李文建 李艷松 齊 浩 李宗杰

(中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南洛陽，471000)

1 前言

洛陽石化2#催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組自2015年大檢修后煙氣輪機(jī)做功效率明顯下降，通過開大高溫蝶閥增大入口煙氣流量和壓力，進(jìn)而提高煙氣輪機(jī)做功能力時(shí)，主風(fēng)機(jī)組振動(dòng)波動(dòng)較大，存在振動(dòng)超標(biāo)聯(lián)鎖停機(jī)，從而造成裝置非計(jì)劃停工的風(fēng)險(xiǎn)。通過2019年大檢修改造、工藝運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了主風(fēng)機(jī)組持續(xù)發(fā)電，極大降低了裝置的能耗。

2 主風(fēng)機(jī)組簡介

洛陽石化2#催化裂化裝置煙氣輪機(jī)-主風(fēng)機(jī)三機(jī)組是1994年引進(jìn)于美國德萊塞蘭公司(DRESSER-RAND)，該機(jī)組主要由煙氣輪機(jī)、軸流式主風(fēng)機(jī)、齒輪箱、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、控制儀表和特殊閥門等組成。其中主要包括氣路系統(tǒng)(空氣系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng))、潤滑油系統(tǒng)、煙氣輪機(jī)冷卻及密封系統(tǒng)。

主風(fēng)機(jī)組工作原理：風(fēng)機(jī)做功將空氣壓縮升壓后，提供給再生器燒焦。燒焦后空氣轉(zhuǎn)化為攜帶催化劑粉塵的高溫再生煙氣，經(jīng)過再生器一、二級(jí)旋風(fēng)分離器和三級(jí)旋風(fēng)分離器除去絕大部分粉塵成為水蒸汽含量、干基粉塵含量、濕基粉塵含量、粉塵粒徑等各項(xiàng)指標(biāo)都合格的高溫再生煙氣后一路至雙動(dòng)滑閥，一路至煙機(jī)，最終經(jīng)余熱爐回收部分剩余熱量和脫硫脫硝塔環(huán)保處理后，排放至大氣，見圖1。進(jìn)入煙機(jī)的有效煙氣量驅(qū)動(dòng)煙機(jī)做功，通過聯(lián)軸器將煙機(jī)實(shí)際回收的功率傳遞給風(fēng)機(jī)和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)。當(dāng)煙機(jī)實(shí)際回收功率小于風(fēng)機(jī)功率時(shí)，由電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化機(jī)械能提供小于的部分功率，此時(shí)主風(fēng)機(jī)組整體為耗電模式；反之，則以發(fā)電模式工作將多余功率轉(zhuǎn)化為電能，輸送至電網(wǎng)。雙向電機(jī)的轉(zhuǎn)速與煙機(jī)、風(fēng)機(jī)不同步，中間通過齒輪箱來調(diào)速[1]。

圖1 主風(fēng)機(jī)組工藝流程圖

3 煙氣輪機(jī)做功原理及影響因素

3.1 煙氣輪機(jī)做功原理

帶有壓力(約0.164MPa)的高溫?zé)煔?約670℃)經(jīng)過煙氣輪機(jī)的進(jìn)氣室、導(dǎo)流錐和靜葉整流，推動(dòng)動(dòng)葉膨脹做功，煙機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)通過聯(lián)軸器將煙機(jī)實(shí)際回收的壓力能和熱能傳遞給風(fēng)機(jī)和電動(dòng)/發(fā)電機(jī)[2]。其中，主要靠壓力能，其次是熱能。

3.2 影響因素

影響煙機(jī)回收功率的因素有很多,由公式(1)可知主要與煙機(jī)入口煙氣流量、煙機(jī)入口壓力、煙機(jī)出口壓力、煙機(jī)入口溫度和煙機(jī)熱效率等有關(guān)。煙機(jī)理論軸功率計(jì)算公式：

Ne=1634×Pi×Vi×{1-ε^[(K-1)/K]}×K/(K-1)×η熱×η機(jī)

(1)

