（化学工程专业论文）yl14000a烟气轮机的设计与应用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文通过对国内外烟气轮机的技术发展的回顾，从烟气轮机的各个部分的结构发展角 度说明烟气轮机对于炼油装置的重要作用，尤其是在当前能源紧缺的情况下，烟气轮机的 充分使用，大大提高了能源的利用率，减少不必要的能源浪费。 烟气轮机从开发到投入正常使用，由于烟气介质的恶劣条件一直不能很好的长期使 用，烟机动静叶片的磨损问题，轮盘材质的选择问题等一直困扰烟机的正常使用。本文从 吉化炼油厂催化裂化装置的改扩建项目中y l 一1 4 0 0 0 型烟气轮机的设计、制造、使用等方 面详细介绍y l 型烟机的成功经验，尤其在使用的过程中能够达到满负荷生产和在投用过 程中出现的问题及解决办法，值得在炼油企业进行推广和交流。 烟气轮机的开发和使用势必促进国内炼油企业的发展，提高企业的竞争力，提高企业 内部挖潜增效的能力，在能源节约和当前能源紧缺的情况下起到积极的促进作用。 关键词：烟气轮机、设计、制造、故障诊断 y l - - 1 4 0 0 0 a 烟气轮机的设计与应用 d e s i g na n du s eo fy l 1 4 0 伽l af l u eg a st u r b i n a b s t r a c t i nt h i sp a p e rr e v i e wo nt h ei n t e m a la n di n t e r n a t i o n a lt e c h n i c a ld e v e l o p m e n to f f l u eg a st u r b i n e t o i l l u s t r a t e t h a t f l u e g a s t u r b i n e i s v e r y i m p o r t a n t t o o i l - r e f i n i n g u n i t f r o m e v e r y p a r t s o f i n s t n a n e n t e s p e c i a l l y , t h ee n e r g ys o u r o ei sv e r ys h o r tn o w i ff l u eg a st u r b i n ec o u l db eu s e di nf u l lw h i c h c o u l dh l c r e a s eu t i l i z a t i o nr a t i o no f e n e r g y $ o t l r o ga n dr e d u c eu n n e c e s s a r ye n e r g yw a s t e o f l u eg a st u r b i n ea l w a y sc a nn o tb eu s e db e t t e ro v e ral o n gt i m e ，b e c a u s eg a sm e d i ai sv e r yb a d 1 1 砖q u c $ t i o l 岱o f s t a t o rb l a d e sb e i n gw o r eo u ta n dh o w t oc h o i c em a t e r i a lo f d i s kw h e e lh a v eb e e n a f f b c l i n gf l u eg a st u r b i n et ob eu s e dn o r m a l l y i i i 也i s 群i p e r ，t h es u c c e s s f u le x p e r i m e n t sa r ed e t a i l e d d e s i g n 、m a n u f a c a a - h l g 、u 8 e ，a n d s o0 1 1a b o u tt h ey i a 0 0 0f l u eg a st l l r b i h ew h i c hf r o mt h er e f o r m a n de x t e a s i o nb u i l d i n gi t e mo f c a t a l y t i cc r a c k i n gu n i t e s p e c i a l l y , f l u eg a st u r b i n ec a nb e u s e df u l l y d l 珂坞p r o d u c i n ga n dh o w t os o l v et h eq u e s t i o n st h a tw i l la p p e a rw h e nf l u eg a s 删i 壕i su s e d f u f l yw h i c ha z ew o r t hi n t r o d u c i n ga n de x c h a n g i n ga m o n gt h eo n 础n e 巧 u 她a n dd