CN101418228B - 催化裂化烟气轮机全压力能回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于催化裂化烟气轮机的全压力能回收系统，包括烟气轮机、轴流空气压缩机和电动机/发电机，其特点在于对烟气轮机采用变转速控制的方法，将一台变速行星齿轮串联到原来固定转速的烟气轮机机组上，或者使用电动机变频装置，使机组在自动控制变转速和优化再生器压力的状态下运行，并使其无压力能损失在入口阀门的节流上，从而实现全压力能回收。根据烟气轮机机组配置的不同，有三种不同结构的变速行星齿轮供采用，即：普通型变速行星齿轮、特型变速行星齿轮和双向型变速行星齿轮。采用本发明，在进入烟气轮机的烟气流量小于设计值20％的情况下，与固定转速和固定再生器压力的操作方式相比，可以从催化裂化烟气中多回收约10％以上的动力。

Description

催化裂化烟气轮机全压力能回收系统

技术领域

本发明涉及一种用于石油化工领域的节能技术，更具体地说属于一种主要用于石油化工流化催化裂化装置烟气轮机的节能技术。

背景技术

流化催化裂化装置是炼油和石油化工厂重要的原油二次加工装置，目前我国正在运行的各种规模的流化催化裂化装置多达百余套，流化催化裂化装置为炼油厂和石油化工厂创造了巨大的经济效益。

为了保证重油流化催化裂化装置再生烟气能量的回收，以烟气轮机为核心的流化催化裂化装置能量回收系统技术得到迅速发展。图1为现有典型的入口阀节流控制催化裂化烟气轮机动力回收系统(部分压力能回收)示意图。包括烟气轮机1、轴流空气压缩机2、同步电动机/发电机3、齿轮箱10，这是国内外最普遍的典型三机组动力回收系统，由于采用入口阀8节流控制，没有及时优化再生器6的压力，所以它只能回收部分压力能，属于部分压力能回收系统。图中系统还包括第三级旋风分离器7、再生器压力控制器9、临界流量喷嘴15、旁路16和放空阀17。

由于现有催化裂化装置原料和处理量的变化或者烟气轮机设计得过大，它大部分时间在非设计工况下操作，而烟气轮机/空气压缩机组只能在固定转速下运行。烟气流量低于设计值而在一定的流速范围内，为了确保催化裂化装置的平稳操作，将再生器压力保持恒定，不得不自动控制烟气轮机入口蝶阀开度，即通过阀门节流来实现。在低烟气流量的情况下，大量烟气中的压力能白白耗费在入口阀的节流上面。目前国内外200多套的流化催化裂化动力回收系统中，都只能回收部分压力能，尚没有全压力能回收系统。

经检索未发现用于烟气轮机本身的变转速控制技术，其中与本发明相关的现有技术有：CN1057511A、CN1318686A、CN1239533A和US4399651A等，其中与本发明比较接近的是US4399651A，此专利为流化催化裂化动力回收机组的起动方法，用增加压缩空气比容的办法，降低起动负荷15％，但这也是一种固定转速的烟气轮机机组，不能实现全压力能回收，因而与本发明有实质上的不同。其它三件专利与本发明差别更大，所涉及的动力机组和方法，以及用途与效果都与本发明有实质上的不同。

发明内容

本发明的目的是将过去固定转速的烟气轮机/空气压缩机机组实现变转速和优化再生器压力运行，避免烟机入口截流，无压力能损失在入口阀门上，使烟气轮机实现全压力能回收，达到进一步节能的目的。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：这种用于催化裂化烟气轮机的全压力能回收系统，包括烟气轮机、轴流空气压缩机和电动机/发电机，其特点在于通过对烟气轮机采用变转速控制的方法，避免了采用入口阀门开度控制的固定转速烟气轮机在变工况时的压力能损失；并通过现有技术优化再生器压力，从而能实现烟气轮机的全压力能回收。

所述的烟气轮机的变转速控制方法是将一台变速行星齿轮串联到原来固定转速的烟气轮机机组上，或者使用电动机变频装置，使机组在自动控制变转速和优化再生器压力的状态下运行，并使其无压力能损失在入口阀门的节流上，从而实现全压力能回收。

