（机械工程专业论文）催化裂化烟气能量回收系统开发与研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士姓名： 指导教师： 催化裂化烟气能量回收系统开发与研究 机械工程 袁芳( 签名) 刘晖( 签名) 冀风泰( 签名) 摘要 洛阳石化一催化裂化装置为高低并列式提升管催化裂化装置，由反应再生、分馏、 吸收稳定、气压机组、主风机组、烟气能量回收系统、气体脱硫等部分组成。近年来， 随着处理能力的提高和原料性质的变化，主风欠缺的矛盾日益突出；另外由于现有烟机 ( 8 4 0 0 k w ) 能力不足，装置烟气能量不能完全回收，大量能源浪费。本课题立项目的在 于通过对洛阳分公司一套重油催化裂化装置优化供风、烟机工作过程分析以便进行扩能 改造，达到合理利用风能、扩大烟气能量回收、利用余热进行发电，提高主风和烟机效 率，延长烟机寿命、提高设备运行可靠性和经济效益。 本文通过对洛阳石化催化裂化装置能耗的分析，建立了一套完整的洛阳石化催化裂 化装置能量分析方法，通过精心的计算，完成了催化烟机现3 群烟机发电的可行性分析， 并制订了可行的实施方案；提出了为2 撑主风机配套烟机的可行性分析及实施方案。在相 关部门的组织下，完成了一催3 撑主风机组烟机进行发电试验；完成了2 群主风机配套烟机 的施工、发电工作。 本文在通过对一催化装置机组能否发电做出了详实可靠分析的基础上，拿出了准确 的的数据，创造性的提出了在d 8 0 0 风机非联轴端增加一台烟机，将现用的d 8 0 0 转子轴 由单端驱动改为双端驱动，这为国内同类机组的改造提供了宝贵的经验。同时在同一套 催化裂化装置上两台烟机同时并联使用，为国内首次采用。 本课题实施后，3 撑主风机组烟机蝶阀开度由5 9 开大至6 8 ，每小时减少耗电量约 5 0 0 k w ，直接节约电能年创经济效益1 7 5 万元。2 # 主风机组配置了烟机以后，同3 # 烟 机并联运行，初步计算年节约电能1 7 2 7 万度，年回收效益8 6 4 万元。 关键词：催化裂化，能量回收，烟机组，风机 论文类型：应用技术研究 i i 英文摘要 s u b j e c t ：s t u d ya n dd e v e l o p m e n to fe n e r g yr e c o v e r ys y s t e mf o rc a t a l y t i cc r a c k i n g s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： j if e n g t a i ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t t h el 存f c cu n i ti ns i n o p e cl u o y a n g c o m p a n ya d o p t su pa n dd o w nr i s e rw h i c hi n s t a l l e d s i d eb ys i d e i no r d e rt or e a s o n a b l yu t i l i z et h ea i rp o w e ra n de x p a n dt h er e c o v e r yr a t eo ft h ef l u e g a sa n dg e n e r a t ep o w e rv i ar e s i d u eh e a tt h u si n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h ec o m p r e s s o ra n d e x p a n d e ra sw e l la sm a x i m i z et h el i f eo ft h ee x p a n d e rh e n c et oi m p r o v et h es t a b i l i t yo p e r a t i o no f t h ee q u i p m e n ta n do b t a i nb e r e re c o n o m i ce f f i c i e n c y ，a f t e rad e t a i l e da n a l y s i so ft h ew o r k i n g p r o c e d u r eo ft h ee x p a n d e r ，t h et h e s i sp r o p o s e dap r o j e c tt or e v a m pt h ee x i s t i n gu n i tb y o p t i m i z i n gv e n t i l a t i o n ，e t c i nt h i sa r t i c l eac o m p l e t es e to fe n e r g ya n a l y s i sm e t h o df o rf c cu n i ti ns i n o p e