CN105240288B - 一种提高单级大功率烟机效率的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高单级大功率烟机效率的装置，其特征是：至少包括：烟机、轴流风机、齿轮箱、电机，烟机、轴流风机、齿轮箱、电机分别固定在底座上，烟机、轴流风机、齿轮箱、电机依次从左向右同轴连接；烟机的转子组件输出通过齿轮箱与电机轴连接。本发明具有安全可靠、效率高等特点。

Description

一种提高单级大功率烟机效率的装置

技术领域

本发明涉及石化炼油厂催化、裂化中的烟气能量回收设备—烟气轮机，特别是一种提高单级大功率烟机效率的装置。

背景技术

国内以西航生产的TP型和兰炼生产的LY型轴向进气、径向排气、悬臂支撑式结构烟机为主流。目前国内单级烟机效率普遍维持在79％左右，与用户期望效率仍有差距。因此，在保证烟机安全可靠的工作前提下，优化和提高单级大功率烟机效率是亟待解决的重要课题。

国内两大厂家在优化和提高单级大功率烟机效率方面都进行了积极的探索。西航生产的TP型烟机完全按照用户提供的烟气参数和工作状况进行设计研制，气动结构和强度储备更加合理、安全可靠。尤其在近期研制的TP18（功率1100KW）和TP11（功率1700KW）单机大功率烟机，把成熟的航空发动机设计和制造技术及结构形式应用于该设备，并按军品严控了特殊精密过程的技术状态和关重特性，使其效率提高到84%，在线运行多个周期，安全可靠，受到了用户的极大关注和赞誉。

发明内容

本发明的目的是提供一种安全可靠、效率高的一种提高单级大功率烟机效率的装置。

本发明的目的是这样实现的，一种提高单级大功率烟机效率的装置，其特征是：至少包括：烟机、轴流风机、齿轮箱、电机，烟机、轴流风机、齿轮箱、电机分别固定在底座上，烟机、轴流风机、齿轮箱、电机依次从左向右同轴连接；烟机的转子组件输出通过齿轮箱与电机轴连接。

所述的烟机包括：底座、冷却管、导流锥、进气机壳、热电偶、静叶、静叶轮盘、入口法兰、扩压器、出口法兰、轴端密封、轴承箱盖、检测探头、后轴承部件、转子组件、回油口、轴承箱座、前轴承部件、进油口、轴承密封；底座为钢板焊接件，与入口法兰两侧的焊接支耳、轴承箱座底板通过螺栓连接固定；底座支承入口法兰、扩压器、出口法兰焊接形成的排气机壳及轴承箱座的重量，使烟机本体的中心标高不变；进气机壳是烟气入口通道；导流锥焊接在进气机壳内；导流锥外型成二次抛物线形，内部中空，导引烟气分布均匀，并流向静叶、动叶；导流锥顶面对着入口烟气，而导流锥底部对着静叶轮盘；静叶轮盘安置在导流锥之后，用螺栓紧固在进气机壳后端部，它与进气机壳之间留有热膨胀间隙；静叶轮盘上安装有由高温合金棒材模锻成型加工的静叶，叶片表面喷涂有高温耐磨涂层；轴承箱座和轴承箱盖采用钢板焊接成水平剖分结构的箱体，用螺栓连接成为整体；箱体内部由前轴承部件、后轴承部件、转子组件组成；轴承箱座外部焊接有轴承润滑油进油口、回油口、轴承箱盖左端装有轴端密封和轴承密封，右端装有检测探头。

所述的入口法兰、扩压器、出口法兰均匀由不锈钢板焊形成壳体，在壳体外表面焊有加强筋形成排气壳体，是烟气出口通道；入口端法兰两侧焊接有两个支耳与在底座上的两个支座通过螺栓连接固定，入口端法兰的法兰安装边与进气机壳右端法兰安装边通过螺栓连接固定；烟气进入进气机壳，经过入口法兰，从排气机壳顶上出口法兰排出。

