、导管、气化炉锥壳和裙座等关键部件(部位)的结构应力分析研究,并将研究结果用于指导炉体的设计、制造检验验收.组装等,经过煤气化装置气化炉和废热锅炉的操作运行实践表明完全满足装置操作要求。关键词气化炉应力分析 结构粉煤1概述保证整个系统处于安全状态。这样特殊的“固定日投煤量2000t SCGP煤气化工艺干煤粉气+弹性”支撑方式,在进行结构设计时必须进行系化炉作为以固态原料采用非催化部分氧化制合成统承压外壳的强度计算,从而保证其安全性。气,在国内已建成或正在建设的装置有20套以气体源剧室上,中国石化集团宁波工程有限公司(以下简称宁波工程公司)承建了其中4套装置用于合成氨“煤代油”技术改造的气化装置,已分别于2006年底、2007年初相继开车投人工业化运行。粉煤气化装置的核心设备是气化炉及其废热锅炉系统。干煤粉气化炉中发生部分氧化气化反魅7段应,工艺选择必须使气流以接近45°角度进人废热锅炉中进行余热回收。气化反应生成主要成分为2CO+ H2、温度为1400~ 1600C的粗合成气,经激冷至900C后通过导管、气体返向室进人废热锅炉,粗合成气的余热回收在废热锅炉(合成气冷却气化护器)中完成。就气化炉及废热锅炉系统机械结构方面而言,与常规大型设备的结构、安装方式不同,该气化炉、导管、气体返向室、废热锅炉组成了一个整一部分第二部分体结构安装在气化岛内的开放式刚性框架中,如图1所示。装置第一部分气化炉侧高度约40m,图1气化炉及废锅系统布置其支撑方式为底部固定在35 m混凝土框架上;装1--气化炉裙座与下球封连接处;2-气化炉锥壳;置第二部分废热锅炉侧高度约50m,采用恒力弹3一激冷段与导管连接处;4- GRC大直径斜开孔处簧吊架吊挂支承;该两部分轴线间距为10m,通过导管+气体返向室连为一体。这样的“固定+弹中国煤化工E程师，1988年毕业于华性"支撑方式的优点是使整个系统无论在冷态(安东化fYHC N M H G集团宁波技术研究院副装、停车期间),还是在热态(操作运行期间)都能院长,获12项中国专利。联系电话:0574.87975205; E-mail: guowy够保证不会因为热胀冷缩产生过大的结构应力，@ snee . com。第6期郭文元等.大型粉煤气化炉关键部件结构应力分析研究407宁波工程公司通过对粉煤气化炉与废热锅炉热锅炉侧采取恒力弹性吊挂(采用恒力弹簧)的方系统结构全面的技术分析和研究,并结合已有的式,从而满足气化炉和废热锅炉系统整体的“柔工程设计经验,采用应力分析的方法开展了该系性"要求。这样特殊的“固定+弹性”支撑方式必统关键部件结构的设计,并坚持设计的先进性与须首先考虑这些关键部件(部位)的结构受力状技术的稳妥可靠相结合、设备的结构设计与制造技术要求相结合、现场组装安装技术要求与设备1)气化炉裙座连接处。由于在废热锅炉侧开车操作运行的工况相结合等原则，经多个技术采取恒力弹性吊挂,将传递给作为固定处的气化方案反复比选分析研究最终确定了气化炉壳体的炉裙座连接处有多大的附加力和弯矩,才能确定设计结构,而且大大降低了气化炉及废热锅炉这裙座连接处的全部受力状况。些大型引进设备的造价投资,具有明显的经济效2)导管。由于在气化炉裙座处固定支撑,相益和深远的社会效益。应地通过导管将分担(支撑)了多少废热锅炉侧的重量,才能确定导管的全部受力状况。2炉体 系统整体结构受力分析3) GRC大直径斜开孔处、气化炉锥壳处。由煤粉气化装置中,气化炉与废热锅炉系统由于在废热锅炉侧采取恒力弹性吊挂，在气化炉锥炉体(承压外壳)和相应的内件(膜式水冷壁、盘管壳处.气化炉激冷段与导管交界处、气体返向室等)组成,粉煤气化炉的气化反应器和废热锅炉通GRC大直径斜开孔交界处产生多大的附加力和过导管+气体返向室(GRC)连接在一起成为整弯矩,才能进行强度与开孔补强计算。显然,如采用“常规设计”则无法进行炉体外体[1。炉体外壳主要技术特性参数见表1。