空氣預(yù)熱器配套設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題探析

馬文禮，謝翼南，劉 軍，王艷芝，古 鑫

（1.延安大學(xué)石油與環(huán)境工程學(xué)院，陜西 延安 716000；2.中石油克拉瑪依石化有限責(zé)任公司，新疆 克拉瑪依 834003）

某石化公司加氫裝置目前在用的水熱媒空氣預(yù)熱器在使用過(guò)程中頻繁出現(xiàn)泄漏，許多換熱管內(nèi)壁出現(xiàn)腐蝕減薄，經(jīng)過(guò)換熱后的煙氣出口溫度為170℃，高于理想排煙溫度（120～130℃），換熱效果降低，熱能損失大。在此情況下，車(chē)間決定用換熱及防腐效果更好的板式空氣預(yù)熱器更換在用的水熱媒空氣預(yù)熱器［1］。要將板式空氣預(yù)熱器現(xiàn)場(chǎng)更換安裝，需將現(xiàn)用的水熱媒空氣預(yù)熱器拆除，在現(xiàn)有的位置完成板式空氣預(yù)熱器與原加熱爐煙風(fēng)系統(tǒng)的對(duì)接。

1 空氣預(yù)熱器的基礎(chǔ)與現(xiàn)有電纜槽盒相碰

1.1 問(wèn)題描述

空氣預(yù)熱器（下文簡(jiǎn)稱為預(yù)熱器）更換屬于改造項(xiàng)目，首先將原有水熱媒預(yù)熱器拆除，將板式預(yù)熱器放入，若預(yù)熱器居中放置，則易于完成預(yù)熱器與原熱煙道、冷煙道、熱風(fēng)道、冷風(fēng)道4口對(duì)接。但由于板式預(yù)熱器的外形結(jié)構(gòu)較以前的水熱媒預(yù)熱器擴(kuò)大很多，若預(yù)熱器居中放置，其中左邊2個(gè)基礎(chǔ)會(huì)與現(xiàn)有的加熱爐電纜槽盒相碰。

1.2 原因分析

預(yù)熱器基礎(chǔ)與現(xiàn)有電纜槽盒相碰，其最直接的解決方法是將電纜槽盒向右移位，以避讓基礎(chǔ)。即在電纜與基礎(chǔ)相碰處將電纜截?cái)?，通過(guò)移位避開(kāi)預(yù)熱器基礎(chǔ)，但由于電纜槽盒內(nèi)電纜較多，很多是加熱爐的重要控制點(diǎn)電纜，若按照上述方案將電纜截?cái)嘁莆?，電纜的接頭增多，接頭處往往是故障點(diǎn)，采用此方案會(huì)增加儀表維修頻次，不利于加熱爐安全運(yùn)行。

1.3 改進(jìn)措施

將預(yù)熱器由居中放置改為偏心放置，以避讓電纜槽盒，預(yù)熱器偏心放置見(jiàn)圖1。

圖1 預(yù)熱器偏心放置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位置，預(yù)熱器右邊為空地，無(wú)障礙物，因此預(yù)熱器中心可向右偏移500 mm，保證預(yù)熱器的左側(cè)基礎(chǔ)不與電纜槽盒相碰。

預(yù)熱器中心位置右移，加大了預(yù)熱器與原熱煙道、冷煙道、熱風(fēng)道、冷風(fēng)道4個(gè)口的對(duì)接難度，預(yù)熱器與原煙風(fēng)道口的對(duì)接分為4個(gè)步驟。

（1）熱煙道口對(duì)接：從煙囪伸出的熱煙道中心標(biāo)高與板式預(yù)熱器頂高僅差1 358 mm，對(duì)于DN2200的熱煙道拐彎半徑太小，無(wú)法沿用原有熱煙道水平管加彎頭與預(yù)熱器熱煙口對(duì)接的方式，改為水平熱煙道先進(jìn)入封閉箱體，箱體的5面封閉，僅留1面與預(yù)熱器熱煙口對(duì)接；

（2）冷煙道口對(duì)接：在預(yù)熱器下方接1個(gè)方箱，先保證預(yù)熱器冷煙道出口與原冷煙道處于同一標(biāo)高（▽1 580 mm），然后從方箱1側(cè)開(kāi)口，接偏心圓位置（偏心500 mm）與原冷煙道對(duì)接；