所述的导流锥内安装了一条冷却管，冷却蒸汽通过冷却管径向进入导流锥，再转折成轴向喷射到静叶轮盘上，然后蒸汽穿过轮盘的轴向通孔导引至冷却动叶轮盘。

所述的进气机壳上表面安装了一个带有承插管的热电偶，该承插管以约 60°斜插穿过导流锥延伸到静叶轮盘。

所述的前轴承部件由径向轴承和油封组成；后轴承部件由径向轴承和止推轴承及油封组成；径向轴承用于承受转子组件径向质量载荷和振动载荷，而轴向止推轴承主要承受气体流经转子组件时气流速度在轴向发生动量变化而产生的轴向力。

所述的轴承密封是水平剖分式密封环组成，下半环与轴承箱座焊接成为一体，上半环与轴承箱盖左端面及轴承箱座水平剖分面用螺栓和定位销固定连接，轴承密封采用油封和气封两级密封对前轴承部件的径向轴承进行密封轴。

所述的轴端密封是水平剖分式不锈钢密封环组成，下半环与排气机壳焊接成为一体，上半环可拆卸，它的中分面和下半环中分面螺栓连接形成整体密封机构。

所述的烟机前轴承部件、后轴承部件的轴承润滑、冷却所需要的润滑油从进油口由进油管分别进入前、后端径向轴承和止推轴承，回流至轴承箱座，由回油口排出。

所述的转子组件包括：转子轴、动叶轮盘、动叶、拉杆螺栓；转子轴由合金钢锻造，动叶轮盘为实心结构，动叶轮盘开有枞树形叶根榫槽与带枞树形叶根的动叶配合，并用锁紧片将动叶锁紧固定在轮盘的榫槽内，且保留 0.10 ~ 0.25mm 的热膨胀间隙；动叶由高温合金棒材模锻成型，并在叶形表面喷涂耐高温磨损涂层；拉紧螺栓将动叶轮盘和转子轴联结固定。

本发明的特点是：

1. 采用炼厂提供的过热蒸汽（0.98MPa、250℃）进行轮盘冷却和封严。蒸汽通过冷却管，径向进入导流锥，再转折成轴向喷射到静叶轮盘上，然后蒸汽穿过轮盘的轴向通孔导引至冷却动叶轮盘，降低轮盘和静叶、动叶工作温度。同样设置压差变送器、调节阀检测以及低压报警装置，保持蒸汽压力为0.8MPa。

2. 采用迷宫式结构多级密封的轴端密封和轴承密封，轴端密封采用蒸汽和压缩空气两级迷宫密封，蒸汽封烟气，压缩空气封蒸汽，保证烟气不外泄。轴承密封采用油封和气封两级密封对前轴承部件的径向轴承进行密封。油封保证润滑油不泄漏；气封防止润滑油漏出与排气机壳接触引起火灾。通过设置压差变送器和调节阀检测，保持蒸汽压比烟气压高出0.007MPa，压缩空气压力保持在0.004MPa，并设有低压报警装置。

3. 采用通过轴承箱座外部焊接的进油口接入油管对烟机前轴承部件、后轴承部件的轴承进行润滑、冷却后回流至轴承箱座，由回油口排出。润滑油压力一般控制在 0.15～0.18 MPa，润滑油入口温度≤40-50℃。

4. 采用带有承插管的热电偶监测静叶轮盘的温度，该承插管以约 60°斜插穿过导流锥延伸到静叶轮盘。这样，烟机工作时，控制静叶轮盘的盘前温度≤350℃。

5. 采用检测探头仪表监测系统保证烟机可靠运行。烟机的轴承箱座安装了检测探头，用于监测轴承温度、烟机进出口温度和转子轴的振动、位移、转速。保持正常工况下，前轴承部件的径向轴承温度≤95℃、后轴承部件的推力轴承温度≤100℃、烟机入口温度≤680℃、烟机出口温度≤520℃、转子轴的轴振动≤47μm、轴位移为0、正常工作转速5865r/min，并设置有报警并联锁停机系统。若转子轴的轴振动≥57μm，轴位移≥0.3mm，超出正常检测范围时烟机将会报警并联锁停机。

