低壓降水封閥的開發(fā)和應(yīng)用

　　針對現(xiàn)有催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)水封罐壓降大的缺點，開發(fā)設(shè)計出一種新型低壓降水封閥。文中描述了新型低壓降水封閥的原理和新、舊結(jié)構(gòu)壓降數(shù)值模擬分析結(jié)果及其工業(yè)化應(yīng)用。該新型水封閥的應(yīng)用實踐證明，該設(shè)備具有安全、可靠、低壓降和節(jié)能的優(yōu)點，具有較高的工業(yè)化應(yīng)用價值。

　　催化裂化裝置中，以煙氣輪機作為主要設(shè)備的能量回收系統(tǒng)，在提高企業(yè)經(jīng)濟效益方面占有重要位置。催化裝置中的水封罐雖然是整個煙氣能量回收系統(tǒng)的輔助設(shè)備，但卻是保證該系統(tǒng)安全、長周期運行的主要條件之一。原有傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水封罐(傳統(tǒng)水封罐結(jié)構(gòu)見圖1)雖然具有安全性高、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，但同時也具有壓降較大，致使煙氣輪機出口壓力較高，進而影響了煙機最大限度的回收能量。

圖1 傳統(tǒng)水封罐外形示意

　　煙機功率公式為：

　　式中：Nc——煙機實際軸功率，W;

　　Nq——煙機殼體經(jīng)輻射和對流傳出熱量的當(dāng)量功率，W;

　　Nma——軸承消耗功率，W;

　　Pi——煙氣人口壓力，Pa(絕);

　　Pe——煙氣出口壓力，Pa(絕);

　　k——煙氣絕熱指數(shù);

　　Vi——煙氣人口狀態(tài)流量，m3/min。

　　由此可見，如果降低煙氣輪機出口壓力，即煙氣輪機后續(xù)設(shè)備、管道等壓降減小，即可提高煙氣輪機功率。因此開發(fā)一種新型低壓降水封閥，具有非�，F(xiàn)實積極的意義。故某公司在保證催化裂化裝置水封安全可靠的基礎(chǔ)上，開發(fā)出新型低壓降水封閥。

1、新型低壓降水封閥的開發(fā)

1.1、傳統(tǒng)水封罐壓力損失分析

　　傳統(tǒng)水封罐在正常工作時，煙氣經(jīng)過煙道從上方進人水封罐內(nèi)筒，經(jīng)內(nèi)筒折返后流經(jīng)內(nèi)外筒夾套后流出。由于水封罐煙氣進!出口管道必須90°或180°布置，煙氣正常輸送時經(jīng)歷了擴口減速、擴容、180°轉(zhuǎn)向、縮口加速等過程，造成煙氣正常通過水封罐時壓力損失。正常情況下壓力損失在2~4kpa。

1.2、新型低壓降水封閥工作原理

　　新型水封閥的設(shè)計必須依據(jù)如下原則：

　　(1)安全可靠，密封嚴(yán)密;

　　(2)壓降低，即壓力能損失小。

　　在此原則指導(dǎo)下，設(shè)計了一系列結(jié)構(gòu)方案，并作了詳細(xì)的理論分析和計算，最后采用了內(nèi)筒浮動式密封結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 新型低壓降水封閥無水封時示意

　　該水封閥主要利用了流體浮力驅(qū)動和水封原理，利用浮力將閥體內(nèi)的浮動閥芯浮起，浮動閥芯上部有水槽，浮起至煙氣出口管下端時，閥體上部有水封水人口對浮動閥芯上部水槽注水，水槽與煙氣出口管聯(lián)通，煙氣出口管中液位在煙氣進口管壓力的作用下上升，升至與煙氣進口管壓力平衡的液面，達(dá)到切斷煙氣的目的。