e v e l o p m e n to ff l u eg a st u r b i n em u s ti m p r o v et h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n a lo i l 坨6 n i n ge m r p r l s ea n di tc a ne n h a n c et h ea b i l i t i e so f c o m p e t i t i o na n di n c r e a s ee n t c l _ p f i s e t $ i n t e r n a l c a p o b i l i t i e sa n dl n u s ta f f e c te f f e c t i v e l yu n d e rt h e s ec i r c u m s t a n c e so ft h ee n e r g yc o n s e r v a t i o na n d t h ee a e f g ys h o r t a g en o w k e yw o r d s ：f l u eg a st u r b i n e 、d e s i g n 、m a n u f a c t u r i n g 、f a u l td i a g n o s i s 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：圜查垄日期：丝堡：z y l - - 1 4 0 0 0 a 烟气轮机的设计与应用 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者躲萄奎差 导师签名：垄鲴型泣导师签名：丝型丝 丛年j 鲷型日 3 6 大连理工大学硕士学位论文 引言 在炼厂催化裂化装置上应用烟气轮机回收高温烟气能量始于2 0 世纪5 0 年代。从 1 9 6 3 年第一台单机悬臂轴向进气的烟气轮机在美国投入工业应用至今以近4 0 年，我国 自行研制开发的自1 9 7 8 年成功运行以来，也已经历了2 0 多年。烟气轮机的成功应用 不仅降低了装置的能耗，取得了可观的经济效益，同时也促进了与之相关的气固分离 技术、高温热缩材料、耐磨涂层材料、机组配置及优化控制等领域的研究及生产应用 的发展，促进了炼厂机械领域的先进技术、新型材料、机组在线检测计划维修等的广 泛应用和快速发展圆。 我国自1 9 7 8 年1 1 月在抚顺石油二厂建成投产了第一套催化裂化能量回收系统以 来，到目前为止，y l 型烟机已生产了7 9 台，使我国成为世界上生产烟机最多的国家。 我国生产的烟机不紧在数量上多，而且在单机能力上也处于世界前列“。如2 0 0 2 年设 计、制造的y l _ - 3 3 0 0 0 a 型单级烟机，轮盘直径达到了1 3 8 0 m m ，功率为3 3 0 0 0 k w ：在 1 9 明年y l i i - 1 8 0 0 0 a 型和y l i i - 1 9 3 0 0 b 型双级烟机，前后在北京燕山石化公司 2 0 0 0 k t a 催化和苏丹喀土穆炼油厂重催裂化投产成功，不论单级和双级都是世界上最 大的烟机之一。 ， 催化裂化装置是炼油工业的核心装置，近年来重油催化裂化工艺的发展以及装置 加工量的增加，使催化裂化在原油深度加工中的作用更显重要。据统计，美国在2 0 0 2 年1 月共有1 5 3 个炼厂投产，总加工能力为1 6 8 x1 0 6 b p d ( 按日历日) ，约相当8 7 7 x l o * t a , 或1 7 7 x1 0 6 b p d ( 投产日) ，约相当9 2 4 xl o a ，在1 5 3 个炼油厂中共有1 0 3 个炼 油厂有催化裂化装置投产，其总加工能力约为3 1 6 1 0 6 l o t a ，占一次加工能力的 3 4 器啪我国1 9 9 7 年统计，催化裂化加工能力占原油一次加工能力的3 2 3 6 嘲。 近年来，国外的烟机制造厂着力于对产品的改进和完善，着眼于提高机组的可靠 性和使用寿命，并结合生产实际对原有机组进行改造，以适应提高装置处理量的要求 s t l 据不完全统计，国外烟气轮机制造商美国d r 及e l c 公司一共提供了近1 0 0 套烟 机，德国的g h h 公司提供了l o 套，最近几年美国的c o n m e c 公司也设计制造和改进了7 台烟机，预计共回收功率将达到和超过1 0 0 x1 0 4 k w 。 我国的能量回收系统不仅在设备制造上处于世界先进行列，在操作水平上也取得 了长足进步m 1 。2 0 世纪7 0 - 8 0 年代设计的能量回收系统，进入烟机的烟气量仅为总烟 气的8 5 左右，有1 5 的烟气走旁路。原因是要用旁路的蝶阀( 或双动滑阀) 来控制再 生器的压力，而烟机进口蝶阀，设计中虽然有调节再生器压力的功能，但实际生产中 都将烟机进口蝶阀开到一个位置( 节流) 常年不作调整，这样一来不仅旁路放空烟气 y l - - 1 4 0 0 0 a 烟气轮机的设计与应用 的能量没有回收，而且进烟机的烟气在入口蝶阀节流时又损失掉部分压力能，所以烟 气的压力能和热能都没有充分回收。