陳文武

(1. 化學(xué)品安全全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島 266104 2. 中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

“雙碳”已成為國(guó)家重大戰(zhàn)略目標(biāo),而現(xiàn)有裝置優(yōu)化節(jié)能則是“雙碳”的重要舉措。長(zhǎng)期以來(lái),生產(chǎn)裝置工藝節(jié)能優(yōu)化已經(jīng)得到了足夠重視,也取得了很好的節(jié)能效果,而對(duì)于設(shè)備節(jié)能則重視程度不足。實(shí)際上,轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備耗能在裝置用能結(jié)構(gòu)中占有較高的比例。以煉油過(guò)程耗能最高的催化裂化裝置為例,國(guó)內(nèi)催化裂化裝置的平均能耗占煉油企業(yè)能耗的1/3,按2015年中國(guó)石化催化裂化裝置能耗調(diào)研數(shù)據(jù),大型機(jī)組和機(jī)泵等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備耗能量約占裝置總耗能量的5%[1]。

煙氣輪機(jī)-主風(fēng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)三機(jī)組是催化裂化裝置的核心設(shè)備,其能效的高低直接影響著催化裂化裝置能耗。三機(jī)組原理、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)行參數(shù)眾多,參數(shù)間相互耦合作用較強(qiáng)。當(dāng)前,由于存在各種認(rèn)識(shí)上的誤區(qū),三機(jī)組的能效計(jì)算方法不統(tǒng)一且不準(zhǔn)確,造成既無(wú)法及時(shí)進(jìn)行不同裝置機(jī)組能效的橫向比對(duì),也很難準(zhǔn)確掌握機(jī)組本身能耗的歷史變化趨勢(shì),機(jī)組能效管理缺乏目標(biāo)性、緊迫感和優(yōu)化方向指導(dǎo),制約了機(jī)組能效的提升。王葆華,等[2]采用焓降法、核算法、膨脹功法等3種離線計(jì)算方法,對(duì)中國(guó)海油某催化裂解裝置煙機(jī)的能量回收效率進(jìn)行了計(jì)算;張亮[3]提出了催化裂化裝置煙機(jī)效率的一種離線計(jì)算方法,并分析了煙機(jī)效率的影響因素。以上方法對(duì)機(jī)組的能效計(jì)算具有一定指導(dǎo)性,但對(duì)機(jī)組動(dòng)力學(xué)特性和實(shí)時(shí)的工藝介質(zhì)熱力學(xué)性能變化考慮不夠全面、準(zhǔn)確,也沒(méi)有形成機(jī)組能效的實(shí)時(shí)計(jì)算方法和流程。

中國(guó)石化公司在役催化裂化裝置50余套,年產(chǎn)能8 600余萬(wàn)噸,占全國(guó)總產(chǎn)能約40%,若能實(shí)現(xiàn)三機(jī)組能效的在線準(zhǔn)確計(jì)算,在公司層面進(jìn)行機(jī)組能效的比對(duì)分析,將進(jìn)一步強(qiáng)化能耗監(jiān)管,促進(jìn)機(jī)組用能效率的提升,對(duì)節(jié)能降耗目標(biāo)的達(dá)成具有重要意義。結(jié)合主風(fēng)機(jī)、煙機(jī)的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)特性,綜合考慮了雙動(dòng)滑閥開(kāi)度對(duì)進(jìn)入煙機(jī)煙氣流量的影響、主風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)的校正流量等因素對(duì)機(jī)組效率的影響,鐵耗、機(jī)械損耗不變而定轉(zhuǎn)子銅耗、雜散損耗隨負(fù)荷發(fā)生變化等復(fù)雜因素對(duì)主電機(jī)的功率影響等,構(gòu)建了三機(jī)組能效實(shí)時(shí)計(jì)算模型,輸入機(jī)組實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)和煙氣組成實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù),進(jìn)行三機(jī)組能效的在線計(jì)算,并實(shí)時(shí)對(duì)三機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性加以判斷。

