催化主風(fēng)機(jī)組工況波動(dòng)分析

丁平平

(中國石油化工股份有限公司安慶分公司 ，安徽 安慶 246000)

1 情況簡介

主風(fēng)機(jī)組是催化裂化裝置的核心設(shè)備[1]。某催化裝置采用煙機(jī)-主風(fēng)機(jī)-電機(jī)組成的三機(jī)組配置(見圖1)。煙機(jī)利用再生煙氣所含有的壓力能和熱能膨脹作功，驅(qū)動(dòng)主風(fēng)機(jī)為再生器輸送空氣以滿足生產(chǎn)需要，剩余部分由異步電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)提供，從而達(dá)到回收能量目的。主風(fēng)機(jī)組2018年12月電機(jī)電流出現(xiàn)頻繁波動(dòng)，波動(dòng)范圍為160～210A。

日常操作參數(shù)：主風(fēng)機(jī)靜葉角開度65.7%，主風(fēng)量3831NM3/min，煙機(jī)入口蝶閥開度26%，煙機(jī)入口壓力處于波動(dòng)狀態(tài)(0.18～0.21MPa)，主風(fēng)機(jī)電流處于波動(dòng)狀態(tài)(160～210A)。煙機(jī)入口溫度維持在675～678℃之間。

圖1 主風(fēng)機(jī)工藝系統(tǒng)流程圖

通過查看主風(fēng)機(jī)電流與煙機(jī)入口壓力趨勢對應(yīng)情況(圖2))，可看出在煙機(jī)入口蝶閥閥位基本不變的情況下，煙機(jī)入口壓力與主風(fēng)機(jī)電流趨勢同步，相互呈反比，即煙機(jī)入口壓力降低(升高)，主風(fēng)機(jī)電流升高(降低)。當(dāng)煙機(jī)入口壓力穩(wěn)定，主風(fēng)機(jī)電流亦穩(wěn)定。

2 三機(jī)組功率計(jì)算

考慮到電流波動(dòng)時(shí)，主風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量、壓力，溫度等變化很小，分析時(shí)，短時(shí)暫定為恒值。只分析煙機(jī)和電機(jī)的功率變化。

2.1 煙機(jī)功率核算

式中：Ne——煙機(jī)功率，kW；

V1——煙機(jī)入口流量，m3/min；

P1、P2——煙機(jī)入口、出口壓力，105 Pa；

T1、T2——-煙機(jī)入口、出口溫度，K；

K——-絕熱指數(shù)：取 K =1.308；

ηpol——煙機(jī)絕熱效率；

η——煙機(jī)機(jī)械效率，取98%。

由上述計(jì)算公式[2-3]可以看出，煙機(jī)能量回收效率與煙氣入口流量、煙機(jī)熱效率、煙氣進(jìn)出口溫度、煙氣膨脹比等參數(shù)有著直接的關(guān)系。

利用主風(fēng)機(jī)主電機(jī)電流波動(dòng)時(shí)的工藝參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算，在其他因素不變的情況下，識(shí)別煙氣量、煙機(jī)入口壓力、煙機(jī)出口壓力這幾項(xiàng)主要因素單一變動(dòng)時(shí)對煙機(jī)做功的影響。因煙機(jī)入口溫度一直保持穩(wěn)定，不做波動(dòng)分析。以2019年1月16日凌晨DCS記錄數(shù)值為依據(jù)。

圖2 主風(fēng)機(jī)電流及煙機(jī)入口壓力趨勢圖

表1 主風(fēng)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)

2.1.1 煙氣量對煙機(jī)做功的影響

煙機(jī)實(shí)際煙氣量=再生煙氣量-雙動(dòng)滑閥漏量-臨界噴嘴漏量

再生煙風(fēng)比按1.05計(jì)算[4],四旋至煙氣管線的臨界噴嘴泄漏量按廠家資料提供的200估算，雙動(dòng)滑閥按面積比例進(jìn)行估算。在其他因素不變的情況下，雙動(dòng)滑閥開大3.1%，煙氣量減少128.38Nm3/min。煙機(jī)功率由13872.2減少為13368.8。即損失503.4kW。

