催化裂化装置主风机的应用设计分析

2021-01-09谢超王文刚

石油和化工设备 2020年12期

谢超，王文刚

（中石油华东设计院有限公司，山东青岛 266071）

催化裂化工艺是石油加工炼制的主要手段之一，它在炼油工业中占有重要的地位。催化裂化装置中主风机的功能是将空气压缩后送入再生器为催化剂提供流化风和烧焦风。主风机是催化装置的核心设备，被誉为装置的“心脏”。一旦主风机出现事故，不仅会造成装置停产的经济损失，甚至会造成人员伤亡。同时，主风机又是催化装置的耗能大户，因此选择安全可靠、运行经济性好的主风机并进行合理的流程设计尤为重要。

近年来，催化装置所用的主风机应用最多的是离心式和轴流式压缩机。气体在压缩机内沿径向离心方向流动的为离心式；气体在压缩机内沿平行于轴线方向流动的为轴流式。两类压缩机都属于透平式压缩机，但二者又有各自的适用范围和气动特点。

1 催化裂化装置主风机设计实例

某炼油厂新建催化裂化装置主风机的设计参数见表1。

表1 主风机设计参数

2 选型对比分析

根据装置运行所需的风量和压力，主风机选择离心式和轴流式压缩机均有可行方案。在设备采购阶段，各制造厂提供的技术报价方案分为两类。第一类为离心压缩机，第二类为轴流压缩机，主要技术参数对比见表2。

表2 主要技术参数对比

2.1 技术可靠性

离心式和轴流式压缩机是目前使用最广泛的气体压缩机械，适用的流量范围宽。经过几十年的发展，国内离心机和轴流机的设计制造技术已比较成熟，可靠性高，能够长周期平稳运行。有统计资料，离心和轴流压缩机的平均检修时间为25～90h/a，平均无故障工作时间3.7～8a。本项目实例中报价的机型都是成熟机型，在同类装置上均有较多的成功使用经验。

2.2 流量调节特性

实际运行中，压缩机并不总是在设计点工作，有时需要变工况运行，这就需要对压缩机进行变工况调节，以适应工艺装置操作工况变化的要求。流量调节从原理上讲就是设法改变压缩机的性能曲线或者改变管网的阻力特性曲线。通常使用的调节方法有三种：节流调节、变转速调节、变静叶/导叶角度调节。由于催化装置主风机组的运行特点，转速总体上是恒定不变的，因此主风机一般不采用变转速调节。

（1）离心式压缩机一般采用节流调节，也有采用可转动的进口导叶调节的。对于多级离心机，可转动导叶装置的结构太复杂，很少使用。节流调节分为出口节流和进口节流。出口节流是在压缩机出口安装调节阀，通过调节该阀的开度，来改变管网阻力曲线，也就改变了压缩机与管网的联合运行工作点。出口节流是人为地增加了管网阻力，带来了附加的节流损失，经济性很差。进口节流是通过入口调节阀来调节进气压力。进气压力的降低直接影响排气压力，使压缩机性能曲线下移，达到调节流量的目的[1]。和出口节流相比，进口节流的经济性较好。它是一种比较简单常用的调节方法。但仍然会造成一定的节流损失，并且工况改变后对压缩机的效率也有影响。

（2）轴流式压缩机可通过改变静叶角度来实现流量的调节，且调节范围宽。在变工况时，改变静叶的安装角度，使之适应气流方向变化，减少冲角带来的分离损失，能有效地扩大稳定工作范围，并在变工况时仍可保持较高的效率，同时能改善压缩机的工作特性，防止喘振和阻塞现象。全静叶可调轴流机的第一级静叶角度可在22°～79°之间调节，每一静叶开度对应一条曲线。该调节方法响应速度快，调节精度高，而且有利于降低设备的噪音（三层缸结构）。

（3）轴流式压缩机采用可调静叶进行调节，不会引起节流损失，经济性好。在压力不变的情况下，流量调节范围较宽而且变工况运行时效率降低也不多。相比离心机的入口节流，轴流机的静叶可调具有明显优势。