（3）冷風(fēng)道口對(duì)接：預(yù)熱器的更換盡量不影響周邊設(shè)備的放置及運(yùn)行，在冷風(fēng)道與預(yù)熱器對(duì)接過(guò)程中，保證鼓風(fēng)機(jī)與冷風(fēng)道的連接不變，在預(yù)熱器與冷風(fēng)道間設(shè)置1個(gè)箱體，箱體1端連接預(yù)熱器冷風(fēng)口，另1端連接冷風(fēng)道，實(shí)現(xiàn)與原冷風(fēng)道對(duì)接；

（4）熱風(fēng)道口對(duì)接：預(yù)熱器出來(lái)的熱風(fēng)道先連接矩形大小頭，縮頸后再連接矩形彎頭變向后與原熱風(fēng)口對(duì)接。通過(guò)預(yù)熱器偏心放置，使預(yù)熱器與電纜槽盒相碰的問(wèn)題得到解決。

2 預(yù)熱器混凝土支柱的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置

2.1 問(wèn)題描述

為實(shí)現(xiàn)預(yù)熱器與現(xiàn)場(chǎng)煙風(fēng)道口對(duì)接，預(yù)熱器混凝土基礎(chǔ)高度需抬高至地面以上4 088 mm處，預(yù)熱器本體載荷重達(dá)120 t。混凝土基礎(chǔ)高度抬高，其抵抗風(fēng)載荷、地震載荷的能力相對(duì)下降，預(yù)熱器廠家提供的500 mm×500 mm的混凝土支柱截面不能夠承載相應(yīng)的重力載荷、風(fēng)載及地震載荷，而加大基礎(chǔ)截面將受到現(xiàn)場(chǎng)空間位置的限制。

2.2 原因分析及改進(jìn)措施

混凝土支柱截面需由500 mm×500 mm加大至700 mm×700 mm，才能夠承載相應(yīng)的重力載荷、風(fēng)載及地震載荷。而加大基礎(chǔ)截面，就會(huì)與預(yù)熱器箱體相碰，為防止相碰，經(jīng)過(guò)與廠家協(xié)商，將預(yù)熱器左右基礎(chǔ)間距由5 000 mm擴(kuò)至5 200 mm，預(yù)熱器基礎(chǔ)間距及大小調(diào)整前后比較見(jiàn)圖2。

圖2 預(yù)熱器基礎(chǔ)間距及大小調(diào)整前后比較

使基礎(chǔ)與預(yù)熱器的箱體不能相碰，混凝土支柱的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置問(wèn)題得到解決。同時(shí)為增強(qiáng)預(yù)熱器4個(gè)混凝土支柱的穩(wěn)固性，在4個(gè)混凝土支柱間設(shè)置混凝土橫梁，同時(shí)加大地腳螺栓根徑（由M30加大為M36）加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體承載能力［2］。

3 熱煙道支撐的設(shè)置

3.1 問(wèn)題描述

原有水熱媒預(yù)熱器熱煙道（Ф2 200，重達(dá)10 t），1端固定在煙囪外壁，另1端固定在預(yù)熱器頂部（預(yù)熱器上方無(wú)膨脹節(jié)），實(shí)現(xiàn)熱煙道支撐。而現(xiàn)有板式預(yù)熱器的保溫形式為外保溫，為消減高溫?zé)煔猓s400℃）對(duì)預(yù)熱器產(chǎn)生的熱膨脹量的影響，需在預(yù)熱器上方安裝膨脹節(jié)，而膨脹節(jié)的特性決定其不能承受重力載荷，即預(yù)熱器1端不能成為熱煙道的另1個(gè)支撐點(diǎn)，熱煙道如何支撐成為配套設(shè)計(jì)中的難題。

3.2 原因分析及改進(jìn)措施

若預(yù)熱器廠家能將預(yù)熱器由外保溫改為內(nèi)保溫，預(yù)熱器壁板不直接接觸高溫?zé)煔?，預(yù)熱器可不考慮熱膨脹量的影響，可以取消膨脹節(jié)設(shè)置，如此，預(yù)熱器仍可作為支撐點(diǎn)，不用新增熱煙道支撐，但將此建議與廠家溝通后，預(yù)熱器廠家表示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定預(yù)熱器保溫形式只能為外保溫，此方法不可行。

若能在預(yù)熱器膨脹節(jié)上端安裝合適的彈簧支座，既可以支撐熱煙道重力載荷，又不影響膨脹節(jié)伸縮性能。但由于預(yù)熱器上方?jīng)]有彈簧支座支撐點(diǎn)的安裝位置，此方法不可行。

