催化裂化裝置軸流風(fēng)機(jī)葉片結(jié)垢原因分析及防范措施

周 力

(中國(guó)石油化工股份有限公司長(zhǎng)嶺分公司，湖南岳陽(yáng) 414012)

1 前言

2．8 Mt/a催化裂化裝置煙氣能量回收機(jī)組由軸流風(fēng)機(jī)、煙氣輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、齒輪箱等組成。軸流風(fēng)機(jī)型號(hào)為AV80－13，共有13級(jí)軸流葉片。型式為下進(jìn)氣、下排氣，兩端支撐，水平剖分結(jié)構(gòu)。

主風(fēng)機(jī)組于2010年11月開工投用至今，運(yùn)行較為平穩(wěn)，瓦溫、振動(dòng)、位移等軸系參數(shù)一直顯示正常。但自2015年2月開始，風(fēng)機(jī)出現(xiàn)異常，在靜葉角度全開的情況下，風(fēng)量已不能滿足工藝需求。因此，對(duì)機(jī)組進(jìn)行解體檢修［1，2］，并對(duì)其異常工況的原因進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出防范措施，以確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)機(jī)主要技術(shù)性能指標(biāo)及技術(shù)參數(shù)

軸流壓縮機(jī)由某有限公司生產(chǎn)，型式為軸流式全靜葉可調(diào)，型號(hào)為AV80－13，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 AV80－13軸流壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)

軸流壓縮機(jī)主要是由機(jī)殼、葉片承缸、調(diào)節(jié)缸、轉(zhuǎn)子、進(jìn)口圈、擴(kuò)壓器、軸承箱、油封、密封、軸承、靜葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成。

3 主風(fēng)機(jī)效率下降故障現(xiàn)象

機(jī)組在2015年的運(yùn)行過程中，自2月份開始主風(fēng)機(jī)靜葉角度開度較去年同期有了明顯的增大才能保證足夠的主風(fēng)流量。同時(shí)，主風(fēng)機(jī)出口溫度及電機(jī)功耗較去年同期逐步上漲，見表2和3。

表2 2014年1～5月風(fēng)機(jī)參數(shù)(月平均值)

表3 2015年1～5月風(fēng)機(jī)參數(shù)(月平均值)

通過以上數(shù)據(jù)，可清晰地看到2015年1月份主風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)較為正常，風(fēng)量在比2014年同期高出近20 kNm3/h的情況下，靜葉角度只較2014年高3°左右。但自2月份起，為保證主風(fēng)流量，靜葉角度逐步開大，同時(shí)風(fēng)機(jī)出口溫度也較2014年同期從+3℃的溫差逐步增至+20℃溫差。

4 數(shù)據(jù)核算

取2014年及2015年某外部環(huán)境數(shù)據(jù)及主風(fēng)量基本一致的2點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定核算。標(biāo)定數(shù)據(jù)見表4。

表4 風(fēng)機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)

式中 ηpol——風(fēng)機(jī)多變效率，%

K1——絕熱系數(shù)，K1=1．4

P2——主風(fēng)機(jī)出口壓力，MPa

P1——主風(fēng)機(jī)進(jìn)口壓力，MPa

T2——主風(fēng)機(jī)出口溫度，K

T1——主風(fēng)機(jī)入口溫度，K

廠家提供主分機(jī)消耗功率經(jīng)驗(yàn)公式為:

式中 N主——主風(fēng)機(jī)消耗功率，kW/h

G——單位時(shí)間通過主風(fēng)機(jī)的質(zhì)量流量，kg/s

R——空氣常數(shù)，kJ/(kg·K)，R=0．287 kJ/(kg·K)

η主——主風(fēng)機(jī)機(jī)械效率，%，廠家提供數(shù)據(jù) η主=0．97%

由式(1)和(2)可計(jì)算得出:2014年該工況下風(fēng)機(jī)多變效率為87．6%，主風(fēng)機(jī)耗功23209 kW。而2015年在類似工況下風(fēng)機(jī)多變效率僅為80%，主風(fēng)機(jī)耗功26023 kW。主風(fēng)機(jī)效率下降7．6%，耗功增加2814 kW，與電機(jī)功率上漲基本一致，說明主風(fēng)機(jī)增加的功耗全部用于主風(fēng)熱能的增加，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)效率的下降。

5 原因分析

軸流風(fēng)機(jī)功率的增加實(shí)際就是其能量損失的增大。而軸流壓縮機(jī)能量損失分為內(nèi)損失和外損失兩部分。內(nèi)部損失不可逆的轉(zhuǎn)變?yōu)闊?，使氣體狀態(tài)發(fā)生改變，外損失使壓縮機(jī)的功耗增加，但不會(huì)影響氣體狀態(tài)。外損失常指壓縮機(jī)軸端密封的漏氣，軸承、聯(lián)軸器等部件的機(jī)械損失等。而內(nèi)損失，包括壓縮機(jī)的葉柵損失，通過級(jí)內(nèi)密封的漏氣引起的損失，輪盤和輪鼓表面對(duì)氣體的摩擦損失等。此次風(fēng)機(jī)效率下降并造成排氣溫度的大幅上漲，能量損失表現(xiàn)為內(nèi)部損失形式。這有可能是由于葉片結(jié)垢造成葉型損失增大所4．433厘米致。