附图说明

下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：

附图1是对本发明实施例烟机、风机、电机联动示意图；

附图2是对本发明实施例单级烟机转子组件结构示意图；

附图3是对本发明实施例单级烟机结构示意图。

图中，1. 烟机；2.轴流风机；3.底座；4.齿轮箱；5.电机；101.底座；102.冷却管；103. 导流锥；104.进气机壳；105.热电偶；106.静叶；107.静叶轮盘；108.入口法兰；109.扩压器；110. 出口法兰；111.轴端密封；112.轴承箱盖；113.检测探头；114. 后轴承部件；115.转子组件；115-1.转子轴；115-2.动叶轮盘；115-3.动叶；115-4.拉杆螺栓；116.回油口；117.轴承箱座；118.前轴承部件；119. 进油口；120.轴承密封。

具体实施方式

如图1所示，一种提高单级大功率烟机效率的装置，至少包括：烟机1、轴流风机2、齿轮箱4、电机5，烟机1、轴流风机2、齿轮箱4、电机5分别固定在底座3上，烟机1、轴流风机2、齿轮箱4、电机5依次从左向右同轴连接；烟机1的转子组件115输出通过齿轮箱4与电机5轴连接。

工作时，烟机1通过炼油工艺中的高温高压烟气做功，带有压力（约0.3MPa）的高温烟气（约680℃）经过烟机1的进气机壳104和静叶106整流后，均匀地进入动叶115-3，膨胀做功，推动烟机1的转子组件115旋转；同时，烟气的温度和压力降低，将热能与压力能转变成机械能；驱动烟机转子组件115高速旋转，烟机转子组件115高速旋转的同时，带动轴流风机2正常运行或替代发电。

所述的烟机1包括：底座101、冷却管102、导流锥103、进气机壳104、热电偶105、静叶106、静叶轮盘107、入口法兰108、扩压器109、出口法兰110、轴端密封111、轴承箱盖112、检测探头113、后轴承部件114、转子组件115、回油口116、轴承箱座117、前轴承部件118、进油口119、轴承密封120；其中转子组件115由转子轴115-1、动叶轮盘115-2、和动叶115-3、拉杆螺栓115-4构成，是烟机1工作的核心(见图2、图3)。

底座101为钢板焊接件，与入口法兰108两侧的焊接支耳、轴承箱座117底板通过螺栓连接固定。底座101支承入口法兰108、扩压器109、出口法兰110焊接形成的排气机壳及轴承箱座117的重量，保证烟机1的中心标高不变。

进气机壳104为不锈钢焊接件，是烟气入口通道。导流锥103为不锈钢铸件，并焊接在进气机壳104内。导流锥103外型成二次抛物线形，内部中空，导引烟气分布均匀，并流向静叶106、动叶115-3。导流锥103顶面对着入口烟气，而导流锥底部对着静叶轮盘107。

静叶轮盘107安置在导流锥103之后，用螺栓紧固在进气机壳104后端部，它与进气机壳104之间留有热膨胀间隙。静叶轮盘107上安装有由高温合金棒材模锻成型加工的静叶106，叶片表面喷涂有高温耐磨涂层。

导流锥103内安装了一条冷却管102，冷却蒸汽通过冷却管径向进入导流锥103，再转折成轴向喷射到静叶轮盘107上，然后蒸汽穿过轮盘的轴向通孔导引至冷却动叶轮盘115-2。

进气机壳104上表面安装了一个带有承插管的热电偶105，该承插管以约 60°斜插穿过导流锥103延伸到静叶轮盘107。这样，烟机1工作时，温度计可监测到静叶轮盘107的工作温度。