所述的变速行星齿轮，根据烟气轮机机组配置的不同，有三种不同结构的变速行星齿轮供采用，即：普通型变速行星齿轮、特型变速行星齿轮和双向型变速行星齿轮。

在具体实施本发明的过程中：

所述的普通型变速行星齿轮的机组配置可以为：烟气轮机+轴流空气压缩机+电动机再配上普通型变速行星齿轮，是固定输入转速、可变输出转速实现变转速控制机组的一种配置。

所述的特型变速行星齿轮可以为可变输入转速和固定输出转速的行星齿轮。

所述的特型变速行星齿轮的机组可以是烟气轮机的直接发电机组，其配置可以为：烟气轮机+电动机/发电机再配上特型变速行星齿轮，它的特点是将轴流空气压缩机和烟气轮机分开成两个机组。

所述的特型变速行星齿轮的机组可以是一种三机组配置，其配置可以为：烟气轮机+轴流空气压缩机+电动机/发电机再配上特型变速行星齿轮；烟气轮机除了100％驱动轴流空气压缩机以外，如有剩余动力还可以发电。

可以所述的特型变速行星齿轮的机组是一种四机组，其配置可以为：烟气轮机+轴流空气压缩机+汽轮机+电动机/发电机再配上特型变速行星齿轮；在此配置中，可将汽轮机或者电动机/发电机作为起动用驱动机；在正常操作中，烟气轮机剩余动力和汽轮机一起，发电送入电网。

所述的双向型变速行星齿轮需要在两个方向传递动力，可以是一种三机组配置，其机组配置可以为：烟气轮机+轴流空气压缩机+电动机/发电机再配上双向型变速行星齿轮。

所述的双向型变速行星齿轮需要在两个方向传递动力，可以是一种四机组配置，其机组配置可以为烟气轮机+轴流空气压缩机+汽轮机+电动机/发电机(3)再配上双向型变速行星齿轮。

举例来说，在进入烟气轮机的烟气流量小于设计值20％的情况下，与固定转速和固定再生器压力的操作方式相比，可以从烟气中多回收10％以上的动力。中国某部门生产了约120多台YL型烟气轮机，其他部门也生产了约20台类似YL型的烟气轮机，除中国之外全世界其它地区生产了约130多台烟气轮机。假设按照中国在线烟气轮机的功率总和约为800MW计算，如果全部采用全压力能回收技术，能进一步节能5％以上，总共可增加节能40MW，每年可另外节电3亿2千万度，合人民币约1.5亿元。所需增加的投资可以在1-3年内全部回收。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

附图说明

图1为现有典型的入口阀节流控制催化裂化烟气轮机动力回收系统(部分压力能回收)示意图

图2为本发明变转速控制催化裂化烟气轮机动力回收系统(全压力能回收)的示意图

图3为本发明变转速控制催化裂化烟气轮机机组的6种配置的示意图

图4为本发明变转速控制催化裂化烟气轮机的节能效果示意图

图5为本发明变转速控制催化裂化烟气轮机三机组控制方案示意图

图6为本发明变转速控制催化裂化烟气轮机三机组外形简图

图7为普通型和双向型变速行星齿轮结构示意图

图8为特型变速行星齿轮结构示意图

具体实施方式

如图2所示，本发明是一种用于催化裂化烟气轮机的全压力能回收系统，包括烟气轮机1、轴流空气压缩机2、电动机/发电机3，其特点在于通过对烟气轮机1采用变转速控制的方法，避免了采用入口阀门开度控制的固定转速烟气轮机1在变工况时的压力能损失；并同时通过现有技术优化再生器(6)压力，从而能实现烟气轮机1的全压力能回收。

所述的烟气轮机1的变转速控制方法是将一台变速行星齿轮5串联到原来固定转速的烟气轮机机组上，或者使用电动机变频装置，使机组在自动控制变转速和优化再生器6压力的状态下运行，并使其无压力能损失在入口阀门8的节流上，从而实现全压力能回收。图2中的系统还包括第三级旋风分离器7、再生器压力控制器9、变速行星齿轮的电/液执行机构14，以及临界流量喷嘴15、旁路阀16和放空阀17。