表2 煙氣量變化對煙機(jī)做功的影響

2.1.2 煙機(jī)入口壓力對煙機(jī)做功的影響

煙機(jī)入口蝶閥逐漸關(guān)小后，走雙動(dòng)滑閥煙氣量相對增加。目前再生器壓力與雙動(dòng)滑閥投串級控制，保證再生器壓力維持在260kPa。當(dāng)煙機(jī)入口蝶閥閥位不變的情況下，雙動(dòng)滑閥閥位隨再生器頂壓力變化。受雙動(dòng)滑閥閥位變化影響，煙機(jī)入口壓力的產(chǎn)生相應(yīng)波動(dòng)。

在其他因素不變的情況下，雙動(dòng)滑閥變得變動(dòng)3.1%，煙機(jī)入口壓力由原來的0.204減少到0.186，即損失18 kPa。煙機(jī)功率由13872.2減少為13678.2。即損失194kW。

表3 煙機(jī)入口壓力變化對煙機(jī)做功的影響

2.1.3 煙機(jī)出口壓力對煙機(jī)做功的影響

(1)理論計(jì)算

在其他因素不變的情況下，假設(shè)煙氣后路背壓提升，煙機(jī)出口壓力由原來的0.006增加到0.009，即提高3 kPa。煙機(jī)功率由13872.2減少為13678.2。即損失89kW。

表4 煙機(jī)出口壓力變化對煙機(jī)做功的影響

(2)實(shí)踐驗(yàn)證

2018年9月24日因煙氣治理綜合塔消泡器結(jié)垢，導(dǎo)致煙氣后路差壓高，煙機(jī)出口壓力最高達(dá)到9.46 kPa。

由理論計(jì)算公式，可以得出煙機(jī)做功減少約105 kW。

查主電機(jī)電度表，得出9月23日-24日24小時(shí)平均功率上升125 kW。電度表記錄方式為每天早上8點(diǎn)自動(dòng)記錄，只能得出24小時(shí)內(nèi)平均值。由此可以推測：

A、理論計(jì)算公式有一定參考作用；

B、在差壓最高時(shí)，電機(jī)耗功增加值可能比125 kW可能更高。

2.1.4 雙動(dòng)滑閥變動(dòng)時(shí)導(dǎo)致煙氣量和入口壓力同時(shí)變化

在其他因素不變的情況下，雙動(dòng)滑閥開大3.1%，煙氣量減少128.38Nm3/min。煙機(jī)入口壓力由原來的0.204減少到0.186，即損失18 kPa。煙機(jī)功率由13872減少為13178。即損失694kW。

表5 雙動(dòng)滑閥閥位變化對煙機(jī)做功的影響

2.2 主電機(jī)功率核算

式中：N為電機(jī)輸出功率，kW；

I為電機(jī)電流，A；

U為電機(jī)電壓，V；

cosφ為功率因素。

電機(jī)電壓基本穩(wěn)定不變，電流波動(dòng)時(shí)，功率因素在做功低時(shí)也變化較小。由理論計(jì)算公式計(jì)算的電機(jī)實(shí)際耗功。耗功增加約760.8 kW，與煙機(jī)做功減少量相近。說明計(jì)算基本有效。

表6 主電機(jī)做功變化

3 電機(jī)電流波動(dòng)原因分析

3.1 直接原因

從現(xiàn)象和理論計(jì)算公式可以看出：煙機(jī)的做功波動(dòng)導(dǎo)致主風(fēng)機(jī)電流波動(dòng)。煙機(jī)入口煙氣量和壓力波動(dòng)是造成煙機(jī)做功波動(dòng)主要因素，即造成主風(fēng)機(jī)電流變化的間接原因。

