周 力

(中國石油化工股份有限公司長嶺分公司，湖南岳陽 414012)

1 前言

2．8 Mt/a催化裂化裝置煙氣能量回收機組由軸流風機、煙氣輪機、電動機、齒輪箱等組成。軸流風機型號為AV80－13，共有13級軸流葉片。型式為下進氣、下排氣，兩端支撐，水平剖分結構。

主風機組于2010年11月開工投用至今，運行較為平穩(wěn)，瓦溫、振動、位移等軸系參數(shù)一直顯示正常。但自2015年2月開始，風機出現(xiàn)異常，在靜葉角度全開的情況下，風量已不能滿足工藝需求。因此，對機組進行解體檢修［1，2］，并對其異常工況的原因進行分析，在此基礎上提出防范措施，以確保機組安全穩(wěn)定運行。

2 風機主要技術性能指標及技術參數(shù)

軸流壓縮機由某有限公司生產，型式為軸流式全靜葉可調，型號為AV80－13，其主要技術參數(shù)見表1。

表1 AV80－13軸流壓縮機技術參數(shù)

軸流壓縮機主要是由機殼、葉片承缸、調節(jié)缸、轉子、進口圈、擴壓器、軸承箱、油封、密封、軸承、靜葉調節(jié)機構等組成。

3 主風機效率下降故障現(xiàn)象

機組在2015年的運行過程中，自2月份開始主風機靜葉角度開度較去年同期有了明顯的增大才能保證足夠的主風流量。同時，主風機出口溫度及電機功耗較去年同期逐步上漲，見表2和3。

表2 2014年1～5月風機參數(shù)(月平均值)

表3 2015年1～5月風機參數(shù)(月平均值)

通過以上數(shù)據(jù)，可清晰地看到2015年1月份主風機運行參數(shù)較為正常，風量在比2014年同期高出近20 kNm3/h的情況下，靜葉角度只較2014年高3°左右。但自2月份起，為保證主風流量，靜葉角度逐步開大，同時風機出口溫度也較2014年同期從+3℃的溫差逐步增至+20℃溫差。

4 數(shù)據(jù)核算

取2014年及2015年某外部環(huán)境數(shù)據(jù)及主風量基本一致的2點進行標定核算。標定數(shù)據(jù)見表4。

表4 風機標定數(shù)據(jù)

式中 ηpol——風機多變效率，%

K1——絕熱系數(shù)，K1=1．4

P2——主風機出口壓力，MPa

P1——主風機進口壓力，MPa

T2——主風機出口溫度，K

T1——主風機入口溫度，K

廠家提供主分機消耗功率經(jīng)驗公式為:

式中 N主——主風機消耗功率，kW/h

G——單位時間通過主風機的質量流量，kg/s

R——空氣常數(shù)，kJ/(kg·K)，R=0．287 kJ/(kg·K)

η主——主風機機械效率，%，廠家提供數(shù)據(jù) η主=0．97%

由式(1)和(2)可計算得出:2014年該工況下風機多變效率為87．6%，主風機耗功23209 kW。而2015年在類似工況下風機多變效率僅為80%，主風機耗功26023 kW。主風機效率下降7．6%，耗功增加2814 kW，與電機功率上漲基本一致，說明主風機增加的功耗全部用于主風熱能的增加，導致風機效率的下降。

5 原因分析

軸流風機功率的增加實際就是其能量損失的增大。而軸流壓縮機能量損失分為內損失和外損失兩部分。內部損失不可逆的轉變?yōu)闊?，使氣體狀態(tài)發(fā)生改變，外損失使壓縮機的功耗增加，但不會影響氣體狀態(tài)。外損失常指壓縮機軸端密封的漏氣，軸承、聯(lián)軸器等部件的機械損失等。而內損失，包括壓縮機的葉柵損失，通過級內密封的漏氣引起的損失，輪盤和輪鼓表面對氣體的摩擦損失等。此次風機效率下降并造成排氣溫度的大幅上漲，能量損失表現(xiàn)為內部損失形式。這有可能是由于葉片結垢造成葉型損失增大所4．433厘米致。