式(1)中：Pi為煙機(jī)入口壓力(絕壓)，105Pa；Vi為進(jìn)入煙機(jī)的煙氣體積流量，m3/min；ε為膨脹比，即出口壓力比入口壓力(絕壓)，105Pa；K為煙氣絕熱系數(shù)(1.308)；η熱為煙機(jī)絕熱效率；η機(jī)為煙機(jī)機(jī)械效率。

3.2.1 煙機(jī)入口煙氣流量

再生煙氣通過三旋后一路至雙動(dòng)滑閥，一路進(jìn)入煙機(jī)，進(jìn)入煙機(jī)進(jìn)行膨脹做功的煙氣為有效煙氣量，其余為無用煙氣量。其中無用煙氣量包括：一是為平穩(wěn)控制再生器壓力，保證反應(yīng)-再生系統(tǒng)兩器差壓(再生器壓力由雙動(dòng)滑閥自動(dòng)控制)，由雙動(dòng)滑閥流出的煙氣量；二是煙機(jī)安裝時(shí)，為避免煙機(jī)投用時(shí)，動(dòng)葉片熱膨脹后葉頂與煙機(jī)殼體圍帶發(fā)生碰撞，會(huì)預(yù)留一定間隙，部分煙氣通過葉頂間隙漏出[3]。由公式(1)可得：隨著煙機(jī)入口有效煙氣流量的增加，煙機(jī)實(shí)際回收功率顯著提高。

3.2.2 煙機(jī)入口壓力

圖2顯示，隨著煙機(jī)入口壓力的增大，煙機(jī)實(shí)際回收功率不斷提高。在主風(fēng)機(jī)組安全喘振裕度下，提高煙機(jī)入口壓力，有利于煙氣輪機(jī)做功。

圖2 煙機(jī)實(shí)際回收功率與煙機(jī)入口壓力的關(guān)系

3.2.3 煙機(jī)出口壓力

煙機(jī)煙氣的膨脹比為煙機(jī)出口壓力與入口壓力之比，由式(1)可得隨著煙機(jī)出口壓力的增加，煙機(jī)實(shí)際回收功率顯著降低。再生煙氣經(jīng)煙機(jī)膨脹做功后至余熱鍋爐和脫硫脫硝洗滌塔，減少煙氣在余熱鍋爐和脫硫脫硝洗滌塔的壓降，有利于提高煙機(jī)實(shí)際回收功率。

3.2.4 煙機(jī)入口溫度

煙機(jī)入口煙氣溫度對(duì)煙機(jī)輸出功率影響很大，入口煙氣溫度升高，煙機(jī)能量回收率增大。再生器煙氣集合管出口至煙機(jī)入口長達(dá)100m左右，通過煙氣管線增加保溫，減少煙氣從再生器煙氣集合管出口至煙機(jī)入口的溫差，促進(jìn)煙機(jī)對(duì)高溫位熱能的有效回收。

3.2.5 煙機(jī)熱效率

煙機(jī)熱效率與煙機(jī)輪盤大小、動(dòng)葉靜葉數(shù)目、轉(zhuǎn)子端面密封與動(dòng)葉和襯環(huán)的間隙等有直接關(guān)系。由于沒有更換煙機(jī)，煙機(jī)輪盤大小、動(dòng)葉靜葉數(shù)目沒有發(fā)生變化，則煙機(jī)熱效率主要受轉(zhuǎn)子端面密封與動(dòng)葉和襯環(huán)的間隙影響，減小各間隙有利于提高煙機(jī)熱效率。

4 增強(qiáng)主風(fēng)機(jī)組做功的措施

4.1 增加煙機(jī)入口有效煙氣流量

為增加煙機(jī)入口有效煙氣流量，一方面，主風(fēng)流量由3000Nm3/min提至3300Nm3/min；另一方面，將雙動(dòng)滑閥由雙閥板操作改為單閥板操作，在保證安全條件下，盡量關(guān)小雙動(dòng)滑閥，閥位控制在3%—5%。同時(shí)煙機(jī)入口高溫蝶閥閥位由53%開至79%。

4.2 提高煙機(jī)入口壓力

在保證主風(fēng)機(jī)組喘振裕度在安全控制范圍的前提下，適當(dāng)提高再生器壓力，由0.175MPa提高至0.188MPa，煙機(jī)入口壓力由0.135MPa提至0.165MPa，極大提高了煙機(jī)的實(shí)際回收效率。