cl u o y a n g c o m p a n y i sb u i l tt h r o u g ha n a l y s i sf o rt h ee n e r g yc o n s u m p t i o no ft h ec a t a l y t i cc r a c k i n gu n i ti n l u o y a n gp e t r o c h e m i c a lc o m p l e x a f t e rc a r e f u lc a l c u l a t i o nt h e e l e c t r i c p o w e rg e n e r a t i o n f e a s i b i l i t ya n a l y s i si sf i n i s h e df o rt h ee x i s t i n g3 拌c o m p r e s s o rt r a i ne x p a n d e ro fc a t a l y t i cc r a c k i n g u n i ta n dp o s s i b l ei m p l e m e n t a t i o np r o g r a mi sa l s ol a i dd o w n u n d e rt h eo r g a n i z a t i o no fr e l a t i v e d e p a r t m e n t st h ee x p a n d e rp o w e rg e n e r a t i o nt e s to f3 群a x i a lf l o wa i rc o m p r e s s o rt r a i ni sm a d e a n dt h ec o n s t r u c t i o n & t h ep o w e rg e n e r a t i o ni sf i n i s h e df o rt h ee x p a n d e rc o m p l e t e dw i t h2 稃 a x i a lf l o wa i rc o m p r e s s o rt r a i n o nt h eb a s i so fr e l i a b l ea n a l y s i sf o rt h ec o m p r e s s o rt r a i np o w e rg e n e r a t i o n ，t h ep r e c i s ed a t a a r eo b t a i n e da n da p l a ni sc r e a t i v e l yp u tf o r w a r dt oa d do n ee x p a n d e rt ot h en o n - c o u p l i n ge n do f d 8 0 0c o m p r e s s o rt r a i n & t oc h a n g eo n e - e n dd r i v i n go fd 8 0 0r o t o rs h a f tt ot w o e n dd r i v i n gs o t h a tt h ev a l u a b l ee x p e r i e n c ei sp r o v i d e df o r t h ef u t u r em o d i f i c a t i o no fs i m i l a ru n i ti nc h i n a a f t e rt h i sp r o g r a mp u t t i n gi n t oe f f e c tt h eo p e n i n go ft h eb u t t e r f l yv a l v eo f 3 # c o m p r e s s o r t r a i ne x p a n d e ri si n c r e a s e df r o m5 9 t o6 8 a n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sd e c r e a s e db y 5 0 0 k wp e rh o u rs ot h a tt h ee c o n o m i ce f f e c to f17 5 0 0 0 0 0 0y u a nr m bi sd e r i v e d t h r o u g h p r e l i m i n a r yc a l c u l a t i o n17 ，2 7 0 ，0 0 0 0 0 k wp o w e ri ss a v e da n dr e c o v e r ye f f e c to f8 , 6 4 0 ，0 0 0 0 0 y u a nr n bi sa c h i e v e do n ey e a ra f t e r2 群c o m p r e s s o rt r a i ne q u i p p e dw i t he x p a