由于氣體存在一定的黏性，靠近葉型壁面處的氣體往往附著在葉片表面，其流速接近于零，而最外層的流速則是接近主流流速。葉片結垢造成葉片表面粗糙度增加，引起附著在葉片表面的低速氣流增加，這樣氣流與葉片間的摩擦損失、分離損失都會加大，造成功率的上漲。同時，葉片結垢造成氣流在風機內的流型改變，甚至在高、低壓葉片間的反復內部循環(huán)，而在葉片間循環(huán)的氣流不能及時排出風機，繼續(xù)接受風機做功，引起風量的下降和熱能的增加。主風機功率的上漲不可逆的轉變?yōu)闅饬鞯臒崮?，造成排氣溫度的上升。另外，葉片結垢造成風機內流道局部堵塞，相同的靜葉角度下，風量下降。為滿足工藝需求的主風流量，需增大靜葉角度，加大靜葉柵流道面積來提高風量。結垢越嚴重，相應靜葉角度需開的越大?？梢姡~片結垢對風機性能有著極其嚴重的影響。

6 主風機解體后發(fā)現(xiàn)的問題

機組解體后檢查發(fā)現(xiàn)主風機入口段靜動葉均布有較厚的黑色附著垢物，一、二級靜葉葉背處結垢最厚處達6mm。結垢情況存在以下2個特點:(1)靜葉結垢比動葉嚴重;(2)前5級比后幾級嚴重。另外，對葉頂間隙進行檢查，其間隙為1．4～1．5mm，符合設計要求。

圖1 葉片結垢情況

7 結垢原因分析

通過對結垢物進行化驗分析，其成分主要為SO3、SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O 等，去除 SO3，其他成分與催化劑組成基本一致。判斷葉片結垢為催化劑與催化煙氣共同作用所致。

7． 1 催化劑結垢分析

有研究表明催化劑細粉顆粒存在靜電吸附作用，從流體力學角度講，與常規(guī)催化劑顆粒A類粒子不同，小于10μm的固體顆粒(屬于C類粒子)本身由于分子間范德華力作用粘結性強，不易流動，同時催化劑中的稀土元素較容易產生靜電，從而強化了小顆粒的吸附作用。催化劑細粉中稀土元素為催化劑細粉吸附提供了條件，加劇了結垢形成。催化裝置再生系統(tǒng)的大量煙氣通過煙氣輪機及余熱鍋爐進行熱能回收后進入煙囪排放。而煙氣中不可避免的攜帶有催化劑顆粒，特別是粒徑小于10μm的細粉顆粒。催化劑顆粒通過煙囪拉高排放后還是會逐步沉積下來，進入風機入口處，這是其結垢的前提條件［3］。

7． 2 SOX對催化劑粘連結垢的影響

為了更好地量化金屬離子對催化劑粘連程度的影響，提出來一種表征FCC催化劑粘連程度的方法，即:將制備的催化劑樣品于室溫下置于80目篩上，在振動篩上動力振動5S，直至自然靜止，分別稱取篩余量和篩過量，定義篩余量與催化劑總質量的比值為催化劑粘連因子K，粘連因子K越大則表明催化劑粘連結垢越嚴重。

結垢物中含有大量SO3(含量為34．42%)，試驗模擬研究了煙氣中SOX含量對FCC催化劑粘連結垢的影響，結果見圖2。從圖2可知，隨著煙氣中SOX含量的增加，催化劑粘連因子K值呈上升趨勢，表明SOX含量高是引起催化劑粘連結垢的誘因之一［3］。