1 煙氣能量回收工藝流程

催化裂化裝置三機(jī)組多采用煙機(jī)-主風(fēng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)的三機(jī)組方式配置。煙氣能量回收的工藝流程見(jiàn)圖1,催化劑再生過(guò)程形成的高溫帶壓煙氣先經(jīng)過(guò)再生器內(nèi)部均勻布置的兩級(jí)串聯(lián)旋風(fēng)分離器,分離回收絕大部分催化劑顆粒后,進(jìn)入再生器外第3級(jí)旋風(fēng)分離器繼續(xù)分離煙氣中攜帶的催化劑細(xì)粉。經(jīng)三旋分離后的絕壓為0.3～0.4 MPa的650～700 ℃高溫凈化煙氣,大部分經(jīng)過(guò)煙機(jī)入口高溫蝶閥進(jìn)入煙機(jī)膨脹做功,將熱能與壓力能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能,推動(dòng)煙機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)同軸的軸流主風(fēng)機(jī)運(yùn)行,向再生器提供催化劑流化和燒焦用主風(fēng)[4];另一部分帶壓高溫凈化煙氣經(jīng)雙動(dòng)滑閥后進(jìn)入降壓孔板室,降壓后再與經(jīng)煙機(jī)做功后的煙氣混合后進(jìn)入余熱鍋爐發(fā)生蒸汽。另外,為保證三旋系統(tǒng)的正常運(yùn)行,約占總煙氣量3%～5%的煙氣經(jīng)第3級(jí)旋風(fēng)分離器底部與催化劑粉塵一起排入第4級(jí)旋風(fēng)分離器,四旋出口煙氣則經(jīng)臨界流速噴嘴后送至煙道,與煙機(jī)出口來(lái)煙氣一起進(jìn)入余熱鍋爐發(fā)汽。機(jī)組系統(tǒng)配置電機(jī)或發(fā)電機(jī)增加能量回收系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和靈活性:當(dāng)煙機(jī)輸出功率超過(guò)主風(fēng)機(jī)消耗功率時(shí),即為發(fā)電機(jī),將煙機(jī)多余功率轉(zhuǎn)化為電能外輸;當(dāng)煙機(jī)輸出功率不足以驅(qū)動(dòng)主風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí),即為電動(dòng)機(jī),補(bǔ)充功率差額。

圖1 催化裂化裝置煙氣能量回收工藝示意

2 機(jī)組能效計(jì)算

煙機(jī)是一種反動(dòng)式透平,煙機(jī)效率ηt為煙機(jī)軸功率與煙機(jī)理論功率的比值,如公式(1)所示。

(1)

式中:Ne——煙機(jī)軸功率,kW;

Nt——煙機(jī)理論功率,kW。

2.1 煙機(jī)理論功率計(jì)算

煙機(jī)理論功率Nt是指進(jìn)入煙機(jī)的煙氣按理想絕熱過(guò)程進(jìn)行膨脹,達(dá)到同一出口壓力時(shí)所發(fā)出的理想功率,其計(jì)算公式[5]見(jiàn)公式(2)。

(2)

式中:Ge——進(jìn)入煙機(jī)煙氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的質(zhì)量流量,kg/s;

Cp——混合煙氣定壓比熱容,kJ/(kg·K);

T1——煙機(jī)入口溫度,K;

P1——煙機(jī)入口壓力,MPa(a);

P2——煙機(jī)出口壓力,MPa(a);

Kf——煙氣絕熱指數(shù)。

煙氣質(zhì)量流量Ge的計(jì)算,如公式(3)所示。

Ge=ρf·V1/60

(3)

式中:ρf——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣的密度,kg/m3;

V1——進(jìn)入煙機(jī)煙氣標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量,m3/min。

煙氣密度ρf按公式(4)計(jì)算。

(4)

式中:Mi——煙氣中第i種組分的分子量;

