催化裂化裝置主風(fēng)與增壓風(fēng)跨線加控制閥

馬勇 褚繼勇 高穎明 王穎（中國石油錦州石化公司）

離心式增壓機(jī)是催化裂化裝置的重要設(shè)備，也是能耗大戶，多采用離心式壓縮機(jī)，增壓機(jī)組一般由增壓機(jī)、齒輪箱、異步電動(dòng)機(jī)組成，由6 000 V高壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，正常配置為一開一備[1]。催化裂化裝置設(shè)置增壓機(jī)的目的，是將主風(fēng)機(jī)提供的部分主風(fēng)再次升壓，其作用是維持待生線路上的催化劑循環(huán)流化正常。錦州石化公司第三套催化裝置外取熱器的催化劑循環(huán)流化形式為氣控式，靠增壓風(fēng)流量來控制外取熱器的取熱量，取走再生器燒焦所產(chǎn)生的過剩熱量，維持催化裂化裝置反再系統(tǒng)的熱平衡，多發(fā)生中壓過熱蒸汽降低裝置的能耗。同時(shí)為待生催化劑的循環(huán)再生提供能量。

正因?yàn)樵鰤簷C(jī)在催化裂化裝置的重要性，所以對離心式增壓機(jī)的可靠性和整機(jī)的效率也提出了越來越高要求[2-3]。在生產(chǎn)操作過程中保證增壓風(fēng)的流量平穩(wěn)，以及確保反再系統(tǒng)的熱平衡為前提，多產(chǎn)生中壓過熱蒸汽從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。由于驅(qū)動(dòng)增壓機(jī)使用6 000 V高壓電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)端，保證增壓機(jī)高效率及適宜工況運(yùn)行，是獲得節(jié)能效果的又一重要措施，同樣降低了催化裝置綜合的能耗。

1 工藝簡介

錦州石化公司第三套催化裂化裝置原設(shè)計(jì)加工能力140×104t/a，2004年裝置進(jìn)行擴(kuò)能改造，設(shè)計(jì)加工能力160×104t/a，裝置實(shí)際加工能力可達(dá)到180×104t/a。設(shè)計(jì)形式為沉降器與第一再生器同軸，與第二再生器高低并列式、兩段再生重油催化裂化裝置，主要設(shè)有反應(yīng)-再生部分、分餾部分、吸收穩(wěn)定部分、余熱鍋爐部分、主風(fēng)機(jī)組部分、氣壓機(jī)組部分、低溫?zé)岵糠帧檫m應(yīng)環(huán)保的要求，2014年11月裝置煙氣脫硫項(xiàng)目建成并投產(chǎn)。2017年12月，建成氣分堿液再生裝置并投入運(yùn)行，將氣分車間來的待生堿液進(jìn)行再生處理，產(chǎn)生的廢氣進(jìn)入脫硫單元處理。設(shè)計(jì)加工原料為遼河直餾蠟油與開魯常壓渣油，以生產(chǎn)汽油方案為主，兼顧液化石油氣與柴油產(chǎn)量，不生產(chǎn)重柴油，副產(chǎn)少量油漿。

第三套催化裂化裝置第一、二再生器燒焦用氧由主風(fēng)機(jī)組提供，主風(fēng)機(jī)提供的主風(fēng)分成三路，其中兩路主風(fēng)分別進(jìn)入一、二再主風(fēng)分布管，另一路經(jīng)增壓機(jī)升壓后，分成五路分別作為外取熱器流化風(fēng)和外取熱器返回管流化風(fēng)、提升風(fēng)、錐體流化風(fēng)及待生套筒流化風(fēng)。待生催化劑經(jīng)粗級旋風(fēng)及單級旋風(fēng)分離器與反應(yīng)油氣分離后，待生催化劑經(jīng)旋風(fēng)分離器料腿進(jìn)入沉降器下部的汽提段與蒸汽逆流接觸以置換待生催化劑表面所攜帶的油氣，汽提后的待生催化劑沿待生立管向下流動(dòng)，經(jīng)待生塞閥、待生塞閥套筒進(jìn)入第一再生器（R1102）密相床，主風(fēng)機(jī)壓縮空氣為催人經(jīng)劑再生燒焦供氧，溫度在675℃下進(jìn)行貧氧常規(guī)再生，燒去催化劑上85%～90%的積炭，再生器內(nèi)燒焦產(chǎn)生的過剩熱量由外取熱器（R1104）取走，即第一再生器內(nèi)的部分催化劑由外取熱器入口管道進(jìn)入外取熱器殼程內(nèi)，在增壓風(fēng)的流化作用下，呈密相向下流動(dòng)，在流經(jīng)翅片管束間降溫的同時(shí)發(fā)生3.5 MPa飽和蒸汽，冷卻后的催化劑由提升風(fēng)經(jīng)外取熱器提升管返回第一再生器密相床層中，外取熱器取熱負(fù)荷的調(diào)整可通過調(diào)節(jié)外取熱器底部流化風(fēng)量和外取熱器提升管提升風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)。外取熱器擔(dān)負(fù)著維持好催化裂化裝置反再系統(tǒng)的熱平衡的前提下，供發(fā)生中壓過熱蒸汽，供驅(qū)動(dòng)該裝置的蒸汽輪機(jī)做功使用，多余的中壓過熱蒸汽送入系統(tǒng)供其他用戶使用。因此，增壓機(jī)的工作效率和平穩(wěn)運(yùn)行，是保證錦州石化公司第三套催化裂化裝置平穩(wěn)運(yùn)行和降低裝置能耗的關(guān)鍵。增壓風(fēng)流程見圖1。

