催化裂化烟机振动高原因分析及改进措施

时间：2024-06-19

李海林

(中国石化海南炼油化工有限公司,海南儋州578101)

某炼化企业2.8Mt/a重油催化裂化装置烟机-主风机组为烟机主风机电机三机组形式,烟机采用单级悬臂式烟气轮机,其型号为YL-25000A,设计烟气流量5450Nm3/h,入口温度660 ℃,入口压力0.385MPa,转速3781rpm。机组总貌图及测点布置如图1所示。该机组在2019年4月至2021年3月运行期间,烟机轴振动测点XISA1511～1514振动呈现逐步上升趋势,其中轮盘端(非联轴端)测点XISA1512振动相对较高,由开机运行的43μm逐渐上升至达到56μm报警值。通过两次烟机运行故障现象,结合机组状态分析及工艺运行情况,对机组进行改造优化后,机组开机运行情况良好,提高了装置运行经济效益。

图1 机组总貌及测点布置

1 机组运行振动及状态分析

催化烟机自2019年4月20日开机运行至2021年3月19日,共有两次振动升高情况,现分别介绍两次运行状态。

1.1 第一次振动高

2019年4月20日开机后运行转速达到工作转速后,XISA1513、XISA1514振动上升明显,XISA1513由16.29μm上升至46.63μm,XISA1514由20.93μm上升至49.90μm,XISA1511、XISA1512振动也分别达到47.5μm和36μm。该机组运行一周后XISA1514通道振动明显上升并达到报警状态,振值达到61.42μm(报警值56μm)。振动趋势如图2所示。

图2 烟机振动趋势

1.1.1 频谱分析

(1)开机振动趋势如图3所示,低速暖机阶段XISA1511、XISA1512、XISA1513、XISA1514振动偏高,XISA1511振值达34.6μm、XISA1512振值达33.72μm,转子整体振值平稳,无异常波动。之后随着转速的升高,烟气流通量增加,振动继续上升;转速达到额定转速后,提高润滑油压力,XISA1513、XISA1514振动出现明显降低。

(2)振动频谱如图4所示, XISA1511～1514频谱图都以一倍频占主导。XISA1511～1512伴丰富的高次谐频,谐频峰值相对高。XISA1513～1514频谱图清晰,无谐频。

图4 XISA1511/12/13/14频谱图

1.1.2 分析结论

第一次振动分析结论如下:

(1)开机阶段转子存在热弯曲,转子运行振动偏高,联轴端振动表现明显。

(2)联轴端油膜刚度不足。

(3)烟机轮盘端轴承箱油封有碰磨。

1.2 第二次振动高

自2020年3月至2021年2月,烟机轴振动XISA1511～1514随运行呈现逐步上升趋势。其中烟机对轮端测点XISA1513由19.33 μm缓慢上涨至19.95μm;XISA1514由31.65 μm缓慢上涨至55.04μm左右波动运行;轮盘端测点XISA1511由37.79 μm缓慢上涨至58.40μm,XISA1512由43μm逐渐上升至69.90μm(报警值56μm)后,停机检修;振动趋势如图5所示。

图5 烟机振动历史趋势

1.2.1 频谱分析

(1)如图6 a)所示,烟机轮盘侧振动XISA1511～1512波形图为较清晰的正弦波。

(2)如图6 b)所示,烟机轮盘端轴振动测点XISA1511/ISA1512,振动主要为一倍频工频振动,频谱中存在少量分频谐波,谐波振动分量低;XISA1513/14频谱中基本无谐波分量,均为一倍频振动。频谱图中无0.8倍频,排除喘振情况;无0.4～0.48倍频,排除转子油膜涡动[1]。

图6 各振动测点波形和频谱图

(3)由相位图7a)可知,随着振动变化,测点XISA1511和XISA1512相位角未发生变化,且振动值随着时间推移逐渐增加,可以判断出,随着烟机转子运转时间增长,转子的动不平衡量在逐渐增加,进而导致振动逐渐升高。

图7 XISA1511/12相位和一倍频轴心轨迹图

(4)图7 b)所示为XISA1511、XISA1512一倍频轴心轨迹图,轴心轨迹为微椭圆形,未出现8字形、香蕉形和双环椭圆形,且椭圆度不大,进动方向为正进动,排除转子运行不对中和油膜涡动因素。

1.2.2 振动分析结论

第二次振动分析结论如下:

(1)转子轴系运转稳定。

(2)转子运行无碰磨和转子弯曲,振动逐渐升高为转子不平衡量均匀增加所致。

(3)转子在轴瓦内涡动良好,运行稳定,排除转子油膜涡动。

2 机组拆解验证

按计划催化烟机停机检修,拆解情况如下:

(1)拆烟机入口短节、导流锥、烟机气封检查发现:烟机静叶、转子动叶结垢较明显,动叶内弧面结整片垢层;烟机气封无异常,气封孔无严重堵塞(图8所示)。

图8 静叶导流板垢层、动叶围带垢层、动叶内弧面结垢、气封无异常

(2)对转子跳动、壳体端面垂直度、同心度、气封间隙进行检查[2],测量值如表1～表5所示,数据均在正常范围。

表2 端面垂直度

表3 圆周同心数据

表4 气封环I半径间隙

表5 气封环Ⅱ半径间隙

(3)轴瓦接触检查,烟机径向轴瓦和止推轴瓦接触情况超过总面积70%,轴瓦接触良好,进一步排除由于轴瓦接触不良导致运行润滑不良,引发烟机振动高的情况。

拆解结论如下:

(1)机组动静叶、气封配合部件无明显异常,动静叶结垢严重是导致机组振动升高的主因。

(2)转子轴系各部位无严重弯曲,不是机组振动主因。

(3)气封无磨损,轴瓦与轴系配合度良好,不是导致机组振动主因。

3 工艺运行分析

该催化装置再生部分流程为催化剂经再生器烧焦后的高温烟气经再生器旋风分离器分离后进入三旋,经三旋使催化剂和烟气进一步分离,分离后带有少量催化剂细粉的高温烟气进入烟机做功。影响烟机组正常运行的因素主要为烟机入口温度、压力、入口流量及烟机入口粉尘浓度,工艺运行做如下分析。

3.1 工艺运行参数

烟机工艺运行参数如图9所示,进再生器主风量、烟机入口温度、压力、烟机出口温度、压力在运行期间较平稳,无大幅度波动或超过设计值点。排除烟机超设计参数运行引故障。

图9 烟机工艺参数运行曲线

3.2 烟机运行参数与设计参数对比

烟机设计参数如下:

主风机风量:5500Nm3/min;烟气流量:5450Nm3/min;烟机入口压力:0.385MPa (A);入口温度:660 ℃;出口压力:0.0118MPa(A); 出口温度:480 ℃。

根据烟机理论功率计算式[3]

(1)

式中:Ne——烟机功率,kW;Qe——烟气流量,Nm3/min;Te1——烟机入口温度,K;Te2——烟机入口温度,K;ke——烟气绝热指数, 取1.372(根据烟气组成);Pe1——烟机入口压力,MPa(a);Pe2——烟机出口压力,MPa(a);ηe——烟机绝热效率;ηbm——机械效率;0.98。

由式(1)可以计算得出烟机原设计理论做功率为Ne=23830kW。

而实际运行参数情况如下:

主风机风量:5250Nm3/min;烟气流量:5150Nm3/min;烟机入口压力:0.265MPa (A);入口温度:660 ℃;烟机出口压力:0.015MPa (A);出口温度:480 ℃。

实际主风机理论耗功计算如下:

(2)

(3)

(4)

式中:Nb——主风机功率,kW;Qb——主风流量,Nm3/min;Tb1——风机入口温度,K;Tb2——风机入口温度,K;kb——空气绝热指数;1.4/1.414;Pb1——风机入口压力,MPa(a);Pb2——风机出口压力,MPa(a);ηpol——风机多变效率;ηbm——机械效率,0.98;m——多变指数,T、P不变,m随ηpol增加非线性减小。

由式(2)～式(4)计算可知,实际运行主风机组运行理论耗功为Nb=23710kW。

从以上计算可知,烟机设计功率(23830kW大于主风机实际运行最大耗功(23710kW),按照能量守恒原则,主风机做功应为催化裂化反应耗功、系统损失及烟机做功之和,主风机理论耗功应大于烟机做功能力,故此烟机设计参数偏大,实际运行烟气量及烟机入口压力均无法达到设计值,导致烟机入口蝶阀不能全开,烟机绝热效率及回收功率低于设计值,烟气停留时间长,更易结垢。

3.3 烟机入口粉尘含量

正常生产运行中,烟机入口烟气中粉尘含量是影响烟机长周期运行的重要因素,根据中石化近年统计,烟机故障停机的75%与烟机结垢有关[4]。统计数据分析表明:颗粒浓度越高,结垢几率越大;颗粒度小于50mg/m3时,不发生结垢;颗粒浓度高于190mg/m3时,结垢几率为100%。由此以2020年至2021年为例,对该年度烟气入口粉尘含量及催化剂使用情况进行分析如下。