入口法兰108、扩压器109、出口法兰110均匀由不锈钢板焊形成壳体，在壳体外表面焊有加强筋，称为排气壳体，是烟气出口通道。入口端法兰108两侧焊接有两个支耳与在底座101上的两个支座通过螺栓连接固定，入口端法兰108的法兰安装边与进气机壳104右端法兰安装边通过螺栓连接固定。烟气进入进气机壳104，经过入口法兰108，从排气机壳顶上出口法兰110排出。

轴承箱座117和轴承箱盖112采用钢板焊接成水平剖分结构的箱体，用螺栓连接成为整体。箱体内部由前轴承部件118、后轴承部件114、转子组件115组成。轴承箱座117外部焊接有轴承润滑油进油口119、回油口116、轴承箱盖112左端装有轴端密封111和轴承密封120，右端装有检测探头113。

前轴承部件118由径向轴承和油封组成。后轴承部件114由径向轴承和止推轴承及油封组成。径向轴承用于承受转子组件115径向质量载荷和振动载荷，而轴向止推轴承主要承受气体流经转子组件115时气流速度在轴向发生动量变化而产生的轴向力。装配时，转子组件115相对于机壳的对中与定位通过轴承箱座117底面的调整垫片来调整，轴承箱座117用螺栓和定位销固定在底座101上。

轴承密封120是水平剖分式密封环组成，下半环与轴承箱座117焊接成为一体，上半环与轴承箱盖112左端面及轴承箱座117水平剖分面用螺栓和定位销固定连接，轴承密封120采用油封和气封两级密封对前轴承部件118的径向轴承进行密封轴。油封保证润滑油不泄漏；气封防止润滑油漏出与排气机壳接触引起火灾。

轴端密封111是水平剖分式不锈钢密封环组成，下半环与排气机壳焊接成为一体，上半环可拆卸，它的中分面和下半环中分面螺栓连接形成完整的密封机构。采用蒸汽和压缩空气两级迷宫密封，蒸汽封烟气，压缩空气封蒸汽，保证烟气不外泄。

烟机前轴承部件118、后轴承部件119的轴承润滑、冷却所需要的润滑油从进油口119由进油管分别进入前、后端径向轴承和止推轴承，回流至轴承箱座117，由回油口116排出。

转子组件115主要由转子轴115-1、动叶轮盘115-2、动叶115-3、拉杆螺栓115-4组成。转子轴115-1由合金钢锻造，动叶轮盘115-2为实心结构，采用耐热高温合金，经过模锻，热处理加工制成。

动叶轮盘115-2开有枞树形叶根榫槽与带枞树形叶根的动叶115-2配合，并用锁紧片将动叶115-3锁紧固定在轮盘的榫槽内，且保留 0.10 ~ 0.25mm 的热膨胀间隙。动叶115-3由高温合金棒材模锻成型，并在叶形表面喷涂耐高温磨损涂层。

拉紧螺栓115-4将动叶轮盘115-2和转子轴115-1联结固定，由于动叶轮盘115-2热膨胀变形等因素后，拉紧螺栓115-4需要具有足够预紧力。

转子组件115带半联轴节进行动平衡试验，精度达到 GB/T9239－1988 中G1级。转子轴115-1按刚性转子设计，设计寿命不小于 100000 小时，在规定温度下瞬时转速达到额定转速的 105%能安全运行后进行装配使用。

从运行工况检测到的电机功率减小值和烟机功率计算值可知，本发明烟机效率得到了明显提升。具体参数对比见下表：

表1.TP18-110/YL8000D烟机工况对照

本发明的原理是：根据烟机功率与效率的相关计算公式：

式中N—烟机功率，KW；η—烟机效率；G—烟气质量流量，kg.s ；

Cp—烟气定压比热，J/kg.k；T1—烟机入口温度，℃；P2—烟气出口压力（绝压），Pa；P1—烟气入口压力（绝压），Pa；K—烟气绝热指数。

从烟机功率公式可以看出烟机效率与功率成正比关系，而烟气入口温度、入口压力、出口压力和工作流量基本恒定，对效率影响是非主要因素。而烟机非正常工作工况的烟气扰动损失、烟气中催化剂颗粒对叶片的冲蚀损失和级间叶顶密封间隙选择不当，烟气泄露损失以及转子叶片扭角、光度控制不严和转子动平衡精度控制不高导致的过振动损失，才是影响烟机效率提升的主因。对此主因的有效控制和改进，是提高TP型单级大功率烟气轮机工作效率提升的有效途径和措施。