随着操作水平的不断提高，目前烟机的旁路基本 上全关，再生器压力由三旋压降、烟机压降，废热锅炉压降等调节自动平衡，使再生 系统的操作平稳，烟气的压力能和热能得到了充分的回收。“。目前，大多数烟机的回 收功率都能满足主风机所需功率，好的还可以发电。总之，我国能量回收系统不论在 设备制造、设计水平、控制能力、操作经验等诸多方面都处于世界先进水平。当然， 还有很多方面需要进一步提高，如能量回收的优化、先进控制、与装置控制联锁停 机、烟机耐高温及耐腐蚀等，这些都还需要不断努力，进一步提高能量回收系统的技 术水平 国外在烟气轮机的设计制造方面有着丰富的经验，美国d - r 公司设计制造烟机近 7 0 台共4 种机架( e - 1 3 8 ，e - 1 4 8 ，e - 2 3 8 ，e - 2 3 2 ) ，是目前世界上烟气轮机设计制造的 先驱，积累了近4 0 年的宝贵经验，近年来对烟机的各主要部件均进行了更新设计。其 主要改进在以下几个方面： & 烟机入口壳体、内排气壳体及围带嘲 原来的入口壳体是由两块锻造法兰焊接而成，而且其上还焊接了冷却蒸汽接口及安装 用吊杆等。新设计的入口壳体由整体锻件加工，在其上有蒸汽接口及吊杆等，无须再焊 接。这样减少了变形，增加了热稳定性和强度，减少了泄露量。 原来排气壳体的后部是由一块锻造的环形板焊接后和环形排气壳焊接，然后整体 加工，并和一块与中分法兰连接的板焊接，此处是“t ”型接口，而且窥视窗在组装时 要人工定位并焊接。新设计的排气壳后部由一块粗加工的整体锻件与环形排气壳焊接 再精加工，而中分法兰则为颈式，窥视孔则从顶部移到侧面，并预焊在后板上，糟加 工前经焊后除应力处理，其处理温度远高于操作温度，以保证清除残余应力和提高抗 腐蚀性。这样的结构减少了变形增加了热稳定性和强度，并使窥视孔与流道准确对 中。围带也由过去三段组成的锥型段与法兰焊接改成一整体锻件。 b 定子组件 采用s s 3 4 7 整体锻件加工的内环和静叶围带提高了强度和尺寸的稳定性，围带上 的孔用e 咖工艺精密加工以配合叶片的形状，整个定子围带用螺栓和鼻锥相连，而与 内环内圆相邻的密封环则用螺栓和鼻锥的内环相连。 这种结构的优点是： ( 1 ) 由于消除了静叶顶部间隙，提高了效率； ( 2 ) 显著减少了鼻锥支承体的应力； ( 3 ) 增加了围带的刚性和圆度，减少了转子叶尖与围带摩擦的机会； 2 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 减少了催化剂沉积的机会； ( 5 ) 减少了叶片的应力； ( 6 ) 在定子叶片断裂时，由于叶片是紧配在内外环之间，使安全性大大提高，在原设 计中叶片的外部可能断开并进入机内。 c 静叶片的固定嘲 静叶的支撑( 径向轴承) 精密地固定在定子外环上，这些支承用键固定并防转， 采用不同的键角度就可以改变静叶角度，提供了空气动力学上调整的可能。 这种新型结构和原结构比较，其优点是： ( 1 ) 停工时可以在现场调节，安装不同角度的键就可以改变静叶角度； ( 2 ) 可以单独换叶片； ( 3 ) 不用焊接，就可采用更便宜的叶片材料。 d 叶片涂层嘲 d _ r 新开发的涂层为s r c - 3 ，应用于叶片的枞树根上，增加抗硫腐蚀及磨损。 由于高硫原油的应用及操作温度的提高，对叶片提出了很苛刻的要求，d - r 对此进 行了分析，烟机动叶片采用的镍基合金表面的氧化层可防止腐蚀。在原设计中当催化 剂进入枞树根区域而形成磨损时，或在枞树根上负荷表面的正常磨损都可能使其被磨 掉，就会形成金属的硫化物并沿晶界扩展，这种现象通常被称为硫化，使叶片变脆。 使用s r c 一3 涂层可以有效的防止这一现象的发生，模拟的实验已经证明了s r c 一3 涂层能抗硫腐蚀，枞树根处的正常磨损也减少，能保持叶片的抗疲劳持久强度。 e 密封嘲 ( 1 ) 可磨损的密封材料 d - r 公司提供了一种可磨损的密封材料用在静止部分的迷宫密封处，采用更小的装 配间隙在迷宫的动齿磨损后允许烟气颗粒进入到可磨损的密封中，以维持最小的间 隙可减少密封空气和蒸汽的消耗。这种结构还可以允许更多的轮盘密封蒸汽进入烟 机壳体，减少催化剂的沉积，同时也减少了抽气冷却系统的负荷。 ( 2 ) 利用热空气代替蒸汽 利用1 7 5 2 5 0 的低压清洁空气( 通常和主风机出口温度相近，可以作为气源) 代替蒸汽密封，可以减少蒸汽用量和抽汽系统的负荷。 ( 3 ) 放空的安全 当轴承箱处隔离密封的放空被阻住时，有可能使过多的油雾从大气放空口进入排气壳 的保温层内，成为火灾的诱因。可以在停工时在底座上加装一个接口，使其接到一个安全 系统或油回收系统。 y l - - 1 4 0 0 0 a 烟气轮机的设计与应用 f 热罩 咻提出一种“t h e r m a li n s u l a t i n gb l a n k e t ”的隔热罩，采用浸渍新型硅橡胶的玻璃 纤维编织物制成，内装1 0 0 9 6 的玻璃纤维隔热材料。这种材料可以使整个表面温度均匀，减 少热应力，保证人员安全。