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(duì)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(gè)催化裝置的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)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(duì)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(shí)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(jì)流量為2 100 Nm3/min，入口設(shè)計(jì)壓力0.240 MPa（a），出口設(shè)計(jì)壓力0.108 MPa（a），入口設(shè)計(jì)溫度670℃，輸出功率6 840 kW，設(shè)計(jì)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(dòng)能高速?zèng)_向葉片，順動(dòng)葉流道形狀改變流動(dòng)方向，為了使氣流轉(zhuǎn)向，葉片必須有一個(gè)力作用于氣體，氣體也必須有一個(gè)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(dòng)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(jì)約3%，煙機(jī)入口壓力值偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)14%，煙機(jī)絕熱效率偏離設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)落后

此煙機(jī)為20世紀(jì)末設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品，動(dòng)、靜葉片均采用傳統(tǒng)扭曲葉型葉片，與最新設(shè)計(jì)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(dòng)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(dòng)滑閥全關(guān)是最理想狀態(tài)，但很多工況下雙動(dòng)滑閥開度全關(guān)而再生器壓力需控制時(shí)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(shí)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(gè)焓升耗功過程，徑向進(jìn)入煙機(jī)流道的蒸汽不僅會(huì)對(duì)原有煙氣流場產(chǎn)生干擾，還會(huì)降低葉柵的氣動(dòng)效率，小于3 μm的催化劑超細(xì)粉也將隨著被擾動(dòng)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(shì)，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(duì)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(jì)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(jì)2010—2017年該煙機(jī)累計(jì)檢修5次。檢修發(fā)現(xiàn)煙機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)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(shí)動(dòng)葉片出氣邊頂部的磨損減薄，2014年動(dòng)葉片進(jìn)氣邊背根部的“羽毛”狀磨痕，2017年動(dòng)葉片根部榫齒裂紋，動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)均勻附著在葉片表面，但是在出現(xiàn)異常波動(dòng)時(shí)，附著在葉片上的催化劑垢局部脫落，使得煙機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡受到破壞，隨之煙機(jī)振動(dòng)會(huì)加劇甚至呈跳躍態(tài)勢(shì)，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(shì)，如果繼續(xù)使用將會(huì)成為新的隱患。

3 改造措施

3.1 更新升級(jí)煙機(jī)葉片

煉油裝置利用大修機(jī)會(huì)，將煙機(jī)葉片更新升級(jí)為新型高效的馬刀葉型葉片。該新設(shè)計(jì)的動(dòng)、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(duì)一匹配設(shè)計(jì)，并通過了計(jì)算機(jī)CFD技術(shù)模擬平臺(tái)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(xiàng)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(dòng)，提高葉片氣動(dòng)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(shí)馬刀葉型葉片還有效降低了催化劑超細(xì)粉隨著被擾動(dòng)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(duì)降低煙機(jī)流通部件結(jié)垢有利。新舊動(dòng)葉片如圖3所示。

圖3 新舊動(dòng)葉片對(duì)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(duì)提升煙機(jī)效率非常關(guān)鍵。經(jīng)過與工藝人員對(duì)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(dòng)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(gè)腔體，使輪盤冷卻蒸汽冷卻輪盤和動(dòng)葉葉根的同時(shí)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(dòng)滑閥開度會(huì)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(duì)比如表2所示。

表2 煙機(jī)改造前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)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(jì)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(jì)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(shí)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(cè)到機(jī)組各點(diǎn)振動(dòng)、軸瓦溫度相對(duì)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(gè)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(shí)機(jī)對(duì)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(xiàng)振動(dòng)、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(dòng)波動(dòng)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(jì)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(jì)輪盤，煙機(jī)動(dòng)葉片易磨損和動(dòng)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(jí)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(xiàng)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。