催化裂化装置主风机组的节能增效优化与改造

李文建 李艳松 齐 浩 李宗杰

(中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，河南洛阳，471000)

1 前言

洛阳石化2#催化裂化装置主风机组自2015年大检修后烟气轮机做功效率明显下降，通过开大高温蝶阀增大入口烟气流量和压力，进而提高烟气轮机做功能力时，主风机组振动波动较大，存在振动超标联锁停机，从而造成装置非计划停工的风险。通过2019年大检修改造、工艺运行参数的优化，实现了主风机组持续发电，极大降低了装置的能耗。

2 主风机组简介

洛阳石化2#催化裂化装置烟气轮机-主风机三机组是1994年引进于美国德莱塞兰公司(DRESSER-RAND)，该机组主要由烟气轮机、轴流式主风机、齿轮箱、电动/发电机、控制仪表和特殊阀门等组成。其中主要包括气路系统(空气系统和烟气系统)、润滑油系统、烟气轮机冷却及密封系统。

主风机组工作原理：风机做功将空气压缩升压后，提供给再生器烧焦。烧焦后空气转化为携带催化剂粉尘的高温再生烟气，经过再生器一、二级旋风分离器和三级旋风分离器除去绝大部分粉尘成为水蒸汽含量、干基粉尘含量、湿基粉尘含量、粉尘粒径等各项指标都合格的高温再生烟气后一路至双动滑阀，一路至烟机，最终经余热炉回收部分剩余热量和脱硫脱硝塔环保处理后，排放至大气，见图1。进入烟机的有效烟气量驱动烟机做功，通过联轴器将烟机实际回收的功率传递给风机和电动/发电机。当烟机实际回收功率小于风机功率时，由电动机将电能转化机械能提供小于的部分功率，此时主风机组整体为耗电模式；反之，则以发电模式工作将多余功率转化为电能，输送至电网。双向电机的转速与烟机、风机不同步，中间通过齿轮箱来调速[1]。

图1 主风机组工艺流程图

3 烟气轮机做功原理及影响因素

3.1 烟气轮机做功原理

带有压力(约0.164MPa)的高温烟气(约670℃)经过烟气轮机的进气室、导流锥和静叶整流，推动动叶膨胀做功，烟机转子旋转通过联轴器将烟机实际回收的压力能和热能传递给风机和电动/发电机[2]。其中，主要靠压力能，其次是热能。

3.2 影响因素

影响烟机回收功率的因素有很多,由公式(1)可知主要与烟机入口烟气流量、烟机入口压力、烟机出口压力、烟机入口温度和烟机热效率等有关。烟机理论轴功率计算公式：

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

(1)

式(1)中：Pi为烟机入口压力(绝压)，105Pa；Vi为进入烟机的烟气体积流量，m3/min；ε为膨胀比，即出口压力比入口压力(绝压)，105Pa；K为烟气绝热系数(1.308)；η热为烟机绝热效率；η机为烟机机械效率。

3.2.1 烟机入口烟气流量

再生烟气通过三旋后一路至双动滑阀，一路进入烟机，进入烟机进行膨胀做功的烟气为有效烟气量，其余为无用烟气量。其中无用烟气量包括：一是为平稳控制再生器压力，保证反应-再生系统两器差压(再生器压力由双动滑阀自动控制)，由双动滑阀流出的烟气量；二是烟机安装时，为避免烟机投用时，动叶片热膨胀后叶顶与烟机壳体围带发生碰撞，会预留一定间隙，部分烟气通过叶顶间隙漏出[3]。由公式(1)可得：随着烟机入口有效烟气流量的增加，烟机实际回收功率显著提高。

3.2.2 烟机入口压力

图2显示，随着烟机入口压力的增大，烟机实际回收功率不断提高。在主风机组安全喘振裕度下，提高烟机入口压力，有利于烟气轮机做功。

图2 烟机实际回收功率与烟机入口压力的关系

3.2.3 烟机出口压力

烟机烟气的膨胀比为烟机出口压力与入口压力之比，由式(1)可得随着烟机出口压力的增加，烟机实际回收功率显著降低。再生烟气经烟机膨胀做功后至余热锅炉和脱硫脱硝洗涤塔，减少烟气在余热锅炉和脱硫脱硝洗涤塔的压降，有利于提高烟机实际回收功率。