这种结构极易安装，利用不锈钢丝固定，具有极高的防火性， 抗高温性，与以往的油质材料不同，它没有易碎的表面，能防止腐蚀性化学物质的侵蚀。 函轴承盖螺旋 由于叶片的断裂在某些情况下可以使轴承箱轮盘侧的箱盖螺栓断裂，使事故扩大而造 成轴承箱等的破坏。d - r 公司通过对卜1 3 8 机型动叶片断裂的研究，完成了轴承箱盖螺栓 的设计改进，决定对轮盘侧轴承箱盖螺栓由( 1 2 ) i n 改为( 7 8 ) i n 。新的螺栓采用滚制 螺栓，轴承箱极其支承上规定采用s p i r a l o c k a 螺纹，这种螺纹的齿型为“w e d g e ”，使载 荷在螺纹上分布的更均匀，减少了叶片断裂时螺栓断裂的危险。 1 1 烟机的寿命m 嗍公司的烟机设计寿命( 当操作在设计的温度及转速下) 为l o 万小时或5 0 0 0 次启 动。而实际操作条件往往偏离设计条件，为了使用户安全而可靠地操作烟机，尽量延长昂 贵部件的使用寿命，d - r 提出了一个烟机寿命估算法。这一估算法包括三个主要的项目一 检查及无损探伤；残余寿命估算；元件修理及复原。 首先要彻底了解烟机的操作历史，关键的变量，如操作周期及时间、维修历史、操作 条件的变化及现场条件等。这些数据将输入到低周疲劳及高温蠕变的计算程序中。 尺寸及n d t 检查：采用干粉渗透、超声、涡流或磁粉探伤等方法，确定部件是否可以 复用，表面有无裂纹、蚀点等。 分析评价：对元件操作中的实际应力和温度利用有限元程序进行分析悯。 材料破坏实验：材料的数据可以从资料中查到，但是有时数据给出的范围太宽而很难 采用。一般可以用几片叶片来实验，而轮盘则不能用来做破坏实验。 轮盘材料实验：对轮盘上孔的位置以及轮毂及轮缘处的三个试样进行常温及高温拉伸 实验、高温应力疲劳实验，硬度、晶度粒和显微结构也要检查。如果上述实验证明材料的 塑性及应力疲劳性能合格，再进行实验以确定应力一应变曲线、低周疲劳和蠕变性能。 叶片材料实验：从叶片的叶型及叶根处取样并加工成试样，作拉伸和蠕变实验及与新 材料的数据比较。如果叶片材料实验合格，并无明显腐蚀和裂纹，这组叶片可以再用。如 果不合格则要进行热处理，再进行材料实验和检查。利用三个叶片叶型处的加工试样做出 的数据，可以做出l a r s o n - m i l l e r 蠕变一断裂曲线，以便确定叶片的残余寿命“。 根据用户提供的以上资料，沪r 向用户提出检查和维护程序，以及元件更换程序。d _ r 公司是根据剩余寿命分析得出的数据提供轮盘和叶片的剩余寿命。 4 大连理工大学硕士学位论文 虽然烟气轮机经过4 0 余年的发展历史，但是至今仍有一些问题困绕它的正常使用，其 主要问题使z & 轮盘材料” 根据日本e b a r a 公司最近的研究结果，烟机轮盘材料a i s l 6 8 5 或w a s p a l o y ，在n 2 一h 2 一 h 2 s 气氛中，当温度在6 7 3 町3 k ( 4 0 0 6 0 0 ) 时，在有应力及无应力的条件下进行了实 验当温度在8 7 3 k ( 6 0 0 ) 有应力的条件下，沿晶界的硫化腐蚀发生且沿晶界扩展，沿晶界 渗透的深度与时间的关系近似抛物线：而在7 7 3 k ( 5 0 0 ) 以下，即使应力达到5 8 8 m p a 也没有 观察到任何明显的沿晶界腐蚀“。 b 叶片上催化剂的沉积n ” 在1 9 9 7 年n p p a 年会关于催化裂化的讨论会上，对叶片上催化剂的沉积进行了讨论炼 油厂认为催化剂颗粒越细，在烟机内部的底流动区( 如轴和叶片处) 沉积的可能性就越大 沉积率将与局部的流速及催化剂的粘性有关，而且喷水会明显增加催化剂沉积的趋势。通 常，再生器顶部喷水到达烟机内的时间只有2 s 左右，即使在喷水处温度很高也可能出现 不完全汽化，进而引起三旋的阻塞和叶片上沉积催化剂。建议完善再生器顶部的温度控 制，尽量不喷水或只喷凝结水。对叶片上结垢和沉积物的分析说明，沉积物大多为0 5l i i l l 的细粉，还发现有钙，这是在催化剂和装置进料中都不存在的物质。钙极易与s o x 形成硫 酸盐，这种物质极易粘结成团，形成沉积，这说明沉积和喷水直接有关。 c 三旋对烟机性能的影响姗 三旋的操作效率下降对烟机性能的影响主要是叶片上催化剂沉积和磨损。当催化剂过 多的进入烟机后，可能在叶片上或叶尖与围带的间隙沉积，这一间隙通常为1 5 2 0 删呱 当沉积结垢而引起动静摩擦时，很可能使叶片断裂，同时使烟机强烈振动网。当进入烟机的 烟气中含有过多的大颗粒催化剂( 1 0 p m 左右) ，会造成叶片的严重磨损脚。 催化裂化烟机机组的“安、稳、长、满、优”运行与三级旋分器的操作性能密切 相关，同时三旋( t s s ) 的操作还直接决定了排放烟气中催化剂的粒度分布与总量。随 着环保要求的不断提高，对催化裂化排放烟气的标准也趋于严格，美国联邦标准n s p s s u b p a r t 中对催化烟气的排放也做了规定“”。针对烟气排放标准的要求，国内外三旋制 造厂为了降低烟气含尘量，提高效率，对产品进行了更新改进。 我国的烟气回收系统经过2 0 余年的发展，但是还有很多方面不足，需要从下面几方 面进一步加强。 