催化裂化裝置主風與增壓風跨線加控制閥

馬勇 褚繼勇 高穎明 王穎（中國石油錦州石化公司）

離心式增壓機是催化裂化裝置的重要設備，也是能耗大戶，多采用離心式壓縮機，增壓機組一般由增壓機、齒輪箱、異步電動機組成，由6 000 V高壓電動機驅動，正常配置為一開一備[1]。催化裂化裝置設置增壓機的目的，是將主風機提供的部分主風再次升壓，其作用是維持待生線路上的催化劑循環流化正常。錦州石化公司第三套催化裝置外取熱器的催化劑循環流化形式為氣控式，靠增壓風流量來控制外取熱器的取熱量，取走再生器燒焦所產生的過剩熱量，維持催化裂化裝置反再系統的熱平衡，多發生中壓過熱蒸汽降低裝置的能耗。同時為待生催化劑的循環再生提供能量。

正因為增壓機在催化裂化裝置的重要性，所以對離心式增壓機的可靠性和整機的效率也提出了越來越高要求[2-3]。在生產操作過程中保證增壓風的流量平穩，以及確保反再系統的熱平衡為前提，多產生中壓過熱蒸汽從而實現節能。由于驅動增壓機使用6 000 V高壓電動機作為驅動端，保證增壓機高效率及適宜工況運行，是獲得節能效果的又一重要措施，同樣降低了催化裝置綜合的能耗。

1 工藝簡介

錦州石化公司第三套催化裂化裝置原設計加工能力140×104t/a，2004年裝置進行擴能改造，設計加工能力160×104t/a，裝置實際加工能力可達到180×104t/a。設計形式為沉降器與第一再生器同軸，與第二再生器高低并列式、兩段再生重油催化裂化裝置，主要設有反應-再生部分、分餾部分、吸收穩定部分、余熱鍋爐部分、主風機組部分、氣壓機組部分、低溫熱部分。為適應環保的要求，2014年11月裝置煙氣脫硫項目建成并投產。2017年12月，建成氣分堿液再生裝置并投入運行，將氣分車間來的待生堿液進行再生處理，產生的廢氣進入脫硫單元處理。設計加工原料為遼河直餾蠟油與開魯常壓渣油，以生產汽油方案為主，兼顧液化石油氣與柴油產量，不生產重柴油，副產少量油漿。

第三套催化裂化裝置第一、二再生器燒焦用氧由主風機組提供，主風機提供的主風分成三路，其中兩路主風分別進入一、二再主風分布管，另一路經增壓機升壓后，分成五路分別作為外取熱器流化風和外取熱器返回管流化風、提升風、錐體流化風及待生套筒流化風。待生催化劑經粗級旋風及單級旋風分離器與反應油氣分離后，待生催化劑經旋風分離器料腿進入沉降器下部的汽提段與蒸汽逆流接觸以置換待生催化劑表面所攜帶的油氣，汽提后的待生催化劑沿待生立管向下流動，經待生塞閥、待生塞閥套筒進入第一再生器（R1102）密相床，主風機壓縮空氣為催人經劑再生燒焦供氧，溫度在675℃下進行貧氧常規再生，燒去催化劑上85%～90%的積炭，再生器內燒焦產生的過剩熱量由外取熱器（R1104）取走，即第一再生器內的部分催化劑由外取熱器入口管道進入外取熱器殼程內，在增壓風的流化作用下，呈密相向下流動，在流經翅片管束間降溫的同時發生3.5 MPa飽和蒸汽，冷卻后的催化劑由提升風經外取熱器提升管返回第一再生器密相床層中，外取熱器取熱負荷的調整可通過調節外取熱器底部流化風量和外取熱器提升管提升風量來實現。外取熱器擔負著維持好催化裂化裝置反再系統的熱平衡的前提下，供發生中壓過熱蒸汽，供驅動該裝置的蒸汽輪機做功使用，多余的中壓過熱蒸汽送入系統供其他用戶使用。因此，增壓機的工作效率和平穩運行，是保證錦州石化公司第三套催化裂化裝置平穩運行和降低裝置能耗的關鍵。增壓風流程見圖1。

