催化装置烟气轮机改造研究
臧国强孙浩
大庆炼化公司炼油二部
摘要：烟气轮机是催化裂化装置中的重要节能设备，其本身并非耗能设备，而是利用烟气能量来做功的装置.催化裂化装置再生器排出的烟气温度在600℃-700℃左右，压力通常在0.15-0.25MPa左右，烟气轮机可将这部分热能转化为机械能，进而带动发电机或主风机等设备运行.烟气轮机功 率较大，一般在10MW到30MW之间，所以烟气轮机每提升1个百分点效率，都将提高整个炼油厂的能源利用效率，减少能源浪费，有利于实现节能减排的目标.
关键词：烟气轮机：效率：节能减排
1烟气轮机情况概述
中石油大庆炼化分公司180万吨/年ARGG装置烟气轮机是由中国石油渤海装备兰州机械厂（以下简称兰炼）1999年1月生产，原型号为YL15000A，采用单级悬臂结构，动静叶叶型均为直叶片，其中静叶48片，动叶57片.设计的质量流量为100.651kg/s，额定回收功率14864kw/h，绝热效 率为80%，振动值为20m左右.经过长时间的运行，烟气轮机运行工况与原设计工况出现偏离，烟气轮机效率下降，须对烟气轮机进行改造，更好地适应工艺参数.同时考虑由于出口烟道对烟气轮机施压，造成烟气轮机部分部件变形，需相应更新.烟气轮机结构形式为轴向进气，垂直向上排气，如图1所示.
图1烟气轮机进气、排气方向
做为该型号大功率烟机的首台机型，因设计经验相对欠缺，投入运行后主要技术参数未达到设计或理想指标：实际回收功率远大于额定功率，仍有3100kw/h左右的功率没能有效回收用于降低电耗，只能转至余热锅炉产汽，增加产汽系统负荷，此外转换过程中还存在一定的能量损失：实际效率约为64%，远低于74%的行业平均水平：实际振动值为40um左右，远高于设计值，影响烟机
运行的稳定性和可靠性.为重点解决上述主要问题，自2009年之后先后进行三次改造，相关情况如下：
2烟机三次改造的主要情况
2.1第一次改造情况（2009年12月30日至2010年1月7日）
动叶片57片.设计的理论回收功率19150kw/h，质量流量下调为98.909kg/s（即降低通流面积）， 型号由YL15000A改为YL19000B，动静叶片均改为高效直叶型，其中静叶50片（增加了2片），绝热效率为79%.
改造未达预期：烟机效率仅为64%左右，烟机做功不利的问题无好转：振动在36um左右波动没有明显改善；出口管线下压导致壳体、气封变形，造成从气封处漏气增大，烟气夹带粉尘在厂房内弥浸较重.
2.2第二次改造情况（2023年9月大检修期间）
型号由YL19000B改为YL19000B（改I），动静叶型均采用BZS501高效马刀型叶片，其中静叶片38片（减少了12片），动叶片57片，过渡衬环改为双壳体挠性动叶围带，轴承箱整体更换，将排气壳体内8片直导流板改为24片增效型导流板，同时对烟机出口管线支撑进行了重新设计和加固，设计的质量流量上调为105.61kg/s（增加6.8%，即加大通流面积），绝热效率为80%，.
部分问题得到彻底解决：一是烟机整体振动由36un降至13um左右，低于设计值，达到历史最好水平.主要原因为增加了轴承箱的稳固性和出口排气气动流场的稳定性：二是气封大量泄漏得到解决，厂房内不再烟尘弥浸.主要原因为通过增加出口支撑进行膨胀限位，消除下压壳体胀力， 气封热态下能保持正常均匀的密封间隙.
回收效率不高的问题未解决，效率仅为66%左右.主要原因为设计质量流量加大后，即通流面积增加，运行后再生器压力由205kPa左右降至165kPa左右无法升压操作，造成烟机入口压力能不足，无法经静叶组高效转化为动能并推动转子做功，设计方案对此未充分考虑和有效规避.
