催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)分析

謝超，王文剛

（中石油華東設(shè)計(jì)院有限公司， 山東 青島 266071）

催化裂化工藝是石油加工煉制的主要手段之一，它在煉油工業(yè)中占有重要的地位。催化裂化裝置中主風(fēng)機(jī)的功能是將空氣壓縮后送入再生器為催化劑提供流化風(fēng)和燒焦風(fēng)。主風(fēng)機(jī)是催化裝置的核心設(shè)備，被譽(yù)為裝置的“心臟”。一旦主風(fēng)機(jī)出現(xiàn)事故，不僅會造成裝置停產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)斐扇藛T傷亡。同時(shí)，主風(fēng)機(jī)又是催化裝置的耗能大戶，因此選擇安全可靠、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好的主風(fēng)機(jī)并進(jìn)行合理的流程設(shè)計(jì)尤為重要。

近年來，催化裝置所用的主風(fēng)機(jī)應(yīng)用最多的是離心式和軸流式壓縮機(jī)。氣體在壓縮機(jī)內(nèi)沿徑向離心方向流動的為離心式；氣體在壓縮機(jī)內(nèi)沿平行于軸線方向流動的為軸流式。兩類壓縮機(jī)都屬于透平式壓縮機(jī)，但二者又有各自的適用范圍和氣動特點(diǎn)。

1 催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例

某煉油廠新建催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 主風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

2 選型對比分析

根據(jù)裝置運(yùn)行所需的風(fēng)量和壓力，主風(fēng)機(jī)選擇離心式和軸流式壓縮機(jī)均有可行方案。在設(shè)備采購階段，各制造廠提供的技術(shù)報(bào)價(jià)方案分為兩類。第一類為離心壓縮機(jī)，第二類為軸流壓縮機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)對比見表2。

表2 主要技術(shù)參數(shù)對比

2.1 技術(shù)可靠性

離心式和軸流式壓縮機(jī)是目前使用最廣泛的氣體壓縮機(jī)械，適用的流量范圍寬。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)離心機(jī)和軸流機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)已比較成熟，可靠性高，能夠長周期平穩(wěn)運(yùn)行。有統(tǒng)計(jì)資料，離心和軸流壓縮機(jī)的平均檢修時(shí)間為25～90h/a，平均無故障工作時(shí)間3.7～8a。本項(xiàng)目實(shí)例中報(bào)價(jià)的機(jī)型都是成熟機(jī)型，在同類裝置上均有較多的成功使用經(jīng)驗(yàn)。

2.2 流量調(diào)節(jié)特性

實(shí)際運(yùn)行中，壓縮機(jī)并不總是在設(shè)計(jì)點(diǎn)工作，有時(shí)需要變工況運(yùn)行，這就需要對壓縮機(jī)進(jìn)行變工況調(diào)節(jié)，以適應(yīng)工藝裝置操作工況變化的要求。流量調(diào)節(jié)從原理上講就是設(shè)法改變壓縮機(jī)的性能曲線或者改變管網(wǎng)的阻力特性曲線。通常使用的調(diào)節(jié)方法有三種：節(jié)流調(diào)節(jié)、變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、變靜葉/導(dǎo)葉角度調(diào)節(jié)。由于催化裝置主風(fēng)機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)，轉(zhuǎn)速總體上是恒定不變的，因此主風(fēng)機(jī)一般不采用變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

（1）離心式壓縮機(jī)一般采用節(jié)流調(diào)節(jié)，也有采用可轉(zhuǎn)動的進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的。對于多級離心機(jī)，可轉(zhuǎn)動導(dǎo)葉裝置的結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，很少使用。節(jié)流調(diào)節(jié)分為出口節(jié)流和進(jìn)口節(jié)流。出口節(jié)流是在壓縮機(jī)出口安裝調(diào)節(jié)閥，通過調(diào)節(jié)該閥的開度，來改變管網(wǎng)阻力曲線，也就改變了壓縮機(jī)與管網(wǎng)的聯(lián)合運(yùn)行工作點(diǎn)。出口節(jié)流是人為地增加了管網(wǎng)阻力，帶來了附加的節(jié)流損失，經(jīng)濟(jì)性很差。進(jìn)口節(jié)流是通過入口調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)進(jìn)氣壓力。進(jìn)氣壓力的降低直接影響排氣壓力，使壓縮機(jī)性能曲線下移，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的[1]。和出口節(jié)流相比，進(jìn)口節(jié)流的經(jīng)濟(jì)性較好。它是一種比較簡單常用的調(diào)節(jié)方法。但仍然會造成一定的節(jié)流損失，并且工況改變后對壓縮機(jī)的效率也有影響。

