催化裂化裝置煙機節能優化的改進及效果

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能量回收機組中煙氣輪機（簡稱煙機）的主要作用就是將高溫煙氣的壓力能和熱能轉化為機械能對外做功，達到回收能量、降低裝置能耗的目的。因此，煙機不僅是整個催化裝置的關鍵設備，同時也是最主要節能設備。多年來該裝置煙機運行效率較低導致主電機耗電量偏大、煙機輪盤蒸汽消耗大等問題給裝置綜合能耗達標帶來巨大壓力。該文針對這幾類問題進行深入分析，提出改進和優化措施，達到了降低裝置能耗目的，同時也提升了煙機運行可靠性。

1 煙機概況

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

圖1 主風能量回收機組配置

煉油裝置目前使用的煙機是YL-7000D型，煙機結構示意見圖2。其設計流量為2 100 Nm3/min，入口設計壓力0.240 MPa（a），出口設計壓力0.108 MPa（a），入口設計溫度670℃，輸出功率6 840 kW，設計轉速6 331 r/min。煙氣軸向進入煙氣輪機后在噴嘴中膨脹，壓力和溫度降低，把熱能轉化為工質動能高速沖向葉片，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的作用力作用于葉片上，該力在周向的分力推動煙機輪盤不斷旋轉并發出機械功。

圖2 煙機結構

2 煙機運行中存在問題及原因分析

2.1 效率低導致能量回收機組電耗高

改造前煙機流量值偏離設計約3%，煙機入口壓力值偏離設計點14%，煙機絕熱效率偏離設計值超過2%，煙機功效沒有得到充分發揮導致主風能量回收機組正常運行時電機功率較大，主電機電耗平均持續在900 KW/h，電耗較高，具體原因如下。

（1）葉片設計落后

此煙機為20世紀末設計制造產品，動、靜葉片均采用傳統扭曲葉型葉片，與最新設計有較大差距，不能充分回收煙氣壓力能及熱能造成電耗偏高。

（2）煙機運行參數與當前實際工況不匹配

催化反應再生系統中再生器壓力調節由雙動滑閥和煙機入口蝶閥分程控制，為保證煙機多做功，煙機入口蝶閥開度全開（全開90%，全關0%）而雙動滑閥全關是最理想狀態，但很多工況下雙動滑閥開度全關而再生器壓力需控制時只能通過關小煙機入口蝶閥開度來實現，造成部分壓力損失在煙機入口蝶閥壓降上，導致煙機出力下降，這在裝置低負荷生產時尤其突出。

2.2 輪盤冷卻蒸汽消耗大

該煙機輪盤為開放式腔體結構，不能形成有效壓力腔，煙機運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，煙機輪盤冷卻蒸汽流量調節閥開度高達40%。輪盤冷卻蒸汽進入流道至煙機出口是一個焓升耗功過程，徑向進入煙機流道的蒸汽不僅會對原有煙氣流場產生干擾，還會降低葉柵的氣動效率，小于3 μm的催化劑超細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粉將加劇煙機葉片結垢趨勢，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，葉根的強度裕度變小，對煙機的運行效率和穩定性產生不利影響。通過數據查詢收集和計算，得到2014— 2017年該煙機輪盤冷卻蒸汽平均消耗量約0.65 t/h，而同行業煙機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行要求

一方面煙機檢修頻次高。據統計2010—2017年該煙機累計檢修5次。檢修發現煙機轉子動葉片均存在一定磨損，且磨損部位出現在很多區域有進氣邊、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，動葉片的嚴重磨損影響機組長周期安穩運行。另一方面煙機葉片結垢嚴重，影響煙機轉子動平衡。由于三旋分離器在煙機改造前后相同，可視作分離效果一致。煙機檢修開蓋后發現動靜葉片表面聚結一層催化劑垢，該催化劑垢既硬又脆，正常情況下會均勻附著在葉片表面，但是在出現異常波動時，附著在葉片上的催化劑垢局部脫落，使得煙機轉子動平衡受到破壞，隨之煙機振動會加劇甚至呈跳躍態勢，直接威脅機組安穩運行。此外煙機運行已達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，又經多次溫升溫降，已經有劣化趨勢，如果繼續使用將會成為新的隱患。