3.2.4 烟机入口温度

烟机入口烟气温度对烟机输出功率影响很大，入口烟气温度升高，烟机能量回收率增大。再生器烟气集合管出口至烟机入口长达100m左右，通过烟气管线增加保温，减少烟气从再生器烟气集合管出口至烟机入口的温差，促进烟机对高温位热能的有效回收。

3.2.5 烟机热效率

烟机热效率与烟机轮盘大小、动叶静叶数目、转子端面密封与动叶和衬环的间隙等有直接关系。由于没有更换烟机，烟机轮盘大小、动叶静叶数目没有发生变化，则烟机热效率主要受转子端面密封与动叶和衬环的间隙影响，减小各间隙有利于提高烟机热效率。

4 增强主风机组做功的措施

4.1 增加烟机入口有效烟气流量

为增加烟机入口有效烟气流量，一方面，主风流量由3000Nm3/min提至3300Nm3/min；另一方面，将双动滑阀由双阀板操作改为单阀板操作，在保证安全条件下，尽量关小双动滑阀，阀位控制在3%—5%。同时烟机入口高温蝶阀阀位由53%开至79%。

4.2 提高烟机入口压力

在保证主风机组喘振裕度在安全控制范围的前提下，适当提高再生器压力，由0.175MPa提高至0.188MPa，烟机入口压力由0.135MPa提至0.165MPa，极大提高了烟机的实际回收效率。

4.3 减小烟机出口背压

在严峻的环保形势下，2019年大检修时，洛阳石化2#催化裂化装置脱硫脱硝洗涤塔增加了消白烟模块，消白烟模块主要包括：三层高效除雾段、烟气加热段和洗涤段。与原来的水珠分离器相比，脱硫脱硝洗涤塔压降增加了300Pa左右，增加了烟机出口背压。为了减小新增消白烟模块压降，增加了水力吹灰和蒸汽吹灰设备，每周进行一次，尽量减小烟机出口背压，提高烟机做功能力。

4.4 减少烟气在烟道内的热损失

大检修期间，更换了三旋出口至烟机入口烟道的保温层，使得高温再生烟气在长达100m左右的烟道内仅仅由685℃降至670℃左右，减小了烟气在烟道内的热损失，保证了烟机对高温位热能的有效回收利用。

4.5 提高烟机热效率

烟机入口管线增加一个万向复式膨胀节、两个滚动支座，同时更换烟机入口一段直管段，直管段由原来Φ1400×12mm缩小至Φ1280×12mm(如图3)。增加万向复式膨胀节、滚动支座和摆式支架，消除了热态时烟道热膨胀对烟机壳体的应力，减小了动叶叶顶间隙。

烟机入口直管段由原来Φ1400×12mm缩小至Φ1280×12mm，入口管线管径变小，一定程度上提高了烟机入口烟气流速，增大了烟机做功能力。

更换三旋分离器，提高了三旋对再生烟气中催化剂粉尘颗粒的分离效果，减少了进入烟机的催化剂粉尘含量，降低了烟机结垢的程度，提高烟机的热效率。

图3 烟机入口管道

5 效果与效益

5.1 效果

通过检修改造与工艺参数优化，2#催化裂化装置主风机组由耗电模式转变为发电模式，功率由0.8MW左右变为-0.7MW，主风机组振动、位移、瓦温等各项参数均控制在较为安全范围内，实现了主风机组长周期、安全、平稳地持续发电，极大降低了装置的能耗，提高了分公司的经济效益。改造与优化后功率与检修前同周期数据对比如图4。

图4 主风机组功率对比图

5.2 效益

通过检修改造及反应操作优化，主风机组实现了发电，功率由0.8MW降至-0.7MW，按每年装置运行8400h，电费单价约0.7元/度计算，每年节约电费如下式：

节电费用=(0.8MW/h+0.7MW/h)×1000kw/h×0.7元/度×8400h=882万元

6 结语

2#催化裂化装置主风机组通过检修改造，烟气轮机入口管线增加一个万向复式膨胀节、两个滚动支座，同时更换烟机入口一段直管段，直管段由原来Φ1400×12mm缩小至Φ1280×12mm，消除了热态时烟道热膨胀对烟机壳体的应力，减小了动叶叶顶间隙，提高了烟机做功能力。同时通过反应岗位操作的探索及优化，实现了主风机组的长周期、安全和平稳发电，节能创效。