n d e ri so p e r a t e d w i t h3 撑c o m p r e s s o rt r a i ni np a r a l l e l k e y w o r d s ： c a t a l y t i c ，c r a c k i n g ，e n e r g y , r e c o v e r y , c o m p r e s s o r , e x p a n d e r t h e s b ：a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h i i i 英文摘要 d e c r e a s e db y5 0 0 k wp e rh o u rs ot h a tt h ee c o n o m i ce f f e c to f17 5 0 0 0 0 0 0y u a nr m bi s d e r i v e d t h r o u g hp r e l i m i n a r yc a l c u l m i o n17 ，2 7 0 ，0 0 0 0 0 k wp o w e ri ss a v e da n dr e c o v e r y e f f e c to f8 , 6 4 0 ，0 0 0 0 0y u a nr n bi sa c h i e v e do n e y e a ra f t e r2 i 6 c o m p r e s s o rt r a i ne q u i p p e d w i t he x p a n d e ri so p e r a t e dw i t h3 # c o m p r e s s o rw a i ni np a r a l l e l k e y w o r d s ：c a t a l y t i c ，c r a c k i n g , e n e r g y , r e c o v e r y , c o m p r e s s o r , e x p a n d e r t h e s i s ：a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h i v 主要符号表 主要符号表 a 截面积，m 2 ： c 系数； c 。、c v 、c r 流量系数； r 液柱压差计读数，或管道半径，m ； 或通用气体常数，r = 8 31 5 k j ( k m o l k ) ； r r 雷诺准数； d 一管道直径( 内径) ，m ； d r 当量直径，m ； d 。孔径，m ； r 涡流粘度，n s m 2 ； e - 1 k g 流体所具有的总机械能，j k g 卜范宁摩擦系数： 卜流体的内摩擦力，n ； g 一重力加速度，m s 。； 卜质量流速，蚝( mz s ) ； 1 1 - 高度，m ； h ，直管阻力损失，j 蚝； j i i ；局部阻力损失，j k g ； h 。输送设备对流体所提供的有效压头，m ； h 厂压头损失，m ； k 系数； l 长度，m ； l 广当量长度，m ： m 质量，k g ； m 一分子量； n 输送设备的轴功率，k w ； n e _ _ 输送设备的有效功率，k w ； r 压强，n 砰： p 一压力，n m 2 p a ： q 热量，j ； r _ 半径，m ： n 厂水力半径，m ； s 两流体层问的接触面积，m 。； k 绝对温度，k ； u 流速，m s ； u m 。x 一流动截面上的最大流速，m s ； u 广流动截面上某点的局部速度，m s ； l 卜l k 流体的内能，j k g ； v 一体积，r n 3 ： v l 厂一体积流量，m 3 h ： 体积流量，m 3 h ： w e - 一一输送设备对l k g 流休所作的有效功，j k g ； s 绝对粗糙度，m m ； f 阻力系数； 吁效率； 粘度，n s m 2 ，p a s ； y 运动粘度，m 2 s ： p 密度k g m 3 ； 厂重度，k g m 3 ； 五摩擦系数。 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：形力、彩 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 日期：趁塑：! 翌：彦 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 一幺华l 坯雄 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国催化裂化( f c c ) 装置能耗现状 在石油炼制行业之催化裂化装置上，应用烟气轮机回收高温烟气能量始于2 0 世纪 5 0 年代，自1 9 6 3 年第一台单级悬臂轴向进气的烟气轮机于美国投入工业应用至今已近 4 0 年。我国自行研制开发的烟气轮机于1 9 7 8 年得到成功应用，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科研及生产应用的发展，促进了炼油厂旋转机 械领域的先进技术、新型材料、机组在线监测及计划维修等的应用和深度发展。 