催化裂化裝置煙機(jī)節(jié)能優(yōu)化的改進(jìn)及效果

但加飛，陸海

（中國石化巴陵分公司，湖南岳陽 414014）

某石化公司煉油部催化裂化裝置主風(fēng)能量回收機(jī)組中煙氣輪機(jī)（簡稱煙機(jī)）的主要作用就是將高溫?zé)煔獾膲毫δ芎蜔崮苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能對外做功，達(dá)到回收能量、降低裝置能耗的目的。因此，煙機(jī)不僅是整個催化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，同時也是最主要節(jié)能設(shè)備。多年來該裝置煙機(jī)運(yùn)行效率較低導(dǎo)致主電機(jī)耗電量偏大、煙機(jī)輪盤蒸汽消耗大等問題給裝置綜合能耗達(dá)標(biāo)帶來巨大壓力。該文針對這幾類問題進(jìn)行深入分析，提出改進(jìn)和優(yōu)化措施，達(dá)到了降低裝置能耗目的，同時也提升了煙機(jī)運(yùn)行可靠性。

1 煙機(jī)概況

催化裂化裝置主風(fēng)能量回收機(jī)組采用的是同軸式三機(jī)組配置方案[1]，即煙機(jī)＋軸流式壓縮機(jī)＋齒輪箱＋電機(jī)，主風(fēng)能量回收機(jī)組配置見圖1。

圖1 主風(fēng)能量回收機(jī)組配置

煉油裝置目前使用的煙機(jī)是YL-7000D型，煙機(jī)結(jié)構(gòu)示意見圖2。其設(shè)計流量為2 100 Nm3/min，入口設(shè)計壓力0.240 MPa（a），出口設(shè)計壓力0.108 MPa（a），入口設(shè)計溫度670℃，輸出功率6 840 kW，設(shè)計轉(zhuǎn)速6 331 r/min。煙氣軸向進(jìn)入煙氣輪機(jī)后在噴嘴中膨脹，壓力和溫度降低，把熱能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)動能高速沖向葉片，順動葉流道形狀改變流動方向，為了使氣流轉(zhuǎn)向，葉片必須有一個力作用于氣體，氣體也必須有一個與之相適應(yīng)的作用力作用于葉片上，該力在周向的分力推動煙機(jī)輪盤不斷旋轉(zhuǎn)并發(fā)出機(jī)械功。

圖2 煙機(jī)結(jié)構(gòu)

2 煙機(jī)運(yùn)行中存在問題及原因分析

2.1 效率低導(dǎo)致能量回收機(jī)組電耗高

改造前煙機(jī)流量值偏離設(shè)計約3%，煙機(jī)入口壓力值偏離設(shè)計點(diǎn)14%，煙機(jī)絕熱效率偏離設(shè)計值超過2%，煙機(jī)功效沒有得到充分發(fā)揮導(dǎo)致主風(fēng)能量回收機(jī)組正常運(yùn)行時電機(jī)功率較大，主電機(jī)電耗平均持續(xù)在900 KW/h，電耗較高，具體原因如下。

（1）葉片設(shè)計落后

此煙機(jī)為20世紀(jì)末設(shè)計制造產(chǎn)品，動、靜葉片均采用傳統(tǒng)扭曲葉型葉片，與最新設(shè)計有較大差距，不能充分回收煙氣壓力能及熱能造成電耗偏高。

（2）煙機(jī)運(yùn)行參數(shù)與當(dāng)前實(shí)際工況不匹配

催化反應(yīng)再生系統(tǒng)中再生器壓力調(diào)節(jié)由雙動滑閥和煙機(jī)入口蝶閥分程控制，為保證煙機(jī)多做功，煙機(jī)入口蝶閥開度全開（全開90%，全關(guān)0%）而雙動滑閥全關(guān)是最理想狀態(tài)，但很多工況下雙動滑閥開度全關(guān)而再生器壓力需控制時只能通過關(guān)小煙機(jī)入口蝶閥開度來實(shí)現(xiàn)，造成部分壓力損失在煙機(jī)入口蝶閥壓降上，導(dǎo)致煙機(jī)出力下降，這在裝置低負(fù)荷生產(chǎn)時尤其突出。

2.2 輪盤冷卻蒸汽消耗大

該煙機(jī)輪盤為開放式腔體結(jié)構(gòu)，不能形成有效壓力腔，煙機(jī)運(yùn)行過程中輪盤冷卻蒸汽一部分用于輪盤冷卻作用，另一部分通過輪盤葉柵流道排出隨煙氣流走，煙機(jī)輪盤冷卻蒸汽流量調(diào)節(jié)閥開度高達(dá)40%。輪盤冷卻蒸汽進(jìn)入流道至煙機(jī)出口是一個焓升耗功過程，徑向進(jìn)入煙機(jī)流道的蒸汽不僅會對原有煙氣流場產(chǎn)生干擾，還會降低葉柵的氣動效率，小于3 μm的催化劑超細(xì)粉也將隨著被擾動后的流線在葉片背弧某一部位集中，局部高濃度催化劑超細(xì)粉將加劇煙機(jī)葉片結(jié)垢趨勢，更有甚者葉根冷卻蒸汽混有煙氣，葉根的冷卻效果差，葉片葉根冷卻間隙容易阻塞；葉片葉根工作溫度高，葉根的強(qiáng)度裕度變小，對煙機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。通過數(shù)據(jù)查詢收集和計算，得到2014— 2017年該煙機(jī)輪盤冷卻蒸汽平均消耗量約0.65 t/h，而同行業(yè)煙機(jī)平均蒸汽消耗量約為0.4 t/h，蒸汽消耗量偏高。

