煙氣輪機(jī)改造的新技術(shù)應(yīng)用

陳 榮，曾 瑜

（渤海裝備蘭州石油化工裝備公司，甘肅蘭州 730060）

0 引言

某煉廠因催化裂化裝置新工藝技術(shù)的應(yīng)用，使原煙氣輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生偏離；煉廠采用新型催化劑，成分較為復(fù)雜，導(dǎo)致煙氣輪機(jī)流道結(jié)垢，通流面積減小，動(dòng)葉片葉頂發(fā)生動(dòng)靜摩擦，危害煙機(jī)正常運(yùn)行，機(jī)組需要頻繁停機(jī)檢維修。優(yōu)化原煙氣輪機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行局部通流改造，采用了插入式靜葉組件結(jié)構(gòu)和雙殼體結(jié)構(gòu)等技術(shù)措施。

1 方案措施

1.1 插入式靜葉組件

靜葉組件是煙氣輪機(jī)中的關(guān)鍵部件，煙氣通過靜葉片導(dǎo)流，獲得合理的沖角，其氣動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將直接影響煙氣輪機(jī)的回收效率及運(yùn)行的安全性和可靠性。在本次局部通流改造中，對(duì)靜葉片葉型、安裝角及結(jié)構(gòu)均進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，靜葉組件整體上采用兩端支撐的插入式靜葉組件結(jié)構(gòu)。

某YL 型煙氣輪機(jī)原靜葉組件是傳統(tǒng)懸臂結(jié)構(gòu)，靜葉片鑲嵌在靜葉環(huán)外圓周的凹槽內(nèi)，靜葉片封緣板和靜葉環(huán)兩側(cè)面之間采用焊接連接，各靜葉片為相互獨(dú)立的懸臂結(jié)構(gòu)（圖1）。通過多年來的應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，煙機(jī)裝置運(yùn)行一段時(shí)間后，由于靜葉片在通流部分溫度較高，而靜葉組件心部受輪盤冷卻蒸汽的影響，內(nèi)外圈熱膨脹不均，并且在煙氣介質(zhì)的軸向推力及高溫作用下，懸臂結(jié)構(gòu)的靜葉組件會(huì)發(fā)生變形（變形量達(dá)3～5 mm），導(dǎo)致靜葉片出氣邊高出進(jìn)氣錐法蘭端面，造成氣動(dòng)流場(chǎng)的改變，不僅降低了煙機(jī)的效率，而且由于靜葉片變形后減小了動(dòng)葉片和靜葉片之間的間距，影響設(shè)備安全運(yùn)行的可靠性。現(xiàn)優(yōu)化為插入式靜葉組件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用內(nèi)、外環(huán)插入結(jié)構(gòu)，靜葉片支撐方式由懸臂支撐變?yōu)閮啥酥?，此結(jié)構(gòu)改善了靜葉片的受力分布情況，使葉身受力更加均勻，防止靜葉片在使用過程發(fā)生變形，消除了由于靜葉片改變氣流沖角的問題（圖2）。同時(shí)插入式靜葉組件結(jié)構(gòu)采用兩端型線孔定位，提高了葉身定位的準(zhǔn)確性，保證了設(shè)計(jì)安裝角，消除了靜葉片葉頂間隙造成的流量損失，而該損失約占煙氣輪機(jī)氣動(dòng)總損失的1/3，插入式靜葉組件可有效保證煙氣輪機(jī)的安全運(yùn)行和能量回收效率[1-2]。

圖1 改造前懸臂式靜葉組件

圖2 改造后插入式靜葉組件

1.2 雙殼體結(jié)構(gòu)