Yi——第i種組分的體積含量,%。

軸流主風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的主風(fēng)進(jìn)入再生器燒焦后,產(chǎn)生的煙氣除進(jìn)入煙機(jī)膨脹做功以外,還有通過(guò)雙動(dòng)滑閥漏量、通過(guò)四旋泄氣、通過(guò)動(dòng)靜間隙漏量等途徑?jīng)]有在煙機(jī)內(nèi)進(jìn)行有效做功[6],因此,進(jìn)入煙機(jī)做功的煙氣體積流量V1按經(jīng)驗(yàn)公式(5)計(jì)算。

(5)

式中:V1′——主風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下流量,m3/min;

γA——雙動(dòng)滑閥A開(kāi)度,%;

γB——雙動(dòng)滑閥B開(kāi)度,%。

需要注意的是,通過(guò)煙機(jī)煙氣的最大流量為煙機(jī)的額定流量,若計(jì)算流量大于煙機(jī)額定流量,則按煙機(jī)額定流量計(jì)?；旌蠠煔獾亩▔罕葻崛軨p見(jiàn)公式(6)。

(6)

式中:Cpi——第i種組分的定壓比熱容平均值,kJ/(kg·K);

Yi′——第i種組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。

煙氣中,某種組分的平均定壓比熱容Cpi見(jiàn)公式(7)。

Cpi=(Cpi1+Cpi2)/2

(7)

式中:Cpi1——煙機(jī)入口溫度T1下,第i種組分的定壓比熱容,kJ/(kg·K);

Cpi2——煙機(jī)出口溫度T2下,第i種組分的定壓比熱容,kJ/(kg·K)。

煙機(jī)入口溫度T1下,第i種組分的定壓比熱容Cpi1,見(jiàn)公式(8)。

Cpi1=a+bT1·10-3+cT12·10-6

(8)

煙機(jī)出口溫度T2下,第i種組分的定壓比熱容Cpi2,見(jiàn)公式(9)。

Cpi2=a+bT2·10-3+cT22·10-6

(9)

式中:T2——煙機(jī)出口溫度,K。

煙氣中的主要組分為O2、N2、CO2等,公式(8)、(9)中,a、b、c均為常數(shù)項(xiàng),不同組分的常數(shù)見(jiàn)表1[2]。

表1 煙氣中不同組分的定壓比熱容常數(shù)

2.2 煙機(jī)軸功率計(jì)算

以電機(jī)電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的軸功率計(jì)算為例,采用功率平衡法計(jì)算煙機(jī)軸功率Ne[5],如公式(10)所示。

Ne=Nc+Ng+Np-Nm

(10)

式中:Nc——主風(fēng)機(jī)軸功率,kW;

Ng——齒輪箱耗功,kW;

Np——聯(lián)軸器耗功,kW;

Nm——主電機(jī)輸出功率(軸功率),kW。

主風(fēng)機(jī)軸功率Nc[2]見(jiàn)公式(11)。

(11)

式中:P1′——主風(fēng)機(jī)入口壓力,MPa(a);

P2′——主風(fēng)機(jī)出口壓力,MPa(a);

V1＂——主風(fēng)機(jī)入口修正體積流量,m3/min;

m——主風(fēng)機(jī)多變指數(shù);

ηpol——主風(fēng)機(jī)多變效率;

ηm——主風(fēng)機(jī)機(jī)械效率。

主風(fēng)機(jī)入口修正體積流量V1＂見(jiàn)公式(12)。

(12)

式中:T1′——主風(fēng)機(jī)入口溫度,K;

V1′——主風(fēng)機(jī)入口指示體積流量,m3/min。

主風(fēng)機(jī)多變指數(shù)m見(jiàn)公式(13)。

(13)

式中:T2′——主風(fēng)機(jī)出口溫度,K。

主風(fēng)機(jī)多變效率ηpol見(jiàn)公式(14)。

(14)

