催化裂化裝置主風機組的節能增效優化與改造

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#催化裂化裝置主風機組自2015年大檢修后煙氣輪機做功效率明顯下降，通過開大高溫蝶閥增大入口煙氣流量和壓力，進而提高煙氣輪機做功能力時，主風機組振動波動較大，存在振動超標聯鎖停機，從而造成裝置非計劃停工的風險。通過2019年大檢修改造、工藝運行參數的優化，實現了主風機組持續發電，極大降低了裝置的能耗。

2 主風機組簡介

洛陽石化2#催化裂化裝置煙氣輪機-主風機三機組是1994年引進于美國德萊塞蘭公司(DRESSER-RAND)，該機組主要由煙氣輪機、軸流式主風機、齒輪箱、電動/發電機、控制儀表和特殊閥門等組成。其中主要包括氣路系統(空氣系統和煙氣系統)、潤滑油系統、煙氣輪機冷卻及密封系統。

主風機組工作原理：風機做功將空氣壓縮升壓后，提供給再生器燒焦。燒焦后空氣轉化為攜帶催化劑粉塵的高溫再生煙氣，經過再生器一、二級旋風分離器和三級旋風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、粉塵粒徑等各項指標都合格的高溫再生煙氣后一路至雙動滑閥，一路至煙機，最終經余熱爐回收部分剩余熱量和脫硫脫硝塔環保處理后，排放至大氣，見圖1。進入煙機的有效煙氣量驅動煙機做功，通過聯軸器將煙機實際回收的功率傳遞給風機和電動/發電機。當煙機實際回收功率小于風機功率時，由電動機將電能轉化機械能提供小于的部分功率，此時主風機組整體為耗電模式；反之，則以發電模式工作將多余功率轉化為電能，輸送至電網。雙向電機的轉速與煙機、風機不同步，中間通過齒輪箱來調速[1]。

圖1 主風機組工藝流程圖

3 煙氣輪機做功原理及影響因素

3.1 煙氣輪機做功原理

帶有壓力(約0.164MPa)的高溫煙氣(約670℃)經過煙氣輪機的進氣室、導流錐和靜葉整流，推動動葉膨脹做功，煙機轉子旋轉通過聯軸器將煙機實際回收的壓力能和熱能傳遞給風機和電動/發電機[2]。其中，主要靠壓力能，其次是熱能。

3.2 影響因素

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

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

(1)

式(1)中：Pi為煙機入口壓力(絕壓)，105Pa；Vi為進入煙機的煙氣體積流量，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(1.308)；η熱為煙機絕熱效率；η機為煙機機械效率。

3.2.1 煙機入口煙氣流量

再生煙氣通過三旋后一路至雙動滑閥，一路進入煙機，進入煙機進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：一是為平穩控制再生器壓力，保證反應-再生系統兩器差壓(再生器壓力由雙動滑閥自動控制)，由雙動滑閥流出的煙氣量；二是煙機安裝時，為避免煙機投用時，動葉片熱膨脹后葉頂與煙機殼體圍帶發生碰撞，會預留一定間隙，部分煙氣通過葉頂間隙漏出[3]。由公式(1)可得：隨著煙機入口有效煙氣流量的增加，煙機實際回收功率顯著提高。

3.2.2 煙機入口壓力

圖2顯示，隨著煙機入口壓力的增大，煙機實際回收功率不斷提高。在主風機組安全喘振裕度下，提高煙機入口壓力，有利于煙氣輪機做功。

圖2 煙機實際回收功率與煙機入口壓力的關系

3.2.3 煙機出口壓力

煙機煙氣的膨脹比為煙機出口壓力與入口壓力之比，由式(1)可得隨著煙機出口壓力的增加，煙機實際回收功率顯著降低。再生煙氣經煙機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，有利于提高煙機實際回收功率。

3.2.4 煙機入口溫度

煙機入口煙氣溫度對煙機輸出功率影響很大，入口煙氣溫度升高，煙機能量回收率增大。再生器煙氣集合管出口至煙機入口長達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入口的溫差，促進煙機對高溫位熱能的有效回收。

3.2.5 煙機熱效率

煙機熱效率與煙機輪盤大小、動葉靜葉數目、轉子端面密封與動葉和襯環的間隙等有直接關系。由于沒有更換煙機，煙機輪盤大小、動葉靜葉數目沒有發生變化，則煙機熱效率主要受轉子端面密封與動葉和襯環的間隙影響，減小各間隙有利于提高煙機熱效率。

4 增強主風機組做功的措施

4.1 增加煙機入口有效煙氣流量

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

4.2 提高煙機入口壓力

在保證主風機組喘振裕度在安全控制范圍的前提下，適當提高再生器壓力，由0.175MPa提高至0.188MPa，煙機入口壓力由0.135MPa提至0.165MPa，極大提高了煙機的實際回收效率。

4.3 減小煙機出口背壓

在嚴峻的環保形勢下，2019年大檢修時，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備，每周進行一次，盡量減小煙機出口背壓，提高煙機做功能力。

4.4 減少煙氣在煙道內的熱損失

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

4.5 提高煙機熱效率

煙機入口管線增加一個萬向復式膨脹節、兩個滾動支座，同時更換煙機入口一段直管段，直管段由原來Φ1400×12mm縮小至Φ1280×12mm(如圖3)。增加萬向復式膨脹節、滾動支座和擺式支架，消除了熱態時煙道熱膨脹對煙機殼體的應力，減小了動葉葉頂間隙。

煙機入口直管段由原來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入口煙氣流速，增大了煙機做功能力。

更換三旋分離器，提高了三旋對再生煙氣中催化劑粉塵顆粒的分離效果，減少了進入煙機的催化劑粉塵含量，降低了煙機結垢的程度，提高煙機的熱效率。

圖3 煙機入口管道

5 效果與效益

5.1 效果

通過檢修改造與工藝參數優化，2#催化裂化裝置主風機組由耗電模式轉變為發電模式，功率由0.8MW左右變為-0.7MW，主風機組振動、位移、瓦溫等各項參數均控制在較為安全范圍內，實現了主風機組長周期、安全、平穩地持續發電，極大降低了裝置的能耗，提高了分公司的經濟效益。改造與優化后功率與檢修前同周期數據對比如圖4。

圖4 主風機組功率對比圖

5.2 效益

通過檢修改造及反應操作優化，主風機組實現了發電，功率由0.8MW降至-0.7MW，按每年裝置運行8400h，電費單價約0.7元/度計算，每年節約電費如下式：

節電費用=(0.8MW/h+0.7MW/h)×1000kw/h×0.7元/度×8400h=882萬元

6 結語

2#催化裂化裝置主風機組通過檢修改造，煙氣輪機入口管線增加一個萬向復式膨脹節、兩個滾動支座，同時更換煙機入口一段直管段，直管段由原來Φ1400×12mm縮小至Φ1280×12mm，消除了熱態時煙道熱膨脹對煙機殼體的應力，減小了動葉葉頂間隙，提高了煙機做功能力。同時通過反應崗位操作的探索及優化，實現了主風機組的長周期、安全和平穩發電，節能創效。