催化主風機組工況波動分析

丁平平

(中國石油化工股份有限公司安慶分公司 ，安徽 安慶 246000)

1 情況簡介

主風機組是催化裂化裝置的核心設備[1]。某催化裝置采用煙機-主風機-電機組成的三機組配置(見圖1)。煙機利用再生煙氣所含有的壓力能和熱能膨脹作功，驅動主風機為再生器輸送空氣以滿足生產需要，剩余部分由異步電動機/發電機提供，從而達到回收能量目的。主風機組2018年12月電機電流出現頻繁波動，波動范圍為160～210A。

日常操作參數：主風機靜葉角開度65.7%，主風量3831NM3/min，煙機入口蝶閥開度26%，煙機入口壓力處于波動狀態(0.18～0.21MPa)，主風機電流處于波動狀態(160～210A)。煙機入口溫度維持在675～678℃之間。

圖1 主風機工藝系統流程圖

通過查看主風機電流與煙機入口壓力趨勢對應情況(圖2))，可看出在煙機入口蝶閥閥位基本不變的情況下，煙機入口壓力與主風機電流趨勢同步，相互呈反比，即煙機入口壓力降低(升高)，主風機電流升高(降低)。當煙機入口壓力穩定，主風機電流亦穩定。

2 三機組功率計算

考慮到電流波動時，主風機出口風量、壓力，溫度等變化很小，分析時，短時暫定為恒值。只分析煙機和電機的功率變化。

2.1 煙機功率核算

式中：Ne——煙機功率，kW；

V1——煙機入口流量，m3/min；

P1、P2——煙機入口、出口壓力，105 Pa；

T1、T2——-煙機入口、出口溫度，K；

K——-絕熱指數：取 K =1.308；

ηpol——煙機絕熱效率；

η——煙機機械效率，取98%。

由上述計算公式[2-3]可以看出，煙機能量回收效率與煙氣入口流量、煙機熱效率、煙氣進出口溫度、煙氣膨脹比等參數有著直接的關系。

利用主風機主電機電流波動時的工藝參數進行理論計算，在其他因素不變的情況下，識別煙氣量、煙機入口壓力、煙機出口壓力這幾項主要因素單一變動時對煙機做功的影響。因煙機入口溫度一直保持穩定，不做波動分析。以2019年1月16日凌晨DCS記錄數值為依據。

圖2 主風機電流及煙機入口壓力趨勢圖

表1 主風機組運行數據

2.1.1 煙氣量對煙機做功的影響

煙機實際煙氣量=再生煙氣量-雙動滑閥漏量-臨界噴嘴漏量

再生煙風比按1.05計算[4],四旋至煙氣管線的臨界噴嘴泄漏量按廠家資料提供的200估算，雙動滑閥按面積比例進行估算。在其他因素不變的情況下，雙動滑閥開大3.1%，煙氣量減少128.38Nm3/min。煙機功率由13872.2減少為13368.8。即損失503.4kW。

表2 煙氣量變化對煙機做功的影響

2.1.2 煙機入口壓力對煙機做功的影響

煙機入口蝶閥逐漸關小后，走雙動滑閥煙氣量相對增加。目前再生器壓力與雙動滑閥投串級控制，保證再生器壓力維持在260kPa。當煙機入口蝶閥閥位不變的情況下，雙動滑閥閥位隨再生器頂壓力變化。受雙動滑閥閥位變化影響，煙機入口壓力的產生相應波動。

在其他因素不變的情況下，雙動滑閥變得變動3.1%，煙機入口壓力由原來的0.204減少到0.186，即損失18 kPa。煙機功率由13872.2減少為13678.2。即損失194kW。

表3 煙機入口壓力變化對煙機做功的影響

2.1.3 煙機出口壓力對煙機做功的影響

(1)理論計算

在其他因素不變的情況下，假設煙氣后路背壓提升，煙機出口壓力由原來的0.006增加到0.009，即提高3 kPa。煙機功率由13872.2減少為13678.2。即損失89kW。

