低压降辅助燃烧室振动原因分析及对策

(中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516086)

辅助燃烧室是催化裂化装置开工初期的主风加热设备和场所，也是正常生产时的主风通道。惠州石化有限公司4.8 Mt/a催化裂化(Ⅱ)装置使用的低压降辅助燃烧室既能方便点炉、改善燃烧效果[1]，又能显著降低主风通道的压降[2]，此型辅助燃烧室广泛应用于炼油厂新建和技术改造的生产装置中。低压降辅助燃烧室取消了旧式辅助燃烧室的一、二次风蝶阀，仅用1块挡板实现一、二次风的风量分配，简化了风量调节操作。但是有多家单位反映，低压降辅助燃烧室在使用过程中容易发生振动。

2017-05惠州石化有限公司新建4.8 Mt/a催化裂化(Ⅱ)装置所有衬里施工完毕，进行衬里烘干工作。在首次烘衬里过程中也出现了辅助燃烧室振动的现象。文中介绍了低压降辅助燃烧室的结构、辅助燃烧室振动诱发的燃烧器调风外筒断裂和燃烧器周围衬里脱落情况，分析了辅助燃烧室振动、燃烧器调风外筒断裂及燃烧器周围衬里脱落的原因，提出了改进措施，可为同类装置低压降辅助燃烧室的平稳运行和安全使用提供参考。

1 低压降辅助燃烧室结构及特点

惠州石化4.8 Mt/a催化裂化(Ⅱ)装置低压降辅助燃烧室由燃烧器本体，燃烧器调风机构，一、二次风隔板，主风进口管，一、二次风分配挡板，燃烧室内筒体，燃烧室外筒体，锚固件，隔热耐磨衬里，支撑筒及底座等主要部件构成，见图1[5]。

1.燃烧器本体 2.燃烧器调风机构 3.一、二次风隔板 4.主风进口管 5.一、二次风分配挡板 6.燃烧室内筒体 7.燃烧室外筒体 8.热电偶套管 9.出口管 10.人孔 11.排污口 12.锚固件 13.隔热耐磨衬里 14.隔热衬里 15.支撑筒 16.底座图1 低压降辅助燃烧室结构示图

与旧式辅助燃烧室相比，低压降辅助燃烧室取消了一、二次风蝶阀，仅用1块挡板实现一、二次风的风量分配，使得操作简化了许多。在结构上，低压降辅助燃烧室通过偏心挡板调节一、二次风的比例，适当缩短燃烧室内筒体燃烧道的长度，加宽燃烧室筒体外壁和燃烧室筒体内壁之间的间隙，去掉导流叶片，改变混兑进口结构尺寸，从而降低主风通道的压降[3]。与旧式辅助燃烧室5 kPa的压降相比，低压降辅助燃烧室能够将压降控制在2 kPa以内，从而使得烟机做功增多，主风机耗电量降低，经济效益明显提高[4]。

2 低压降辅助燃烧室故障及检查情况

装置首次烘衬里过程中出现了辅助燃烧室振动的现象。伴随辅助燃烧室的振动，燃烧器调风外筒出现断裂，燃烧器周围的衬里也出现了脱落。

2.1 燃烧室振动特征

辅助燃烧室发出嗒嗒嗒的声响，与其相连的瓦斯、风、燃烧油、蒸汽等工艺管线有明显的振感，振幅1～2 cm。瓦斯的燃烧火焰不稳定，火焰摆动。

2.2 燃烧器调风外筒断裂

辅助燃烧室燃烧器调风外筒断裂情况见图2，局部裂口见图3。辅助燃烧室燃烧器调风筒即一次风调风百叶窗结构，该结构由嵌套着的镂空内外筒组成。进入辅助燃烧室炉膛供燃烧使用的主风，依靠内筒和外筒的错开程度来调节风量的大小。从图2和图3可以观察到，燃烧器调风外筒有多处贯穿性断裂，甚至有的相邻风孔已经连通，失去调节一次风的作用，无法继续使用。

图2 辅助燃烧室燃烧器调风外筒断裂情况

图3 辅助燃烧室燃烧器调风外筒局部裂口

2.3 辅助燃烧室燃烧器周围衬里脱落

辅助燃烧室燃烧器周围衬里受损(图4)，出现了成片脱落。脱落单块衬里最大面积达到10 cm×20 cm。

图4 燃烧器前端周围受损的衬里

一、二次风隔板附近衬里出现了松动，并且有较长、较深的裂纹[6]，见图5。一、二次风隔板附近贯穿性裂纹有6条，最长的达60 cm。燃烧器周围衬里的隔热性能已经丧失，一、二次风隔板附近衬里的隔热性能也已严重下降。

