空氣預熱器配套設計中存在的問題探析

馬文禮，謝翼南，劉 軍，王艷芝，古 鑫

（1.延安大學石油與環境工程學院，陜西 延安 716000；2.中石油克拉瑪依石化有限責任公司，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熱器在使用過程中頻繁出現泄漏，許多換熱管內壁出現腐蝕減薄，經過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，車間決定用換熱及防腐效果更好的板式空氣預熱器更換在用的水熱媒空氣預熱器［1］。要將板式空氣預熱器現場更換安裝，需將現用的水熱媒空氣預熱器拆除，在現有的位置完成板式空氣預熱器與原加熱爐煙風系統的對接。

1 空氣預熱器的基礎與現有電纜槽盒相碰

1.1 問題描述

空氣預熱器（下文簡稱為預熱器）更換屬于改造項目，首先將原有水熱媒預熱器拆除，將板式預熱器放入，若預熱器居中放置，則易于完成預熱器與原熱煙道、冷煙道、熱風道、冷風道4口對接。但由于板式預熱器的外形結構較以前的水熱媒預熱器擴大很多，若預熱器居中放置，其中左邊2個基礎會與現有的加熱爐電纜槽盒相碰。

1.2 原因分析

預熱器基礎與現有電纜槽盒相碰，其最直接的解決方法是將電纜槽盒向右移位，以避讓基礎。即在電纜與基礎相碰處將電纜截斷，通過移位避開預熱器基礎，但由于電纜槽盒內電纜較多，很多是加熱爐的重要控制點電纜，若按照上述方案將電纜截斷移位，電纜的接頭增多，接頭處往往是故障點，采用此方案會增加儀表維修頻次，不利于加熱爐安全運行。

1.3 改進措施

將預熱器由居中放置改為偏心放置，以避讓電纜槽盒，預熱器偏心放置見圖1。

圖1 預熱器偏心放置

根據現場位置，預熱器右邊為空地，無障礙物，因此預熱器中心可向右偏移500 mm，保證預熱器的左側基礎不與電纜槽盒相碰。

預熱器中心位置右移，加大了預熱器與原熱煙道、冷煙道、熱風道、冷風道4個口的對接難度，預熱器與原煙風道口的對接分為4個步驟。

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

（2）冷煙道口對接：在預熱器下方接1個方箱，先保證預熱器冷煙道出口與原冷煙道處于同一標高（▽1 580 mm），然后從方箱1側開口，接偏心圓位置（偏心500 mm）與原冷煙道對接；

（3）冷風道口對接：預熱器的更換盡量不影響周邊設備的放置及運行，在冷風道與預熱器對接過程中，保證鼓風機與冷風道的連接不變，在預熱器與冷風道間設置1個箱體，箱體1端連接預熱器冷風口，另1端連接冷風道，實現與原冷風道對接；

（4）熱風道口對接：預熱器出來的熱風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口對接。通過預熱器偏心放置，使預熱器與電纜槽盒相碰的問題得到解決。

2 預熱器混凝土支柱的現場設置

2.1 問題描述

為實現預熱器與現場煙風道口對接，預熱器混凝土基礎高度需抬高至地面以上4 088 mm處，預熱器本體載荷重達120 t?；炷粱A高度抬高，其抵抗風載荷、地震載荷的能力相對下降，預熱器廠家提供的500 mm×500 mm的混凝土支柱截面不能夠承載相應的重力載荷、風載及地震載荷，而加大基礎截面將受到現場空間位置的限制。

2.2 原因分析及改進措施

混凝土支柱截面需由500 mm×500 mm加大至700 mm×700 mm，才能夠承載相應的重力載荷、風載及地震載荷。而加大基礎截面，就會與預熱器箱體相碰，為防止相碰，經過與廠家協商，將預熱器左右基礎間距由5 000 mm擴至5 200 mm，預熱器基礎間距及大小調整前后比較見圖2。