表4 煙機出口壓力變化對煙機做功的影響

(2)實踐驗證

2018年9月24日因煙氣治理綜合塔消泡器結垢，導致煙氣后路差壓高，煙機出口壓力最高達到9.46 kPa。

由理論計算公式，可以得出煙機做功減少約105 kW。

查主電機電度表，得出9月23日-24日24小時平均功率上升125 kW。電度表記錄方式為每天早上8點自動記錄，只能得出24小時內平均值。由此可以推測：

A、理論計算公式有一定參考作用；

B、在差壓最高時，電機耗功增加值可能比125 kW可能更高。

2.1.4 雙動滑閥變動時導致煙氣量和入口壓力同時變化

在其他因素不變的情況下，雙動滑閥開大3.1%，煙氣量減少128.38Nm3/min。煙機入口壓力由原來的0.204減少到0.186，即損失18 kPa。煙機功率由13872減少為13178。即損失694kW。

表5 雙動滑閥閥位變化對煙機做功的影響

2.2 主電機功率核算

式中：N為電機輸出功率，kW；

I為電機電流，A；

U為電機電壓，V；

cosφ為功率因素。

電機電壓基本穩定不變，電流波動時，功率因素在做功低時也變化較小。由理論計算公式計算的電機實際耗功。耗功增加約760.8 kW，與煙機做功減少量相近。說明計算基本有效。

表6 主電機做功變化

3 電機電流波動原因分析

3.1 直接原因

從現象和理論計算公式可以看出：煙機的做功波動導致主風機電流波動。煙機入口煙氣量和壓力波動是造成煙機做功波動主要因素，即造成主風機電流變化的間接原因。

3.2 季節原因

夏季時，單位體積的空氣密度降低，在主風機靜葉角不變的情況下主風量偏小，故需要適當提高主風量，為提高煙機做功，需開大煙機入口蝶閥閥位。煙機入口蝶閥逐漸打開后，走雙動滑閥煙氣量相對減少，當煙機入口蝶閥閥位不變的情況下，煙機入口壓力抗干擾能力強。

冬季，環境溫度持續降低，單位體積的空氣密度增加，在主風機靜葉角不變的情況下主風量偏大，根據工藝需求(再生器頂氧含量)需要適當降低風量，軸流風機靜葉角開度相應降低(自73°逐漸降低至65°)，軸流風機耗功降低。由于主風機電流低于160A時會導致齒輪箱振動增大，為提高電機做功，需要降低煙機回收功率，因此，煙機入口蝶閥逐漸關小(煙機入口蝶閥開度自45%逐漸降低至26%)，以維持主風機電流大于160A。

3.3 工藝操作影響

本周期和上周期對比，因各種工藝條件和設備原因，兩器操作中再生壓力比上周期低了約10kPa。第二個周期雙動滑閥開度比上周期大。在冬季時，煙機入口蝶閥比上周期關得更小。增加了操作難度。

3.4 特閥性能參數

煙機入口蝶閥只有技術協議中資料，但與實際對比，性能曲線不相符，參考意義不大。

雙動滑閥廠家未提供任何關于性能參數方面的資料。

4 整改措施

(1)適當提高再生器頂壓力，減少雙動滑閥開度，雙動滑閥閥位串級控制PID參數優化整定，進一步排查雙動滑閥閥位波動原因，降低雙動滑閥閥位變化頻率及幅度，盡可能穩定煙機入口壓力。將再生壓力控制PID參數調整。觀察一天后無明顯效果。

(2)根據環境溫度回升情況及時調節主風機靜葉角，增加軸流風機耗功，逐漸開大煙機入口蝶閥，提高煙機入口壓力抗干擾能力。

(3)由于工藝操作變化很小，判斷可能出現問題的故障在于煙機入口蝶閥，將PV15119和UV15120雙蝶閥開度互換，現象消除，基本確定為煙機入口調節蝶閥本體波動導致，拆檢，發現調節蝶閥角度測量元件與閥門主軸連接的緊定螺釘已斷裂，存在閥位指示不準的現象，更換后恢復正常。

5 結論及建議

(1)主風機組電流波動主要原因為煙機做功變化導致。

(2)通過理論計算可看出，煙機入口氣量、入口壓力、出口壓力對能量回收的影響依次降低。

(3)對于煙機入口蝶閥的液控系統研究較多，但對于不容易損壞的角度反饋等動作元器件，關注度較少，后期需要加強管理，定期檢查。

(4)繼續探索主風機與煙機、電機之間的功率平衡關系，使之運行最優。