圖1 增壓風(fēng)流程Fig.1 Process of supercharged wind

1.1 結(jié)構(gòu)簡述

增壓機(jī)組一般由增壓機(jī)、齒輪箱、異步電動(dòng)機(jī)組成，兩套增壓機(jī)組安裝于裝置管橋下方，屬于電氣防爆區(qū)，防爆級別為F級。該增壓機(jī)采用單級懸臂轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)，用齒輪箱增速，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)與齒輪箱以彈性聯(lián)軸器連接，增壓機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)葉輪直接安裝于齒輪箱高速軸的自由端上。增壓機(jī)殼體以螺栓固定在齒輪箱箱體一端。該增壓機(jī)氣體進(jìn)口法蘭為軸向水平，出口法蘭為側(cè)面垂直向上，增壓機(jī)性能設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 增壓機(jī)性能設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of supercharger performance

齒輪箱體、高速軸均采用滑動(dòng)軸承，由潤滑油系統(tǒng)采用強(qiáng)力供油潤滑。變速齒輪為單平行軸斜齒，該機(jī)組齒輪箱（與機(jī)殼連體）和電動(dòng)機(jī)安裝在同一鑄鐵底座上，該底座內(nèi)部空腔兼作貯油箱。另外，除潤滑油系統(tǒng)中的電動(dòng)輔助油泵和冷卻過濾裝置另行布置外，其他設(shè)備、管道均安裝于該底座上，增壓機(jī)現(xiàn)場布置見圖2。

圖2 增壓機(jī)現(xiàn)場布置Fig.2 Field layout of the supercharger

1.2 問題分析

集團(tuán)公司針對生產(chǎn)裝置應(yīng)對突發(fā)事故提出了“一分鐘”快速事故處理的理念，要求操作員在應(yīng)對突發(fā)事故時(shí)要做到，快速的分析、快速的判斷、快速的處理、快速平穩(wěn)操作，實(shí)現(xiàn)在一分鐘內(nèi)完成事故處理，使生產(chǎn)裝置達(dá)到一個(gè)平穩(wěn)的生產(chǎn)狀態(tài)以免造成更大的衍生事故。

錦州石化公司第三套催化裝置是加工能力達(dá)180×104t/a的重油催化裂化裝置，無論是外取熱器還是待生線路的催化劑循環(huán)，都存在著較高的蓄壓，因此，催化裂化裝置必須選用增壓風(fēng)作為動(dòng)力風(fēng)，為保證催化劑循環(huán)正常，提供較大的推動(dòng)力。三催原用增壓機(jī)故障率高，經(jīng)常發(fā)生故障，為了保證裝置平穩(wěn)生產(chǎn)，提高設(shè)備可靠性，在2014年對增壓機(jī)進(jìn)行升級改造。增壓機(jī)升級改造后的性能保證達(dá)到如下要求：一是增壓機(jī)的主要零部件的設(shè)計(jì)壽命為20 a；二是增壓機(jī)在設(shè)計(jì)條件下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不少于5 a；三是機(jī)械保證期為運(yùn)轉(zhuǎn)12個(gè)月；四是增壓機(jī)正常工況運(yùn)行點(diǎn)的能量頭和流量設(shè)計(jì)不得有負(fù)偏差；五是在上述條件下功率不大于正常運(yùn)行點(diǎn)設(shè)計(jì)值的104%。