所述的变速行星齿轮5，根据烟气轮机机组配置的不同，有三种不同结构的变速行星齿轮供采用，即：普通型变速行星齿轮11、特型变速行星齿轮12和双向型变速行星齿轮13。三种不同结构的变速行星齿轮均可从市场订货。

如图7、图8所示，所述的变速行星齿轮5，是一种无级变速的机械装置，它主要由一台转矩变换器(简称：变矩器)，一台固定行星齿轮和一台旋转行星齿轮所组成。通过可调转速变矩器，用液压油调节可调导叶位置，控制透平叶轮的转速和转向，将一部分动力分流叠加到旋转行星齿轮，来控制主驱动轴(输出轴)的转速。动力的主要部分(大约为75％)是通过主轴(输入轴)和行星齿轮机械地传递的，调速部分的动力仅为25％左右，故整机的效率可超过95％。。

图7为普通型和双向型变速行星齿轮结构示意图。普通型的技术非常成熟可靠，已有200台以上的使用经验。双向型的输入端(固定转速)为电动机/发电机，起动时，输入端(固定转速)的电动机作为动力源通过输出轴(可变转速)驱动空气压缩机作功和烟气轮机空转。在催化裂化装置正常操作时，烟气轮机动力驱动空气压缩机以外，还有剩余动力可以通过电动机/发电机发电。这时，输出端变成输入端，输入端变成输出端，转速不必调节，由电网的强大动力所控制。双向型的结构完全与普通型一致，但所有的推力轴承必须设计成双向的，能够承受电动机/发电机两种模式运行的全部推力。

图8为特型变速行星齿轮结构示意图。输入端(可变转速)联结烟气轮机，而输出端(固定转速)联结空气压缩机等。这种结构原设计用于风力发电装置上的风力叶轮调速，技术上也是成熟可靠的，其结构和普通型和双向型相反，主要部件和调速原理也是相似的。

如图3所示，在优化再生器压力的条件下，本发明变转速控制催化裂化烟气轮机机组，采用三种不同结构的变速行星齿轮，有6种机组配置方案：

图3中第(4)种图形是最普通的配置，是采用所述的普通型变速行星齿轮11的机组配置，为烟气轮机1+轴流空气压缩机2+电动机3再配上普通型变速行星齿轮11，是固定输入转速、可变输出转速实现变转速控制机组的一种配置。起动时，电动机3通过普通型变速行星齿轮11或者变频装置驱动轴流空气压缩机2，此时烟气轮机1空转。当催化装置达到正常工况时，烟气轮机1提供轴流空气压缩机2所需的绝大部分动力，电动机3提供轴流空气压缩机2所需的剩余动力，但烟气轮机没有剩余动力送入电网。此方案中，整个机组变转速控制，轴流空气压缩机2可采用固定静叶，其效率还能提高(参见图形4)，与可调静叶的产品作比较，价格可便宜约15％，降低动力消耗，也节省了维护费用。另外，还可省去一台齿轮箱10。在6种配置中，第(4)种配置投资少，机组效率高，技术上成熟可靠。

使用特型变速行星齿轮的机组配置如图3(1)、(2)、(3)有三种。所述的特型变速行星齿轮12是一个特型的变速行星齿轮，其特点是可变输入转速和固定输出转速，是技术上成熟可靠的设计。

图3中第(1)种配置在于所述的特型变速行星齿轮12的机组配置为烟气轮机1+电动机/发电机3再配上特型变速行星齿轮12，是烟气轮机1的直接发电机组，它的特点是将轴流空气压缩机2和烟气轮机1分开成两个机组。其优点是烟机如有任何故障都不影响催化装置正常操作，使开工率增加。

图3中第(2)种配置在于所述的特型变速行星齿轮12的机组配置为烟气轮机1+轴流空气压缩机2+电动机/发电机3再配上特型变速行星齿轮12，也是一种三机组配置，在轴流空气压缩机2和电动机/发电机3之间为齿轮箱10；烟气轮机1除了100％驱动轴流空气压缩机2以外，如有剩余动力还可以发电。