（2）軸流式壓縮機(jī)可通過改變靜葉角度來實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)范圍寬。在變工況時(shí)，改變靜葉的安裝角度，使之適應(yīng)氣流方向變化，減少沖角帶來的分離損失，能有效地?cái)U(kuò)大穩(wěn)定工作范圍，并在變工況時(shí)仍可保持較高的效率，同時(shí)能改善壓縮機(jī)的工作特性，防止喘振和阻塞現(xiàn)象。全靜葉可調(diào)軸流機(jī)的第一級靜葉角度可在22°～79°之間調(diào)節(jié)，每一靜葉開度對應(yīng)一條曲線。該調(diào)節(jié)方法響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)精度高，而且有利于降低設(shè)備的噪音（三層缸結(jié)構(gòu)）。

（3）軸流式壓縮機(jī)采用可調(diào)靜葉進(jìn)行調(diào)節(jié)，不會引起節(jié)流損失，經(jīng)濟(jì)性好。在壓力不變的情況下，流量調(diào)節(jié)范圍較寬而且變工況運(yùn)行時(shí)效率降低也不多。相比離心機(jī)的入口節(jié)流，軸流機(jī)的靜葉可調(diào)具有明顯優(yōu)勢。

2.3 對配套設(shè)備的要求

軸流壓縮機(jī)對固體雜質(zhì)比較敏感，葉片易受到磨損，對空氣的清潔度要求較高，需在入口設(shè)置高效空氣過濾器。離心壓縮機(jī)一般不需要設(shè)置入口空氣過濾器，通常設(shè)置一個(gè)傘帽，防止雨水及雜物進(jìn)入壓縮機(jī)。由于軸流機(jī)的葉片薄，強(qiáng)度低，喘振極易引起軸流機(jī)的損壞，通常在主風(fēng)機(jī)出口放空管道上并聯(lián)設(shè)置兩臺防喘振閥。防喘振閥應(yīng)具有快開功能，一般要求全開時(shí)間小于1.5s。而離心機(jī)的葉輪強(qiáng)度比較高，實(shí)際操作中即使發(fā)生喘振，也不會造成太大的影響，通常設(shè)置一臺防喘振閥即可。

2.4 尺寸重量對比

離心式壓縮機(jī)級內(nèi)的氣體流動是從進(jìn)氣管進(jìn)入吸氣室，再經(jīng)過旋轉(zhuǎn)葉輪，進(jìn)入擴(kuò)壓器，然后通過彎道進(jìn)入回流器，完成一個(gè)級的壓縮。具有復(fù)雜流道的多級離心壓縮機(jī)，比壓縮相同流量氣體時(shí)的軸流壓縮機(jī)體積要大得多。在本項(xiàng)目實(shí)例中，報(bào)價(jià)的離心機(jī)葉輪直徑較大，達(dá)到1000mm，焊接和加工不太容易。離心機(jī)的重量約35t。軸流式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)上比離心式壓縮機(jī)簡單，氣體大致沿著軸向流動，不需要像離心機(jī)那樣使氣流大轉(zhuǎn)向而設(shè)置彎道、回流器等部件，徑向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊更合理。本項(xiàng)目實(shí)例中報(bào)價(jià)的軸流機(jī)重量輕，僅25t，體積也小，相應(yīng)的設(shè)備基礎(chǔ)也可做得小一些。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益對比

一次性設(shè)備投資對比：主風(fēng)機(jī)如選用離心機(jī)，當(dāng)時(shí)的參考價(jià)格約450萬元。如果采用軸流機(jī)，單臺價(jià)格約750萬元。軸流機(jī)的一次性投資要高。