2.3 無法滿足裝置長周期運(yùn)行要求

一方面煙機(jī)檢修頻次高。據(jù)統(tǒng)計2010—2017年該煙機(jī)累計檢修5次。檢修發(fā)現(xiàn)煙機(jī)轉(zhuǎn)子動葉片均存在一定磨損，且磨損部位出現(xiàn)在很多區(qū)域有進(jìn)氣邊、出氣邊、葉片根部榫齒等部位，如2011年檢修時動葉片出氣邊頂部的磨損減薄，2014年動葉片進(jìn)氣邊背根部的“羽毛”狀磨痕，2017年動葉片根部榫齒裂紋，動葉片的嚴(yán)重磨損影響機(jī)組長周期安穩(wěn)運(yùn)行。另一方面煙機(jī)葉片結(jié)垢嚴(yán)重，影響煙機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡。由于三旋分離器在煙機(jī)改造前后相同，可視作分離效果一致。煙機(jī)檢修開蓋后發(fā)現(xiàn)動靜葉片表面聚結(jié)一層催化劑垢，該催化劑垢既硬又脆，正常情況下會均勻附著在葉片表面，但是在出現(xiàn)異常波動時，附著在葉片上的催化劑垢局部脫落，使得煙機(jī)轉(zhuǎn)子動平衡受到破壞，隨之煙機(jī)振動會加劇甚至呈跳躍態(tài)勢，直接威脅機(jī)組安穩(wěn)運(yùn)行。此外煙機(jī)運(yùn)行已達(dá)15年之久，葉片使用壽命已至末期，這些部件長期受高溫、催化劑沖刷等惡劣條件影響，又經(jīng)多次溫升溫降，已經(jīng)有劣化趨勢，如果繼續(xù)使用將會成為新的隱患。

3 改造措施

3.1 更新升級煙機(jī)葉片

煉油裝置利用大修機(jī)會，將煙機(jī)葉片更新升級為新型高效的馬刀葉型葉片。該新設(shè)計的動、靜葉型是結(jié)合當(dāng)前裝置實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行的一對一匹配設(shè)計，并通過了計算機(jī)CFD技術(shù)模擬平臺實(shí)驗(yàn)。新葉型最大特點(diǎn)在于將原來的變截面扭轉(zhuǎn)葉型變?yōu)閺澟?fù)合葉型。該葉型是變截面、扭曲和彎曲三項技術(shù)的綜合體，能有效調(diào)整等壓線分布形狀，抑制根部和頂部附面層分離，有效減少二次流損失，使低能區(qū)流量向主流流動，提高葉片氣動效率，增加葉片做功能力，使煙機(jī)通流效率得到更大提升；同時馬刀葉型葉片還有效降低了催化劑超細(xì)粉隨著被擾動后的流線在葉片背弧某一部位集中，降低了煙機(jī)葉片的結(jié)垢傾向，對降低煙機(jī)流通部件結(jié)垢有利。新舊動葉片如圖3所示。

圖3 新舊動葉片對比

3.2 復(fù)核調(diào)整煙機(jī)運(yùn)行參數(shù)

正確的核算確定煙機(jī)入口煙氣流量對提升煙機(jī)效率非常關(guān)鍵。經(jīng)過與工藝人員對接采集數(shù)據(jù)，煙機(jī)核算前后運(yùn)行參數(shù)見表1。

表1 煙機(jī)核算前后運(yùn)行參數(shù)

3.3 應(yīng)用新型葉根密封冷卻技術(shù)

新型葉根密封冷卻技術(shù)原理采用的是蜂窩密封技術(shù)，新型葉根密封結(jié)構(gòu)如圖4所示。煙機(jī)轉(zhuǎn)子葉片密封由動葉片葉根幅板延伸端裝配后形成的環(huán)面與靜葉組件上安裝的蜂窩密封組成一個腔體，使輪盤冷卻蒸汽冷卻輪盤和動葉葉根的同時又能將蒸汽流場與煙氣流場進(jìn)行有效隔離，避免蒸汽干擾煙機(jī)做功，提升煙機(jī)效率，減少催化劑附著條件，緩解催化劑結(jié)垢，大幅減少蒸汽耗量。

圖4 新型葉根密封結(jié)構(gòu)