由于氣體存在一定的黏性，靠近葉型壁面處的氣體往往附著在葉片表面，其流速接近于零，而最外層的流速則是接近主流流速。葉片結(jié)垢造成葉片表面粗糙度增加，引起附著在葉片表面的低速氣流增加，這樣氣流與葉片間的摩擦損失、分離損失都會(huì)加大，造成功率的上漲。同時(shí)，葉片結(jié)垢造成氣流在風(fēng)機(jī)內(nèi)的流型改變，甚至在高、低壓葉片間的反復(fù)內(nèi)部循環(huán)，而在葉片間循環(huán)的氣流不能及時(shí)排出風(fēng)機(jī)，繼續(xù)接受風(fēng)機(jī)做功，引起風(fēng)量的下降和熱能的增加。主風(fēng)機(jī)功率的上漲不可逆的轉(zhuǎn)變?yōu)闅饬鞯臒崮?，造成排氣溫度的上升。另外，葉片結(jié)垢造成風(fēng)機(jī)內(nèi)流道局部堵塞，相同的靜葉角度下，風(fēng)量下降。為滿足工藝需求的主風(fēng)流量，需增大靜葉角度，加大靜葉柵流道面積來提高風(fēng)量。結(jié)垢越嚴(yán)重，相應(yīng)靜葉角度需開的越大?？梢?，葉片結(jié)垢對(duì)風(fēng)機(jī)性能有著極其嚴(yán)重的影響。

6 主風(fēng)機(jī)解體后發(fā)現(xiàn)的問題

機(jī)組解體后檢查發(fā)現(xiàn)主風(fēng)機(jī)入口段靜動(dòng)葉均布有較厚的黑色附著垢物，一、二級(jí)靜葉葉背處結(jié)垢最厚處達(dá)6mm。結(jié)垢情況存在以下2個(gè)特點(diǎn):(1)靜葉結(jié)垢比動(dòng)葉嚴(yán)重;(2)前5級(jí)比后幾級(jí)嚴(yán)重。另外，對(duì)葉頂間隙進(jìn)行檢查，其間隙為1．4～1．5mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖1 葉片結(jié)垢情況

7 結(jié)垢原因分析

通過對(duì)結(jié)垢物進(jìn)行化驗(yàn)分析，其成分主要為SO3、SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O 等，去除 SO3，其他成分與催化劑組成基本一致。判斷葉片結(jié)垢為催化劑與催化煙氣共同作用所致。

7． 1 催化劑結(jié)垢分析

有研究表明催化劑細(xì)粉顆粒存在靜電吸附作用，從流體力學(xué)角度講，與常規(guī)催化劑顆粒A類粒子不同，小于10μm的固體顆粒(屬于C類粒子)本身由于分子間范德華力作用粘結(jié)性強(qiáng)，不易流動(dòng)，同時(shí)催化劑中的稀土元素較容易產(chǎn)生靜電，從而強(qiáng)化了小顆粒的吸附作用。催化劑細(xì)粉中稀土元素為催化劑細(xì)粉吸附提供了條件，加劇了結(jié)垢形成。催化裝置再生系統(tǒng)的大量煙氣通過煙氣輪機(jī)及余熱鍋爐進(jìn)行熱能回收后進(jìn)入煙囪排放。而煙氣中不可避免的攜帶有催化劑顆粒，特別是粒徑小于10μm的細(xì)粉顆粒。催化劑顆粒通過煙囪拉高排放后還是會(huì)逐步沉積下來，進(jìn)入風(fēng)機(jī)入口處，這是其結(jié)垢的前提條件［3］。

7． 2 SOX對(duì)催化劑粘連結(jié)垢的影響

為了更好地量化金屬離子對(duì)催化劑粘連程度的影響，提出來一種表征FCC催化劑粘連程度的方法，即:將制備的催化劑樣品于室溫下置于80目篩上，在振動(dòng)篩上動(dòng)力振動(dòng)5S，直至自然靜止，分別稱取篩余量和篩過量，定義篩余量與催化劑總質(zhì)量的比值為催化劑粘連因子K，粘連因子K越大則表明催化劑粘連結(jié)垢越嚴(yán)重。

結(jié)垢物中含有大量SO3(含量為34．42%)，試驗(yàn)?zāi)M研究了煙氣中SOX含量對(duì)FCC催化劑粘連結(jié)垢的影響，結(jié)果見圖2。從圖2可知，隨著煙氣中SOX含量的增加，催化劑粘連因子K值呈上升趨勢(shì)，表明SOX含量高是引起催化劑粘連結(jié)垢的誘因之一［3］。