近十年来，我国流化催化裂化( f c c ) 装置有了长足的进步，但由于各种各样的原因， 这些装置的能耗普遍偏高，一般为2 3 0 3 3 4g 3 t ，与国际先进水平( 如法国东日炼 油厂的f c c 为1 6 3c j t ) 相比有很大差距。f c c 的能耗高是造成我国原油加工成本较高 的重要原因之一。 1 1 1 我国催化裂化( f c c ) 装置能耗偏高的原因分析 1 1 1 1 催化裂化装置在生产过程中人为因素的影响 目前我国催化裂化( f c c ) 装置在生产过程中人为因素的影响而造成能耗偏高的原因 主要有以下三个方面： ( 1 ) 装置开工不正常，开停工频繁。开工初期，能量回收系统不投入运行，使装置 能耗进一步上升。 ( 2 ) 装置负荷率太低。新开工的装置负荷率低，开工时间短，也是能耗过高的主要 原因。 ( 3 ) 装置烟气压力能利用不合理。 由于重油的残炭值高、重金属含量多、n i 含量高，使单位处理量的再生烟气排烟带 出热量和再生系统的散热大大增加，使焦炭能耗有较大增加。另外由于再生压力较高， 生焦量大，主风耗能很多，同时产生的再生烟量大、压力高、温度高，烟气可利用的能 量数量也大，这部分能量利用的好坏对能耗影响很大。 1 1 1 2 再生烟气流程对烟气能量回收节能效果的影响 在实际应用中再生烟气流程对烟气能量回收节能效果的影响也很大。据文献m 2 1 介 西安石油大学硕士学位论文 绍，我国目前在用烟机的烟气流程大体可以分以下几种： ( 1 ) 单容器再生的烟气烟机烟气能量回收锅炉。这种流程，烟气能量回收率 高，假定其能量回收率为k ： ( 2 ) 一再和二再两路烟气燃烧高温取热烟机烟气能量回收锅炉。该流程，由 于燃烧取热发生中压蒸汽，能量回收率约为k ； ( 3 ) 一再和二再两路烟气烟机烟气能量回收锅炉。该流程一再高于二再的压 力能( 约0 3m p a ) 不能回收，因此能量回收率略低，为0 9 8k ； ( 4 ) 二再烟气蒸汽过热器与一再烟气混合烟机姻气能量回收锅炉。该流 程本来二再压力就比一再低，再经蒸汽过热器其压力又降低了。这种流程的压力 能回收率相对低得多，其能量回收率约为0 6 5k ： ( 5 ) 一再烟气姻机与二再烟气混合一烟气能量回收锅炉。该流程大约少回收 3 0 4 0 的烟气压力能，因此烟气压力能量回收率最低，大约为0 6 3k 。 典型流程如图所示： 图1 - !烟机一主风机一电动机发电机配置的主风及烟气能量回收系统 仅以流程的能量回收效果看，其节能顺序为( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ，而实 际选择烟机的节能流程应该从再生型式、工艺条件具体评估才能找出最佳的流程。 1 1 1 3 烟气轮机的烟气负荷率是影响装置能耗的另一个重要因素 2 第一章绪论 因为烟气轮机属于固定流道面积的膨胀机，在烟气流率低于设计流率时，需要依靠烟 气轮机入口碟阀等焓节流，以保证通过烟气轮机的体积流率一定。但烟气轮机入口压力 相应降低，使膨胀比下降，烟气轮机作功大大降低。以烟气轮机入口设计温度6 5 0 c ，压 力0 2 4 m p a 计，烟气轮机流量变化与回收功率的关系如表卜l 。 表i - i 烟气负荷率与回收功率的关系“1 烟气负荷率 1 0 0 8 87 6 56 5 回收功率的变化 1 0 00 8 00 6 0 0 3 9 表卜l 数据可以看，影响烟气轮机做收功率的最大影响因素就是烟气轮机的负荷率， 当烟气流量降低到设计流量的6 5 时，回收功率只有3 9 左右。 当前国内绝大部分装置已设置了烟气能量回收系统，本应对降低装置能耗发挥很大 作用。但装置能耗仍偏高的主要原因是： ( 1 ) 机组运行不正常，事故较多，尤其是两级烟气轮机。开工初期，许多烟气轮机 未投入正常运行。 ( 2 ) 烟气轮机实际操作点偏离设计点，使回收功率比预期下降较多。 ( 3 ) 烟气压力能回收流程的影响。国内f c c 多采用上述流程( 2 ) 、( 4 ) ，使压力能 回收减少，节能效果降低。 上述原因中的第二项是当前的最主要矛盾。也是影响f c c 能耗最主要的因素。引起 的原因一是装置负荷率低，使烟气轮机负荷率低，二是旁路流量大，由于担心事故状态 旁路闸阀不能及时打开，使大量烟气从旁路节流放空。 1 2 我国催化裂化能量回收机组 催化裂化能量回收机组是催化裂化装置的重要组成部分之一，其主要作用是以催化 剂再生烧焦过程中产生的高温烟气为介质，通过烟气轮机( 下称烟机) 对外做功，用于发 电或驱动催化裂化装置的主风机，达到回收能量和降低装置能耗的目的。 烟气轮机的节能作用主要是通过烟气膨胀作功发电，驱动主风机，形成能量回收 机组。随着催化裂化技术的发展，尤其是渣油催化裂化技术的开发，烟气轮机负荷提 高，压缩比也提高，设置烟机能量回收机组的作用越来越显著，回收的能量不仅能带 动主风机，还能向电网供电。 烟气轮机能量回收机组的合理选择和配置，对确保催化裂化装置长周期平稳操作 以及取得好的节能及经济效益有关。