式中:Ka——空氣絕熱指數(shù)。

主電機(jī)輸出功率Nm見(jiàn)公式(15)。

Nm=Ni-Nl

(15)

式中:Ni——主電機(jī)輸入功率,kW;

Nl——主電機(jī)損耗功率,kW。

主電機(jī)輸入功率Ni見(jiàn)公式(16)。

(16)

式中:U——主電機(jī)額定電壓,U=10 kV;

I——主電機(jī)運(yùn)行電流,A;

cosφf(shuō)——主電機(jī)滿載功率因數(shù)。

主電機(jī)損耗功率Nl見(jiàn)公式(17)。

(17)

式中:N0——主電機(jī)空載功率,kW;

Nr——主電機(jī)額定功率,kW;

Nc——滿載時(shí)主電機(jī)最大銅損耗和雜散損耗,該值隨電機(jī)負(fù)荷變化,kW。

主電機(jī)空載功率N0見(jiàn)公式(18)。

(18)

式中:cosφ0——主電機(jī)空載功率因數(shù);

I0——主電機(jī)空載電流,A。

滿載時(shí)主電機(jī)最大銅損耗和雜散損耗Nc見(jiàn)公式(19)。

Nc=Nf0-N0

(19)

式中:Nf0——滿載時(shí)主電機(jī)本身消耗功率,kW。

滿載時(shí)主電機(jī)本身消耗功率Nf0見(jiàn)公式(20)。

Nf0=Nfi-Nft

(20)

式中:Nfi——主電機(jī)滿負(fù)荷時(shí)輸入有功功率,kW;

Nft——主電機(jī)滿負(fù)荷時(shí)輸出有功功率,kW。

主電機(jī)滿負(fù)荷時(shí)輸入有功功率Nfi見(jiàn)公式(21)。

(21)

式中:Ir——主電機(jī)額定電流,A。

主電機(jī)滿負(fù)荷時(shí)輸出有功功率Nft見(jiàn)公式(22)。

Nft=Nfi·ηf

(22)

式中:ηf——電機(jī)滿載效率。

齒輪箱耗功Ng見(jiàn)公式(23)。

Ng=Nm·(1-ηg)

(23)

式中:ηg——齒輪箱效率。

聯(lián)軸器耗功Np見(jiàn)公式(24)。

Np=Nc·(1-ηp)

(24)

式中:ηp——聯(lián)軸器效率。

3 實(shí)時(shí)計(jì)算流程

首先,按照上述各公式,根據(jù)主風(fēng)機(jī)、煙氣輪機(jī)的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)性質(zhì)確定機(jī)組功率及效率的計(jì)算方法,根據(jù)電機(jī)特性參數(shù)建立電機(jī)實(shí)時(shí)功率計(jì)算方法;其次,確定輸入常數(shù)項(xiàng)和實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù);第三,計(jì)算并輸出主風(fēng)機(jī)、煙氣輪機(jī)實(shí)時(shí)功率、效率等能效指標(biāo),用于進(jìn)行機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性判斷,指導(dǎo)優(yōu)化運(yùn)行與設(shè)計(jì)。三機(jī)組能效實(shí)時(shí)計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 三機(jī)組能效實(shí)時(shí)計(jì)算流程

4 能效計(jì)算驗(yàn)證

以某2.9 Mt/a蠟油催化裂化裝置煙氣回收系統(tǒng)為例,進(jìn)行煙氣能量回收系統(tǒng)能效計(jì)算驗(yàn)證。該裝置三機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)及常數(shù)項(xiàng)見(jiàn)表2。

表2 三機(jī)組主要設(shè)計(jì)參數(shù)及常數(shù)項(xiàng)

某時(shí)刻,裝置煙氣組成如表3所示,按照公式(7)～(9)計(jì)算混合煙氣定壓比熱容值為1.133。

表3 煙氣組成

該裝置煙氣能量回收系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)如表4所示,確定為計(jì)算模型的輸入量。

表4 三機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)