圖2 SOX含量與粘連因子K值的關(guān)系

7． 3 空氣濕度對(duì)催化劑結(jié)垢的影響

空氣中的水分子與催化劑細(xì)粉顆粒同時(shí)作用會(huì)造成風(fēng)機(jī)葉片的積灰結(jié)垢。環(huán)境溫度升高引起空氣濕度增大即空氣中的水分子含量增加，并促進(jìn)風(fēng)機(jī)葉片結(jié)垢物的增長(zhǎng)。

7． 4 壓力、流速等因素對(duì)結(jié)垢的影響

低壓、低速利于結(jié)垢物的形成，這也是主風(fēng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)一至五級(jí)葉片結(jié)垢而末端葉片未結(jié)垢的原因。在入口側(cè)由于葉片離心力的作用，壓力較低，粉塵易在此沉積結(jié)垢。另外，對(duì)于各類污垢，污垢增長(zhǎng)率隨著流速增大而減小。這是因?yàn)殡m然流速增大可以增加污垢沉積率，但是，流速增大所引起的剝蝕率的增大更為顯著，因而造成污垢增長(zhǎng)率減少。

8 防范措施

8． 1 加強(qiáng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況的監(jiān)控和檢修管理

加強(qiáng)對(duì)主風(fēng)機(jī)入口過濾器的維護(hù)，將壓力差嚴(yán)格控制在合理范圍內(nèi)，并采取有效措施，防止灰層及雜物進(jìn)入主風(fēng)機(jī)。另外，充分利用 S8000 PLUS在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)振動(dòng)、波形、軸心軌跡等數(shù)據(jù)的監(jiān)控及分析，盡量做到在故障初期能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并積極處理。在檢修管理上，每個(gè)周期都要對(duì)機(jī)組進(jìn)行解體檢查，尤其對(duì)葉片結(jié)垢、葉頂間隙等情況的檢查和處理。

8． 2 更換更為致密的濾布

增加濾布過濾精度，阻止小顆粒細(xì)粉進(jìn)入主風(fēng)機(jī)。催化劑顆粒為葉片結(jié)垢的前提條件。因此，增加過濾精度，從源頭減少催化劑細(xì)粉進(jìn)入主風(fēng)機(jī)的幾率是防止其結(jié)垢的最有效手段。針對(duì)此情況，將濾布精度由5μm提升至3μm。

8． 3 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境管理

目前，通過各項(xiàng)措施加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)催化劑泄漏問題的管理。

(1)增加了密閉卸劑措施，催化劑通過卸劑軟管直接與外來槽車相接，避免了現(xiàn)場(chǎng)催化劑包裝時(shí)的泄漏。

(2)規(guī)范壓劑線卸劑閥的使用。員工操作卸劑閥時(shí)，偶爾會(huì)因?yàn)殚y門未開到位，造成閥門磨損急劇增大，有的閥門甚至在投用一個(gè)月后就出現(xiàn)閥體磨穿的現(xiàn)象。對(duì)此，要求員工在使用此類閥門時(shí)必須做到全開和全關(guān)，避免閥門磨損而造成催化劑的跑損。

8． 4 增加煙氣脫硫裝置

在催化裂化裝置中增加EDV濕法煙氣脫硫系統(tǒng)。在正常生產(chǎn)情況下，出口煙氣中的SO2濃度可降低至50 mg/Nm3以下，粉塵也可降低至50 mg/Nm3以下，起到了很好的除塵脫硫效果，降低主風(fēng)機(jī)對(duì)SO2的吸入。

9 結(jié)論

(1)催化裝置軸流風(fēng)機(jī)效率下降將導(dǎo)致其風(fēng)量不足、出口溫度超高及電機(jī)功率上漲等工況異常，對(duì)于這些參數(shù)需及時(shí)掌握分析并進(jìn)行判斷處理。

(2)造成軸流風(fēng)機(jī)效率下降的主要因素有葉片結(jié)垢造成的摩擦損失、分離損失以及葉頂磨損造成的徑向間隙流動(dòng)損失，而這些內(nèi)部損失將引起風(fēng)量的下降和熱能的增加，并造成排氣溫度的上升。所以，排氣溫度對(duì)于其效率判斷有較為重要指導(dǎo)作用。

(3)催化劑細(xì)粉顆粒由于其自身靜電吸附以及與煙氣中SO3共同作用，極易在風(fēng)機(jī)內(nèi)低壓、低速部位沉積結(jié)垢。裝置需加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境管理，減少其進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部的可能。

［1］ AV80－13軸流風(fēng)機(jī)機(jī)組安裝/操作/維護(hù)手冊(cè)［Z］．2010．

［2］ 丁學(xué)亮，葉片民，李春曦．軸流風(fēng)機(jī)葉片發(fā)展向結(jié)構(gòu)變化對(duì)性能影響的數(shù)值分析［J］．流體機(jī)械，2015，43(9):43-49．

［3］ 譚爭(zhēng)國(guó)，高雄厚，李獲，等．催化裂化裝置中旋風(fēng)分離器和煙氣輪機(jī)催化劑粘連結(jié)垢原因分析［J］．石油煉制與化工，2010，41(4):40-43．