裝置在增壓風(fēng)與主風(fēng)管線間設(shè)置一跨線的目的，主要是考慮在增壓機(jī)故障停機(jī)時(shí)，能將主風(fēng)及時(shí)地補(bǔ)充到增壓風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)，用主風(fēng)暫時(shí)替代增壓風(fēng)維持待生線路的催化劑循環(huán)流化正常，防止裝置反應(yīng)、再生系統(tǒng)催化劑循環(huán)流化中斷，避免因增壓機(jī)故障停機(jī)帶來更大的衍生事故，同時(shí)為裝置的事故處理，開啟備用增壓機(jī)爭取時(shí)間，所以裝置才在增壓風(fēng)與主風(fēng)管線間設(shè)計(jì)這一跨線，并配備相應(yīng)操作閥門。裝置原設(shè)計(jì)增壓風(fēng)與主風(fēng)跨線閥門為一手閥，這就意味著在增壓機(jī)事故停機(jī)時(shí)，需要操作員到現(xiàn)場手動(dòng)打開此閥門。這樣就帶來了四個(gè)方面的不利因素：一是操作員到現(xiàn)場手動(dòng)打開此手閥，牽扯人力資源；二是操作員從操作間到現(xiàn)場需要一定的時(shí)間，不利于事故的及時(shí)處理；三是人員到現(xiàn)場手動(dòng)開閥時(shí)要與DCS內(nèi)操人員進(jìn)行溝通，平穩(wěn)補(bǔ)充到增壓風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)量，這樣將分散DCS內(nèi)操人員的事故處理的精力；四是增壓機(jī)事故停機(jī)時(shí)，反應(yīng)系統(tǒng)需要降低裝置的加工量，與此同時(shí)與三催化裝置上下游裝置同樣要降低加工量，打破公司原有加工平衡狀態(tài)給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4-6]。

除上述影響外，離心機(jī)發(fā)生喘振工況同樣不可忽視。在離心式壓縮機(jī)運(yùn)行的過程中，當(dāng)壓縮機(jī)入口流量不斷降低，就會(huì)在壓縮機(jī)流道中產(chǎn)生嚴(yán)重的旋轉(zhuǎn)脫離現(xiàn)象，堵塞流道，造成壓縮機(jī)出口壓力大幅下降，難以保證管網(wǎng)的輸氣壓力，此時(shí)管網(wǎng)中的氣體會(huì)倒流入壓縮機(jī)中，直到管網(wǎng)壓力下降到與壓縮機(jī)出口壓力相等時(shí)倒流停止。這時(shí)壓縮機(jī)流量增加又開始向管網(wǎng)中送氣，在管網(wǎng)壓力恢復(fù)正常之后，壓縮機(jī)的流量又會(huì)降低，系統(tǒng)中又會(huì)出現(xiàn)上述倒流的現(xiàn)象，如此反復(fù)，并且現(xiàn)場可以聽到伴有強(qiáng)烈的低吼喘氣聲音，同時(shí)機(jī)組各點(diǎn)振動(dòng)位移加大偏離正常范圍，這就是離心壓縮機(jī)喘振時(shí)的現(xiàn)象。離心壓縮機(jī)一旦發(fā)生喘振，喘振氣流會(huì)對轉(zhuǎn)子和其他部件造成非常大的沖擊，最終導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)，后果比較嚴(yán)重。

2 裝置優(yōu)化升級

2.1 技術(shù)改造

通過上述裝置原設(shè)計(jì)增壓風(fēng)與主風(fēng)跨線只有一個(gè)手閥存在的諸多問題、增壓機(jī)故障停機(jī)時(shí)帶來多方面的不利因素分析、離心式壓縮機(jī)運(yùn)行的特性等，因此在原裝置的增壓風(fēng)與主風(fēng)跨線上增設(shè)一個(gè)調(diào)節(jié)閥HV-1481，現(xiàn)場改造應(yīng)用情況見圖3。且保留原設(shè)計(jì)增壓風(fēng)與主風(fēng)跨線手閥，將其作為該調(diào)節(jié)閥HV-1481的副線閥，并且增加聯(lián)鎖邏輯，增壓風(fēng)自保邏輯圖見圖4，讓事故狀態(tài)下的增壓機(jī)停車與該手操器開啟進(jìn)行聯(lián)鎖。這樣一旦增壓機(jī)故障停機(jī)，則觸發(fā)聯(lián)鎖邏輯此閥將快速、自動(dòng)打開，將主風(fēng)補(bǔ)充到增壓風(fēng)系統(tǒng)，這樣可以做到節(jié)省人力資源，縮短事故處理時(shí)間，DCS內(nèi)操人員集中精力盡快開啟備用增壓機(jī)恢復(fù)生產(chǎn)，備用增壓機(jī)開機(jī)后，通知DCS內(nèi)操人員及時(shí)調(diào)整主風(fēng)、增壓風(fēng)跨線手操器（HV-1481）開度，防止增壓風(fēng)循環(huán)使電動(dòng)機(jī)電流超高，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失[7-8]。