烟机能量回收机组的配置可根据不同要求选择 不同的配置方式烟机和主风机可以同轴配置，也可分轴配置，分轴配置的机组是主 3 西安石油大学硕士学位论文 风机由汽轮机或电动机启动，烟气轮机单独驱动发电机，分轴配置时烟机发电机组与 主风机组互不影响，装置运行比较可靠，相当于多了一个自备电源。同轴机组配置把烟 气轮机、主风机、汽轮机、齿轮箱和发电机电动机的各轴端用联轴器串联在起，成 为一起旋转的机组。 能量回收机组对催化裂化装置本身的经济效益有着举足轻重的影响。 1 2 1 我国催化裂化能量回收机组的现状 1 2 1 1 我国能量催化裂化回收机组总体规模1 目前我国催化裂化装置至少有8 0 套( 小于3 0 0k t a 的装置未计) 。据统计，已建 成的能量回收机组为6 6 套，其中国产烟机达5 5 台，占8 3 3 。 从机组的规模来看，随着催化裂化装置处理量的不断扩大以及重油、渣油催化裂化 工艺的不断发展，能量回收机组的单机功率回收能力也日趋庞大。在已投运的5 5 套国产 烟机中，3 姗左右的小功率机组共有1 1 台( 其中7 台为单级，4 台为双级) ，而且基本属 于1 9 8 5 年以前投用的老设备；4 6 姗左右的中型功率机组有2 7 台( 全部为双级) ，大 多是1 9 8 5 年以后投入使用的；7 1 0 姗左右的较大功率机组共有1 7 台( 全部为双级) 。 目前我国已完成回收功率达1 8 唧的大功率机组的设计，准备用于燕山石油化工公司炼 油厂2m t a 催化裂化装置。 目前我国的能量回收机组制造厂家已拥有雄厚的技术力量，且积累了不少实践经验， 我国的能量回收机组也初具系列化。烟机制造厂家首推兰州炼油化工总厂机械厂，截止 1 9 9 6 年底，已投入运行的有4 4 台，占我国烟机总量的2 3 ，而且y l 型烟机自1 9 8 9 年起 就初步形成了系列化，并已与德国g h h 公司能量回收机组配套。主风机制造厂家中，离 心式主风机主要由沈阳鼓风机厂生产，轴流式主风机主要由陕西鼓风机厂生产。尤其是 陕西鼓风机厂全套引进瑞士苏尔寿公司的a v 型轴流压缩机技术，经过几年的消化摸索， 已日趋成熟。其主导产品a v 型轴流式压缩机运行平稳，可靠性好，颇受用户好评。 1 2 1 2 能量回收机组技术水平状况 可以通过多方面来评价目前我国催化裂化能量回收机组的实际技术水准。 ( 1 ) 操作运行工况 由于我国催化裂化装置本身的发展历史短，再加上地区的差异，催化裂化能量回收 机组的操作运行工况也参差不齐。小功率能量回收机组回收功率可以小于2 姗，而目前 已投用的大功率能量回收机组已超过1 2 唧。烟机的入口温度也随催化裂化装置的工艺 4 第一章绪论 性质的不同而差异较大，总体范围为6 0 0 7 0 0 ；入口压力范围大致为2 0 0 - - 一3 2 0 k p a ( 绝) 。烟气流量( 标准状态) 1 0 5 - 1 4 4d a m 3 h ：烟气的组成范围为：c 也8 9 1 - - - 1 4 4 0 ， c o0 - - 7 4 3 ，q0 1 6 ，- 5 4 0 ，n 26 6 6 0 8 2 3 0 ，h 2 08 6 1 1 8 9 6 。 ( 2 ) 机组匹配 国外催化裂化能量回收系统大多采用功热并供的方式，即烟气先通过烟机作功，然 后进入余热锅炉产生低压蒸汽。这类系统的功热比为1 3 左右，与烟机初参数有关。我 国根据炼油厂的热电平衡情况分别采用三机组、四机组和分轴机组( 烟机直接发电) 等 配置，在能源利用上更加合理。在最新设计的重油催化裂化装置中采用四机组形式加上 装置本身的优化匹配( 如采用合适参数及配置中压余热锅炉等) 能量回收系统的功热比 己达到2 3 。实践证明只要设计合理，操作规范，四机组的运行稳定性和可靠性还是相 当大的。例如，济南炼油厂的同轴四机组自1 9 8 9 年投用以来，已安全运行了三四个周期。 ( 3 )主风机的设计应用状况 自8 0 年代开始，我国在处理能力1m t a 以上的催化裂化装置上逐步采用轴流式压 缩机代替离心式压缩机，以提高风机效率，降低功耗，增强机组变工况运行能力。目前 我国制造的轴流式压缩机，从容量来看，已完全能够满足催化裂化装置的需要。陕西鼓 风机厂引进瑞士苏尔寿公司技术制造的a v 5 6 型轴流式压缩机其流量已达到2 5 d a m 3 m i n ，相当于1 4m t a 重油催化裂化( 掺渣比为5 0 ) 装置所需的主风量，而新近 研制的的a v 6 5 型和a v 8 0 型轴流式压缩机的风量更大，可以满足2m t a 重油催化裂化装 置的需要。 ( 4 )机组自动控制和状态监测状况 目前我国的催化裂化装置能量回收机组广泛采用了两分程或三分程控制，并增设了 小旁路，采用小口径高温蝶阀控制再生压力，减少了旁路烟气量，这种控制能尽可能多 地回收能量，提高机组回收率，已达到世界先进水平。在机组自保方面，经过多年努力， 也逐步建立和完善了一系列完整的自保措施，以满足催化裂化工艺对机组操作的要求和 机组本身安全运行的需要。