图3中第(3)种配置在于所述的特型变速行星齿轮12的机组配置为烟气轮机1+轴流空气压缩机2+汽轮机4+电动机/发电机3再配上特型变速行星齿轮12，也是一种四机组配置，在汽轮机4和电动机/发电机3之间为齿轮箱10；在此配置中，可将汽轮机或者电动机/发电机3作为起动用驱动机；在正常操作中，烟气轮机1剩余动力和汽轮机4一起，发电送入电网。

使用双向型变速行星齿轮的机组配置如图3(5)和(6)二种。

图3中第(5)种配置在于所述的双向型变速行星齿轮13需要在两个方向传递动力，其机组配置为烟气轮机1+轴流空气压缩机2+电动机/发电机3再配上双向型变速行星齿轮13，是一种三机组配置。

图3中第(6)种配置在于所述的双向型变速行星齿轮13需要在两个方向传递动力，其机组配置为烟气轮机1+轴流空气压缩机2+汽轮机4+电动机/发电机3再配上双向型变速行星齿轮13，是一种四机组配置。

使用双向型变速行星齿轮的第(5)种(三机组)和第(6)种(四机组)配置是最合理的组合。在这两种配置中齿轮箱已省去，使用变转速控制烟气轮机/固定静叶轴流空气压缩机机组，它的投资最少，节能数量最大。但是双向型变速行星齿轮需要在两个方向传递动力，在订货时制造厂必须进行双方向轴向力的计算，并要求给予技术保证。

如图4所示，图4为催化烟气轮机变转速控制的节能效果。利用图4可以估算变转速控制对比于入口阀节流控制(固定转速)在低烟气流量时的节能效果。图4中入口阀节流控制的理论值是根据过去发表的资料推算出来的，其实际值是流化催化裂化装置现场人员提供的。

以10MW烟气轮机为例，进行入口阀节流控制和变转速控制的经济比较和投资回收期的计算。如果烟机每年平均在80％流量下操作，配置为图3中的(2)。此时，用变速行星齿轮(特型)变转速控制烟机，对比于入口阀节流控制(实际值)，两者相差达1716kW。一年按操作8000小时计算，能回收1372.8万度电，一度工业用电的电价为0.5元到1元，一年能回收686.4万元到1372.8万元。新增投资(变速行星齿轮和基础等)估计为1000万元，则全部新增投资可以在8.5个月到17个月内回收回来。若以入口阀节流控制(理论值)计算，一年能回收747.2万度电，合373.6万元到747.2万元，全部新投资可以在16个月到32个月之内回收。

实施例：

图5为本发明变转速控制催化裂化烟气轮机三机组控制方案示意图，图6为本发明变转速控制催化裂化烟气轮机三机组外形简图。本方案以140万吨/年流化催化裂化装置的包括11MW的烟气轮机1、11MW的轴流空气压缩机2、12MW，1500rpm的同步电动机3的三机组为实例，采用11MW，1500/5700rpn的变速行星齿轮5控制机组变转速和优化再生器6压力的控制方案，代替烟气轮机1入口阀控制和轴流空气压缩机2可调静叶控制以后；在变工况运转时，烟气轮机1回收动力有较大的增加，轴流空气压缩机2消耗动力也显著减少。只要在烟气轮机1和轴流空气压缩机2设计参数合理选择的条件下，不留过多的裕量，则烟气轮机1差不多能承担轴流空气压缩机2全部耗能，电动机3空转，不耗电，如选用同步电动机反而能提高电网的功率因数，电力系统会给以补偿。图5中第三级旋风分离器7用于再生烟气的气固分离，再生器压力控制器9和变速行星齿轮的电/液执行机构14用于控制机组变转速和优化再生器压力，机组调速范围为：3700-5700rpm。

本机组的优越性为：

1、投资合理。轴流空压机的全静叶可调控制改为变转速控制以后，大约可节省15％的轴流空气压缩机的设备资金；可省去一台齿轮箱；除了变速行星齿轮必须进口外，其余设备全部选用国内产品。