　　如需開啟氣相介質(zhì)通道時，將水封水入口關(guān)閉，排水口打開，閥體內(nèi)水外排，浮動閥芯沿導(dǎo)軌下降，落到閥底部的支撐墊鐵上，此時氣體進口管和氣體出口管直接聯(lián)通，整個管路開啟(見圖3)。

圖3 新型低壓降水封閥開啟水封時示意

2、傳統(tǒng)水封罐和新型低壓降水封閥壓降的數(shù)值模擬分析

　　為了比較傳統(tǒng)水封罐和新型低壓降水封閥的壓降，驗證新型低壓降水封閥結(jié)構(gòu)的合理性，以山東某煉油廠1400kt/aDCC裝置為例，對這兩種結(jié)構(gòu)作了數(shù)值模擬：(1)兩個對象的網(wǎng)格劃分方式相同!網(wǎng)格密度一致，采用湍流模型、離散格式;(2)計算條件為：固定進口壓力8.9kPa(表壓)，溫度943K;煙氣流量：2854m3/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài));出口溫度：803K，煙氣按空氣考慮。

　　根據(jù)計算結(jié)果(見圖4與圖5)，在完全相同的計算條件及網(wǎng)格密度下，舊式水封罐的總壓損失為19OOPa，而新式的總壓損失僅370Pa。從新舊結(jié)構(gòu)速度分布矢量圖上可以看出，舊式結(jié)構(gòu)中存在流體在底部急劇減速后進人內(nèi)外筒環(huán)隙急劇加速的過程，此部分壓降損失占總壓損失較大比例，而新式結(jié)構(gòu)無此部分損失，另外新式結(jié)構(gòu)流體流路較短且順暢，漩渦和滯留區(qū)較少，通過數(shù)值模擬分析，可以肯定新型低壓降水封閥壓降是比較低的。

圖4 傳統(tǒng)水封罐某個截面上的總壓損失分布

(進出口面平均總壓差即總壓損失為1900Pa)

圖5 低壓降水封閥某個截面上的總壓損失分布

(進出口面平均總壓差即總壓損失為370Pa)

3、安全可靠性分析

　　為了論證新開發(fā)產(chǎn)品的安全可靠性，進行了設(shè)備故障可能性分析和工藝事故狀態(tài)設(shè)備可靠性分析。

3.1、設(shè)備故障狀態(tài)分析

　　根據(jù)該水封閥結(jié)構(gòu)的特點，比較容易出現(xiàn)的問題是內(nèi)浮筒熱變形!受壓失穩(wěn)!導(dǎo)軌受熱彎曲變形等，這些問題會導(dǎo)致浮筒卡死或無法對應(yīng)進人上部煙氣人口管，無法達(dá)到建立水封截斷煙氣的目的。針對此問題，設(shè)計時主要采取以下措施來保證設(shè)備平穩(wěn)運行：

　　(1)浮筒設(shè)計時進行詳細(xì)的應(yīng)力分析，保證浮筒有足夠的剛度和強度以抵抗失穩(wěn)變形和強度失效;浮筒設(shè)計時考慮熱應(yīng)力及局部熱膨脹變形，浮筒底部、變徑段及密封水槽等部位全采用柔性結(jié)構(gòu)，以降低熱應(yīng)力及局部熱變形，并在制造過程中進行泄漏試驗。

　　(2)嚴(yán)格控制導(dǎo)軌變形，并將其控制在一定范圍內(nèi)，特別不能限制其長度方向膨脹，否則導(dǎo)軌會彎曲，影響浮筒上浮。所以導(dǎo)軌設(shè)計為分段重疊型式，分段導(dǎo)軌兩端自由膨脹，中間支撐采用非焊接結(jié)構(gòu)固定。導(dǎo)軌導(dǎo)向的精確性主要通過控制導(dǎo)軌與浮筒的間隙來確保，其間隙約為浮筒膨脹量+浮筒不圓度公差+經(jīng)驗裕量，保證浮筒上浮過程中最大傾角小于1(°)。