某YL 型煙氣輪機(jī)原過渡襯環(huán)為一體式結(jié)構(gòu)（圖3），過渡襯環(huán)的主要作用是和進(jìn)氣錐及殼體聯(lián)接，形成一個(gè)和外界隔絕的氣流通道。同時(shí)在過渡襯環(huán)內(nèi)部有擴(kuò)壓角度，和動(dòng)葉片葉型及安裝角配合，保證煙氣膨脹。過渡襯環(huán)需要與動(dòng)葉片葉頂保證固定的間隙，并且內(nèi)表面需要進(jìn)行防沖蝕處理。當(dāng)煙氣輪機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，700 ℃的高溫?zé)煔馔ㄟ^煙氣輪機(jī)，過渡襯環(huán)流道內(nèi)表面煙氣的溫度高達(dá)650 ℃以上而外部為400 ℃左右，兩處存在較大的溫度差。而且根據(jù)多年觀察發(fā)現(xiàn)，原一體式結(jié)構(gòu)的過渡襯環(huán)存在以下問題：①整體式結(jié)構(gòu)厚重，在高溫及內(nèi)外較大溫差下容易發(fā)生膨脹不均導(dǎo)致不均勻變形，造成動(dòng)葉片葉頂間隙發(fā)生變化，嚴(yán)重的可導(dǎo)致局部間隙過小造成動(dòng)靜摩擦，造成動(dòng)葉片葉頂磨損或葉片損壞甚至煙機(jī)振動(dòng)升高停機(jī)等嚴(yán)重后果；②內(nèi)表面由于噴涂長(zhǎng)城1#耐磨涂層的緣故，表面粗糙度較高，催化劑容易在該處結(jié)垢；③不均勻的變形還可造成過渡襯環(huán)與進(jìn)氣錐及殼體的定位止口不易安裝，給拆檢回裝造成困難。

圖3 一體式過渡襯環(huán)

本次經(jīng)過優(yōu)化改造，某YL 型煙氣輪機(jī)將原過渡襯環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化為分體式結(jié)構(gòu)（圖4）。該分體組合式結(jié)構(gòu)分為過渡殼體及動(dòng)葉圍帶。而且該結(jié)構(gòu)采用螺栓固定新設(shè)計(jì)的動(dòng)葉圍帶替代原整體結(jié)構(gòu)，過渡殼體部位采用剛性設(shè)計(jì)，動(dòng)葉圍帶采用薄壁撓性設(shè)計(jì)，動(dòng)葉圍帶外圓設(shè)計(jì)用于吸收熱變形的膨脹槽，防止動(dòng)葉圍帶在煙機(jī)運(yùn)行時(shí)發(fā)生熱變形影響葉頂間隙造成動(dòng)靜摩擦。動(dòng)葉圍帶內(nèi)部表面取消噴涂耐磨涂層，采用豪克能光整處理。

圖4 分體式過渡襯環(huán)

采用分體組合式結(jié)構(gòu)，外圈采用剛性設(shè)計(jì)，內(nèi)圈采用撓性設(shè)計(jì)，能夠使熱膨脹均勻，保證動(dòng)葉葉頂間隙在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，提高設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上重量減輕的同時(shí)，即能保證原產(chǎn)品的剛度要求，又能吸收內(nèi)部高溫變形。同時(shí)內(nèi)表面采用豪克能高頻脈沖沖擊加工技術(shù)，提高表面光潔度至鏡面級(jí)別，消除殘余應(yīng)力，并防止催化劑在動(dòng)葉圍帶內(nèi)表面結(jié)垢。

1.3 輪盤冷卻蒸汽結(jié)構(gòu)

YL 型傳統(tǒng)煙機(jī)通流結(jié)構(gòu)形式如圖5 所示，在輪盤心部位置設(shè)置有1 個(gè)冷卻蒸汽噴管，輪盤冷卻蒸汽通過噴管噴至輪盤前側(cè)，最后沿輪盤端面徑向進(jìn)入流道中，隨煙氣一道通過動(dòng)葉片進(jìn)入排氣殼體排出。煙機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，通過蒸汽將輪盤摩擦產(chǎn)生的熱量不斷帶出，以保證輪盤心部溫度控制在320～350 ℃，使輪盤有合理的溫度場(chǎng)分布，確保拉桿螺栓有足夠的預(yù)緊力，保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定運(yùn)行。但是該結(jié)構(gòu)使大量的輪盤冷卻蒸汽導(dǎo)入動(dòng)葉片前側(cè)后，會(huì)產(chǎn)生以下5 個(gè)問題：