圖1 增壓風流程Fig.1 Process of supercharged wind

1.1 結構簡述

增壓機組一般由增壓機、齒輪箱、異步電動機組成，兩套增壓機組安裝于裝置管橋下方，屬于電氣防爆區，防爆級別為F級。該增壓機采用單級懸臂轉子機構，用齒輪箱增速，電動機驅動，電動機與齒輪箱以彈性聯軸器連接，增壓機的鼓風機葉輪直接安裝于齒輪箱高速軸的自由端上。增壓機殼體以螺栓固定在齒輪箱箱體一端。該增壓機氣體進口法蘭為軸向水平，出口法蘭為側面垂直向上，增壓機性能設計參數見表1。

表1 增壓機性能設計參數Tab.1 Design parameters of supercharger performance

齒輪箱體、高速軸均采用滑動軸承，由潤滑油系統采用強力供油潤滑。變速齒輪為單平行軸斜齒，該機組齒輪箱（與機殼連體）和電動機安裝在同一鑄鐵底座上，該底座內部空腔兼作貯油箱。另外，除潤滑油系統中的電動輔助油泵和冷卻過濾裝置另行布置外，其他設備、管道均安裝于該底座上，增壓機現場布置見圖2。

圖2 增壓機現場布置Fig.2 Field layout of the supercharger

1.2 問題分析

集團公司針對生產裝置應對突發事故提出了“一分鐘”快速事故處理的理念，要求操作員在應對突發事故時要做到，快速的分析、快速的判斷、快速的處理、快速平穩操作，實現在一分鐘內完成事故處理，使生產裝置達到一個平穩的生產狀態以免造成更大的衍生事故。

錦州石化公司第三套催化裝置是加工能力達180×104t/a的重油催化裂化裝置，無論是外取熱器還是待生線路的催化劑循環，都存在著較高的蓄壓，因此，催化裂化裝置必須選用增壓風作為動力風，為保證催化劑循環正常，提供較大的推動力。三催原用增壓機故障率高，經常發生故障，為了保證裝置平穩生產，提高設備可靠性，在2014年對增壓機進行升級改造。增壓機升級改造后的性能保證達到如下要求：一是增壓機的主要零部件的設計壽命為20 a；二是增壓機在設計條件下連續運轉時間不少于5 a；三是機械保證期為運轉12個月；四是增壓機正常工況運行點的能量頭和流量設計不得有負偏差；五是在上述條件下功率不大于正常運行點設計值的104%。

裝置在增壓風與主風管線間設置一跨線的目的，主要是考慮在增壓機故障停機時，能將主風及時地補充到增壓風系統內，用主風暫時替代增壓風維持待生線路的催化劑循環流化正常，防止裝置反應、再生系統催化劑循環流化中斷，避免因增壓機故障停機帶來更大的衍生事故，同時為裝置的事故處理，開啟備用增壓機爭取時間，所以裝置才在增壓風與主風管線間設計這一跨線，并配備相應操作閥門。裝置原設計增壓風與主風跨線閥門為一手閥，這就意味著在增壓機事故停機時，需要操作員到現場手動打開此閥門。這樣就帶來了四個方面的不利因素：一是操作員到現場手動打開此手閥，牽扯人力資源；二是操作員從操作間到現場需要一定的時間，不利于事故的及時處理；三是人員到現場手動開閥時要與DCS內操人員進行溝通，平穩補充到增壓風系統的風量，這樣將分散DCS內操人員的事故處理的精力；四是增壓機事故停機時，反應系統需要降低裝置的加工量，與此同時與三催化裝置上下游裝置同樣要降低加工量，打破公司原有加工平衡狀態給企業帶來巨大的經濟損失[4-6]。

除上述影響外，離心機發生喘振工況同樣不可忽視。在離心式壓縮機運行的過程中，當壓縮機入口流量不斷降低，就會在壓縮機流道中產生嚴重的旋轉脫離現象，堵塞流道，造成壓縮機出口壓力大幅下降，難以保證管網的輸氣壓力，此時管網中的氣體會倒流入壓縮機中，直到管網壓力下降到與壓縮機出口壓力相等時倒流停止。這時壓縮機流量增加又開始向管網中送氣，在管網壓力恢復正常之后，壓縮機的流量又會降低，系統中又會出現上述倒流的現象，如此反復，并且現場可以聽到伴有強烈的低吼喘氣聲音，同時機組各點振動位移加大偏離正常范圍，這就是離心壓縮機喘振時的現象。離心壓縮機一旦發生喘振，喘振氣流會對轉子和其他部件造成非常大的沖擊，最終導致機組出現強烈的振動，后果比較嚴重。

