催化主风机组工况波动分析

丁平平

(中国石油化工股份有限公司安庆分公司 ，安徽 安庆 246000)

1 情况简介

主风机组是催化裂化装置的核心设备[1]。某催化装置采用烟机-主风机-电机组成的三机组配置(见图1)。烟机利用再生烟气所含有的压力能和热能膨胀作功，驱动主风机为再生器输送空气以满足生产需要，剩余部分由异步电动机/发电机提供，从而达到回收能量目的。主风机组2018年12月电机电流出现频繁波动，波动范围为160～210A。

日常操作参数：主风机静叶角开度65.7%，主风量3831NM3/min，烟机入口蝶阀开度26%，烟机入口压力处于波动状态(0.18～0.21MPa)，主风机电流处于波动状态(160～210A)。烟机入口温度维持在675～678℃之间。

图1 主风机工艺系统流程图

通过查看主风机电流与烟机入口压力趋势对应情况(图2))，可看出在烟机入口蝶阀阀位基本不变的情况下，烟机入口压力与主风机电流趋势同步，相互呈反比，即烟机入口压力降低(升高)，主风机电流升高(降低)。当烟机入口压力稳定，主风机电流亦稳定。

2 三机组功率计算

考虑到电流波动时，主风机出口风量、压力，温度等变化很小，分析时，短时暂定为恒值。只分析烟机和电机的功率变化。

2.1 烟机功率核算

式中：Ne——烟机功率，kW；

V1——烟机入口流量，m3/min；

P1、P2——烟机入口、出口压力，105 Pa；

T1、T2——-烟机入口、出口温度，K；

K——-绝热指数：取 K =1.308；

ηpol——烟机绝热效率；

η——烟机机械效率，取98%。

由上述计算公式[2-3]可以看出，烟机能量回收效率与烟气入口流量、烟机热效率、烟气进出口温度、烟气膨胀比等参数有着直接的关系。

利用主风机主电机电流波动时的工艺参数进行理论计算，在其他因素不变的情况下，识别烟气量、烟机入口压力、烟机出口压力这几项主要因素单一变动时对烟机做功的影响。因烟机入口温度一直保持稳定，不做波动分析。以2019年1月16日凌晨DCS记录数值为依据。

图2 主风机电流及烟机入口压力趋势图

表1 主风机组运行数据

2.1.1 烟气量对烟机做功的影响

烟机实际烟气量=再生烟气量-双动滑阀漏量-临界喷嘴漏量

再生烟风比按1.05计算[4],四旋至烟气管线的临界喷嘴泄漏量按厂家资料提供的200估算，双动滑阀按面积比例进行估算。在其他因素不变的情况下，双动滑阀开大3.1%，烟气量减少128.38Nm3/min。烟机功率由13872.2减少为13368.8。即损失503.4kW。

表2 烟气量变化对烟机做功的影响

2.1.2 烟机入口压力对烟机做功的影响

烟机入口蝶阀逐渐关小后，走双动滑阀烟气量相对增加。目前再生器压力与双动滑阀投串级控制，保证再生器压力维持在260kPa。当烟机入口蝶阀阀位不变的情况下，双动滑阀阀位随再生器顶压力变化。受双动滑阀阀位变化影响，烟机入口压力的产生相应波动。

在其他因素不变的情况下，双动滑阀变得变动3.1%，烟机入口压力由原来的0.204减少到0.186，即损失18 kPa。烟机功率由13872.2减少为13678.2。即损失194kW。

表3 烟机入口压力变化对烟机做功的影响

2.1.3 烟机出口压力对烟机做功的影响

(1)理论计算

在其他因素不变的情况下，假设烟气后路背压提升，烟机出口压力由原来的0.006增加到0.009，即提高3 kPa。烟机功率由13872.2减少为13678.2。即损失89kW。

