空气预热器配套设计中存在的问题探析

马文礼，谢翼南，刘 军，王艳芝，古 鑫

（1.延安大学石油与环境工程学院，陕西 延安 716000；
2.中石油克拉玛依石化有限责任公司，新疆 克拉玛依 834003）

某石化公司加氢装置目前在用的水热媒空气预热器在使用过程中频繁出现泄漏，许多换热管内壁出现腐蚀减薄，经过换热后的烟气出口温度为170℃，高于理想排烟温度（120～130℃），换热效果降低，热能损失大。在此情况下，车间决定用换热及防腐效果更好的板式空气预热器更换在用的水热媒空气预热器［1］。要将板式空气预热器现场更换安装，需将现用的水热媒空气预热器拆除，在现有的位置完成板式空气预热器与原加热炉烟风系统的对接。

1.1 问题描述

空气预热器（下文简称为预热器）更换属于改造项目，首先将原有水热媒预热器拆除，将板式预热器放入，若预热器居中放置，则易于完成预热器与原热烟道、冷烟道、热风道、冷风道4口对接。但由于板式预热器的外形结构较以前的水热媒预热器扩大很多，若预热器居中放置，其中左边2个基础会与现有的加热炉电缆槽盒相碰。

1.2 原因分析

预热器基础与现有电缆槽盒相碰，其最直接的解决方法是将电缆槽盒向右移位，以避让基础。即在电缆与基础相碰处将电缆截断，通过移位避开预热器基础，但由于电缆槽盒内电缆较多，很多是加热炉的重要控制点电缆，若按照上述方案将电缆截断移位，电缆的接头增多，接头处往往是故障点，采用此方案会增加仪表维修频次，不利于加热炉安全运行。

1.3 改进措施

将预热器由居中放置改为偏心放置，以避让电缆槽盒，预热器偏心放置见图1。

图1 预热器偏心放置

根据现场位置，预热器右边为空地，无障碍物，因此预热器中心可向右偏移500 mm，保证预热器的左侧基础不与电缆槽盒相碰。

预热器中心位置右移，加大了预热器与原热烟道、冷烟道、热风道、冷风道4个口的对接难度，预热器与原烟风道口的对接分为4个步骤。

（1）热烟道口对接：从烟囱伸出的热烟道中心标高与板式预热器顶高仅差1 358 mm，对于DN2200的热烟道拐弯半径太小，无法沿用原有热烟道水平管加弯头与预热器热烟口对接的方式，改为水平热烟道先进入封闭箱体，箱体的5面封闭，仅留1面与预热器热烟口对接；

（2）冷烟道口对接：在预热器下方接1个方箱，先保证预热器冷烟道出口与原冷烟道处于同一标高（▽1 580 mm），然后从方箱1侧开口，接偏心圆位置（偏心500 mm）与原冷烟道对接；

（3）冷风道口对接：预热器的更换尽量不影响周边设备的放置及运行，在冷风道与预热器对接过程中，保证鼓风机与冷风道的连接不变，在预热器与冷风道间设置1个箱体，箱体1端连接预热器冷风口，另1端连接冷风道，实现与原冷风道对接；

（4）热风道口对接：预热器出来的热风道先连接矩形大小头，缩颈后再连接矩形弯头变向后与原热风口对接。通过预热器偏心放置，使预热器与电缆槽盒相碰的问题得到解决。

2.1 问题描述

为实现预热器与现场烟风道口对接，预热器混凝土基础高度需抬高至地面以上4 088 mm处，预热器本体载荷重达120 t。混凝土基础高度抬高，其抵抗风载荷、地震载荷的能力相对下降，预热器厂家提供的500 mm×500 mm的混凝土支柱截面不能够承载相应的重力载荷、风载及地震载荷，而加大基础截面将受到现场空间位置的限制。

2.2 原因分析及改进措施

混凝土支柱截面需由500 mm×500 mm加大至700 mm×700 mm，才能够承载相应的重力载荷、风载及地震载荷。而加大基础截面，就会与预热器箱体相碰，为防止相碰，经过与厂家协商，将预热器左右基础间距由5 000 mm扩至5 200 mm，预热器基础间距及大小调整前后比较见图2。

图2 预热器基础间距及大小调整前后比较

使基础与预热器的箱体不能相碰，混凝土支柱的现场设置问题得到解决。同时为增强预热器4个混凝土支柱的稳固性，在4个混凝土支柱间设置混凝土横梁，同时加大地脚螺栓根径（由M30加大为M36）加强基础的整体承载能力［2］。

