針對(duì)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(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)踐證明，該設(shè)備具有安全、可靠、低壓降和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。

　　催化裂化裝置中，以煙氣輪機(jī)作為主要設(shè)備的能量回收系統(tǒng)，在提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)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(tǒng)的輔助設(shè)備，但卻是保證該系統(tǒng)安全、長(zhǎng)周期運(yùn)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也具有壓降較大，致使煙氣輪機(jī)出口壓力較高，進(jìn)而影響了煙機(jī)最大限度的回收能量。

圖1 傳統(tǒng)水封罐外形示意

　　煙機(jī)功率公式為：

　　式中：Nc——煙機(jī)實(shí)際軸功率，W;

　　Nq——煙機(jī)殼體經(jīng)輻射和對(duì)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(jī)出口壓力，即煙氣輪機(jī)后續(xù)設(shè)備、管道等壓降減小，即可提高煙氣輪機(jī)功率。因此開發(fā)一種新型低壓降水封閥，具有非常現(xiàn)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(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(shí)，煙氣經(jīng)過煙道從上方進(jìn)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(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(kuò)口減速、擴(kuò)容、180°轉(zhuǎn)向、縮口加速等過程，造成煙氣正常通過水封罐時(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(shè)計(jì)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(jì)了一系列結(jié)構(gòu)方案，并作了詳細(xì)的理論分析和計(jì)算，最后采用了內(nèi)筒浮動(dòng)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(shí)示意

　　該水封閥主要利用了流體浮力驅(qū)動(dòng)和水封原理，利用浮力將閥體內(nèi)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(duì)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(dá)到切斷煙氣的目的。

　　如需開啟氣相介質(zhì)通道時(shí)，將水封水入口關(guān)閉，排水口打開，閥體內(nèi)水外排，浮動(dòng)閥芯沿導(dǎo)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)管路開啟(見圖3)。

圖3 新型低壓降水封閥開啟水封時(shí)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(yàn)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(duì)這兩種結(jié)構(gòu)作了數(shù)值模擬：(1)兩個(gè)對(duì)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài));出口溫度：803K，煙氣按空氣考慮。

　　根據(jù)計(jì)算結(jié)果(見圖4與圖5)，在完全相同的計(jì)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(jìn)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(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

　　為了論證新開發(fā)產(chǎn)品的安全可靠性，進(jìn)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(diǎn)，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(huì)導(dǎo)致浮筒卡死或無法對(duì)應(yīng)進(jìn)人上部煙氣人口管，無法達(dá)到建立水封截?cái)酂煔獾哪康摹ａ槍?duì)此問題，設(shè)計(jì)時(shí)主要采取以下措施來保證設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行：

　　(1)浮筒設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，保證浮筒有足夠的剛度和強(qiáng)度以抵抗失穩(wěn)變形和強(qiáng)度失效;浮筒設(shè)計(jì)時(shí)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(jìn)行泄漏試驗(yàn)。

　　(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(zhǎng)度方向膨脹，否則導(dǎo)軌會(huì)彎曲，影響浮筒上浮。所以導(dǎo)軌設(shè)計(jì)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(yàn)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(jī)構(gòu)，水封閥水封效果建立后，可啟動(dòng)鎖緊機(jī)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(jī)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(jìn)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(huì)進(jìn)人水封閥，如果不清理，會(huì)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(yàn)結(jié)果看，內(nèi)浮筒和導(dǎo)軌無明顯變形、扭曲，沖水試驗(yàn)水封閥工作正常，實(shí)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(jī)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(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(zhǎng)周期運(yùn)行及節(jié)能改造項(xiàng)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(jī)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(gè)多月的運(yùn)行觀察，煙氣輪機(jī)輸出功率明顯提高，電動(dòng)機(jī)耗功顯著降低，從而整個(gè)裝置的耗能減少"改造前后的運(yùn)行工藝操作參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 改造前后煙氣輪機(jī)工藝操作參數(shù)對(duì)比

　　從表1可以看出，改造前后在主風(fēng)流量、主風(fēng)機(jī)出口壓力、再生器壓力、煙氣輪機(jī)入口壓力、煙機(jī)入口開度等變化很小的情況下，煙機(jī)出口壓力出現(xiàn)明顯的降低。從電機(jī)耗功和電機(jī)電流數(shù)據(jù)可以看出，改造后煙機(jī)做功增加，除滿足電動(dòng)機(jī)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(jì)效益每年約514.4萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5、結(jié)語(yǔ)

　　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(yàn)，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(jī)背壓對(duì)降低裝置能耗效果顯著;同時(shí)，降低能量回收系統(tǒng)的背壓，對(duì)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(dòng)能，為避免更換主風(fēng)機(jī)等設(shè)備提供了可能性。然而該水封閥也具有造價(jià)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。

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