煙氣輪機改造的新技術應用

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的應用，使原煙氣輪機設計參數發生偏離；煉廠采用新型催化劑，成分較為復雜，導致煙氣輪機流道結垢，通流面積減小，動葉片葉頂發生動靜摩擦，危害煙機正常運行，機組需要頻繁停機檢維修。優化原煙氣輪機的氣動設計和結構設計，進行局部通流改造，采用了插入式靜葉組件結構和雙殼體結構等技術措施。

1 方案措施

1.1 插入式靜葉組件

靜葉組件是煙氣輪機中的關鍵部件，煙氣通過靜葉片導流，獲得合理的沖角，其氣動設計結構將直接影響煙氣輪機的回收效率及運行的安全性和可靠性。在本次局部通流改造中，對靜葉片葉型、安裝角及結構均進行重新設計，靜葉組件整體上采用兩端支撐的插入式靜葉組件結構。

某YL 型煙氣輪機原靜葉組件是傳統懸臂結構，靜葉片鑲嵌在靜葉環外圓周的凹槽內，靜葉片封緣板和靜葉環兩側面之間采用焊接連接，各靜葉片為相互獨立的懸臂結構（圖1）。通過多年來的應用實踐發現，煙機裝置運行一段時間后，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，內外圈熱膨脹不均，并且在煙氣介質的軸向推力及高溫作用下，懸臂結構的靜葉組件會發生變形（變形量達3～5 mm），導致靜葉片出氣邊高出進氣錐法蘭端面，造成氣動流場的改變，不僅降低了煙機的效率，而且由于靜葉片變形后減小了動葉片和靜葉片之間的間距，影響設備安全運行的可靠性。現優化為插入式靜葉組件結構，該結構采用內、外環插入結構，靜葉片支撐方式由懸臂支撐變為兩端支撐，此結構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生變形，消除了由于靜葉片改變氣流沖角的問題（圖2）。同時插入式靜葉組件結構采用兩端型線孔定位，提高了葉身定位的準確性，保證了設計安裝角，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氣動總損失的1/3，插入式靜葉組件可有效保證煙氣輪機的安全運行和能量回收效率[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 雙殼體結構

某YL 型煙氣輪機原過渡襯環為一體式結構（圖3），過渡襯環的主要作用是和進氣錐及殼體聯接，形成一個和外界隔絕的氣流通道。同時在過渡襯環內部有擴壓角度，和動葉片葉型及安裝角配合，保證煙氣膨脹。過渡襯環需要與動葉片葉頂保證固定的間隙，并且內表面需要進行防沖蝕處理。當煙氣輪機正常運轉時，700 ℃的高溫煙氣通過煙氣輪機，過渡襯環流道內表面煙氣的溫度高達650 ℃以上而外部為400 ℃左右，兩處存在較大的溫度差。而且根據多年觀察發現，原一體式結構的過渡襯環存在以下問題：①整體式結構厚重，在高溫及內外較大溫差下容易發生膨脹不均導致不均勻變形，造成動葉片葉頂間隙發生變化，嚴重的可導致局部間隙過小造成動靜摩擦，造成動葉片葉頂磨損或葉片損壞甚至煙機振動升高停機等嚴重后果；②內表面由于噴涂長城1#耐磨涂層的緣故，表面粗糙度較高，催化劑容易在該處結垢；③不均勻的變形還可造成過渡襯環與進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

本次經過優化改造，某YL 型煙氣輪機將原過渡襯環結構優化為分體式結構（圖4）。該分體組合式結構分為過渡殼體及動葉圍帶。而且該結構采用螺栓固定新設計的動葉圍帶替代原整體結構，過渡殼體部位采用剛性設計，動葉圍帶采用薄壁撓性設計，動葉圍帶外圓設計用于吸收熱變形的膨脹槽，防止動葉圍帶在煙機運行時發生熱變形影響葉頂間隙造成動靜摩擦。動葉圍帶內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

采用分體組合式結構，外圈采用剛性設計，內圈采用撓性設計，能夠使熱膨脹均勻，保證動葉葉頂間隙在設計范圍內，提高設備運行的安全可靠性，在原設計基礎上重量減輕的同時，即能保證原產品的剛度要求，又能吸收內部高溫變形。同時內表面采用豪克能高頻脈沖沖擊加工技術，提高表面光潔度至鏡面級別，消除殘余應力，并防止催化劑在動葉圍帶內表面結垢。

1.3 輪盤冷卻蒸汽結構

YL 型傳統煙機通流結構形式如圖5 所示，在輪盤心部位置設置有1 個冷卻蒸汽噴管，輪盤冷卻蒸汽通過噴管噴至輪盤前側，最后沿輪盤端面徑向進入流道中，隨煙氣一道通過動葉片進入排氣殼體排出。煙機運轉過程中，通過蒸汽將輪盤摩擦產生的熱量不斷帶出，以保證輪盤心部溫度控制在320～350 ℃，使輪盤有合理的溫度場分布，確保拉桿螺栓有足夠的預緊力，保證轉子的穩定運行。但是該結構使大量的輪盤冷卻蒸汽導入動葉片前側后，會產生以下5 個問題：