a 、改进和完善烟气轮机设计，提高运转水平。我国烟气轮机的设计制造在数量、 规格和运转经验上经过2 0 多年的努力，已达到国际同类产品水平。但在基础研究和产 品的不断更新方面仍然存在差距，应根据国外厂商的动态不断改进和完善设计制造上 y l - - 1 4 0 0 0 a 烟气轮机的设计与应用 的缺陷，以及现场操作中出现的问题1 。 b 、重视烟气轮机及机组的改造、更新。从国外情况可以了解到，当催化裂化增加 处理量或希望改进烟气轮机的操作条件时，采用改造更新的方法不仅节省投资，还可 缩短工期。美国c o n m e c 公司自1 9 8 7 年成立至今，已经更新改造了7 台烟机，特别是 将操作故障频繁的双级烟机改为单级烟机的成功经验值得我们重视。 c 、国内从d - r 公司进口的机组可参照d - r 公司的设计更新内容，结合操作情况考 虑改进方向，并和d r 公司联系取得更详细资料。 d 、从烟机长周期运转以及减少大气污染的角度，研究国内机组中配置的窝式及立 式三旋的运转情况，参照国外经验进行改进提高。 e 、鉴于单级烟机结构简单、易损件少、操作可靠性高，应认真总结国内单级烟机 的操作经验，并大力开展大焓降、高膨胀比烟机的研究。据c o n m e d 公司介绍，f e x - 1 4 2 其机组单级烟机的焓降已约为3 3 8 k i k g 。 危及到烟机安全运行的关键是烟气轮机轮盘寿命埘，对于其寿命的预测和研究可以从 下面几点进行阐述。 我们从2 0 世纪9 0 年代初进行烟机轮盘寿命的研究工作，通过采用有限元计算法和光 弹实验。详细计算和模拟测量了y l 2 0 0 0 烟机轮盘的温度场和应力场，并检查解剖了个 运行4 xi 旷h 的y l 2 0 0 0 烟机o h l 3 2 ( a 2 8 6 ) 合金涡轮盘，对其材料的组织和性质进行了 试验和分析，以确定运行工况对材料的损伤规律和对寿命的影响嘲。在此基础上，进行了 烟机轮盘寿命预测和剩余寿命计算方法的研究，此项研究的主要成果有； t 、对运行4 1 0 4 h 的轮盘沿径向剖切涡轮盘，用显微镜观测晶粒度，榫齿处为5 级， i t 2 r 处为4 级，盘心处为2 3 级。表明g h l 3 2 合会盘在使用温度下，经过4 1 0 4 h 的运 行，臭氏体晶粒没有粗化。在榫齿顶部和轮盘心部切取小块样品，采取电解法萃取合金中 析出相，对1 r 相析出趋势进行了定量分析。结果表明，经过4 l o 的运行，合金中的r 相是稳定的，在使用温度下没有出现明显的1 ，补充析出和y 唧转变，也没有。相的 析出嘲大量文献和我们的研究表明，是否出现a 相析出，将直接影响合金的塑性。实验 表明，o h l 3 2 轮盘经过4 1 0 4 h 运行后组织上是稳定的旧 经过对解剖盘的力学性能实验，其直径方向剖面的布氏硬度没有变化，材料强度、塑 性、冲击韧性无明显变化嘲。材料没有出现持久缺口敏感现象，但敏感系数有所下降，榫 齿部位的材料持久寿命有所降低，见下表： 表lg h l 3 2 合金原始盘件与使用4 1 帆后盘件持久性能对比m t a b lc o w p a r i s c nt h el a s t i n gp r o p e r t i e so fg h l 3 2a l l o yo r i g i n a lp l a t ep a r t sw i t ht h o s eu s e di n4 1 0 i i 6 大连理工大学硕七学位论文 试验条件原始盘件使用4 x 1 0 4 后盘件 ， 温度应力m p a t h6 l i ，t h6 1 l ， 。 6 5 03 9 27 5 2 4 01 1 13 3 26 0 2 2 92 2 65 10 8 6 6 5 03 9 26 2 7 2 02 1 63 9 45 3 6 3 71 1 94 9 。40 8 6 6 5 0 3 9 2 7 1 0 1 0 1 7 6 5 9 4 0 1 7 85 0 20 8 6 6 5 0 4 5 1 1 7 3 0 5 1 4 3 9 11 6 3 3 02 2 6 4 3 90 9 5 6 5 04 5 l 9 7 3 6 1 8 9 3 7 89 4 5 0 8 62 5 90 9 5 表2g h l 3 2 合金原始盘件与使用4 1 0 4 h 后盘件拉伸对比忉 t m b 2c o m p a r i s o nt h et e n s i l es t r e n g t ho fg h l 3 2a l l o yo r i g i n a lp l a t e r t sw i t ht h o s eu s e di n4 l 矾l 原始盘件使用4 1 0 4 h 后盘件 试验条件及取样方式 o 0 2 o 6 6 v 。