(1)新鲜剂使用

以2020年做分析,该催化裂化装置新鲜剂由于原料中Fe含量高,平衡剂上Fe含量最高达12000μg /g为增加应对原料性质劣化性,增加抗金属组元更换为某催化剂公司司生产的CMT-1HN型催化剂,查新鲜剂粒度分布情况可知,2020年新鲜剂粒度分布较稳定,0～40μm维持在9～13μm之间,20～40μm维持在8～12μm之间,40～80μm基本维持在40～44μm之间,新鲜剂粒度分布较稳定,对烟机结垢产生影响有限。

(2)助剂使用

催化剂细粉静电吸附作用以及平衡催化剂上钙,铁等离子含量过高是催化剂细粉结垢的成因。从流体力学角度讲,与常规催化剂颗粒A类粒子不同,小于10μm的固体颗粒(属于c类粒子)本身由于分子间范德华力作用,粘结性强,不易流动,增加烟机结构风险。催化剂性质中对烟气中细粉含量影响较大的因素还有磨损指数,当系统中加入其他催化反应助剂后,会由于主剂与助剂在配方、制造工艺上的不同,三者间的理化性质存在一定程度的差异,当几种催化剂在反再系统并存时,助剂与主催化剂在粒径分布、磨损指数与新鲜剂的偏差,会导致催化剂之间的磨损加快,细粉变多,可能是导致烟机结垢的影响因素之一[5]。

2020年度加注情况及烟机入口粉尘浓度如表6～表8所示,该年度丙烯助剂和脱硝助剂较大加注期集中在4月、5月、6月三个月,同时上述三个月现场测得三旋出口烟气粉尘浓度分别为190.9 mg/m3、190.1 mg/m3、197.1 mg/m3,判断助剂的使用对烟机入口烟气粉尘浓度升高存在影响,进而可能导致烟机结垢倾向增加。

表6 丙烯助剂加注情况统计表

续表

表7 脱硝助剂加注情况统计表

表8 年度烟机入口烟气粉尘浓度统计表

4 结论

综合上述分析总结,烟机振动高的主要原因如下:

(1)烟机设计裕量过大,与工艺运行参数不匹配,入口蝶阀无法全开,增加机组结垢速度。

(2)高温环境下转子可能发生热弯曲变形,会导致轴系振动不稳,轮盘端轴承箱油封处存在碰磨。

(3)转子联轴端油膜刚度不足。

(4)烟机入口粉尘含量偏高,烟机运行结垢导致振动上升。

5 改进措施

针对上述分析结论,利用检修期间进行如下优化。

(1)增加机组暖机时间,保证机组各部件缓慢温升,改善转子热弯,避免升温阶段的动静轻微碰磨。

(2)对联轴端轴瓦供油改造,径向瓦和止推瓦单独供油,改善驱动端径向瓦油膜支撑刚度。

(3)按照实际运行参数,对烟机与工艺匹配情况重新核算,对转子动、静叶流通量重新核算改造。

(4)改善烟机运行环境,对催化三旋旋风分离器进行优化改造来降低烟机入口烟气粉尘浓度。

(5)相关统计证明,烟机轮盘冷却蒸汽量对烟机结垢有直接影响,部分企业可以控制在1t/h以内。本台烟机轮盘冷却蒸汽量约为1.7t/h,原设计正常工作流量为1.2t/h,一定程度上增加烟机结垢倾向。为进一步降低烟机轮盘冷却蒸汽量,对烟机转子进行叶根保护技术改造[6],在原有轮盘叶根部位增加幅板,与幅板内侧相配合的静叶组件上增加蜂窝密封,使蒸汽在整个轮盘部位形成蒸汽腔,提高蒸汽轮盘冷却效率,降低轮盘冷却蒸汽用量。同时有效降低了蒸汽进入动叶流道,进而有效降低了动叶结垢。改造后烟机轮盘冷却蒸汽用量为0.8 t/h,减少了蒸汽损耗,提升了运行效益。

(6)工艺方面,建议改善提升管操作,选用低速雾化效果好的喷嘴;控制再生器温度,保证汽提、提升效果下优化反应再生操作条件,控制水蒸气量,减少催化剂热崩造成的破碎,努力降低烟气进入烟机的粉尘含量,同时加强催化三旋出口烟气分析。另外,优化催化新鲜剂和助剂使用配方,改善FCC催化剂筛分组成和耐磨性能,降低新鲜剂细粉含量,在保证流化情况下新鲜催化剂中小于20μm组分不大于 3%(w) 。

(7)由于转子使用周期较长,转子轴颈处的测振带是否存在粗糙度超标,建议检修时对测振带检查修复。