按照前節(jié)所建計(jì)算模型,將煙氣輪機(jī)-軸流式主風(fēng)機(jī)-電機(jī)三機(jī)組的有關(guān)計(jì)算公式及計(jì)算輸出參數(shù)列入表5。

表5 三機(jī)組能效實(shí)時(shí)計(jì)算輸出匯總

根據(jù)表5計(jì)算結(jié)果,該三機(jī)組在當(dāng)前工況下,主風(fēng)機(jī)軸功率為22 591.06 kW,主風(fēng)機(jī)多變效率為77%;煙氣輪機(jī)理論功率為28 114.22 kW,軸功率為19 913.62 kW,總效率為70.8%。

5 影響因素分析

催化裂化裝置三機(jī)組的主要任務(wù)一是提供再生器燒焦及流化用主風(fēng),二是進(jìn)行高溫位煙氣能量回收。在保證工藝需要的足量主風(fēng)情況下,提高煙機(jī)回收能量且降低電機(jī)耗電量或增加發(fā)電量,是優(yōu)化三機(jī)組運(yùn)行的主要方向。因此,要從設(shè)計(jì)、操作與維護(hù)各環(huán)節(jié)共同改進(jìn),提升煙機(jī)理論功率和效率,降低主風(fēng)機(jī)軸功率,從而降低主電機(jī)用電量或增加發(fā)電機(jī)發(fā)電量,切實(shí)降低裝置能耗。

為提高煙機(jī)理論功率,按照公式(2)～(9),需提高進(jìn)入煙機(jī)做功的煙氣流量、溫度和壓力,降低煙機(jī)出口背壓;為降低主風(fēng)機(jī)軸功率,按照公式(10)～(14),需優(yōu)化主風(fēng)機(jī)選型、降低主風(fēng)機(jī)出口壓力等。

5.1 系統(tǒng)與機(jī)組設(shè)計(jì)

a) 提升煙機(jī)理論功率。包括通過(guò)管路和再生器設(shè)計(jì)優(yōu)化減少主風(fēng)機(jī)出口到煙機(jī)入口的壓降[6],通過(guò)改善煙道保溫降低再生器到煙機(jī)入口的溫降,在保證工藝需要情況下,降低煙氣經(jīng)雙動(dòng)滑閥和三旋下泄氣跑損量,以及通過(guò)優(yōu)化余熱鍋爐和煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)降低煙機(jī)背壓等[7],從工藝流程設(shè)計(jì)上保證有進(jìn)入煙機(jī)的煙氣具有足夠做功能力,提升煙機(jī)理論功率。

b) 提高煙機(jī)效率。對(duì)機(jī)組的通流部分進(jìn)行改進(jìn),提升煙機(jī)效率,如:采用高效節(jié)能動(dòng)、靜葉片,在提高氣動(dòng)效率的同時(shí)也降低葉片結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn);采用高效排氣擴(kuò)壓器,提高動(dòng)葉片出口截面流場(chǎng)的均勻度,減少流動(dòng)損失,提高透平效率等[8-10]。

c) 降低主風(fēng)機(jī)軸功率。對(duì)軸流主風(fēng)機(jī)應(yīng)選用合理的額定工作點(diǎn),不能要求過(guò)寬的工作范圍。通常情況下,在裝置處于滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),夏季最高氣溫時(shí)主風(fēng)機(jī)入口靜葉應(yīng)保持全開(kāi)狀態(tài),從而保持主風(fēng)機(jī)的高效率運(yùn)行,在相同的主風(fēng)供應(yīng)量情況下保證主風(fēng)機(jī)較低的軸功率輸入。