表4 烟机出口压力变化对烟机做功的影响

(2)实践验证

2018年9月24日因烟气治理综合塔消泡器结垢，导致烟气后路差压高，烟机出口压力最高达到9.46 kPa。

由理论计算公式，可以得出烟机做功减少约105 kW。

查主电机电度表，得出9月23日-24日24小时平均功率上升125 kW。电度表记录方式为每天早上8点自动记录，只能得出24小时内平均值。由此可以推测：

A、理论计算公式有一定参考作用；

B、在差压最高时，电机耗功增加值可能比125 kW可能更高。

2.1.4 双动滑阀变动时导致烟气量和入口压力同时变化

在其他因素不变的情况下，双动滑阀开大3.1%，烟气量减少128.38Nm3/min。烟机入口压力由原来的0.204减少到0.186，即损失18 kPa。烟机功率由13872减少为13178。即损失694kW。

表5 双动滑阀阀位变化对烟机做功的影响

2.2 主电机功率核算

式中：N为电机输出功率，kW；

I为电机电流，A；

U为电机电压，V；

cosφ为功率因素。

电机电压基本稳定不变，电流波动时，功率因素在做功低时也变化较小。由理论计算公式计算的电机实际耗功。耗功增加约760.8 kW，与烟机做功减少量相近。说明计算基本有效。

表6 主电机做功变化

3 电机电流波动原因分析

3.1 直接原因

从现象和理论计算公式可以看出：烟机的做功波动导致主风机电流波动。烟机入口烟气量和压力波动是造成烟机做功波动主要因素，即造成主风机电流变化的间接原因。

3.2 季节原因

夏季时，单位体积的空气密度降低，在主风机静叶角不变的情况下主风量偏小，故需要适当提高主风量，为提高烟机做功，需开大烟机入口蝶阀阀位。烟机入口蝶阀逐渐打开后，走双动滑阀烟气量相对减少，当烟机入口蝶阀阀位不变的情况下，烟机入口压力抗干扰能力强。

冬季，环境温度持续降低，单位体积的空气密度增加，在主风机静叶角不变的情况下主风量偏大，根据工艺需求(再生器顶氧含量)需要适当降低风量，轴流风机静叶角开度相应降低(自73°逐渐降低至65°)，轴流风机耗功降低。由于主风机电流低于160A时会导致齿轮箱振动增大，为提高电机做功，需要降低烟机回收功率，因此，烟机入口蝶阀逐渐关小(烟机入口蝶阀开度自45%逐渐降低至26%)，以维持主风机电流大于160A。

3.3 工艺操作影响

本周期和上周期对比，因各种工艺条件和设备原因，两器操作中再生压力比上周期低了约10kPa。第二个周期双动滑阀开度比上周期大。在冬季时，烟机入口蝶阀比上周期关得更小。增加了操作难度。

3.4 特阀性能参数

烟机入口蝶阀只有技术协议中资料，但与实际对比，性能曲线不相符，参考意义不大。

双动滑阀厂家未提供任何关于性能参数方面的资料。

4 整改措施

(1)适当提高再生器顶压力，减少双动滑阀开度，双动滑阀阀位串级控制PID参数优化整定，进一步排查双动滑阀阀位波动原因，降低双动滑阀阀位变化频率及幅度，尽可能稳定烟机入口压力。将再生压力控制PID参数调整。观察一天后无明显效果。

(2)根据环境温度回升情况及时调节主风机静叶角，增加轴流风机耗功，逐渐开大烟机入口蝶阀，提高烟机入口压力抗干扰能力。

(3)由于工艺操作变化很小，判断可能出现问题的故障在于烟机入口蝶阀，将PV15119和UV15120双蝶阀开度互换，现象消除，基本确定为烟机入口调节蝶阀本体波动导致，拆检，发现调节蝶阀角度测量元件与阀门主轴连接的紧定螺钉已断裂，存在阀位指示不准的现象，更换后恢复正常。

5 结论及建议

(1)主风机组电流波动主要原因为烟机做功变化导致。

(2)通过理论计算可看出，烟机入口气量、入口压力、出口压力对能量回收的影响依次降低。

(3)对于烟机入口蝶阀的液控系统研究较多，但对于不容易损坏的角度反馈等动作元器件，关注度较少，后期需要加强管理，定期检查。

(4)继续探索主风机与烟机、电机之间的功率平衡关系，使之运行最优。