運(yùn)行效益對比：軸流式壓縮機(jī)的流道短而且簡單，氣流轉(zhuǎn)向變化小，基本是沿著軸向流動，而離心壓縮機(jī)的流道長且有較多的急劇轉(zhuǎn)彎，因而軸流式壓縮機(jī)的流動損失和分離損失較小，效率高。由表2可以看出，軸流壓縮機(jī)在效率方面有明顯的優(yōu)勢，其效率比離心機(jī)高7個(gè)百分點(diǎn)。軸流機(jī)在夏季工況軸功率為4344kW，而離心機(jī)的軸功率為4882kW，軸流機(jī)比離心機(jī)每小時(shí)能節(jié)電538kWh。工業(yè)用電按0.6元/kWh計(jì)算，每年運(yùn)行時(shí)間按8000h計(jì)算，與離心機(jī)相比，采用軸流機(jī)每年約能節(jié)省電費(fèi)258萬元。軸流壓縮機(jī)避免進(jìn)口節(jié)流損失而能節(jié)省電費(fèi)約21萬元（按年節(jié)電的8%計(jì)算）。軸流壓縮機(jī)較離心壓縮機(jī)全年合計(jì)節(jié)省電費(fèi)為279萬元。

綜上所述，若采用軸流機(jī)，雖然一次性投資要高，但從節(jié)能和回收成本較快的角度考慮，不失為較佳方案，大約一年時(shí)間節(jié)省的運(yùn)行成本即可抵消兩種壓縮機(jī)的設(shè)備投資差價(jià)。本項(xiàng)目實(shí)例中，主風(fēng)機(jī)選用了軸流式壓縮機(jī)。

3 催化裂化裝置中主風(fēng)機(jī)的流程

主風(fēng)機(jī)組的原則工藝流程見圖1。高溫?zé)煔鈴脑偕鞒鰜?，?jīng)過三級旋風(fēng)分離器，使催化劑濃度降至0.2g/nm3以下。從三旋出來的煙氣分成兩路，一路煙氣經(jīng)過兩個(gè)高溫閥后進(jìn)入煙氣輪機(jī)。高溫?zé)煔庠跓煓C(jī)里膨脹做功，作為驅(qū)動主風(fēng)機(jī)的動力。從煙機(jī)出來的氣體送至水封罐。水封罐實(shí)際上是一個(gè)低壓大口徑的切斷閥，水封罐的出口通至余熱鍋爐。另一路煙氣通過雙動滑閥、孔板降壓后送至余熱鍋爐。在機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，雙動滑閥全關(guān)，所有煙氣通過煙機(jī)做功。當(dāng)煙氣中催化劑含量過高或煙機(jī)解列后，煙機(jī)入口閥全關(guān)，煙氣只能通過雙動滑閥、孔板降壓后進(jìn)入余熱鍋爐。

主風(fēng)從大氣中吸入，一般將吸入口架高設(shè)置在壓縮機(jī)廠房的房檐附近。本項(xiàng)目實(shí)例選用的是軸流壓縮機(jī)，所以在入口設(shè)置了一臺空氣過濾器。過濾器優(yōu)選板框式，三級過濾，過濾精度高。過濾后的主風(fēng)經(jīng)過入口消聲器進(jìn)入壓縮機(jī)。為防止管道熱膨脹或安裝產(chǎn)生的應(yīng)力影響主風(fēng)機(jī)操作，在主風(fēng)機(jī)入口與管道連接處采用膨脹節(jié)連接。主風(fēng)機(jī)出口管道裝有出口消聲器，后面分別裝有阻尼單向閥和電動切斷閥。當(dāng)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動切斷閥、阻尼單向閥全開；當(dāng)機(jī)組停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電動切斷閥、阻尼單向閥全關(guān)。在主風(fēng)機(jī)與阻尼單向閥之間的管道上還設(shè)有一條放空管道，在該管道上并聯(lián)設(shè)置兩臺防喘振閥，防喘振閥后分別設(shè)有放空消聲器。

圖1 主風(fēng)機(jī)組原則工藝流程

4 總結(jié)

在主風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，須從工藝參數(shù)、調(diào)節(jié)特性、設(shè)備占地、運(yùn)行操作成本等方面綜合對比選擇機(jī)型。一般來說，軸流壓縮機(jī)效率高，體積小，性能調(diào)節(jié)范圍寬，但對配套的設(shè)備要求較高。對于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)風(fēng)量在1400m3/min及以上時(shí)，宜選用軸流壓縮機(jī)。比選用離心壓縮機(jī)，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性更好，能顯著降低能耗和生產(chǎn)運(yùn)行成本。

本項(xiàng)目實(shí)例中，主風(fēng)機(jī)擇優(yōu)選用了軸流式壓縮機(jī)。主風(fēng)機(jī)投產(chǎn)兩年來運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)節(jié)靈敏，噪音低，可靠性高，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。