2、操作费用最省。烟气轮机变工况运行时基本上能全部承担轴流空气压缩机的动力；如采用同步电动机，其空转时能提高电网的功率因数，能得到规定的补偿。

3、技术成熟、可靠性高。变速行星齿轮有160余套的成功经验，8年连续操作，不需维修；国产的同步电动机、烟气轮机和轴流空气压缩机在技术上非常成熟，机组可靠性高；再生器压力控制技术成熟，由控制中心发出4-20mA的电流信号，通过变速行星齿轮配套供应的电/液执行机构进行调速，机组变转速运行，成熟可靠。

4、维护费用最低。轴流空气压缩机使用固定静叶以后，减少维修/更换可调静叶和执行机构的工作量和费用；变速行星齿轮的维修费用极低；烟气轮机不是永远在最高的设计转速下运行，高温下离心应力减少，疲劳寿命增加。

Claims (8)

1.一种用于催化裂化烟气轮机的压力能回收系统，包括烟气轮机（1）、轴流空气压缩机（2）、电动机/发电机（3），并通过现有技术优化再生器（6）的压力，其特征在于：

进一步通过对烟气轮机（1）采用变转速控制的方法，避免了采用入口阀门开度控制的固定转速烟气轮机（1）在变工况时的压力能损失，从而进一步实现了烟气轮机（1）的全压力能回收；所述的烟气轮机（1）的变转速控制方法是：将一台变速行星齿轮（5）串联到原来固定转速的烟气轮机机组上，或者使用电动机变频装置，使机组在自动控制变转速的状态下运行，使其无压力能损失在入口阀门（8）的节流上，从而实现全压力能回收。

2.如权利要求1所述的催化裂化烟气轮机全压力能回收系统，其特征在于根据烟气轮机机组配置的不同，所述的变速行星齿轮（5）选自以下三种不同结构的变速行星齿轮之一：

普通型变速行星齿轮（11）、

特型变速行星齿轮（12）、

双向型变速行星齿轮（13）。

3.如权利要求2所述的催化裂化烟气轮机全压力能回收系统，其特征在于所述的特型变速行星齿轮（12）为可变输入转速和固定输出转速的行星齿轮。

4.如权利要求2所述的催化裂化烟气轮机全压力能回收系统，其特征在于所述的特型变速行星齿轮（12）的机组是烟气轮机（1）的直接发电机组，其配置为：烟气轮机（1）+电动机/发电机（3）再配上特型变速行星齿轮（12），它的特点是将轴流空气压缩机（2）和烟气轮机（1）分开成两个机组。

5.如权利要求2所述的催化裂化烟气轮机全压力能回收系统，其特征在于所述的特型变速行星齿轮（12）的机组是一种三机组配置，其配置为：烟气轮机（1）+轴流空气压缩机（2）+电动机/发电机（3）再配上特型变速行星齿轮（12）；烟气轮机（1）100%驱动轴流空气压缩机（2）。

6.如权利要求2所述的催化裂化烟气轮机全压力能回收系统，其特征在于所述的特型变速行星齿轮（12）的机组是一种四机组，其配置为：烟气轮机（1）+轴流空气压缩机（2）+汽轮机（4）+电动机/发电机（3）再配上特型变速行星齿轮（12）；在此配置中，将汽轮机或者电动机、发电机（3）作为起动用驱动机；在正常操作中，烟气轮机（1）剩余动力和汽轮机（4）一起，发电送入电网。

7.如权利要求2所述的催化裂化烟气轮机全压力能回收系统，其特征在于所述的双向型变速行星齿轮（13）需要在两个方向传递动力，是一种三机组配置，其机组配置为：烟气轮机（1）+轴流空气压缩机（2）+电动机/发电机（3）再配上双向型变速行星齿轮（13）。

8.如权利要求2所述的催化裂化烟气轮机全压力能回收系统，其特征在于所述的双向型变速行星齿轮（13）需要在两个方向传递动力，是一种四机组配置，其机组配置为：烟气轮机（1）+轴流空气压缩机（2）+汽轮机（4）+电动机/发电机（3）再配上双向型变速行星齿轮（13）。

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