圖2 SOX含量與粘連因子K值的關系

7． 3 空氣濕度對催化劑結垢的影響

空氣中的水分子與催化劑細粉顆粒同時作用會造成風機葉片的積灰結垢。環(huán)境溫度升高引起空氣濕度增大即空氣中的水分子含量增加，并促進風機葉片結垢物的增長。

7． 4 壓力、流速等因素對結垢的影響

低壓、低速利于結垢物的形成，這也是主風機進氣側一至五級葉片結垢而末端葉片未結垢的原因。在入口側由于葉片離心力的作用，壓力較低，粉塵易在此沉積結垢。另外，對于各類污垢，污垢增長率隨著流速增大而減小。這是因為雖然流速增大可以增加污垢沉積率，但是，流速增大所引起的剝蝕率的增大更為顯著，因而造成污垢增長率減少。

8 防范措施

8． 1 加強對機組運行工況的監(jiān)控和檢修管理

加強對主風機入口過濾器的維護，將壓力差嚴格控制在合理范圍內，并采取有效措施，防止灰層及雜物進入主風機。另外，充分利用 S8000 PLUS在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，加強振動、波形、軸心軌跡等數(shù)據(jù)的監(jiān)控及分析，盡量做到在故障初期能及時發(fā)現(xiàn)異常并積極處理。在檢修管理上，每個周期都要對機組進行解體檢查，尤其對葉片結垢、葉頂間隙等情況的檢查和處理。

8． 2 更換更為致密的濾布

增加濾布過濾精度，阻止小顆粒細粉進入主風機。催化劑顆粒為葉片結垢的前提條件。因此，增加過濾精度，從源頭減少催化劑細粉進入主風機的幾率是防止其結垢的最有效手段。針對此情況，將濾布精度由5μm提升至3μm。

8． 3 加強現(xiàn)場環(huán)境管理

目前，通過各項措施加強了現(xiàn)場催化劑泄漏問題的管理。

(1)增加了密閉卸劑措施，催化劑通過卸劑軟管直接與外來槽車相接，避免了現(xiàn)場催化劑包裝時的泄漏。

(2)規(guī)范壓劑線卸劑閥的使用。員工操作卸劑閥時，偶爾會因為閥門未開到位，造成閥門磨損急劇增大，有的閥門甚至在投用一個月后就出現(xiàn)閥體磨穿的現(xiàn)象。對此，要求員工在使用此類閥門時必須做到全開和全關，避免閥門磨損而造成催化劑的跑損。

8． 4 增加煙氣脫硫裝置

在催化裂化裝置中增加EDV濕法煙氣脫硫系統(tǒng)。在正常生產情況下，出口煙氣中的SO2濃度可降低至50 mg/Nm3以下，粉塵也可降低至50 mg/Nm3以下，起到了很好的除塵脫硫效果，降低主風機對SO2的吸入。

9 結論

(1)催化裝置軸流風機效率下降將導致其風量不足、出口溫度超高及電機功率上漲等工況異常，對于這些參數(shù)需及時掌握分析并進行判斷處理。

(2)造成軸流風機效率下降的主要因素有葉片結垢造成的摩擦損失、分離損失以及葉頂磨損造成的徑向間隙流動損失，而這些內部損失將引起風量的下降和熱能的增加，并造成排氣溫度的上升。所以，排氣溫度對于其效率判斷有較為重要指導作用。

(3)催化劑細粉顆粒由于其自身靜電吸附以及與煙氣中SO3共同作用，極易在風機內低壓、低速部位沉積結垢。裝置需加強現(xiàn)場環(huán)境管理，減少其進入機組內部的可能。

［1］ AV80－13軸流風機機組安裝/操作/維護手冊［Z］．2010．

［2］ 丁學亮，葉片民，李春曦．軸流風機葉片發(fā)展向結構變化對性能影響的數(shù)值分析［J］．流體機械，2015，43(9):43-49．

［3］ 譚爭國，高雄厚，李獲，等．催化裂化裝置中旋風分離器和煙氣輪機催化劑粘連結垢原因分析［J］．石油煉制與化工，2010，41(4):40-43．