02 ob 6 1 l r m p a m p am p am p a 2 0 盘缘 7 0 99 6 72 6 24 2 56 9 01 0 1 52 6 8 3 8 8 加径向6 9 89 5 82 7 44 3 37 4 51 0 3 02 4 84 2 7 2 0 盘心6 9 59 5 62 0 62 6 36 9 09 7 52 4 83 9 9 2 0 弦向6 9 69 5 72 1 12 2 9 的o 盘缘5 9 08 4 01 7 64 2 56 9 09 0 01 6 84 2 7 5 0 0 径向5 9 08 1 72 04 5 56 9 59 0 01 7 14 2 3 6 5 0 盘缘 6 2 97 2 72 8 5 4 8 9 6 6 07 7 0 2 8 65 1 3 6 5 0 径向6 1 07 1 43 25 3 96 2 57 6 02 8 65 1 9 表36 1 1 3 2 合金原始盘件与使用4 1 0 h 后盘件冲击性能对比“7 t a b 3c o 哪i s e nt h ei m p a c tp r o p e r t i e so fg h l 3 2a l l o yo r i g i n a lp l a t ep a r t sw i t ht h o s eu s e di n4 l d l i i 试验条件 原始盘件( n m ) c m l 2使用后盘件( n m ) c m - 2 0 9 0 81 0 0 2 0 9 2 59 2 5 2 0 8 6 2 0 9 8 79 6 3 2 0 9 2 38 7 5 2 0 8 5 4 8 0 7 5 77 0 4 8 0 7 1 58 5 4 8 0 7 7 17 6 3 4 8 0 7 7 6 表4g h l 3 2 合金盘件使用4 1 0 h 后的缺口持久性能旧 7 y l - - 1 4 0 0 0 a 烟气轮机的设计与戍用 1 柚“t h el a s t i n gp r o p e r t i e so ft h en o t c ho fg h l 3 2a l l o yo r i g i n a lp l a t ep t r t $ v i t ht h o s eu s e di n4 x 1 0 i 试验条件 盘心部r h盘缘部r i l 温度应力 船a 光滑缺口缺口光滑缺口缺口 5 5 0 6 6 6 2 0 0 ：0 41 0 0 ：3 53 7 5 5 06 6 6 1 7 3 ：3 93 9 0 ：3 53 7 6 5 04 5 17 6 ：5 19 9 5 ：5 22 2 11 6 3 ：3 04 3 1 ：4 53 8 6 5 04 5 18 4 - 4 0 2 5 7 8 ：4 0 2 2 ，19 4 - 5 0 5 5 2 ：5 73 8 6 0 0 5 6 8 2 1 6 ：2 82 5 0 ：3 71 0 1 6 0 0 5 6 8 1 2 6 ：2 89 5 5 ：3 51 0 1 5 0 07 3 59 9 ：0 21 5 3 1 ：4 22 54 6 9 ：4 07 5 8 ：0 82 7 7 5 0 0 7 3 5 4 8 ：3 52 2 3 0 ：3 02 58 0 6 ：2 73 3 3 ：1 72 7 7 4 5 08 0 4 2 7 6 ：3 08 7 0 8 ：0 03 83 8 5 ：0 05 3 3 ：4 01 5 5 4 5 08 0 41 8 3 ：0 0 3 83 0 0 ：0 01 5 5 b 、建立了g h l 3 2 合金盘件材料的持久寿命数据库。收集了国内外5 个锻造g h 3 1 3 2 ( a 2 8 6 ) 轮盘的材料持久试验数据1 5 4 个，最长的实验寿命为7 3 0 h ，见表5 。 表5 持久试验数据一览表 t a b 5t h el a s t i n gp r o p e r t i e st e s td a t at a b l e 盘编号数据来源 实验数据量 l 日本材料技术研究所 3 4 2 日本材料技术研究所 2 5 3 上钢五厂、北京科大 4 4 4 上钢五_ 厂、北京科大 2 6 5北京科大2 5 根据以上原始数据，按目前国际通用的l - m 和k - d 公式进行回归： h 公式叫：t ( b g 件c ) 砘+ a i j o g ( 7 + a 2 1 0 92 仃+ 缸】0 93 盯 i 【_ n 公式嘲：t - q r t = a0 + a i j 0 9 盯+ a 2 】0 92 口+ a 3 】o g3 盯 回归结果见表6 。 表6g h l 3 2 合金持久寿命回归参数 t a b 6t h el a s t i n gl i f er e g r e s s i o np a r e t e ro f6 h 1 3 2a l l o y 外推方程 c ，q 2 3 r a 0 a la 2a |s o 8 大舰工大学硕士学位论文 根据以上回归方程，编制了计算软件，计算出g h l 3 2 合金在蠕变条件下的断裂寿命， 建立了g h l 3 2 材料的持久寿命数据。该程序如输入g h 8 6 4 ( w a s p a l o y ) 的试验数据，便 可以建立g h 8 “材料在蠕变条件下的断裂寿命数据库“”。 c 、轮盘寿命预测的关键之一是材料的寿命预测，由于实验因素的限制，使用状态下的 材料寿命预测大都是用外推方法进行的。