一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法
2023-10-08 03:28:24 1
專利名稱：一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法
一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法
技術領域：
本發明涉及石油化工行業設備技術領域，具體地說，是一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法。
背景技術：
乙烯裝置規模不斷擴大，單臺乙烯裂解爐已達到了 lOOkt/a以上的生產能力。急冷廢熱鍋爐是乙烯裝置的關鍵設備之一，它的長周期安全穩定運行成為制約乙烯生產的關鍵。進入急冷廢熱鍋爐的往往是高溫介質，高溫裂解氣進入急冷廢熱鍋爐，對接管、管箱、氣體分配器、管板、殼體等受熱部件必然帶來嚴重的熱衝擊、熱疲勞和高溫氣體腐蝕，同時散熱損失也大大的增加。為避免這類高溫氣體對設備安全運行帶來的影響，通常在高溫部位採用襯塗耐熱隔熱材料進行防護。但殼體與襯裡是兩種不同材料，其熱膨脹性能存在差異， 這通常會導致內襯與殼體之間變形不協調，嚴重的會使得內襯出現開裂。「浴缸式」四進口急冷廢熱鍋爐與傳統的單一入口急冷廢熱鍋爐相比，氣體分布均勻，延長了運行周期，絕熱段停留時間從傳統單一入口的急冷廢熱鍋爐的50ms降低到 10ms。但是「浴缸式」急冷廢熱鍋爐自投用以來下封頭法蘭面經常出現洩漏，造成著火或被迫停車處理，其主要原因是下管箱的內襯剛玉出現開裂，導致下管箱溫度偏高。同時，因其結構為橢圓形，修復更換內襯剛玉很困難。「浴缸式」急冷廢熱鍋爐是由ABB LUMMUS公司與ABB ALST0M-SHG公司聯合開發用於SL- II型裂解爐上的專利設備，國內研究單位很少對其進行研究過，內襯剛玉開裂已影響到裂解爐的正常運行，且因其會引起洩漏，故存在嚴重的安全隱患。可以採用有限元數值分析方法，建立下管箱及其內襯的三維有限元模型，對其變形協調及熱應力進行分析，同時對下管箱及其內襯的結構進行了一些優化，降低下管箱殼體與其內襯之間的熱變形差異，降低剛玉的熱應力。
發明內容本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法，適合於乙烯裂解裝置所使用的「浴缸式」四進口急冷廢熱鍋爐。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法，其具體步驟為(1)分別對「浴缸式」急冷廢熱鍋爐運行初期與後期下管箱及其法蘭的表面溫度進行了測量；(2)根據急冷廢熱鍋爐下管箱的具體尺寸，管箱包含管板、殼體、內襯、法蘭，採用 ANSYS軟體建立「浴缸式」急冷廢熱鍋爐下管箱的有限元模型；ANSYS軟體是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析於一體的大型通用有限元分析軟體，由世界上最大的有限元分析軟體公司之一的美國ANSYS開發，它能與多數CAD軟體接口，實現數據的共享和交換；
(3)採用ANSYS模擬「浴缸式」急冷廢熱鍋爐下管箱的溫度場，將模擬得到的下管箱溫度場與其實際測量值相比較，然後修正模擬參數，模擬出與實際情況一致的下管箱溫度場；所 述的將模擬得到的下管箱溫度場與其實際測量值相比較，其包含如下步驟(a)比較「浴缸式」急冷廢熱鍋爐運行初期與後期下管箱表面溫度場，選取出急冷廢熱鍋爐運行不同時期下管箱表面溫度的較高測量值；(b)選取空氣、裂解氣對流傳熱係數的經驗值，應用ANSYS模擬出的「浴缸式」急冷廢熱鍋爐下管箱的溫度場；(C)將ANSYS模擬出的「浴缸式」急冷廢熱鍋爐下管箱的溫度場與其實際測量出的急冷廢熱鍋爐運行不同時期下管箱表面溫度的較高測量值進行比較，然後修正對流傳熱係數，模擬出與實際下管箱表面溫度較高測量值一致的下管箱溫度場；(4)將求得的下管箱溫度作為體載荷施加在有限元模型上，並施加下管箱熱變形的邊界條件，進行下管箱熱變形分析；(5)對下管箱內襯剛玉的結構形式、內襯剛玉的支撐形式及下管箱殼體的結構形式進行優化，模擬各優化方案對急冷廢熱鍋爐下管箱與其內襯剛玉熱變形協調性和內襯剛玉熱應力的改善情況；所述的對下管箱內襯剛玉的結構形式、內襯剛玉的支撐形式及下管箱殼體的結構形式進行優化，其包含如下步驟(a)對急冷廢熱鍋爐下管箱內襯剛玉本身的結構形式進行優化；(b)對急冷廢熱鍋爐下管箱內襯剛玉本身的支撐形式進行優化；(c)對急冷廢熱鍋爐下管箱殼體的結構進行優化。一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱，其特徵在於，增設加強圈來降低下管箱熱變形的方法，加強圈厚度同於殼體3厚度，寬度等於法蘭6寬度，殼體厚度為10 15mm，圖2是下管箱的有限元模型。