以机组自保联锁和机组启动程序及紧急停车程序融合一体为 特点的微机程控器的开发和应用，也取得了很大的进展，使用效果良好。 尤其是近几年来，许多科研单位和企业联手致力于大型机组的故障专家诊断系统的 开发和研究，取得了一定的成果，掌握了大量的基础数据，为机组的安全运行提供了有 力的保障。 5 西安石油大学硕士学位论文 1 2 2 我国催化裂化能量回收机组存在问题 综观目前我国催化裂化能量回收机组的现状，虽然已可满足生产单位运行使用要求， 但也还存在着不少问题。 ( 1 ) 部分机组设计和制造不合理 我国虽然在能量回收机组的设计应用方面取得了很大成果，但有的制造厂由于缺乏 设计和制造经验，导致产品问题多，甚至根本无法使用。如某厂的轴流风机均是6 0 - - 7 0 年代美国i - r 公司老产品测绘模仿来的，性能差、结构复杂、操作困难，无论是在出厂 前试车还是在现场安装调试，要修改的地方很多，严重影响了机组的投用进度。有些进 口机组也因结构问题而不能正常投入运行。 ( 2 ) 进一步提高和完善机组自控系统 我国机组自控方面的主要问题是硬件不过关，许多国产的自控仪表元件质量不过关， 易产生误动作或失灵，或者抗干扰能力差，使用寿命短。许多关键仪表部件还完全依赖 于进口，如a v 型轴流压缩机的静叶调节执行机构中的莫合阀就长期依赖于进口。 ( 3 ) 大功率机组( 尤其是烟机和电机) 的设计制造能力和配套能力差 我国催化裂化能量回收机组的发展是由小型、中型到大型，烟气参数也由低压、低 温到高压、高温。在此过程中，从国外全部或部分引进了十几套能量回收机组，这些机 组都是各个阶段的“示范机组 。正是因为自行制造的大型机组质量和机组性能无法满 足装置需要而导致了这些引进机组的产生，经过多年的消化和吸收，虽然，目前国内烟 机等已能满足现有催化裂化能量回收的需要，但是面临催化裂化装置迸一步提高炼量与 参数的现实，i o m w 以上大型机组的设计、制造迫在眉睫，不断提高我国能量回收大型机 组的设计制造能力，将是今后几年的奋斗目标。 ( 4 ) 能量回收机组的实际运行工况下的标定工作未受到应有的重视 目前我国许多企业对能量回收机组根本不做现场标定，少数企业的标定工作也仅局 限于机组的首次运转，对以后机组的实际状况了解甚少，更谈不上对机组寿命的预测和 控制。对机组标定的方法及其可靠性也缺乏套完整的体系。这对烟气能量回收机组的 发展和运行效率的提高是不利的，有待引起足够的重视。 1 3 国外在催化裂化能量回收方面改进的主要方向 在炼油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 年第一台单级悬臂轴向进气的烟气轮机在美国投入工业应用至今已近4 0 年，据不 6 第一章绪论 完全统计，国外烟气轮机制造商美国的d - r 及e l c 公司一共约提供了近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造了7 台烟机， 预计共回收功率将达到和超过l o o x l 0 4 k w 。 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。 1 3 1 国外烟气能量回收机组的设计及应用进展 ( 1 ) 扩大装置规模，更新或改造机组“1 d r 公司1 9 9 9 年为d i a m o n ds h a m r o c k 炼厂提供了一套全新的机组，它包括烟机、 主风机及电动发电机，以代替该厂在1 9 7 9 年建设的e - 1 3 8 老机组，主风机风量提高了 4 5 - - 5 0 。 美国c o n m e c 公司于1 9 8 7 年成立以后，先后新建和改造了以下7 套烟机机组： a 为1 9 8 2 年投产的英国w a l e s 炼厂提供了一台膨胀比为3 2 的单级烟机，功率 2 3 7 0 0 k w ，代替原有e - 1 4 8 ( 11 6 0 7 k w ) ，功率提高1 倍以上。 b 为1 9 7 4 年投产的美国s k e l l y 炼油厂的e - 1 4 8 机组进行了更新设计，更换了转子及 叶片的材料，烟机功率由5 1 0 3 k w 变为5 0 0 0 k w 。 c 为美国加州的一家炼厂提供了一台烟机，其功率为2 0 6 0 0 k w 。 d 1 9 8 5 年投产的c o r p u sc h r i s t i 炼厂的e - 2 4 8 烟机，因操作中故障频繁，更换为 一台单级烟机，烟机由c o n m e c 公司设计并制造，烟机功率由原来的1 7 6 3 4 k w 变为 1 5 2 0 0 k w 。 e 1 9 9 9 年为美国c o r p u sc h r i s t i 另一家炼厂于1 9 8 3 年投产的e - 1 5 6 机组提供了一 台新烟机( f e x 一1 4 2 机) ，轴功率为3 7 3 0 0 k w ，原烟机轴动率为2 6 5 3 7 k w 。主风机由 a x 3 7 1 3 7 ( 1 3 级) 轴流风机代替原有的m t a - 5 0 1 2 ( 1 2 级) 轴流风机，风量( 标准状态) 由原 来7 6 0 0 m m i n 提高到9 6 3 0 m m i n 。 