图5 一、二次风隔板附近受损衬里

3 低压降辅助燃烧室故障技术分析

3.1 低压降辅助燃烧室振动

低压降辅助燃烧室的振动与其结构形式有关。参照图1所示的低压降辅助燃烧室的结构可以知道，一、二次风的风量比例通过一、二次风分配挡板进行调节。

正常生产时，一、二次风分配挡板全开，但是在烘衬里期间，一次风作为燃烧用风，要保证炉膛温度高(最高不能超950 ℃)。二次风作为夹套风，起冷却作用，要保证炉出口温度不能过高(最高不能超700 ℃)，防止烧坏设备。一、二次风的风量需要根据炉膛温度和炉出口温度调整，如果一次风需求量大，超过总风量的1/2，一、二次风分配挡板起到明显的节流作用，这个时候主风的压降几乎全部集中在分配挡板上。

当流体通过节流元件时，流道形状的改变会导致流体的流动状况发生变化。节流后经过扩口，形成强烈湍流的不规则涡流群，涡流群不断生成、发展和消失，是诱发振动和噪声的主要根源[7-8]。因此，在烘衬里过程中，如果一、二次风分配挡板的开度与风量不匹配，这个部位会产生很大的振动和声响，若不及时调整，振动就会蔓延至整个辅助燃烧室，最后产生共振。

3.2 燃烧器调风外筒断裂

从燃烧器调风外筒断裂部位板材取样，板厚为8 mm，材质为S30408。委托第三方检测机构对样品进行理化性能分析。经化学成分分析，样品中C、Si、Mn、S、 P、Cr、Ni等化学元素质量分数依次为0.052%、0.643%、1.07%、0.006 5%、0.028%、18.18%、8.09%。此结果表明，样品化学成分符合相关标准[9]对S30408的要求。

经渗透检测，内筒上未发现裂纹。对断裂元件金相组织分析，晶界区完好[10]，未见晶间腐蚀(图6和图7)。调风外筒断口处发黑，调风内筒及其他不锈钢部件依然是不锈钢原色，断口疲劳弧线清晰可见，据此判定调风外筒为应力疲劳断裂[11]。

图6 燃烧器调风外筒断裂元件金相组织( 100×)

图7 燃烧器调风外筒断裂元件金相组织 (500×)

4.8 Mt/a催化裂化装置是目前国内最大的催化裂化装置。反应-再生烘衬里550 ℃恒温期间，进入再生器的主风体积流量达到3 550 m3/min(标准状态)，大约有1/3的主风要经过一次风调风筒，长时间、大流量的冲击是对调风外筒材质的考验。

设备投运后燃烧器调风外筒处于迎风面，受力最大，产生较大的拉应力。破损部位为燃烧器水平180°上半圆，直接对应一次风入口，设备投运之后出现微振，二者联合作用下使调风外筒发生了应力疲劳断裂现象[12]。

3.3 燃烧器周围衬里脱落

辅助燃烧室的振动最先出现在一、二次风分配挡板处，分配挡板处产生的振动传递给一、二次风隔板和调风筒，进而带动燃烧器振动。燃烧器发生振动时，燃烧器周围衬里与锚固钉结合部位受影响出现松动，衬里产生裂纹。随着振动的加剧，衬里开始脱落。燃烧器前端周围的衬里不在高温燃烧的区域，衬里材料等级和衬里厚度要求较低[13]，振动时更容易出现裂纹，而且越靠近燃烧器的衬里，脱落现象越严重。

4 低压降燃烧室工艺调整和设备改进

4.1 工艺调整

在低压降辅助燃室烘衬里期间，一、二次风量要与炉膛温度和燃炉出口温度相匹配，减小一、二次风分配挡板的前后压差，消除振动隐患。

4.2 设备改进

①将燃烧器调风外筒体材质由S30408升级为316L，316L为低碳奥氏体不锈钢，抗应力腐蚀能力更强[14]。②减少主燃料枪头开孔面积，提高瓦斯压力，稳定瓦斯燃烧。加剧燃料与风的混合，减少燃烧热冲击振动[15]。③衬里损坏处按规范重新进行施工，燃烧器周围约6 m2的衬里敲掉重新铺设。

5 结语

2017-07第2次烘衬里结束后，打开人孔检查，辅助燃烧室调风筒外筒体无损伤，燃烧器周围衬里没有脱落，未出现不合规范的长的、深的裂纹。技术改造后的辅助燃烧室经受住了考验，达到了设计要求，为大型低压降辅助燃烧室的设计、研发及使用提供了参考依据。