　　(3)在水封閥內(nèi)部設(shè)置內(nèi)浮筒高度位置鎖緊機構(gòu)，水封閥水封效果建立后，可啟動鎖緊機構(gòu)使內(nèi)浮筒固定在相應(yīng)位置，以防止意外情況下內(nèi)浮筒跌落，水封被破壞，泄漏煙氣造成事故。

3.2、工藝事故狀態(tài)下設(shè)備可靠性分析

　　正常工況下煙氣輪機出口催化劑粉塵濃度小于200mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，并且10μm以上的顆粒小于3%，另外低壓降水封罐煙氣進出口壓降低，煙氣流通比較流暢，滯留區(qū)少，攜帶能力大(煙氣流速在30m/S左右)，故積灰的可能性較小。但如果裝置操作不正常，大量催化劑會進人水封閥，如果不清理，會在浮筒上結(jié)垢，堵塞浮筒與導(dǎo)軌間隙，導(dǎo)致內(nèi)浮筒難以浮起，所以水封閥下部設(shè)置催化劑清除口，可用高壓水清洗后放出，從而提高可靠性。

　　另外，從中石化鎮(zhèn)海煉化分公司使用一年后停工檢查、試驗結(jié)果看，內(nèi)浮筒和導(dǎo)軌無明顯變形、扭曲，沖水試驗水封閥工作正常，實際應(yīng)用效果證明，該新型水封罐具有較高的可靠性。

4、工業(yè)化應(yīng)用

　　中石化鎮(zhèn)海煉化分公司2007年11月5日煙機后路壓力突然下降5kPa，檢查后發(fā)現(xiàn)為原傳統(tǒng)水封罐內(nèi)筒脫落所致。內(nèi)筒脫落后煙氣不再經(jīng)內(nèi)外筒間的環(huán)隙折流，而是直接側(cè)向進人，向上出水封罐，與新型低壓降水封閥煙氣流路相同。2009年5月中旬在3000kt/a催化裂化裝置長周期運行及節(jié)能改造項目中，將余鍋進口水封罐改造為新型低壓降水封閥，改造后煙機后路壓力與2007年n月5日后相同"該結(jié)果說明，新型低壓降水封閥與傳統(tǒng)水封罐相比壓降減小約5kPa，經(jīng)過三個多月的運行觀察，煙氣輪機輸出功率明顯提高，電動機耗功顯著降低，從而整個裝置的耗能減少"改造前后的運行工藝操作參數(shù)對比見表1。

表1 改造前后煙氣輪機工藝操作參數(shù)對比

　　從表1可以看出，改造前后在主風(fēng)流量、主風(fēng)機出口壓力、再生器壓力、煙氣輪機入口壓力、煙機入口開度等變化很小的情況下，煙機出口壓力出現(xiàn)明顯的降低。從電機耗功和電機電流數(shù)據(jù)可以看出，改造后煙機做功增加，除滿足電動機需求外多發(fā)電250kw。從而減少整個裝置的能耗，創(chuàng)造經(jīng)濟效益每年約514.4萬元，經(jīng)濟效益顯著。

5、結(jié)語

　　在催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)中，應(yīng)用新型低壓降水封閥，壓降比傳統(tǒng)水封罐將低80%以上，假定3000kt/a催化裂化裝置有4000m3/min(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))煙氣量，依據(jù)以往操作取得的經(jīng)驗，背壓每降低1kPa，電功功耗下降120kw左右。因此通過應(yīng)用新型低壓降水封閥來降低煙機背壓對降低裝置能耗效果顯著;同時，降低能量回收系統(tǒng)的背壓，對催化裂化裝置未來配備煙氣脫硫等其他裝置提供了壓力和動能，為避免更換主風(fēng)機等設(shè)備提供了可能性。然而該水封閥也具有造價較高!結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷。綜上所述，該新型低壓降水封閥具有廣闊的工業(yè)化應(yīng)用前景。

參考文獻：

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