一種新型急冷廢熱鍋爐襯剛玉，其特徵在於，採用分塊形式的內襯剛玉7代替目前使用的整體形式的內襯剛玉；在製作內襯剛玉7前先在託板2側面塗上一層石蠟1，石蠟的厚度為2 3mm，這樣在廢熱鍋爐升溫時石蠟會被融化掉，可以為託板與內襯預留出一定的熱變形間隙，從而降低了剛玉的應力，如圖3所示；而常規的內襯剛玉的重量主要是由焊接在殼體上的支撐板承受(支撐鉤主要作用是使內襯緊貼殼體並防止剛玉開裂脫落)， 支撐板的殼體上共有八塊支撐板；由表1可知800°C時，某石化公司使用的絕熱內襯剛玉耐壓強度為75. OMPa，抗折強度則僅有10. OMPa,由目前下管箱內襯剛玉製作過程並結合現場工作人員的經驗來看，其沒有在託板側面預留一定的間隙，這樣由於殼體及內襯之間在X 方向上存在較大的熱變形差異(設有加強圈時也有2mm)，在託板側面附近的剛玉的應力較大，會導致剛玉開裂。表1剛玉高溫性能
權利要求
1.一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法，其特徵在於，具體步驟為(1)分別對「浴缸式」急冷廢熱鍋爐運行初期與後期下管箱及其法蘭的表面溫度進行了測量；(2)根據急冷廢熱鍋爐下管箱的具體尺寸，管箱包含管板、殼體、內襯、法蘭，採用 ANSYS軟體建立「浴缸式」急冷廢熱鍋爐下管箱的有限元模型；(3)採用ANSYS模擬「浴缸式」急冷廢熱鍋爐下管箱的溫度場，將模擬得到的下管箱溫度場與其實際測量值相比較，然後修正模擬參數，模擬出與實際情況一致的下管箱溫度場；(4)將求得的下管箱溫度作為體載荷施加在有限元模型上，並施加下管箱熱變形的邊界條件，進行下管箱熱變形分析；(5)對下管箱內襯剛玉的結構形式、內襯剛玉的支撐形式及下管箱殼體的結構形式進行優化，模擬各優化方案對急冷廢熱鍋爐下管箱與其內襯剛玉熱變形協調性和內襯剛玉熱應力的改善情況。
2.如權利要求1所述的一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法，其特徵在於，所述的將模擬得到的下管箱溫度場與其實際測量值相比較，其包含如下步驟(a)比較「浴缸式」急冷廢熱鍋爐運行初期與後期下管箱表面溫度場，選取出急冷廢熱鍋爐運行不同時期下管箱表面溫度的較高測量值；(b)選取空氣、裂解氣對流傳熱係數的經驗值，應用ANSYS模擬出的「浴缸式」急冷廢熱鍋爐下管箱的溫度場；(c)將ANSYS模擬出的「浴缸式」急冷廢熱鍋爐下管箱的溫度場與其實際測量出的急冷廢熱鍋爐運行不同時期下管箱表面溫度的較高測量值進行比較，然後修正對流傳熱係數， 模擬出與實際下管箱表面溫度較高測量值一致的下管箱溫度場。
3.如權利要求1所述的一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法，其特徵在於，所述的對下管箱內襯剛玉的結構形式、內襯剛玉的支撐形式及下管箱殼體的結構形式進行優化，其包含如下步驟(a)對急冷廢熱鍋爐下管箱內襯剛玉本身的結構形式進行優化；(b)對急冷廢熱鍋爐下管箱內襯剛玉本身的支撐形式進行優化；(c)對急冷廢熱鍋爐下管箱殼體的結構進行優化。
4.一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱，其特徵在於，所述的下管箱設加強圈。
5.如權利要求4所述的一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱，其特徵在於，所述的加強圈厚度同於殼體厚度，寬度等於法蘭寬度。
6.如權利要求5所述的一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱，其特徵在於，所述的殼體厚度為 10 15mm0
7.一種新型急冷廢熱鍋爐襯剛玉，其特徵在於，採用分塊形式的內襯剛玉。
8.如權利要求7所述的一種新型急冷廢熱鍋爐襯剛玉，其特徵在於，在製作內襯剛玉前先在託板側面塗上一層石蠟。
9.如權利要求8所述的一種新型急冷廢熱鍋爐襯剛玉，其特徵在於，所述的石蠟的厚度為2 3mmο
全文摘要
本發明涉及一種新型急冷廢熱鍋爐下管箱及其內襯剛玉的設計方法，主要解決急冷廢熱鍋爐下管箱內襯剛玉經常出現開裂及下管箱法蘭高溫密封性能差的問題，其特徵在於利用Ansys有限元軟體，對急冷廢熱鍋爐下管箱殼體結構、內襯剛玉結構及內襯剛玉支撐結構形式進行了優化改進，改進結果表明下管箱殼體與其內襯剛玉之間的熱變形差異降低了46％以上，降低下管箱內襯剛玉的熱應力。本發明可以有效地改善急冷廢熱鍋爐下管箱與其內襯剛玉的熱變形協調性能，同時改善了急冷廢熱鍋爐下管箱與下封頭連接法蘭的高溫密封性能。
文檔編號G06F17/50GK102260520SQ20101018908
公開日2011年11月30日 申請日期2010年5月31日 優先權日2010年5月31日
發明者史永紅, 徐宏, 王元華, 王志遠, 陳明亞 申請人:華東理工大學