3.2 季節(jié)原因

夏季時(shí)，單位體積的空氣密度降低，在主風(fēng)機(jī)靜葉角不變的情況下主風(fēng)量偏小，故需要適當(dāng)提高主風(fēng)量，為提高煙機(jī)做功，需開大煙機(jī)入口蝶閥閥位。煙機(jī)入口蝶閥逐漸打開后，走雙動(dòng)滑閥煙氣量相對減少，當(dāng)煙機(jī)入口蝶閥閥位不變的情況下，煙機(jī)入口壓力抗干擾能力強(qiáng)。

冬季，環(huán)境溫度持續(xù)降低，單位體積的空氣密度增加，在主風(fēng)機(jī)靜葉角不變的情況下主風(fēng)量偏大，根據(jù)工藝需求(再生器頂氧含量)需要適當(dāng)降低風(fēng)量，軸流風(fēng)機(jī)靜葉角開度相應(yīng)降低(自73°逐漸降低至65°)，軸流風(fēng)機(jī)耗功降低。由于主風(fēng)機(jī)電流低于160A時(shí)會(huì)導(dǎo)致齒輪箱振動(dòng)增大，為提高電機(jī)做功，需要降低煙機(jī)回收功率，因此，煙機(jī)入口蝶閥逐漸關(guān)小(煙機(jī)入口蝶閥開度自45%逐漸降低至26%)，以維持主風(fēng)機(jī)電流大于160A。

3.3 工藝操作影響

本周期和上周期對比，因各種工藝條件和設(shè)備原因，兩器操作中再生壓力比上周期低了約10kPa。第二個(gè)周期雙動(dòng)滑閥開度比上周期大。在冬季時(shí)，煙機(jī)入口蝶閥比上周期關(guān)得更小。增加了操作難度。

3.4 特閥性能參數(shù)

煙機(jī)入口蝶閥只有技術(shù)協(xié)議中資料，但與實(shí)際對比，性能曲線不相符，參考意義不大。

雙動(dòng)滑閥廠家未提供任何關(guān)于性能參數(shù)方面的資料。

4 整改措施

(1)適當(dāng)提高再生器頂壓力，減少雙動(dòng)滑閥開度，雙動(dòng)滑閥閥位串級控制PID參數(shù)優(yōu)化整定，進(jìn)一步排查雙動(dòng)滑閥閥位波動(dòng)原因，降低雙動(dòng)滑閥閥位變化頻率及幅度，盡可能穩(wěn)定煙機(jī)入口壓力。將再生壓力控制PID參數(shù)調(diào)整。觀察一天后無明顯效果。

(2)根據(jù)環(huán)境溫度回升情況及時(shí)調(diào)節(jié)主風(fēng)機(jī)靜葉角，增加軸流風(fēng)機(jī)耗功，逐漸開大煙機(jī)入口蝶閥，提高煙機(jī)入口壓力抗干擾能力。

(3)由于工藝操作變化很小，判斷可能出現(xiàn)問題的故障在于煙機(jī)入口蝶閥，將PV15119和UV15120雙蝶閥開度互換，現(xiàn)象消除，基本確定為煙機(jī)入口調(diào)節(jié)蝶閥本體波動(dòng)導(dǎo)致，拆檢，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)蝶閥角度測量元件與閥門主軸連接的緊定螺釘已斷裂，存在閥位指示不準(zhǔn)的現(xiàn)象，更換后恢復(fù)正常。

5 結(jié)論及建議

(1)主風(fēng)機(jī)組電流波動(dòng)主要原因?yàn)闊煓C(jī)做功變化導(dǎo)致。

(2)通過理論計(jì)算可看出，煙機(jī)入口氣量、入口壓力、出口壓力對能量回收的影響依次降低。

(3)對于煙機(jī)入口蝶閥的液控系統(tǒng)研究較多，但對于不容易損壞的角度反饋等動(dòng)作元器件，關(guān)注度較少，后期需要加強(qiáng)管理，定期檢查。

(4)繼續(xù)探索主風(fēng)機(jī)與煙機(jī)、電機(jī)之間的功率平衡關(guān)系，使之運(yùn)行最優(yōu)。