2.3第三次改造情况（2024年3月18日至22日）
44.5°降低至42.2”.设计的质量流量下调为98.99kg/s（下降6%，即降低通流面积），设计绝 型号由YL19000B（改I）改为YL19000B（改II），动静叶叶型、数量不变，安装角度由热效率为82%
改造后回收效率显著提高：降低质量流量后，再生器压力由165kPa上升至200kPa左右，回收效率由64%提升至73%，提升了约9%，回收功率增加了2500kw/h左右，达到历史最好水平.
从烟机三次改造的经验看，在采取当下最为高效的动静叶组叶型等先进技术后，对烟气通过静次改造后的经验总结和初步论证，再生器最高操作压力虽为200kPa左右，但仍有升压10kPa的操 叶组的瞬时质量流量及再生器压力的精准设计和操作控制是影响回收效率的最关键因素.通过对三作弹性，进一步降低质量流量提高回收效率还有一定的空间，改进后烟机的回收能力更接近设计要求，见表1、2.
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表1烟机历次改造设计数据
静叶片 动叶片 设计质量设计绝 流量（kg/ 热效率序号 日期 型号 s) (%）型式 数量 （片） () 角度 型式 数量 （片） 角度首次 1999年 1月 YLI5000A L2直叶 型 48 45 YL15000A 直叶型 57 58.5 100.651 80一改 2010年 YL.19000B L2直叶 50 44 S03 直叶 57 69.2 98. 909 792023年 1月 YL.19000B 型 BZR501 型二改 9月 （改1） BZS501 38 44.5 马刀型 57 62 105.61 80三改 2024年 3月 YL.19000B （改II） BZS501 38 42.2 BZR501 57 62 98 99 82马刀型
表2烟机历次改造运行数据
序号 日期 型号 再生器压力 额定功率 烟机振动 实际效率(kPa) （kv) （μn) (%)首次 2010年1月 1999年1月 YL.15000A ! 14864 40 64一改 YL19000B（改 YL19000B 205 19150 36 64二改 2023年9月 1) 165 17050 13 66三改 2024年3月 YL19000B（改 II) 200 17274 1 73
3影响烟机效率的主要因素
3.1检修前后效率变化情况
从2011年至2022年运行情况统计数据分析，在设备内部结构及间隙没有发生改变或改造的前提下，基本上每次检修后烟机效率都会较检修前有所降低，最高效率为75.7%，最低效率为63.7%，单次最大降辐为6.6%（2022年3月），效率的大幅波动对整个装置的能耗和操作影响巨大.2023年和2024年年度数据变化是因对烟机动静叶组进行了改造后，通流面积的改变引起了效率的 调整，见表3.
表3烟机历次检修前后效率对比统计
年份 2014年2月检修前后时间 效率 2014年1月27日 0.685 2014年3月3日 0.664 0.021年份 时间 2016年7月14日 2016年7月检修前后 2016年9月1日效率 0.684 0 667 0.017年份 时间 2018年3月8日 2018年3月检修前后 2018年3月22日年份 效率 0. 698 2018年12月检修前后 0.678 0.02时间 2018年12月13日 2019年1月3日效率 年份 0.722 2019.8检修前后 0.659 0.063时间 2019年7月18日 2019年11月1日效率 0. 704 0.679 0. 025
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年份 2020年3月检修前后时间 效率 2020年2月26日 0. 698 2020年4月5日 0.637 0. 061年份 2020.7检修前后时间 效率 2020年7月12日 0.682 2020年7月26日 0.681 0. 001年份 2022年3月检修前后时间 效率 2022年3月14日 0.757 2022年3月22日 0.691 0. 066年份 时间 2023年4月22日 2023年8月烟机二改前后 2023年10月17日效率 0.73 0.671 0.059年份 时间 2024年3月14日 2024年3月烟机三改前后 2024年3月22日效率 0. 699 0.714 0. 014
3.2运行期间效率变化情况
在装置处理量无大幅度变化的情况下，对烟机检修投入运行后的部分时段效率变化情况进行统计分析，总的规律是随着烟机运行时间不断增加，效率呈缓慢上升趋势直至在稳定区间内浮动，最高效率为76.3%，最低效率为68.1%，最高增幅为8%（2020年7月与2021年7月效率差值），见表4.