圖3 現(xiàn)場改造應(yīng)用情況Fig.3 Application situation of on-site transformation

圖4 增壓風(fēng)自保邏輯圖Fig.4 Logic diagram of self-preservation for supercharged wind

大型離心式壓縮機(jī)具有排氣量大、效率高、體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壓縮機(jī)氣流恒定無脈動(dòng)等特點(diǎn)。然而喘振作為離心壓縮機(jī)的固有特性，具有較大的危害性，是壓縮機(jī)損壞的主要原因之一。在增壓風(fēng)與主風(fēng)跨線增設(shè)調(diào)節(jié)閥HV-1481，還起到增壓機(jī)低流量防喘振調(diào)節(jié)閥的作用。根據(jù)該裝置增壓機(jī)的設(shè)計(jì)工況，當(dāng)增壓機(jī)入口風(fēng)量低于10 000 Nm3/h或出口壓力高于1.2 MPa，增壓機(jī)的工況便進(jìn)入喘振區(qū)，極易造成增壓機(jī)喘振。此時(shí)，DCS內(nèi)操人員可以及時(shí)打開裝置新增設(shè)增壓風(fēng)與主風(fēng)跨線控制閥HV-1481，通過調(diào)節(jié)增壓機(jī)的出口壓力和增壓機(jī)入口風(fēng)量，使增壓機(jī)運(yùn)行工況快速離開喘振區(qū)，恢復(fù)到正常工況，確保增壓機(jī)平穩(wěn)高效運(yùn)行，避免產(chǎn)生嚴(yán)重后果[9-10]。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

增壓風(fēng)與主風(fēng)跨線增設(shè)控制閥的技術(shù)改造具有以下幾點(diǎn)創(chuàng)新：

1）讓應(yīng)對突發(fā)事故“一分鐘”快速處理的理念得以應(yīng)用與落實(shí)，克服了裝置原設(shè)計(jì)跨線只設(shè)單一手閥，存在增壓機(jī)故障停機(jī)時(shí)帶來四方面的不利因素，有利于催化裂化裝置的平穩(wěn)生產(chǎn)，長周期運(yùn)行。

2）備用增壓機(jī)開機(jī)后，反應(yīng)崗DCS內(nèi)操人員及時(shí)調(diào)整主風(fēng)與增壓風(fēng)跨線控制閥（HV-1481）開度，防止增壓風(fēng)循環(huán)流量過大使電動(dòng)機(jī)電流超高。

3）當(dāng)增壓機(jī)的工況進(jìn)入喘振區(qū)，增壓機(jī)喘振后，操作員可以遠(yuǎn)程打開裝置新增設(shè)增壓風(fēng)與主風(fēng)跨線控制閥HV-1481，快速降低增壓機(jī)的出口壓力，提高增壓機(jī)入口風(fēng)量，使增壓機(jī)的工況脫離喘振區(qū)，從而保證增壓機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

4）避免了因增壓機(jī)故障停機(jī)，增壓機(jī)出口至主風(fēng)跨線未及時(shí)打開造成外取熱器催化劑逆流堵塞各路增壓風(fēng)管線，氣控式外取熱器催化劑循環(huán)恢復(fù)困難，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

該項(xiàng)技術(shù)改造具有操作簡單，實(shí)用性強(qiáng)，有效減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了事故處理的速度，達(dá)到了節(jié)能創(chuàng)效的目的。

2.3 經(jīng)濟(jì)效益

增壓機(jī)在故障停機(jī)時(shí)，因增壓機(jī)出口至主風(fēng)跨線未及時(shí)打開，而造成外取熱器催化劑逆流堵塞各路增壓風(fēng)管線，造成氣控式外取熱器循環(huán)恢復(fù)困難。外取熱器每小時(shí)少產(chǎn)中壓蒸汽50 t，事故處理約1.0 h，恢復(fù)加工負(fù)荷約0.5 h，總計(jì)1.5 h，少發(fā)75 t中壓蒸汽，中壓蒸汽按160元/t計(jì)算，效益損失約12 000元；加工負(fù)荷約降低900 t/d，影響加工量約150 t，因此增壓機(jī)跨線閥改造后能及時(shí)打開則相當(dāng)于產(chǎn)生效益23 133元。產(chǎn)品單價(jià)及損失效益見表2。

表2 產(chǎn)品單價(jià)及損失效益Tab.2 Product unit price and loss benefit

3 結(jié)論

通過在增壓風(fēng)與主風(fēng)跨線增設(shè)控制閥的技術(shù)改造，成功避免了離心壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)較嚴(yán)重的喘振現(xiàn)象。喘振的發(fā)生使壓縮機(jī)不能正常工作，壓縮機(jī)性能惡化，效率降低，對壓縮機(jī)組造成嚴(yán)重?fù)p傷。離心式壓縮機(jī)不可以在喘振狀態(tài)下運(yùn)行，所以做好喘振預(yù)防，能夠進(jìn)一步提升離心壓縮機(jī)的安全運(yùn)行效果，壓縮機(jī)的故障率也相對降低。從而避免了設(shè)備的損壞和生產(chǎn)事故的發(fā)生，同時(shí)利于增壓機(jī)故障停機(jī)時(shí)的事故處理，從而減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。