低壓降水封閥的開(kāi)發(fā)和應用

　　針對現有催化裂化裝置能量回收系統水封罐壓降大的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)設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、舊結構壓降數值模擬分析結果及其工業(yè)化應用。該新型水封閥的應用實(shí)踐證明，該設備具有安全、可靠、低壓降和節能的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工業(yè)化應用價(jià)值。

　　催化裂化裝置中，以煙氣輪機作為主要設備的能量回收系統，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(gè)煙氣能量回收系統的輔助設備，但卻是保證該系統安全、長(cháng)周期運行的主要條件之一。原有傳統結構的水封罐(傳統水封罐結構見(jiàn)圖1)雖然具有安全性高、操作方便、結構簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有壓降較大，致使煙氣輪機出口壓力較高，進(jìn)而影響了煙機最大限度的回收能量。

圖1 傳統水封罐外形示意

　　煙機功率公式為：

　　式中：Nc——煙機實(shí)際軸功率，W;

　　Nq——煙機殼體經(jīng)輻射和對流傳出熱量的當量功率，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;

　　Vi——煙氣人口狀態(tài)流量，m3/min。

　　由此可見(jiàn)，如果降低煙氣輪機出口壓力，即煙氣輪機后續設備、管道等壓降減小，即可提高煙氣輪機功率。因此開(kāi)發(fā)一種新型低壓降水封閥，具有非�，F實(shí)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上，開(kāi)發(fā)出新型低壓降水封閥。

1、新型低壓降水封閥的開(kāi)發(fā)

1.1、傳統水封罐壓力損失分析

　　傳統水封罐在正常工作時(shí)，煙氣經(jīng)過(guò)煙道從上方進(jìn)人水封罐內筒，經(jīng)內筒折返后流經(jīng)內外筒夾套后流出。由于水封罐煙氣進(jìn)!出口管道必須90°或180°布置，煙氣正常輸送時(shí)經(jīng)歷了擴口減速、擴容、180°轉向、縮口加速等過(guò)程，造成煙氣正常通過(guò)水封罐時(shí)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

　　新型水封閥的設計必須依據如下原則：

　　(1)安全可靠，密封嚴密;

　　(2)壓降低，即壓力能損失小。

　　在此原則指導下，設計了一系列結構方案，并作了詳細的理論分析和計算，最后采用了內筒浮動(dòng)式密封結構，如圖2所示。

圖2 新型低壓降水封閥無(wú)水封時(shí)示意

　　該水封閥主要利用了流體浮力驅動(dòng)和水封原理，利用浮力將閥體內的浮動(dòng)閥芯浮起，浮動(dòng)閥芯上部有水槽，浮起至煙氣出口管下端時(shí)，閥體上部有水封水人口對浮動(dòng)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(jìn)口管壓力的作用下上升，升至與煙氣進(jìn)口管壓力平衡的液面，達到切斷煙氣的目的。

　　如需開(kāi)啟氣相介質(zhì)通道時(shí)，將水封水入口關(guān)閉，排水口打開(kāi)，閥體內水外排，浮動(dòng)閥芯沿導軌下降，落到閥底部的支撐墊鐵上，此時(shí)氣體進(jìn)口管和氣體出口管直接聯(lián)通，整個(gè)管路開(kāi)啟(見(jiàn)圖3)。

圖3 新型低壓降水封閥開(kāi)啟水封時(shí)示意

2、傳統水封罐和新型低壓降水封閥壓降的數值模擬分析

　　為了比較傳統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構的合理性，以山東某煉油廠(chǎng)1400kt/aDCC裝置為例，對這兩種結構作了數值模擬：(1)兩個(gè)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(jìn)口壓力8.9kPa(表壓)，溫度943K;煙氣流量：2854m3/min(標準狀態(tài));出口溫度：803K，煙氣按空氣考慮。

　　根據計算結果(見(jiàn)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。從新舊結構速度分布矢量圖上可以看出，舊式結構中存在流體在底部急劇減速后進(jìn)人內外筒環(huán)隙急劇加速的過(guò)程，此部分壓降損失占總壓損失較大比例，而新式結構無(wú)此部分損失，另外新式結構流體流路較短且順暢，漩渦和滯留區較少，通過(guò)數值模擬分析，可以肯定新型低壓降水封閥壓降是比較低的。

圖4 傳統水封罐某個(gè)截面上的總壓損失分布

(進(jìn)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(gè)截面上的總壓損失分布

(進(jìn)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(kāi)發(fā)產(chǎn)品的安全可靠性，進(jìn)行了設備故障可能性分析和工藝事故狀態(tài)設備可靠性分析。