表4烟机运行过程效率变化
2020年7月检修运行后变化日期 2020 7. 26 2021. 2. 27 2021 3. 25 2021 5. 20 2021. 7. 26 2021. 10. 22烟机效率 0.681 0.724 0.731 0.745 0. 763 0. 7462022年3月检修运行后变化烟机效率 日期 2022.3.22 0 691 2022. 5. 31 0.703 2022. 8.25 0. 707 2022. 10 0.711 2022. 12. 22 0 745 2023. 1 0.738
3.3效率变化原因分析
每次烟机解体检修，动、静叶迎风面及叶顶，围带均有轻微的结垢现象，未对叶片产生冲蚀或刮磨等外在损伤，通流部件尺寸及配合均无异常变化.因此检修前后烟机效率变化的反常现象说明，只有结垢状态下的逐渐累积，才能导致动静叶组通流面积不断变小直到相对稳定，并在一定厚度下的随机脱落，从而引发效率发生周期性或规律性波动.
结合最高效率点时的稳定结垢状态，最大限度的模拟换算出当时实际的质量流量，然后再次进行相应改进才能够更加接近于最佳的运行效果.
4下一步改造方案
目前国内与我公司YL19000型烟机同型号机组只有镇海炼化催化装置YL19000E型1台，且其烟机效率仅为71.7%，低于我公司三改后的综合性能，可参考和借鉴的意义不大.
经与兰炼多次进行了评估论证，通过对烟机历年运行数据统计、有效参数筛选和流场模拟后的仔细核算，烟机增效仍有较小的提升空间，见表5、6.
不变：二是下调质量流量.质量流量由98.99kg/s降至98.797kg/s：三是降低静叶角度.静叶角 主要设想是：一是提入口压力.将入口设计压力由0.266MPa提高至0.29MPa，温度668C保持度由42.2°降至39.8°，动静叶数量及叶型不变，动叶角度不变四是实现提效.设计增加效率0.7%，
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理论最大能多回收功率约120kw/h左右，年节电约103.68万度.
表5烟机流场模拟数据
序号 度（°） 静叶角 动叶角 度（°） 压力 入口 度（C） 入口温 量（kg/ 质量流 出口 压力 转速 （kw） 功率 体积流量 (N²/ 率（%） 绝热效(MPa) 8) (MPa) (RPM) min1 42.2 40.5 61.97 61.97 0.266 0.28 668 98 99 0. 1106 0.109 4470 4470 17274 18344 4521 4465 82.4 822 39.8 61.97 0.29 670 668 98. 797 97.766 0.1106 4470 18153 4512 82.73
表6烟机流场模拟数据
模拟条件 模拟结果序号 烟机入 入口 出口 质量流 体积压、定 口定 静叶角动叶角 度（）度（°） 压力 度（C） 入口湿 压力 (RPM) 转速 量（kg/ (N² / 流量 功率 (kv) 率（%） 绝热效流条件 定压 (MPa) (MPa) s） min2 1 定流 42. 2 42.2 61. 97 61. 97 0.2618 0.28 670 670 0.109 0.109 4470 4470 104. 195 97. 012 4430 19124 16928 81.9 82. 13 定压 40.5 61.97 0. 28 670 0.109 4470 97.766 4465 18344 82. 44 定压 40. 4 61.97 0.28 670 0.109 4470 97. 323 4465 18282 82.45 定压 40.3 61. 97 0.28 670 0.109 4470 96. 9295 4427 18219 82.56 定压 39.8 61. 97 0.28 670 0.109 4470 94. 7625 4328 17865 82.77 定流 39. 8 61. 97 0. 2866 670 0.109 4470 96. 969 4430 18674 82.4
根据以上模拟换算，烟机四改提效有两种方案可供选择：
回收效率提高0.7%，理论回收功率约增加120kw/h左右，年节电103.68万度. 方案一： 一步直接到位.将烟机静叶角度由42.2°降至39.8”，其它部件均保持不变，理论
方案二：过渡性稳步调整.将烟机静叶角度由42.2°降低至40.5°，其它部件均保持不变，观察烟机运行效果及再生器操作弹性，理论回收效率提高0.4%，理论回收功率约增加73kw/h左右，年节电63.07万度.
参考文献
[1]李培德.《烟气轮机性能优化及技术改造》.[2]卢纲.《烟气轮机的运行维护及维修》.