3.1 问题描述

原有水热媒预热器热烟道（Ф2 200，重达10 t），1端固定在烟囱外壁，另1端固定在预热器顶部（预热器上方无膨胀节），实现热烟道支撑。而现有板式预热器的保温形式为外保温，为消减高温烟气（约400℃）对预热器产生的热膨胀量的影响，需在预热器上方安装膨胀节，而膨胀节的特性决定其不能承受重力载荷，即预热器1端不能成为热烟道的另1个支撑点，热烟道如何支撑成为配套设计中的难题。

3.2 原因分析及改进措施

若预热器厂家能将预热器由外保温改为内保温，预热器壁板不直接接触高温烟气，预热器可不考虑热膨胀量的影响，可以取消膨胀节设置，如此，预热器仍可作为支撑点，不用新增热烟道支撑，但将此建议与厂家沟通后，预热器厂家表示其内部结构决定预热器保温形式只能为外保温，此方法不可行。

若能在预热器膨胀节上端安装合适的弹簧支座，既可以支撑热烟道重力载荷，又不影响膨胀节伸缩性能。但由于预热器上方没有弹簧支座支撑点的安装位置，此方法不可行。

由于既不能更改预热器保温形式，又无法安装弹簧支座，只能在热烟道下方靠近预热器端从地面生根新增支撑，使预热器端热烟道的重力载荷由新增支撑承载。根据力学原理，热烟道支撑沿热烟道轴线方向越靠近预热器，其承载的重力载荷就越小。根据现场情况，热烟道支撑最近可设置在沿热烟道轴向距离烟囱中心5 100 mm位置处，见图3。将支撑设置于此，热烟道在支撑位置能否达到其轴向应力、周向应力、及剪应力的承载要求而不发生失稳变形，需进行相应的计算。

图3 热烟道下方新增支撑

3.3 热烟道支撑的校核计算

3.3.1 支座处热烟道的轴向应力计算及校核（1）支座处热烟道轴向弯矩计算。支座处热烟道轴向弯矩见图4。

图4 支座处热烟道轴向弯矩

如图4所示，轴向弯矩M为：

式中M—轴向弯矩，N·m；
G1，G2—支撑点右侧烟道和膨胀节上方热烟道的质量，kg，取值分别为1 712，5 400；
L1，L2—热烟道重心位置至支撑点的距离，mm，取值分别为975，3 250；
g—重力加速度，m/s2，取值为9.8。

（2）支座平面上压力及轴向弯矩引起的轴向应力计算。

位于横截面最高点处的轴向应力σ3为：σ3=

位于横截面最低点处的轴向应力σ4为：

式中σ3，σ4—横截面最高点和最低点的轴向应力，MPa；
pc为设计压力，MPa，取值-2×10-3；
Ra—横截面烟道半径，取值1 100；
δe—横截面烟道壁厚，mm，取值5.4；
K1，K2—强度系数，取值均为1；
[σ]t—许用压力，MPa，取值为113.75；
φ—接头系数，取值0.85。

所以支座处的轴向应力校核合格。

3.3.2 支座处热烟道的周向应力计算及校核（1）支座反力F的计算，规格见图5。

图5 支座处热烟道轴向弯矩

如图5所示，假设热烟道右下角与烟囱接触点的合力矩M1为零，则：∑M1=0，即：

进而计算得支座反力为：F=138 032 N

式中L0—支座左侧热烟道重心距离接触点的距离，m，取值为3.55；
G0—支座左侧热烟道质量，kg，取值为3 118。

（2）当有加强圈位于鞍座平面上时，鞍座边角处热烟道的周向应力σ7为：

在鞍座边角处加强圈内缘或外缘表面的周向应力σ8为

式中C4,C5—无量纲系数，取值均为1；
K7,K8—无量纲系数，取值均为0.302；
A0—组合的总截面积，mm2，取值为9 014.2；
I0—组合截面总惯性矩，mm4，取值为3.209×107；
e—加强圈截面厚度，mm，取值74；
d—加强圈内径，mm，取值为66.9。

在热烟道下方距离烟囱中心5 100 mm处设置支撑可避免膨胀节承受重力载荷，同时支撑处热烟道所受的轴向应力、周向应力均合格［3～5］。

针对加氢装置空气预热器更换及安装过程中遇到的预热器基础与电缆槽盒相碰、预热器混凝土支柱的设置、以及热烟道支撑的设置等问题，从设计的角度分析，提出了解决方法。