壳各部件的强度计算,必须首先对气化炉及废热表1炉体(承压外壳)主要 技术特性参数设计、制造、检验JB4732- 19959“ 钢制压力容器一应力锅炉系统整体做动力效应分析计算[2] ,确定上述及验收规范分析设计标准"各交界截面处的附加力和弯矩后,再通过采用“有设计压力/MPa5.2限元应力分析”的设计计算方法,才能全面确定各关设计温度/350主体材质气化炉:SA387Gr.11CL.2/IN825 +键部件的强度,从而保证气化炉和废热锅炉系统整SA387Gr. 11CL.2体安全。导管、CRC与废锅上段:SA387Gr.11CL.2废锅下段:SA387Gr.11CL.2/304L气化炉及废热锅炉系统整体动力效应分析计主要规格/ mm气化炉及激冷管:ID4630/1D3020 x 30900算的上述部件(部位)处的附加操作载荷见表2。导管:1D3020表2气化炉 系统关键部件(部位)附加操作载荷GRC:ID1870x 285/ ID34000废热锅炉: ID3400x 40500位置F,/kN F,/kN F/AkN M./kNim M,/kNn M./kNin炉体外壳按“压力容器安全技术监察规程”、GRC8873.975.6292.3 17065.1 319.8导管820.2 47.2 1306 494.7. 15601.4 522.1JB4732- -1995 钢制压力容器一-应力分析设计标气化炉锥壳888.9 69.2 3249.5. 1150.8 12674.9 625.2准”体系以及宁波工程公司工程标准进行设计、制裙座连接处988.9 169.1 8966.3 3773.1 25618.3 625.2造、试验、检验和验收,按ASMEI材料、ASME第v皿篇第二分篇锅炉和压力容器规范及宁波工程公3关键部件结构应力分析司工程标准“气化关键设备压力容器外壳材料技采用有限元分析,对GRC、导管、气化炉锥壳术条件"进行材料采购和复验。和裙座,应用三维实体和二维轴对称力学模型。为保证气化炉系统的整体强度，就必须对各1)计算程序。有限元分析采用ANSYS计算部件进行强度计算。本文重点择取炉体外壳的关程序键部件及关键部位一气体返向室(GRC)大直径2)材料特性见表3。斜开孔处、气化炉激冷段与导管交界处、气化炉锥表3材料特性壳、裙座与气化炉下球封连接处进行分析研究。. Sm许用设计应力中国煤化工踱(30C下)AMP由图1可以看出,由于气化炉和废热锅炉通SA387158.6过导管连接成一整体,为保障该系统整体在操作SA182 I:YHCNMHG140.7状态”下无任何限制(约束)而较自由热膨胀,在废3)几何模型和划分网格见表4。408大氛配2009年第32卷表4几何模型和网格划分几何模型网格划分部件(部位)特构特性单元类型单元数节点数单元连接图CRC1347562949图2SOLID95和SOLID923297044872图3(三维对称的实体单元)锥壳对称裙座与球封连接处轴对称PLANE82(二维轴对称的实体单元)1453045947图5表面上的力) P。= 5.1MPa;②计算温度: T。=350C ;③附加操作载荷见表2。6)应力分析计算结果。气体返向室、导管、气化炉锥壳和裙座的应力分析计算结果见表5。表5应力分析计算结果最大的应力应力强度部件变形情况点位置、数值云图图6位于连接处最下点内侧内图7璧、395.6MPa图2气体返 向室单元网格划分导管图8位于两连接下端处内侧内图9壁、202.73 MPa图10位于大端内侧内壁、图11339.67 MPa裙座图12位于连接处上部外侧、图13282.353 MPa图3导管单元网格划分图6 GRC 变形图4气化炉锥壳单元网格划分AN图7GRC应力强度云图中国煤化工图5气化炉裙座单元网格划分MHCNMHG4)边界条件(略)。5)操作载荷。①计算压力(作用在壳体内图8导管变形第6期.郭文元等.大型粉煤气化炉关键部件结构应力分析研究40914;②导管:选择位于导管的连接部位最大应力点截面(危险截面)进行应力强度评定,线性化应力强度见图15和表7;③气化炉锥壳:选择锥壳大端与圆简体连接处最大应力点截面(危险截面)进行应力强度评定，线性化应力强度见表8和图图9导管应力强度 云图.16;④裙座连接处:选择气化炉裙座与球壳连接处最大应力点截面(危险截面)进行应力强度评定,线性化应力强度见表9和图17。