根据持久外推，在轮盘设计应力和温度下，其蠕 变断裂寿命长达百万小时以上，而实际上这类盘件在运行数万小时以后即断裂失效的事故 已出现多次，与实际的设计寿命和使用寿命相差甚远。根据可靠性设计理论，在研究轮盘 设计寿命课题时，我们强调了部件寿命置信度不等于材料寿命置信度，而涡轮盘寿命置信 度应等于材料置信度的m 次方，其中m 是涡轮盘的榫齿个数。通过m o n t c - c a r l o r 方法模 拟响，提出由于材料性能的波动性，涡轮盘的寿命分布与材料的寿命分布相差很大n ，。以 上理论，我们编写了烟机和轮盘寿命预测和用寿命分数法则计算剩余寿命的计算程序根 具该程序计算，y l 2 0 0 0 型烟机轮盘( 解剖盘) 安全使用寿命大于2 0 1 0 4h 。经过4 x l c h 后，该盘的剩余寿命分数为8 6 * 嘲。 为了烟机的运行安全，生产厂家在对烟机的运行工况及寿命均有明确限制。如引进的 某台烟机规定，烟气正常操作温度为6 8 0 ，最高连续温度为7 0 5 ，最高短时超温8 7 0 ( 每年不超过六次，每次不超过1 5 m i n ) ：转子正常转速6 1 9 0 r m i n ，最大连续值 6 2 4 0 r r a i n ，转速上限6 8 6 5 r m i n ，轮盘安全寿命为1 0 1 0 h 。此规定反应出轮盘寿命的 有限性，同时明确告知用户非正常工况对轮盘寿命的损害“o 。在保证安全运行的前提下， 充分发挥轮盘的使用潜力，就必须认真分析轮盘运行过程中的各类工况及相应的损伤，根 据损伤的积累，估计出轮盘的剩余使用寿命。 温度、应力和时间是材料损伤的基本因素，损伤按材料固有的规律发展，当损伤积累 到一定限度时，材料出现失效哺1 。因此，在估算运行中材料剩余寿命时，要在完整的烟机 运行工况的基础上来分析和计算轮盘的损伤积累量。这就需要采集烟机正常和非正常运行 工况的烟气入口温度、轮盘心部温度、转子转速、运行时间、启动次数等数据，利用有限 元和热传导等分析理论，将这些工况量转化为轮盘榫齿承受的应力和温度。再利用材料的 数据库，根据上述应力和温度计算轮盘的损伤速率。损伤速率的时间积分既是轮盘的损伤 积累量，依次估算出轮盘的剩余寿命。这里所涉及的大量和复杂的数据采集、处理、计算 工作，可利用计算机高效、可靠地完成。 北京科技大学和北京设计院多年从事烟机轮盘的试制、研究和烟机的设计、使用积累 了大量的实验数据、研究成果和丰富的经验，从而完成了轮盘安全使用寿命的估算，进而 9 y l 一1 4 0 0 0 a 烟气轮机的设计与应用 研制开发出“烟气轮机轮盘使用寿命在线监测系统”“。该系统的主体是计算机，通过若 - - t , 接d 板使系统与烟机的工况信号相接，系统具有如下功能： & 连续记录烟机运行工况数据。计算机采用特殊电路，使采集到的数据有停电保护功 能 。 b - 轮盘寿命与剩余寿命分析。利用该功能可评估任意工况对轮盘寿命的影响，也可根 据剩余寿命值适时安排烟机的检修和部件更换等。 c 工况数据查询。可查询烟机自启动运行以来任一时段的工况资料、轮盘损伤量与剩 余寿命等。 d 非正常工况报警。出现烟气超温或温度过低及转子超速等情况时，发出灯光及声音 提示北京科技大学和北京设计院联合研制成功第一套“烟气轮机轮盘在线监测系统”于 1 9 9 8 年在炼油厂安装使用。考虑到现场故障的复杂性，在线监测系统的功能y ：f f 了进一步 发展嗍。 l o 大连理工大学硕士学位论文 li * 1 4 0 呻a 型烟气轮机的设计 1 1 气动设计 1 主要设计数据 型号为y l - 1 4 0 0 0 a ，级数为单级，流量( 标准状态) 3 5 3 m m i n ，入口压力( 绝) 为 0 3 5 m p a ，出口压力( 绝) 0 1 0 7 m p a 。入口温度为7 0 0 ，转速为5 3 0 0 r m i n ，烟气膨胀比 为3 2 7 1 。 y l - 1 4 0 0 0 a 型烟机的烟气组成( 体积分数) ，c 鸥为1 4 5 9 q 为1 7 9 ，m 为 7 3 假，h 扣为1 0 4 2 9 6 ，s 魄为0 0 1 。 根据以上数据，可以计算得到各个热力学参数烟气的比熟比为1 3 0 4 1 ，烟气的定 压比热为0 2 9 0 s k c , k ，烟气的摩尔质量为2 9 3 0 8 ，烟气气体常数为2 8 9 3 4 k g m k ， 烟气绝热焓降为6 8 2 0 k c a l k g ，烟气质量流量为7 7 1 0 k g s ，相应的折合流量为6 7 3 8 5 x lo 1 1 2 设计准则 由于烟机工作条件恶劣( 高温、高压、烟气中含有催化剂颗粒) ，且其工作可靠性直 接影响到能量回收和整套机组的正常运行，因此在烟机设计过程中，必须峰持安全可靠、 长周期的原i 卜采用目前成熟的设计方法及经过时间考验的结构形式；在零部件的设计 上，采用富余的强度储备系数；在气动和结构设计中，考虑可能减少催化剂冲蚀磨损的因 素j 烟机的操作和维护方面、简单、运行周期较长。 1 1 3 流程设计 为了简化制造工艺，烟机流道尺寸均采用等内径形式，并遵守以下准则： & 外扩张角牛1 3 。，大功率烟机采用6 。