圖5 傳統(tǒng)煙機(jī)通流結(jié)構(gòu)

（1）由于輪盤冷卻蒸汽品質(zhì)不好經(jīng)常帶水，尤其在三旋分離效果不好的情況下，催化劑跑損嚴(yán)重，造成催化劑結(jié)焦，導(dǎo)致如下結(jié)果：①催化劑結(jié)焦到靜葉片表面，使煙氣流通面積減小，造成煙氣流通不暢，導(dǎo)致煙機(jī)回收效率降低；②過渡襯環(huán)內(nèi)部流道表面出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，隨著催化劑在過渡襯環(huán)上結(jié)焦厚度不斷增加，導(dǎo)致葉頂間隙不斷減小，將會(huì)發(fā)生動(dòng)葉片葉頂和過渡襯環(huán)內(nèi)表面摩擦，導(dǎo)致葉頂磨損，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡遭到破會(huì)，振動(dòng)值升高，隨著葉頂與過渡襯環(huán)不斷地動(dòng)靜摩擦?xí)?dǎo)致動(dòng)葉片葉頂出現(xiàn)裂紋，甚至葉片斷裂，給用戶造成極大的損失（圖6）；③在動(dòng)葉片葉身部位，催化劑結(jié)焦成硬塊粘結(jié)到葉身上，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡破壞，煙機(jī)的振動(dòng)值大幅升高，煙機(jī)無法正常運(yùn)行需停車檢修；④催化劑結(jié)焦至葉身上，改變了葉片的自振頻率，當(dāng)其頻率和葉片的某一階固有頻率重合時(shí)，會(huì)造成共振，將使葉片疲勞斷裂。

圖6 動(dòng)葉片和過渡襯環(huán)上催化劑結(jié)焦

（2）輪盤冷卻蒸汽阻流產(chǎn)生的影響。煙機(jī)在運(yùn)行過程中煙氣是軸向水平通過流道，輪盤前側(cè)的蒸汽垂直于流道。以該煙機(jī)為例，為了建立合理的輪盤溫度場(chǎng)分布，需通入輪盤冷卻蒸汽的標(biāo)準(zhǔn)流量約為1 t/h，通過流道的煙氣流量為1131 NM3/min。如采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，輪盤冷卻蒸汽將對(duì)煙機(jī)流場(chǎng)產(chǎn)生很大的影響。煙氣質(zhì)量流量公式：

式中 G——煙機(jī)進(jìn)口質(zhì)量流量，kg/s

M——煙氣相對(duì)分子質(zhì)量，一般取29.16

Q——煙氣容積流量，Nm3/min

設(shè)定動(dòng)靜葉之間的壓力為0.198 MPa、溫度為593 ℃，則輪盤冷卻蒸汽此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)體積流量為：

由上述計(jì)算值可以得出單位時(shí)間蒸汽質(zhì)量流量占整個(gè)流場(chǎng)流量的1.084%，但是蒸汽在進(jìn)入流道時(shí)流速為23.13 m/s，流速很高，所以蒸汽會(huì)對(duì)煙氣流經(jīng)方向上產(chǎn)生很大干擾，將造成煙機(jī)效率部分下降。

（3）煙氣在流經(jīng)方向上，由于對(duì)動(dòng)葉片的氣流做功方向正好與輪盤冷卻蒸汽流經(jīng)方向垂直交叉，尤其當(dāng)煙氣通過靜葉速度加快，遇上垂直向上的輪盤冷卻蒸汽，這時(shí)在靜葉的出氣邊和動(dòng)葉片的進(jìn)氣邊產(chǎn)生渦流造成動(dòng)葉片葉根部位產(chǎn)生沖蝕，隨著氣流的不斷沖蝕，動(dòng)葉片在受損情況下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，最終造成動(dòng)葉片葉身沿封緣板部位斷裂，造成巨大損失。