4.3 減小煙機(jī)出口背壓

在嚴(yán)峻的環(huán)保形勢(shì)下，2019年大檢修時(shí)，洛陽石化2#催化裂化裝置脫硫脫硝洗滌塔增加了消白煙模塊，消白煙模塊主要包括：三層高效除霧段、煙氣加熱段和洗滌段。與原來的水珠分離器相比，脫硫脫硝洗滌塔壓降增加了300Pa左右，增加了煙機(jī)出口背壓。為了減小新增消白煙模塊壓降，增加了水力吹灰和蒸汽吹灰設(shè)備，每周進(jìn)行一次，盡量減小煙機(jī)出口背壓，提高煙機(jī)做功能力。

4.4 減少煙氣在煙道內(nèi)的熱損失

大檢修期間，更換了三旋出口至煙機(jī)入口煙道的保溫層，使得高溫再生煙氣在長達(dá)100m左右的煙道內(nèi)僅僅由685℃降至670℃左右，減小了煙氣在煙道內(nèi)的熱損失，保證了煙機(jī)對(duì)高溫位熱能的有效回收利用。

4.5 提高煙機(jī)熱效率

煙機(jī)入口管線增加一個(gè)萬向復(fù)式膨脹節(jié)、兩個(gè)滾動(dòng)支座，同時(shí)更換煙機(jī)入口一段直管段，直管段由原來Φ1400×12mm縮小至Φ1280×12mm(如圖3)。增加萬向復(fù)式膨脹節(jié)、滾動(dòng)支座和擺式支架，消除了熱態(tài)時(shí)煙道熱膨脹對(duì)煙機(jī)殼體的應(yīng)力，減小了動(dòng)葉葉頂間隙。

煙機(jī)入口直管段由原來Φ1400×12mm縮小至Φ1280×12mm，入口管線管徑變小，一定程度上提高了煙機(jī)入口煙氣流速，增大了煙機(jī)做功能力。

更換三旋分離器，提高了三旋對(duì)再生煙氣中催化劑粉塵顆粒的分離效果，減少了進(jìn)入煙機(jī)的催化劑粉塵含量，降低了煙機(jī)結(jié)垢的程度，提高煙機(jī)的熱效率。

圖3 煙機(jī)入口管道

5 效果與效益

5.1 效果

通過檢修改造與工藝參數(shù)優(yōu)化，2#催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組由耗電模式轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電模式，功率由0.8MW左右變?yōu)?0.7MW，主風(fēng)機(jī)組振動(dòng)、位移、瓦溫等各項(xiàng)參數(shù)均控制在較為安全范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了主風(fēng)機(jī)組長周期、安全、平穩(wěn)地持續(xù)發(fā)電，極大降低了裝置的能耗，提高了分公司的經(jīng)濟(jì)效益。改造與優(yōu)化后功率與檢修前同周期數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4。

圖4 主風(fēng)機(jī)組功率對(duì)比圖

5.2 效益

通過檢修改造及反應(yīng)操作優(yōu)化，主風(fēng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)了發(fā)電，功率由0.8MW降至-0.7MW，按每年裝置運(yùn)行8400h，電費(fèi)單價(jià)約0.7元/度計(jì)算，每年節(jié)約電費(fèi)如下式：

節(jié)電費(fèi)用=(0.8MW/h+0.7MW/h)×1000kw/h×0.7元/度×8400h=882萬元

6 結(jié)語

2#催化裂化裝置主風(fēng)機(jī)組通過檢修改造，煙氣輪機(jī)入口管線增加一個(gè)萬向復(fù)式膨脹節(jié)、兩個(gè)滾動(dòng)支座，同時(shí)更換煙機(jī)入口一段直管段，直管段由原來Φ1400×12mm縮小至Φ1280×12mm，消除了熱態(tài)時(shí)煙道熱膨脹對(duì)煙機(jī)殼體的應(yīng)力，減小了動(dòng)葉葉頂間隙，提高了煙機(jī)做功能力。同時(shí)通過反應(yīng)崗位操作的探索及優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了主風(fēng)機(jī)組的長周期、安全和平穩(wěn)發(fā)電，節(jié)能創(chuàng)效。