5.2 操作與維護(hù)

a) 提升煙機(jī)理論功率。提高通過(guò)煙機(jī)有效煙氣流量:在保證再生器壓力符合工藝要求情況下,盡量降低雙動(dòng)滑閥開(kāi)度;加強(qiáng)臨界流速噴嘴磨損情況檢查,在四旋能正常工作情況下,盡量保證臨界流速噴嘴最低煙氣泄氣量通過(guò)。提高煙機(jī)入口煙氣溫度:加強(qiáng)煙機(jī)入口煙道保溫效果檢查,對(duì)不合格保溫及時(shí)處理;在保證葉根冷卻需要情況下,降低冷卻蒸汽流量。提高煙機(jī)入口煙氣壓力:保持煙機(jī)入口兩道蝶閥全開(kāi)狀態(tài),保證管路暢通,降低煙機(jī)入口管道壓降。降低煙機(jī)出口煙氣背壓:煙機(jī)出口及煙氣放空等部位選用壓差小的煙氣管路水封罐;加強(qiáng)余熱鍋爐吹灰管理;在保證煙氣脫硫效果情況下,盡量降低煙氣水洗塔水洗量等[6]。

b) 提高煙機(jī)效率。通過(guò)選用低稀土和磷含量的催化劑,選用過(guò)熱蒸汽進(jìn)行輪盤(pán)冷卻,降低煙機(jī)入口粉塵濃度等措施保持煙機(jī)低結(jié)垢傾向[11],保證煙機(jī)通流部分暢通;檢修時(shí),檢查煙機(jī)動(dòng)葉片葉尖磨損情況,降低煙機(jī)本體煙氣漏量。

c) 降低主風(fēng)機(jī)軸功率。注意增加反再系統(tǒng)卸催化劑次數(shù),控制再生器催化劑床層高度,保持床層低壓降;加強(qiáng)主風(fēng)機(jī)出口單向閥、主風(fēng)管路單向閥、各路流化風(fēng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度檢查,盡量保持全開(kāi)狀態(tài),以降低系統(tǒng)壓降。

6 結(jié)論

a) 綜合考慮主風(fēng)機(jī)、煙機(jī)的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)特性以及電機(jī)特性,構(gòu)建了三機(jī)組能效實(shí)時(shí)計(jì)算模型,通過(guò)輸入機(jī)組實(shí)時(shí)操作數(shù)據(jù)和煙氣組成實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了三機(jī)組能效的在線、準(zhǔn)確計(jì)算,可實(shí)時(shí)在線對(duì)三機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性加以判斷。以某2.9 Mt/a蠟油催化裂化裝置三機(jī)組為例,進(jìn)行了機(jī)組能效的計(jì)算驗(yàn)證,計(jì)算結(jié)果為:主風(fēng)機(jī)軸功率為22 591.06 kW,多變效率為77%;煙機(jī)理論功率為28 114.22 kW,軸功率為19 913.62 kW,總效率為70.8%。

b) 通過(guò)機(jī)組能效計(jì)算模型,對(duì)影響機(jī)組能效的主要因素進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,從設(shè)計(jì)、操作與維護(hù)等各環(huán)節(jié)共同改進(jìn),可實(shí)現(xiàn)三機(jī)組的節(jié)能降耗,具體包括:提高進(jìn)入煙機(jī)做功的煙氣流量、溫度和壓力,降低煙機(jī)出口背壓,提升煙機(jī)理論功率;采用高效動(dòng)、靜葉片,降低煙機(jī)結(jié)垢傾向等,提高煙機(jī)效率;優(yōu)化主風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)選型,減少主風(fēng)機(jī)出口壓降,降低主風(fēng)機(jī)軸功率等。

c) 所構(gòu)建的三機(jī)組能效實(shí)時(shí)計(jì)算模型既可以通過(guò)同一機(jī)組能效歷史變化趨勢(shì)的對(duì)比,為機(jī)組檢修維護(hù)和優(yōu)化操作提供判斷依據(jù);也可以通過(guò)不同裝置三機(jī)組運(yùn)行能效的比較,提供設(shè)計(jì)改造及生產(chǎn)優(yōu)化決策建議,為催化裂化裝置強(qiáng)化耗能監(jiān)督提供了必要的技術(shù)方法。