3 改造措施

3.1 更新升級煙機葉片

煉油裝置利用大修機會，將煙機葉片更新升級為新型高效的馬刀葉型葉片。該新設計的動、靜葉型是結合當前裝置實際運行工況進行的一對一匹配設計，并通過了計算機CFD技術模擬平臺實驗。新葉型最大特點在于將原來的變截面扭轉葉型變為彎扭復合葉型。該葉型是變截面、扭曲和彎曲三項技術的綜合體，能有效調整等壓線分布形狀，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，降低了煙機葉片的結垢傾向，對降低煙機流通部件結垢有利。新舊動葉片如圖3所示。

圖3 新舊動葉片對比

3.2 復核調整煙機運行參數

正確的核算確定煙機入口煙氣流量對提升煙機效率非常關鍵。經過與工藝人員對接采集數據，煙機核算前后運行參數見表1。

表1 煙機核算前后運行參數

3.3 應用新型葉根密封冷卻技術

新型葉根密封冷卻技術原理采用的是蜂窩密封技術，新型葉根密封結構如圖4所示。煙機轉子葉片密封由動葉片葉根幅板延伸端裝配后形成的環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行有效隔離，避免蒸汽干擾煙機做功，提升煙機效率，減少催化劑附著條件，緩解催化劑結垢，大幅減少蒸汽耗量。

圖4 新型葉根密封結構

4 改造效果

4.1 機組能耗降低

煙機改造后，經多月運行主風能量回收機組主電機耗電逐步降低，通過優化煙機運行方式，即在控制再生器壓力正常條件下開大煙機入口蝶閥，提高煙機做功，主電機電流逐漸降低，分程控制下雙動滑閥開度會逐步減小，最終可以實現主電機由受電工況轉換為發電工況。在2018年1月中旬，該催化裝置實現了建廠以來第一次發電工況運行。煙機改造前后各運行參數對比如表2所示。

表2 煙機改造前后運行參數對比

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

式中：Ne為理論煙機軸功率，kW；Ge為煙氣流量，Nm3/min；Ti為煙機入口溫度，℃；Te為煙機理論出口溫度，℃；Te′為煙機實際出口溫度，℃；Pe為煙機出口壓力，MPa（a）；Pi為煙機入口壓力，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，1.31。

由此可以得出煙機絕熱效率公式見式（3）：

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

將已知參數代入公式（1）（2）（3）計算可得煙機改造前平均絕熱效率75.2%，改造后平均絕熱效率為82.7%。煙機效率明顯提高，煙機做功自然提升。從實際開工機組運行穩定后情況來看，機組主電機由平時的受電狀態轉至最高發電狀態 500 KW/h左右，監測到機組各點振動、軸瓦溫度相對穩定，具備了連續運行發電基礎。主風機平均電耗在300 kW/h以下，相較于前幾個周期裝置檢修開工后主電機電耗平均持續在900 kW/h以上有明顯降低，實踐證明改造后煙機效率提高。

4.2 煙機輪盤蒸汽消耗降低

改造后，煙機輪盤冷卻蒸汽流量調節閥由上周期開度40%下降至21%，相應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，平均每年可節約蒸汽消耗約3 400 t，年化節約經濟成本約50萬元。

4.2 煙機運行可靠性提升

2017年4月借裝置大檢修時機對煙機實施技術優化和改造，投入運行至今已連續安穩運行4年，煙機運行工況保持平穩，各項振動、位移、溫度等指標正常，煙機轉子平衡保持完好，未發生煙機結垢脫落、振動波動現象。實踐證明改造后煙機運行可靠性提升，滿足了當前裝置長周期運行需求。

5 結論

（1）煙機運行效率低導致主風能量回收機組電耗高的主要原因是葉片技術設計落后及煙機運行參數與實際工況不匹配，煙機輪盤冷卻蒸汽消耗大的主要原因是其采用開放式腔體結構設計輪盤，煙機動葉片易磨損和動靜葉片結垢問題影響機組長周期運行。

（2）通過更新升級煙機葉片、復核調整運行參數、應用葉根密封冷卻技術等多項改進措施，主風能量回收機組平均電耗由900 KW/h下降至300 KW/h，煙機輪盤冷卻蒸汽平均消耗由0.65t/h下降至0.26 t/h，實現了節能目標，煙機運行可靠性也得到提升，滿足了催化裂化裝置長周期運行需求。