2.3 对配套设备的要求

轴流压缩机对固体杂质比较敏感，叶片易受到磨损，对空气的清洁度要求较高，需在入口设置高效空气过滤器。离心压缩机一般不需要设置入口空气过滤器，通常设置一个伞帽，防止雨水及杂物进入压缩机。由于轴流机的叶片薄，强度低，喘振极易引起轴流机的损坏，通常在主风机出口放空管道上并联设置两台防喘振阀。防喘振阀应具有快开功能，一般要求全开时间小于1.5s。而离心机的叶轮强度比较高，实际操作中即使发生喘振，也不会造成太大的影响，通常设置一台防喘振阀即可。

2.4 尺寸重量对比

离心式压缩机级内的气体流动是从进气管进入吸气室，再经过旋转叶轮，进入扩压器，然后通过弯道进入回流器，完成一个级的压缩。具有复杂流道的多级离心压缩机，比压缩相同流量气体时的轴流压缩机体积要大得多。在本项目实例中，报价的离心机叶轮直径较大，达到1000mm，焊接和加工不太容易。离心机的重量约35t。轴流式压缩机结构上比离心式压缩机简单，气体大致沿着轴向流动，不需要像离心机那样使气流大转向而设置弯道、回流器等部件，径向尺寸小，结构紧凑更合理。本项目实例中报价的轴流机重量轻，仅25t，体积也小，相应的设备基础也可做得小一些。

2.5 经济效益对比

一次性设备投资对比：主风机如选用离心机，当时的参考价格约450万元。如果采用轴流机，单台价格约750万元。轴流机的一次性投资要高。

运行效益对比：轴流式压缩机的流道短而且简单，气流转向变化小，基本是沿着轴向流动，而离心压缩机的流道长且有较多的急剧转弯，因而轴流式压缩机的流动损失和分离损失较小，效率高。由表2可以看出，轴流压缩机在效率方面有明显的优势，其效率比离心机高7个百分点。轴流机在夏季工况轴功率为4344kW，而离心机的轴功率为4882kW，轴流机比离心机每小时能节电538kWh。工业用电按0.6元/kWh计算，每年运行时间按8000h计算，与离心机相比，采用轴流机每年约能节省电费258万元。轴流压缩机避免进口节流损失而能节省电费约21万元（按年节电的8%计算）。轴流压缩机较离心压缩机全年合计节省电费为279万元。

综上所述，若采用轴流机，虽然一次性投资要高，但从节能和回收成本较快的角度考虑，不失为较佳方案，大约一年时间节省的运行成本即可抵消两种压缩机的设备投资差价。本项目实例中，主风机选用了轴流式压缩机。

3 催化裂化装置中主风机的流程

主风机组的原则工艺流程见图1。高温烟气从再生器出来，经过三级旋风分离器，使催化剂浓度降至0.2g/nm3以下。从三旋出来的烟气分成两路，一路烟气经过两个高温阀后进入烟气轮机。高温烟气在烟机里膨胀做功，作为驱动主风机的动力。从烟机出来的气体送至水封罐。水封罐实际上是一个低压大口径的切断阀，水封罐的出口通至余热锅炉。另一路烟气通过双动滑阀、孔板降压后送至余热锅炉。在机组正常运转时，双动滑阀全关，所有烟气通过烟机做功。当烟气中催化剂含量过高或烟机解列后，烟机入口阀全关，烟气只能通过双动滑阀、孔板降压后进入余热锅炉。

主风从大气中吸入，一般将吸入口架高设置在压缩机厂房的房檐附近。本项目实例选用的是轴流压缩机，所以在入口设置了一台空气过滤器。过滤器优选板框式，三级过滤，过滤精度高。过滤后的主风经过入口消声器进入压缩机。为防止管道热膨胀或安装产生的应力影响主风机操作，在主风机入口与管道连接处采用膨胀节连接。主风机出口管道装有出口消声器，后面分别装有阻尼单向阀和电动切断阀。当机组运转时，电动切断阀、阻尼单向阀全开；当机组停止运转时，电动切断阀、阻尼单向阀全关。在主风机与阻尼单向阀之间的管道上还设有一条放空管道，在该管道上并联设置两台防喘振阀，防喘振阀后分别设有放空消声器。