4 改造效果

4.1 機(jī)組能耗降低

煙機(jī)改造后，經(jīng)多月運(yùn)行主風(fēng)能量回收機(jī)組主電機(jī)耗電逐步降低，通過優(yōu)化煙機(jī)運(yùn)行方式，即在控制再生器壓力正常條件下開大煙機(jī)入口蝶閥，提高煙機(jī)做功，主電機(jī)電流逐漸降低，分程控制下雙動滑閥開度會逐步減小，最終可以實(shí)現(xiàn)主電機(jī)由受電工況轉(zhuǎn)換為發(fā)電工況。在2018年1月中旬，該催化裝置實(shí)現(xiàn)了建廠以來第一次發(fā)電工況運(yùn)行。煙機(jī)改造前后各運(yùn)行參數(shù)對比如表2所示。

表2 煙機(jī)改造前后運(yùn)行參數(shù)對比

煙機(jī)可回收的功率是煙氣通過煙機(jī)壓力降、入口溫度和入口煙氣流量的函數(shù)。煙機(jī)熱平衡方程式和煙機(jī)出口溫度計算公式分別為式（1）和式（2）[2]：

式中：Ne為理論煙機(jī)軸功率，kW；Ge為煙氣流量，Nm3/min；Ti為煙機(jī)入口溫度，℃；Te為煙機(jī)理論出口溫度，℃；Te′為煙機(jī)實(shí)際出口溫度，℃；Pe為煙機(jī)出口壓力，MPa（a）；Pi為煙機(jī)入口壓力，MPa（a）；Cp為煙氣入口溫度與理論出口溫度定壓平均比熱，J/kg·℃；k為煙氣絕熱指數(shù)，1.31。

由此可以得出煙機(jī)絕熱效率公式見式（3）：

式中：Ne′為實(shí)際煙機(jī)軸功率，kW；Cp′為煙氣入口溫度與實(shí)際出口溫度定壓平均比熱，J/kg·℃。

將已知參數(shù)代入公式（1）（2）（3）計算可得煙機(jī)改造前平均絕熱效率75.2%，改造后平均絕熱效率為82.7%。煙機(jī)效率明顯提高，煙機(jī)做功自然提升。從實(shí)際開工機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定后情況來看，機(jī)組主電機(jī)由平時的受電狀態(tài)轉(zhuǎn)至最高發(fā)電狀態(tài) 500 KW/h左右，監(jiān)測到機(jī)組各點(diǎn)振動、軸瓦溫度相對穩(wěn)定，具備了連續(xù)運(yùn)行發(fā)電基礎(chǔ)。主風(fēng)機(jī)平均電耗在300 kW/h以下，相較于前幾個周期裝置檢修開工后主電機(jī)電耗平均持續(xù)在900 kW/h以上有明顯降低，實(shí)踐證明改造后煙機(jī)效率提高。

4.2 煙機(jī)輪盤蒸汽消耗降低

改造后，煙機(jī)輪盤冷卻蒸汽流量調(diào)節(jié)閥由上周期開度40%下降至21%，相應(yīng)冷卻蒸汽流量平均下降至0.26 t/h，較改造前下降0.39 t/h，平均每年可節(jié)約蒸汽消耗約3 400 t，年化節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本約50萬元。

4.2 煙機(jī)運(yùn)行可靠性提升

2017年4月借裝置大檢修時機(jī)對煙機(jī)實(shí)施技術(shù)優(yōu)化和改造，投入運(yùn)行至今已連續(xù)安穩(wěn)運(yùn)行4年，煙機(jī)運(yùn)行工況保持平穩(wěn)，各項振動、位移、溫度等指標(biāo)正常，煙機(jī)轉(zhuǎn)子平衡保持完好，未發(fā)生煙機(jī)結(jié)垢脫落、振動波動現(xiàn)象。實(shí)踐證明改造后煙機(jī)運(yùn)行可靠性提升，滿足了當(dāng)前裝置長周期運(yùn)行需求。

5 結(jié)論

（1）煙機(jī)運(yùn)行效率低導(dǎo)致主風(fēng)能量回收機(jī)組電耗高的主要原因是葉片技術(shù)設(shè)計落后及煙機(jī)運(yùn)行參數(shù)與實(shí)際工況不匹配，煙機(jī)輪盤冷卻蒸汽消耗大的主要原因是其采用開放式腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計輪盤，煙機(jī)動葉片易磨損和動靜葉片結(jié)垢問題影響機(jī)組長周期運(yùn)行。

（2）通過更新升級煙機(jī)葉片、復(fù)核調(diào)整運(yùn)行參數(shù)、應(yīng)用葉根密封冷卻技術(shù)等多項改進(jìn)措施，主風(fēng)能量回收機(jī)組平均電耗由900 KW/h下降至300 KW/h，煙機(jī)輪盤冷卻蒸汽平均消耗由0.65t/h下降至0.26 t/h，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能目標(biāo)，煙機(jī)運(yùn)行可靠性也得到提升，滿足了催化裂化裝置長周期運(yùn)行需求。