表6气体返向窒危险截面线性化应力强度位置内壁中心外璧应力强度358.4 MPa195. 1 MPa36.37MPa图10气化炉 锥壳变形应力种类PL+ QPrP+ Q许用应力强度3S. =1.58m=3Sm=475.8MPa237 .9MPa475.8MPa .评定结果合格360 N288 t252上5216MEM+ RANE司180108-TOTAL图11气化炉锥壳应力强度云图6-MEM+BENDAN031812192266304 342380DIST图14气体返向室危险截面线性化应力分布92.44181.7171.1160.5+MEM+RANE了149.1287图12裙座连接处变形118.0107.41N图15导管危险 截面线性化应力分布表7导管连接部位危险截面线性化应力强度露外壁203.0MPa149.9MPa96.80 MPa图13裙座连接处应 力强度云图7)判定准则3。①总体一次薄膜应力P应475.8 MPa3S。=1.5Sm=237.9 MPa满足Pm≤Sm;②→次局部薄膜应力PL应满足合格，Pr≤1.5Sm ;③一次局部薄膜应力PL和一次弯曲表8锥壳大端与圆筒体连接处危险截面线性应力强度应力Pb应满足PL + Pb≤1.5Sm;④一次应力和二次应力Pr、Pb、Q 应满足Pr+ Pb+ Q≤3Smo应力中国煤化工-MPa138.3 MPa8)应力评定。①气体返向室:选择位于导管P+Q和气体返向室连接处的最大应力点截面(危险截许MHCNMHG.:=日罐a面)进行应力评定,线性化应力强度见表6和图.评定结果410大氛职2009年第32 卷316.7 K正常、安全操作运行有多大的影响,并以此可以得257.1出炉体制造、组装与安装的最大允许偏差,考虑一227.3~;197.6 t定的安全裕度后用于指导炉体的制造检验、验收6167.8 t108.2MEM+ BEND/和炉体大部件组装、安装验收。78.4-煤气化装置开车成功及正常操作运行期间，48.7 MEM+RANE为了验证气化炉与废热锅炉系统炉体大直径斜开081624324048566472孔等关键部件的结构应力分析研究成果的实际工图16锥壳大端与圆简体连接处线性化应力分布程应用情况,分别在气化炉系统吊装就位后对气表9裙座与球壳连接处线性应力强度化炉裙座与气化炉底部的连接处、气化炉上部锥位置内壁中心段处、导管交接处、气体返向室斜开孔处废热锅应力强度88.34 MPa80.28 MPa126.7 MPa炉恒力弹簧吊挂系统、废热锅炉底部导向架等进应力种类PL+QPPI+ Q许用应力强度3Sm =1.5Sp=3Sm=行了针对性检查,均未发现有异常现象。475.8MPa237.9MPa大型煤粉气化炉作为SCGP煤气化工艺的核评定结果合格心设备,与其他型式的气化炉相比,其技术具有显TOTAL/著的特点。粉煤气化炉炉体属于一个非常复杂的设备,因而在结构技术研究、设计过程中必须考虑结构的合理性,在计算中必须充分考虑到各种附20[MEM+BEND加载荷情况,并找出最危险的工况组合,同时在制795612182430364248546066MEM+RANE造过程中对该类设备的热处理、无损检测、水压试验、开停车工况的要求等都必须充分考虑,从而使图17裙座 与球壳连接处线性应力分布炉体外壳的设计更加合理、安全,更加经济。参考文献4结束语通过气化炉与废热锅炉系统关键部件及部位1郭文元. 大型干煤粉气化炉的技术特点[J].石油化工设备技术,2005.26(5).19~21的应力分析研究,形成的计算方法也可用于校验2郭文元， 段新群等.干粉煤气化炉及废锅系统整体动力效应炉体在制造、组装过程中产生偏差的强度与安全分析[J].大氬肥2008.31(6) .361 ~ 366性,同时，也可以评定制造、组装产生偏差对炉体JB4732- -995, 钢制压力容器一-分析设计标准[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中国煤化工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