为了有效减少烟机非正常工作工况的烟气扰动损失、烟气中催化剂颗粒对叶片的冲蚀损失和级间叶顶密封间隙选择不当产生的烟气泄露损失，TP型单级大功率烟机针对恶劣的工作环境（高温、高压和烟气中大量的催化剂颗粒）及用户要求的烟气参数和工作工况，采用定制的气动结构、强度设计计算和校核实验，应用航空发动机气固两相流技术、扭弯叶片全三维造型技术和热态榫头/叶顶间隙技术，从设计源头上减小了烟气非正常工况下扰动损失、冲蚀损失和泄漏损失，保证了烟机长周期（约3年）工作转速下，烟气通流顺畅、结构设置合理、强度储备足够和安全可靠工作，完全匹配用户的提供的烟气参数和工况需求，这是TP型单级大功率烟机效率提升的关键举措。

为了有效减少烟机动叶115-3、静叶106的扭角、光度控制不严和转子组件115动平衡精度控制不高导致的过振动损失，TP型单级大功率烟机制造严格按照设计图要求，采用转子组件115、静叶轮盘107按准军品穿插于军品线，对转子组件115、静叶轮盘107等特材理化性能，动叶115-3、静叶106的扭角和光度等关重件物理特性及特殊精密过程技术状态进行严格控制，应用航空发动机叶片无余量精锻、精铸技术、扭弯叶片五坐标精加工技术和大直径和长轴颈盘轴工装保证技术，以及精密的高速动平衡技术、空载热负试验和装机投运控制技术，从制造根基上保证了设计要求的准确实施、长轴1500跨度3‰的跳动值和转子33g.cm的平衡精度，避免了过振动损失的发生，这是TP型单级大功率烟机效率提升的重要保障。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (6)