3.1、設備故障狀態(tài)分析

　　根據該水封閥結構的特點(diǎn)，比較容易出現的問(wèn)題是內浮筒熱變形!受壓失穩!導軌受熱彎曲變形等，這些問(wèn)題會(huì )導致浮筒卡死或無(wú)法對應進(jìn)人上部煙氣人口管，無(wú)法達到建立水封截斷煙氣的目的。針對此問(wèn)題，設計時(shí)主要采取以下措施來(lái)保證設備平穩運行：

　　(1)浮筒設計時(shí)進(jìn)行詳細的應力分析，保證浮筒有足夠的剛度和強度以抵抗失穩變形和強度失效;浮筒設計時(shí)考慮熱應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構，以降低熱應力及局部熱變形，并在制造過(guò)程中進(jìn)行泄漏試驗。

　　(2)嚴格控制導軌變形，并將其控制在一定范圍內，特別不能限制其長(cháng)度方向膨脹，否則導軌會(huì )彎曲，影響浮筒上浮。所以導軌設計為分段重疊型式，分段導軌兩端自由膨脹，中間支撐采用非焊接結構固定。導軌導向的精確性主要通過(guò)控制導軌與浮筒的間隙來(lái)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(guò)程中最大傾角小于1(°)。

　　(3)在水封閥內部設置內浮筒高度位置鎖緊機構，水封閥水封效果建立后，可啟動(dòng)鎖緊機構使內浮筒固定在相應位置，以防止意外情況下內浮筒跌落，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(標準狀態(tài))，并且10μm以上的顆粒小于3%，另外低壓降水封罐煙氣進(jìn)出口壓降低，煙氣流通比較流暢，滯留區少，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(huì )進(jìn)人水封閥，如果不清理，會(huì )在浮筒上結垢，堵塞浮筒與導軌間隙，導致內浮筒難以浮起，所以水封閥下部設置催化劑清除口，可用高壓水清洗后放出，從而提高可靠性。

　　另外，從中石化鎮海煉化分公司使用一年后停工檢查、試驗結果看，內浮筒和導軌無(wú)明顯變形、扭曲，沖水試驗水封閥工作正常，實(shí)際應用效果證明，該新型水封罐具有較高的可靠性。

4、工業(yè)化應用

　　中石化鎮海煉化分公司2007年11月5日煙機后路壓力突然下降5kPa，檢查后發(fā)現為原傳統水封罐內筒脫落所致。內筒脫落后煙氣不再經(jīng)內外筒間的環(huán)隙折流，而是直接側向進(jìn)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(cháng)周期運行及節能改造項目中，將余鍋進(jìn)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"該結果說(shuō)明，新型低壓降水封閥與傳統水封罐相比壓降減小約5kPa，經(jīng)過(guò)三個(gè)多月的運行觀(guān)察，煙氣輪機輸出功率明顯提高，電動(dòng)機耗功顯著(zhù)降低，從而整個(gè)裝置的耗能減少"改造前后的運行工藝操作參數對比見(jiàn)表1。

表1 改造前后煙氣輪機工藝操作參數對比

　　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(kāi)度等變化很小的情況下，煙機出口壓力出現明顯的降低。從電機耗功和電機電流數據可以看出，改造后煙機做功增加，除滿(mǎn)足電動(dòng)機需求外多發(fā)電250kw。從而減少整個(gè)裝置的能耗，創(chuàng )造經(jīng)濟效益每年約514.4萬(wàn)元，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。

5、結語(yǔ)

　　在催化裂化裝置能量回收系統中，應用新型低壓降水封閥，壓降比傳統水封罐將低80%以上，假定3000kt/a催化裂化裝置有4000m3/min(標準狀態(tài))煙氣量，依據以往操作取得的經(jīng)驗，背壓每降低1kPa，電功功耗下降120kw左右。因此通過(guò)應用新型低壓降水封閥來(lái)降低煙機背壓對降低裝置能耗效果顯著(zhù);同時(shí)，降低能量回收系統的背壓，對催化裂化裝置未來(lái)配備煙氣脫硫等其他裝置提供了壓力和動(dòng)能，為避免更換主風(fēng)機等設備提供了可能性。然而該水封閥也具有造價(jià)較高!結構復雜等缺陷。綜上所述，該新型低壓降水封閥具有廣闊的工業(yè)化應用前景。

參考文獻：

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