圖5 傳統煙機通流結構

（1）由于輪盤冷卻蒸汽品質不好經常帶水，尤其在三旋分離效果不好的情況下，催化劑跑損嚴重，造成催化劑結焦，導致如下結果：①催化劑結焦到靜葉片表面，使煙氣流通面積減小，造成煙氣流通不暢，導致煙機回收效率降低；②過渡襯環內部流道表面出現結焦現象，隨著催化劑在過渡襯環上結焦厚度不斷增加，導致葉頂間隙不斷減小，將會發生動葉片葉頂和過渡襯環內表面摩擦，導致葉頂磨損，轉子動平衡遭到破會，振動值升高，隨著葉頂與過渡襯環不斷地動靜摩擦會導致動葉片葉頂出現裂紋，甚至葉片斷裂，給用戶造成極大的損失（圖6）；③在動葉片葉身部位，催化劑結焦成硬塊粘結到葉身上，導致轉子動平衡破壞，煙機的振動值大幅升高，煙機無法正常運行需停車檢修；④催化劑結焦至葉身上，改變了葉片的自振頻率，當其頻率和葉片的某一階固有頻率重合時，會造成共振，將使葉片疲勞斷裂。

圖6 動葉片和過渡襯環上催化劑結焦

（2）輪盤冷卻蒸汽阻流產生的影響。煙機在運行過程中煙氣是軸向水平通過流道，輪盤前側的蒸汽垂直于流道。以該煙機為例，為了建立合理的輪盤溫度場分布，需通入輪盤冷卻蒸汽的標準流量約為1 t/h，通過流道的煙氣流量為1131 NM3/min。如采用傳統設計，輪盤冷卻蒸汽將對煙機流場產生很大的影響。煙氣質量流量公式：

式中 G——煙機進口質量流量，kg/s

M——煙氣相對分子質量，一般取29.16

Q——煙氣容積流量，Nm3/min

設定動靜葉之間的壓力為0.198 MPa、溫度為593 ℃，則輪盤冷卻蒸汽此時的標準體積流量為：

由上述計算值可以得出單位時間蒸汽質量流量占整個流場流量的1.084%，但是蒸汽在進入流道時流速為23.13 m/s，流速很高，所以蒸汽會對煙氣流經方向上產生很大干擾，將造成煙機效率部分下降。

（3）煙氣在流經方向上，由于對動葉片的氣流做功方向正好與輪盤冷卻蒸汽流經方向垂直交叉，尤其當煙氣通過靜葉速度加快，遇上垂直向上的輪盤冷卻蒸汽，這時在靜葉的出氣邊和動葉片的進氣邊產生渦流造成動葉片葉根部位產生沖蝕，隨著氣流的不斷沖蝕，動葉片在受損情況下連續運轉，最終造成動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流到動葉片時，由于輪盤冷卻蒸汽的混入，通過動葉片的煙氣溫度降低，導致煙氣的熱能降低，作用到轉子上的能量減小，因此煙機效率下降。

（5）傳統的通流結構形式，煙機在運行的過程中，由于輪盤前端面暴露在流道中，為了有效控制輪盤溫度場在合適的范圍內，所以輪盤冷卻蒸汽用量較大，有可能引起轉子的軸向推力增大，導致煙機的主推力瓦溫升高、主推力瓦油耗增加。

2 改進措施

通過分析，對原YL 型煙氣輪機輪盤冷卻方式進行了改進，在輪緣榫槽下端增設幅板，輪盤盤面增設7 個排氣孔，靜葉環設置一道環形蜂窩密封環，兩者之間的配間隙為0.5 mm，使煙機在正常運行過程中，輪盤冷卻蒸汽進入密封腔體內冷卻輪盤前端面，然后經排氣孔進入輪盤后側腔體內，沿后側盤面徑向排出后，隨著通過動葉片出氣邊的煙氣進入到排氣殼體排出（圖7、圖8）。

圖7 改進后的通流結構

圖8 動葉輪盤

結構改進后的優勢主要體現在以下5 個方面：①防止輪盤冷卻蒸汽進入流道，造成阻流，也避免了溫降、可以提高煙機的運行效率；②消除了因蒸汽對流場擾動造成動葉片葉身根部產生的渦流而引起動葉片根部沖蝕問題，提高了煙機運行的安全可靠性；③防止因輪盤冷卻蒸汽含水而造成動葉片催化劑結焦，導致煙機轉子不平衡問題；④減少因催化劑堆積至過渡襯環而導致葉頂間隙減小造成動靜摩擦、動葉片斷裂等類似事故；⑤輪盤冷卻蒸汽進入密封腔經輪盤排氣孔進入輪盤后側，輪盤后側的冷卻效果也大幅提升，使整個輪盤溫度場分布更加合理。

3 結語

本文改造煙機結構的技術方案于2021 年投產使用并均已申請專利，此次改造升級方案解決了煙氣輪機輸出功率和絕熱效率不高的問題，在煙氣輪機運行參數相同的條件下，電機電流由原來的700 A 下降到280 A，電機出功下降5645 kW，按照每年運行8000 h、電價0.50 元/（kW·h）計算，每年可為用戶增加節能效益2258 萬元。由此可知，通過氣動結構的改進可有效提升煙氣輪機的高效性和安全性。