1. 一种提高单级大功率烟机效率的装置，其特征是：至少包括：烟机（1）、轴流风机（2）、齿轮箱（4）、电机（5），烟机（1）、轴流风机（2）、齿轮箱（4）、电机（5）分别固定在底座（3）上，烟机（1）、轴流风机（2）、齿轮箱（4）、电机（5）依次从左向右同轴连接；烟机（1）的转子组件（115）输出端通过齿轮箱（4）与电机（5）轴连接；所述的烟机（1）包括：底座（101）、冷却管（102）、导流锥（103）、进气机壳（104）、热电偶（105）、静叶（106）、静叶轮盘（107）、入口法兰（108）、扩压器（109）、出口法兰（110）、轴端密封（111）、轴承箱盖（112）、检测探头（113）、后轴承部件（114）、转子组件（115）、回油口（116）、轴承箱座（117）、前轴承部件（118）、进油口（119）、轴承密封（120）；底座（101）为钢板焊接件，与入口法兰（108）两侧的焊接支耳、轴承箱座（117）底板通过螺栓连接固定；底座（101）支承入口法兰（108）、扩压器（109）、出口法兰（110）焊接形成的排气机壳及轴承箱座（117）的重量，使烟机本体的中心标高不变；进气机壳（104）是烟气入口通道；导流锥（103）焊接在进气机壳（104）内；导流锥（103）外型成二次抛物线形，内部中空，导引烟气分布均匀，并流向静叶（106）、动叶（115-3）；导流锥（103）顶面对着入口烟气，而导流锥底部对着静叶轮盘（107）；静叶轮盘（107）安置在导流锥（103）之后，用螺栓紧固在进气机壳（104）后端部，它与进气机壳（104）之间留有热膨胀间隙；静叶轮盘（107）上安装有由高温合金棒材模锻成型加工的静叶（106），叶片表面喷涂有高温耐磨涂层；轴承箱座（117）和轴承箱盖（112）采用钢板焊接成水平剖分结构的箱体，用螺栓连接成为整体；箱体内部由前轴承部件（118）、后轴承部件（114）、转子组件（115）组成；轴承箱座（117）外部焊接有轴承润滑油进油口（119）、回油口（116）、轴承箱盖（112）左端装有轴端密封（111）和轴承密封（120），右端装有检测探头（113）；所述的入口法兰（108）、扩压器（109）、出口法兰（110）均由不锈钢板焊形成壳体，在壳体外表面焊有加强筋形成排气壳体，是烟气出口通道；入口法兰（108）两侧焊接有两个支耳与在底座（101）上的两个支座通过螺栓连接固定，入口法兰（108）的法兰安装边与进气机壳（104）右端法兰安装边通过螺栓连接固定；烟气进入进气机壳（104），经过入口法兰（108），从排气机壳顶上出口法兰（110）排出；所述的导流锥（103）内安装了一条冷却管（102），冷却蒸汽通过冷却管径向进入导流锥（103），再转折成轴向喷射到静叶轮盘（107）上，然后蒸汽穿过静叶轮盘的轴向通孔导引至冷却动叶轮盘（115-2）；所述的转子组件（115）包括：转子轴（115-1）、动叶轮盘（115-2）、动叶（115-3）、拉杆螺栓（115-4）；转子轴（115-1）由合金钢锻造，动叶轮盘（115-2）为实心结构，动叶轮盘（115-2）开有枞树形叶根榫槽与带枞树形叶根的动叶（115-3）配合，并用锁紧片将动叶（115-3）锁紧固定在动叶轮盘的榫槽内，且保留 0.10 ~ 0.25mm 的热膨胀间隙；动叶（115-3）由高温合金棒材模锻成型，并在叶形表面喷涂耐高温磨损涂层；拉紧螺栓（115-4）将动叶轮盘（115-2）和转子轴（115-1）联结固定。

2.根据权利要求1 所述的一种提高单级大功率烟机效率的装置，其特征是：所述的进气机壳（104）上表面安装了一个带有承插管的热电偶（105），该承插管以约 60°斜插穿过导流锥（103）延伸到静叶轮盘（107）。

3.根据权利要求1所述的一种提高单级大功率烟机效率的装置，其特征是：所述的前轴承部件（118）由径向轴承和油封组成；后轴承部件（114）由径向轴承和止推轴承及油封组成；径向轴承用于承受转子组件（115）径向质量载荷和振动载荷，而止推轴承主要承受气体流经转子组件（115）时气流速度在轴向发生动量变化而产生的轴向力。

4.根据权利要求1所述的一种提高单级大功率烟机效率的装置，其特征是：所述的轴承密封(120) 是水平剖分式密封环组成，下半环与轴承箱座(117) 焊接成为一体，上半环与轴承箱盖(112) 左端面及轴承箱座(117) 水平剖分面用螺栓和定位销固定连接，轴承密封(120) 采用油封和气封两级密封对前轴承部件(118) 的径向轴承进行密封。

5.根据权利要求1所述的一种提高单级大功率烟机效率的装置，其特征是：所述的轴端密封（111）是水平剖分式不锈钢密封环组成，下半环与排气机壳焊接成为一体，上半环可拆卸，它的中分面和下半环中分面螺栓连接形成整体密封机构。

6.根据权利要求1所述的一种提高单级大功率烟机效率的装置，其特征是：所述的烟机前轴承部件（118）、后轴承部件（114）的轴承润滑、冷却所需要的润滑油从进油口（119）由进油管分别进入前、后端径向轴承和止推轴承，回流至轴承箱座（117），由回油口（116）排出。