f 为1 9 8 3 年投产的e m p r e s sn a c l o n a l 炼油厂( 西班牙) 原e - 1 3 8 机组进行了更新， 所提供的f e x 9 7 烟机功率为7 2 0 0 k w ，转速不变，为5 6 9 0 r m i n 。 g 为1 9 7 1 年投产的加拿大e d m o n t o n 炼厂原e - 1 4 8 机组更新提供了f e x l 2 5 烟机，功 率为7 1 0 0 k w ，转速为4 7 3 0 r m i n 。 ( 2 ) 美国d - r 公司的设计改进 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 部件均进行了设计更新。“1 a 烟机入口壳体、内排气壳体及围带 原来的人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 7 西安石油大学硕士学位论文 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，无需再焊接。这样减少了变形，增加了热稳定性和强度，减少了泄漏。 原来排气壳体的后部是由一块锻造的环形板焊接后再和环形排气壳焊，然后 整体加工，再与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经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，精加工前经焊后除应力处理，其处理温度远高于操作温度，以 保证消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形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 d m 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： 由于消除了静叶顶部间隙，提高了效率： 显著减少了鼻锥支承体的应力； 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： 减少了催化剂沉积的机会： 减少了叶片的应力； 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，在老 设计中叶片的外部可能断开并进入机内。 c 静叶片的固定 静叶的支承( 径向轴承) 精密地固定在定子外环上，这些支承被单独的键固定并防 转，采用不同的键的角度就可以使叶片旋转，提供了空气动力学上调整的可能。 这种新型结构和目前结构比较，其优点是： 停工时可以在现场调整，安装不同角度的键就可以改变静叶角度； 可以单独换叶片； 不用焊接，就可采用更便宜的叶片材料。 d 叶片涂层 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。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。一旦氧化层被磨掉，就 会形成金属的硫化物并沿晶界扩展，这通常被称为硫化，使叶片变脆。 8 第一章绪论 s r c - 3 涂层在模拟的试验中，证明它能抗硫腐蚀，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 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，可采用更小 的间隙，在迷宫的动齿磨损后允许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。 利用热空气代替蒸汽 利用低压的1 7 5 2 5 0 的清洁空气( 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。 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，可能成为火灾的诱因。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。 1 4 中石化洛阳分公司一催化裂化装置烟气能量回收装置存在的问题 洛阳石化一催化裂化装置为高低并列式提升管催化裂化装置，装置主要由反应再生、 分馏、吸收稳定、气压机组、主风机组、烟气能量回收系统、气体脱硫等部分组成，主 要产品有干气、液化气、汽油、柴油、油浆。一催化装置原设计能力为2 0 0 万吨年蜡油 催化裂化，经采用反再系统u o p 扩能、三旋p s c 扩能、取热汽包换大、m g d 工艺应用、 回炼油系统恢复等技术改造后，目前，装置处理能力为1 6 5 万吨( 常压渣油) 年或2 0 0 万吨( 常渣+ 蜡油) 年，运行的风机有3 # 主风机和2 # 主风机( d 8 0 0 ) 。