圖2 預熱器基礎間距及大小調整前后比較

使基礎與預熱器的箱體不能相碰，混凝土支柱的現場設置問題得到解決。同時為增強預熱器4個混凝土支柱的穩固性，在4個混凝土支柱間設置混凝土橫梁，同時加大地腳螺栓根徑（由M30加大為M36）加強基礎的整體承載能力［2］。

3 熱煙道支撐的設置

3.1 問題描述

原有水熱媒預熱器熱煙道（Ф2 200，重達10 t），1端固定在煙囪外壁，另1端固定在預熱器頂部（預熱器上方無膨脹節），實現熱煙道支撐。而現有板式預熱器的保溫形式為外保溫，為消減高溫煙氣（約400℃）對預熱器產生的熱膨脹量的影響，需在預熱器上方安裝膨脹節，而膨脹節的特性決定其不能承受重力載荷，即預熱器1端不能成為熱煙道的另1個支撐點，熱煙道如何支撐成為配套設計中的難題。

3.2 原因分析及改進措施

若預熱器廠家能將預熱器由外保溫改為內保溫，預熱器壁板不直接接觸高溫煙氣，預熱器可不考慮熱膨脹量的影響，可以取消膨脹節設置，如此，預熱器仍可作為支撐點，不用新增熱煙道支撐，但將此建議與廠家溝通后，預熱器廠家表示其內部結構決定預熱器保溫形式只能為外保溫，此方法不可行。

若能在預熱器膨脹節上端安裝合適的彈簧支座，既可以支撐熱煙道重力載荷，又不影響膨脹節伸縮性能。但由于預熱器上方沒有彈簧支座支撐點的安裝位置，此方法不可行。

由于既不能更改預熱器保溫形式，又無法安裝彈簧支座，只能在熱煙道下方靠近預熱器端從地面生根新增支撐，使預熱器端熱煙道的重力載荷由新增支撐承載。根據力學原理，熱煙道支撐沿熱煙道軸線方向越靠近預熱器，其承載的重力載荷就越小。根據現場情況，熱煙道支撐最近可設置在沿熱煙道軸向距離煙囪中心5 100 mm位置處，見圖3。將支撐設置于此，熱煙道在支撐位置能否達到其軸向應力、周向應力、及剪應力的承載要求而不發生失穩變形，需進行相應的計算。

圖3 熱煙道下方新增支撐

3.3 熱煙道支撐的校核計算

3.3.1 支座處熱煙道的軸向應力計算及校核（1）支座處熱煙道軸向彎矩計算。支座處熱煙道軸向彎矩見圖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—支撐點右側煙道和膨脹節上方熱煙道的質量，kg，取值分別為1 712，5 400；L1，L2—熱煙道重心位置至支撐點的距離，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力計算。

位于橫截面最高點處的軸向應力σ3為：σ3=

位于橫截面最低點處的軸向應力σ4為：

式中σ3，σ4—橫截面最高點和最低點的軸向應力，MPa；pc為設計壓力，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—強度系數，取值均為1；[σ]t—許用壓力，MPa，取值為113.75；φ—接頭系數，取值0.85。

所以支座處的軸向應力校核合格。

3.3.2 支座處熱煙道的周向應力計算及校核（1）支座反力F的計算，規格見圖5。

圖5 支座處熱煙道軸向彎矩

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

進而計算得支座反力為：F=138 032 N

式中L0—支座左側熱煙道重心距離接觸點的距離，m，取值為3.55；G0—支座左側熱煙道質量，kg，取值為3 118。

（2）當有加強圈位于鞍座平面上時，鞍座邊角處熱煙道的周向應力σ7為：

在鞍座邊角處加強圈內緣或外緣表面的周向應力σ8為

式中C4,C5—無量綱系數，取值均為1；K7,K8—無量綱系數，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—加強圈截面厚度，mm，取值74；d—加強圈內徑，mm，取值為66.9。

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

4 結束語

針對加氫裝置空氣預熱器更換及安裝過程中遇到的預熱器基礎與電纜槽盒相碰、預熱器混凝土支柱的設置、以及熱煙道支撐的設置等問題，從設計的角度分析，提出了解決方法。