由于既不能更改預(yù)熱器保溫形式，又無(wú)法安裝彈簧支座，只能在熱煙道下方靠近預(yù)熱器端從地面生根新增支撐，使預(yù)熱器端熱煙道的重力載荷由新增支撐承載。根據(jù)力學(xué)原理，熱煙道支撐沿?zé)釤煹垒S線方向越靠近預(yù)熱器，其承載的重力載荷就越小。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，熱煙道支撐最近可設(shè)置在沿?zé)釤煹垒S向距離煙囪中心5 100 mm位置處，見(jiàn)圖3。將支撐設(shè)置于此，熱煙道在支撐位置能否達(dá)到其軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力、及剪應(yīng)力的承載要求而不發(fā)生失穩(wěn)變形，需進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。

圖3 熱煙道下方新增支撐

3.3 熱煙道支撐的校核計(jì)算

3.3.1 支座處熱煙道的軸向應(yīng)力計(jì)算及校核（1）支座處熱煙道軸向彎矩計(jì)算。支座處熱煙道軸向彎矩見(jiàn)圖4。

圖4 支座處熱煙道軸向彎矩

如圖4所示，軸向彎矩M為：

式中M—軸向彎矩，N·m；G1，G2—支撐點(diǎn)右側(cè)煙道和膨脹節(jié)上方熱煙道的質(zhì)量，kg，取值分別為1 712，5 400；L1，L2—熱煙道重心位置至支撐點(diǎn)的距離，mm，取值分別為975，3 250；g—重力加速度，m/s2，取值為9.8。

（2）支座平面上壓力及軸向彎矩引起的軸向應(yīng)力計(jì)算。

位于橫截面最高點(diǎn)處的軸向應(yīng)力σ3為：σ3=

位于橫截面最低點(diǎn)處的軸向應(yīng)力σ4為：

式中σ3，σ4—橫截面最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的軸向應(yīng)力，MPa；pc為設(shè)計(jì)壓力，MPa，取值-2×10-3；Ra—橫截面煙道半徑，取值1 100；δe—橫截面煙道壁厚，mm，取值5.4；K1，K2—強(qiáng)度系數(shù)，取值均為1；[σ]t—許用壓力，MPa，取值為113.75；φ—接頭系數(shù)，取值0.85。

所以支座處的軸向應(yīng)力校核合格。

3.3.2 支座處熱煙道的周向應(yīng)力計(jì)算及校核（1）支座反力F的計(jì)算，規(guī)格見(jiàn)圖5。

圖5 支座處熱煙道軸向彎矩

如圖5所示，假設(shè)熱煙道右下角與煙囪接觸點(diǎn)的合力矩M1為零，則：∑M1=0，即：

進(jìn)而計(jì)算得支座反力為：F=138 032 N

式中L0—支座左側(cè)熱煙道重心距離接觸點(diǎn)的距離，m，取值為3.55；G0—支座左側(cè)熱煙道質(zhì)量，kg，取值為3 118。

（2）當(dāng)有加強(qiáng)圈位于鞍座平面上時(shí)，鞍座邊角處熱煙道的周向應(yīng)力σ7為：

在鞍座邊角處加強(qiáng)圈內(nèi)緣或外緣表面的周向應(yīng)力σ8為

式中C4,C5—無(wú)量綱系數(shù)，取值均為1；K7,K8—無(wú)量綱系數(shù)，取值均為0.302；A0—組合的總截面積，mm2，取值為9 014.2；I0—組合截面總慣性矩，mm4，取值為3.209×107；e—加強(qiáng)圈截面厚度，mm，取值74；d—加強(qiáng)圈內(nèi)徑，mm，取值為66.9。

在熱煙道下方距離煙囪中心5 100 mm處設(shè)置支撐可避免膨脹節(jié)承受重力載荷，同時(shí)支撐處熱煙道所受的軸向應(yīng)力、周向應(yīng)力均合格［3～5］。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)加氫裝置空氣預(yù)熱器更換及安裝過(guò)程中遇到的預(yù)熱器基礎(chǔ)與電纜槽盒相碰、預(yù)熱器混凝土支柱的設(shè)置、以及熱煙道支撐的設(shè)置等問(wèn)題，從設(shè)計(jì)的角度分析，提出了解決方法。