近年来，随着处 理能力的提高和原料性质的变化，主风欠缺的矛盾日益突出，3 # 主风机供风量 2 4 0 0 n m 3 , * i n ，2 # 主风机( d 8 0 0 ) 供风能力6 5 0 7 0 0n m m i n ，在装置加工量较大时，仍 需再引进工业风1 8 0 - 4 0 0n m m i n ；而当加工量低时，开两台主风机需放空约4 0 0n m 3 m i n 主风，浪费了能量。另外，由于现有烟机( 8 4 0 0 k w ) 能力不足，装置烟气能量不能完全 回收，致使双动滑阀开度保持在3 0 左右，大量的高品质烟气作为低品位能源送入余热 炉，造成了大量的能源浪费。 1 5 选题的目的和意义 本课题立项的目的针对一催化裂化装置目前存在能耗较高的实际情况进行分析、计 算，寻求能耗较高的根源，提出解决问题的具体方法，以达到降低装置能耗的目的。 经过对国内石化系统同类装置的能耗进行长期详细的调研，查阅有关技术资料，分 9 西安石油大学硕士学位论文 析各装置不同工艺条件下能量消耗的状况，通过科学严谨的计算，提出了针对洛阳石化 催化裂化装置一整套节能改造、优化操作的具体措施，从而大大降低了装置的能耗。通 过工艺调整，开大3 # 主风机烟机的入口蝶阀，使主电机做功降低了6 0 0 k w 左右：对2 # 主风机( d 8 0 0 ) 风机配置了烟机、实现了国内首次两台烟机并联运行，回收了多余的烟 气，每年创效达一千多万元。 题目来源：洛阳石化一催化装置能量回收系统不完善，造成装置能耗较高的实际情 况。本课题就这一问题分析论证问题的根源，提出解决问题的方案并实施。 1 6 本课题的主要任务 1 6 1 分析催化装置烟气能量回收系统的能量回收现状 通过对整个一催化装置的能耗进行全面分析，确定装置能耗高的原因。结合装置实 际情况并通过理论计算，指出主风供给不合理、烟气能量回收不完全的原因，并对现有 烟机不能发电的原因进行论证。 1 6 2 对催化装置烟气能量回收系统改造的技术可行性进行分析并实施 结合一催化装置烟气能量回收系统实际生产情况进行理论计算，给出一催化烟气能 量回收系统改造整体方案。 l o 第二章一催化裂化装置烟气能量回收系统的能量分析 第二章一催化裂化装置烟气能量回收系统的能量分析 2 1 洛阳石化一催化裂化装置能量消耗状况 催化裂化装置由反应再生系统、分馏系统和吸收稳定系统三大部分组成，在反应再 生系统中，主风和烟气能量回收系统因其操作管理的相对独立性有时也将其作为催化裂 化装置的一大部分对待。催化裂化装置再生烧焦用的空气是由主风机提供的，催化剂再 生产生大量的烟气，这部分再生烟气中蕴藏能量很大，故催化裂化装置中的各类能量回 收设备成为装置的重要组成部分。 2 1 1 主风机供风系统现状 洛阳石化股份公司一催化有两套在用( 3 。、2 。) 主风机组和一套备用主风机组( 1 。 主风机目前正在实施扩能改造，尚未达到完好备用条件，改造设计能力2 2 0 0 n m 3 m i n ) ， 3 。、2 。主风机组长期并联送风。3 。机组为1 9 8 7 年从美国d e s s e r - r a n d 公司成套引进的 m g a 一1 5 1 2 三机组形式的主风能量回收机组。2 。主风机是2 0 0 0 年8 月份，从福建炼化公司 购进的一台由沈阳鼓风机厂生产的d 8 0 0 - - 3 1 1 离心式空气压缩机。如表2 - 1 所示，主风 机组主要技术参数。 表2 - 1 主风机主要技术参数 项目3 。机 2 4 机 1 4 机 风机型式轴流式离心式离心式 机组配置电机+ 风机+ 烟机电机+ 风机 汽轮机+ 风机 风量n m 3 m i n ( 最4 设计最大) 1 6 0 0 陀l o o 忽4 0 0 8 0 0 2 2 0 0 风压m p a a o 3 20 3 20 3 2 主轴转速i p m 5 5 9 0 5 8 7 0 6 2 9 5 4 5 1 0 ( 设计最大) 入口压力m p a a0 ，0 9 8o 0 9 8 o 0 9 8 风机功率k w ( 最d , 设计最大) 5 1 0 0 6 l o c 忧1 53 2 0 05 4 5 0 原动机额定功率 8 4 0 0 ( 烟机) k w 9 4 0 0 ( 电机) 3 2 0 0 ( 电机)6 0 0 0 ( 汽轮机) l “主风机原设计流量1 8 0 0n m 3 m i n ，目前正扩能改造为2 2 0 0 n m 3 r a m 。 西安石油大学硕士学位论文 随着处理能力的提高和近年来原料性质的变化，主风欠缺的矛盾突出，3 。主风机能 力2 4 0 0 n i n 3 m m ，2 # 主风机( d s 0 0 ) 实际供风能力6 5 0 7 0 0n m 3 m i n ，处理量较大时， 仍然需外供工业风1 8 0 - - 4 0 0n m 3 m i n ；而当处理量低时，开两台主风机又需放空一部分 主风，浪费了能量。另外，外取热器常年使用工业风也不合理。 2 1 2 烟气系统现状 一催化装置经过多年来的不断技术革新和扩能改造后，装置处理能力已逐步增大， 反应再生副产物再生烟气量也大幅度增加。目前，3 。烟机流量基本满负荷，但3 8 主 电机的电流依然在2 1 0