（4）煙氣在通過靜葉片導(dǎo)流到動(dòng)葉片時(shí)，由于輪盤冷卻蒸汽的混入，通過動(dòng)葉片的煙氣溫度降低，導(dǎo)致煙氣的熱能降低，作用到轉(zhuǎn)子上的能量減小，因此煙機(jī)效率下降。

（5）傳統(tǒng)的通流結(jié)構(gòu)形式，煙機(jī)在運(yùn)行的過程中，由于輪盤前端面暴露在流道中，為了有效控制輪盤溫度場(chǎng)在合適的范圍內(nèi)，所以輪盤冷卻蒸汽用量較大，有可能引起轉(zhuǎn)子的軸向推力增大，導(dǎo)致煙機(jī)的主推力瓦溫升高、主推力瓦油耗增加。

2 改進(jìn)措施

通過分析，對(duì)原YL 型煙氣輪機(jī)輪盤冷卻方式進(jìn)行了改進(jìn)，在輪緣榫槽下端增設(shè)幅板，輪盤盤面增設(shè)7 個(gè)排氣孔，靜葉環(huán)設(shè)置一道環(huán)形蜂窩密封環(huán)，兩者之間的配間隙為0.5 mm，使煙機(jī)在正常運(yùn)行過程中，輪盤冷卻蒸汽進(jìn)入密封腔體內(nèi)冷卻輪盤前端面，然后經(jīng)排氣孔進(jìn)入輪盤后側(cè)腔體內(nèi)，沿后側(cè)盤面徑向排出后，隨著通過動(dòng)葉片出氣邊的煙氣進(jìn)入到排氣殼體排出（圖7、圖8）。

圖7 改進(jìn)后的通流結(jié)構(gòu)

圖8 動(dòng)葉輪盤

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下5 個(gè)方面：①防止輪盤冷卻蒸汽進(jìn)入流道，造成阻流，也避免了溫降、可以提高煙機(jī)的運(yùn)行效率；②消除了因蒸汽對(duì)流場(chǎng)擾動(dòng)造成動(dòng)葉片葉身根部產(chǎn)生的渦流而引起動(dòng)葉片根部沖蝕問題，提高了煙機(jī)運(yùn)行的安全可靠性；③防止因輪盤冷卻蒸汽含水而造成動(dòng)葉片催化劑結(jié)焦，導(dǎo)致煙機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡問題；④減少因催化劑堆積至過渡襯環(huán)而導(dǎo)致葉頂間隙減小造成動(dòng)靜摩擦、動(dòng)葉片斷裂等類似事故；⑤輪盤冷卻蒸汽進(jìn)入密封腔經(jīng)輪盤排氣孔進(jìn)入輪盤后側(cè)，輪盤后側(cè)的冷卻效果也大幅提升，使整個(gè)輪盤溫度場(chǎng)分布更加合理。

3 結(jié)語

本文改造煙機(jī)結(jié)構(gòu)的技術(shù)方案于2021 年投產(chǎn)使用并均已申請(qǐng)專利，此次改造升級(jí)方案解決了煙氣輪機(jī)輸出功率和絕熱效率不高的問題，在煙氣輪機(jī)運(yùn)行參數(shù)相同的條件下，電機(jī)電流由原來的700 A 下降到280 A，電機(jī)出功下降5645 kW，按照每年運(yùn)行8000 h、電價(jià)0.50 元/（kW·h）計(jì)算，每年可為用戶增加節(jié)能效益2258 萬元。由此可知，通過氣動(dòng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可有效提升煙氣輪機(jī)的高效性和安全性。