l o 。“”。 b 出口气流角尽量接近轴向，以减少蜗壳中的气流损失。 c 由于烟气中含有催化剂颗粒，使用一般燃气涡轮设计程序时，计算获得的通流面积 和实际需要的通流面积相差较大相差的大小跟烟气的成分和所含固体颗粒的比例有关。 因此，在设计中应考率0 9 2 0 9 5 的流量系数，即烟机实际所需的遥流面积比计算获得 的面积小蹦跳。 d 静叶与动叶之间的轴向间距应适当加大，使微粒沿叶高分布均匀化。 e 两极中部反力度应在0 3 5 左右。 f 叶片扭曲规律除了满足喉部面积、反力度合理分布要求外沿叶高速度变化应能满 足磨损效率方面的要求。 y l - - 1 4 0 0 0 a 烟气轮机的设计与应用 选用d - r 公司的大功率烟机叶型为基本叶片型线，进行模化，调整安全角和喉到面 积，满足功率要求，效率达到8 2 9 6 。 1 1 4 流通部分结构的方案确定 根据此次烟机的膨胀比范围，焓降已达到6 8 k e a t k g ，确定用单级方案以保证较好的绝 热效果。另一方面，采用单级方案后降低了气流流速，可以减小叶片的冲蚀。我们在各种 转速下对上述两种系列叶片作了各种方案的计算比较。 经过多种方案计算比较。采用贾旺燃煤烟气轮机叶片( b 系列) ，其绝热效率在最佳 转速下要比采用y l i i 烟机叶片( a 系列) 的效率相应低2 3 。原因是b 系列设计根 速比【删b 约在0 4 5 左右，a 系列设计根速比u c c o 约为0 5 4 ，而此次吉化公司炼油厂烟 机转速n = 5 3 0 0 5 6 0 0 r m i n ，用妒9 7 0 m m 轮盘时，其根速比范围为0 5 0 5 3 ，更接近于 a 叶片系列。 最后，通过优化a 叶片系列的导叶和动叶安装角以及叶片数( 栅数) ，求取在更好设 计点下的效率及特性曲线。因而，采用了部分模化a 叶片系列的方案，即：将双线原叶型 在径向拉开组成更长叶片，而在弦向或宽度方向通过改变叶片数以达到气动要求，而不再 改变整个叶片型线。计算结果表明，在转速n = 5 3 0 0 r r a i n 时，烟机的绝热效率可大于 8 s o 8 5 0 8 o 8 3 ， 蒌i l i 0 霄 图1 hy l - - 1 4 0 0 0 a 型烟机一g 和丌一r i 曲线 f i g 1 1 ：c u r v eo f - - ga n d 耳一r ia b o u ty l _ 一1 4 0 0 0 af l u eg a st u r b i n e 由图1 1 可见，在设计压比下，效率在最佳范围。 1 2 8-如也b妯种 大连理工大学硕士学位论文 1 2 结构设计 1 2 1 设计准则 为了保证烟气轮机设计的可靠性，其基本设计准则是以功率6 0 0 0 1 0 0 0 0 k w 的1 f l 型 烟机设计为基础进行的经过多台烟机运行验证的强度准则、动力学要素和基本结构： & 采用轴向进气和径向排气结构。轴向进气可使烟气稳定流动，以确保烟气中催化 剂颗粒均匀分布，从而避免径向进气的离心分离作用，产生颗粒集中的倾向。 b 机壳采用垂直剖分形式。迸气机壳和排气机壳均为整体结构，两者之间为垂直剖 分这种环行结构可以减少变形，使热膨胀均匀一致，且具有拆装方便的优点，在检修时 不需拆装烟气出口大管线，减少检修工作量。 厶在转子装卸时，采用从进气端抽芯的方式，出口法兰和轴承箱不用拆卸，不需重新 找正 正采用套筒传扭结构。在一、二级轮盘问，二级轮盘与轴之间，以止口定位，以套筒 传扭，用有足够预紧力的拉杆螺栓将轮盘与主轴把紧。该结构形式的优点是结构成熟、制 造简单、安全可靠。 矗转子设计为刚性转子，使一阶结构临界转速远离工作转速。径向轴承采用多油叶轴 承，推力轴承采用u 节能型金氏伯里轴承。 转子与壳体之间采用蒸汽和空气两组迷宫密封，蒸汽封烟气，空气封蒸汽，通过控 制空气与蒸汽及蒸汽与烟气的压差，以确保烟气不外泄。 譬强度准则。采用中9 7 0 m m 轮盘、5 3 0 0 r r a i n 转速，轮缘周速与y l 6 0 0 0 1 0 0 0 0 型烟 气轮机采用d 8 3 0 m m 轮盘和6 1 5 0 r m i n 转速时基本相当，将轮盘枞树型叶根模拟放大。使 其强度处于同等水平。二级动叶片高度控制在2 0 0 m m ( 实际为1 9 4 r a m ) 以内，使口中尼值 处于安全的区域( 刀+ 一动叶中径，嘞叶高) 。 h 主要零部件材料及叶片耐磨涂层均采用y l 型烟气轮机多年使用的成熟材料轮 盘采用引进的w a s p a l o y 锻造毛坯，动叶片采用国产的g h 8 6 4 ( w a s p a l o y ) 摸锻叶片，而 拉杆螺栓则采用g 1 4 1 6 9 ，叶片涂层采用l 1 ( 长城l 号) 。 1 2 2 结构设计特点 y l - 1 4 0 0 0 a 型烟机在设计上有适应高温、热变形和催化剂固体微粒的特点，并充分考 虑操作、维护简便。采用轴向进气，径向排气，转子悬臂支承结构，转子前抽式设计。主 要由进气壳体组件、静叶环组件、排气涡壳组件、转子组件和底座支承组件六大部件，以 及润滑、冷却、转子支承系统和密封监测