2 裝置優化升級

2.1 技術改造

通過上述裝置原設計增壓風與主風跨線只有一個手閥存在的諸多問題、增壓機故障停機時帶來多方面的不利因素分析、離心式壓縮機運行的特性等，因此在原裝置的增壓風與主風跨線上增設一個調節閥HV-1481，現場改造應用情況見圖3。且保留原設計增壓風與主風跨線手閥，將其作為該調節閥HV-1481的副線閥，并且增加聯鎖邏輯，增壓風自保邏輯圖見圖4，讓事故狀態下的增壓機停車與該手操器開啟進行聯鎖。這樣一旦增壓機故障停機，則觸發聯鎖邏輯此閥將快速、自動打開，將主風補充到增壓風系統，這樣可以做到節省人力資源，縮短事故處理時間，DCS內操人員集中精力盡快開啟備用增壓機恢復生產，備用增壓機開機后，通知DCS內操人員及時調整主風、增壓風跨線手操器（HV-1481）開度，防止增壓風循環使電動機電流超高，減少不必要的經濟損失[7-8]。

圖3 現場改造應用情況Fig.3 Application situation of on-site transformation

圖4 增壓風自保邏輯圖Fig.4 Logic diagram of self-preservation for supercharged wind

大型離心式壓縮機具有排氣量大、效率高、體積小、運轉平穩、壓縮機氣流恒定無脈動等特點。然而喘振作為離心壓縮機的固有特性，具有較大的危害性，是壓縮機損壞的主要原因之一。在增壓風與主風跨線增設調節閥HV-1481，還起到增壓機低流量防喘振調節閥的作用。根據該裝置增壓機的設計工況，當增壓機入口風量低于10 000 Nm3/h或出口壓力高于1.2 MPa，增壓機的工況便進入喘振區，極易造成增壓機喘振。此時，DCS內操人員可以及時打開裝置新增設增壓風與主風跨線控制閥HV-1481，通過調節增壓機的出口壓力和增壓機入口風量，使增壓機運行工況快速離開喘振區，恢復到正常工況，確保增壓機平穩高效運行，避免產生嚴重后果[9-10]。

2.2 技術創新點

增壓風與主風跨線增設控制閥的技術改造具有以下幾點創新：

1）讓應對突發事故“一分鐘”快速處理的理念得以應用與落實，克服了裝置原設計跨線只設單一手閥，存在增壓機故障停機時帶來四方面的不利因素，有利于催化裂化裝置的平穩生產，長周期運行。

2）備用增壓機開機后，反應崗DCS內操人員及時調整主風與增壓風跨線控制閥（HV-1481）開度，防止增壓風循環流量過大使電動機電流超高。

3）當增壓機的工況進入喘振區，增壓機喘振后，操作員可以遠程打開裝置新增設增壓風與主風跨線控制閥HV-1481，快速降低增壓機的出口壓力，提高增壓機入口風量，使增壓機的工況脫離喘振區，從而保證增壓機平穩運行。

4）避免了因增壓機故障停機，增壓機出口至主風跨線未及時打開造成外取熱器催化劑逆流堵塞各路增壓風管線，氣控式外取熱器催化劑循環恢復困難，減少不必要的經濟損失。

該項技術改造具有操作簡單，實用性強，有效減輕了員工的勞動強度，提高了事故處理的速度，達到了節能創效的目的。

2.3 經濟效益

增壓機在故障停機時，因增壓機出口至主風跨線未及時打開，而造成外取熱器催化劑逆流堵塞各路增壓風管線，造成氣控式外取熱器循環恢復困難。外取熱器每小時少產中壓蒸汽50 t，事故處理約1.0 h，恢復加工負荷約0.5 h，總計1.5 h，少發75 t中壓蒸汽，中壓蒸汽按160元/t計算，效益損失約12 000元；加工負荷約降低900 t/d，影響加工量約150 t，因此增壓機跨線閥改造后能及時打開則相當于產生效益23 133元。產品單價及損失效益見表2。

表2 產品單價及損失效益Tab.2 Product unit price and loss benefit

3 結論

通過在增壓風與主風跨線增設控制閥的技術改造，成功避免了離心壓縮機在運行過程中出現較嚴重的喘振現象。喘振的發生使壓縮機不能正常工作，壓縮機性能惡化，效率降低，對壓縮機組造成嚴重損傷。離心式壓縮機不可以在喘振狀態下運行，所以做好喘振預防，能夠進一步提升離心壓縮機的安全運行效果，壓縮機的故障率也相對降低。從而避免了設備的損壞和生產事故的發生，同時利于增壓機故障停機時的事故處理，從而減少不必要的經濟損失。