高效导流板在烟气轮机上的应用及效果

第12期
高效导流板在烟气轮机上的应用及效果
米鹏锋1,2，张云杰1,2
（1.西安交通大学， 陕西 西安 710049）
（2.渤海装备兰州石油化工装备分公司， 甘肃 兰州 730060）
[摘 要] 从介绍提高烟气轮机效率的途径入手，简要叙述了“某导叶”结构的缺点，详细阐述了烟气轮机高效导流板的提效原理以及该结构的优点，并给出了成功案例。

[关键词] 烟气轮机；高效导流板；通流改造
作者简介：米鹏锋（1974—），男，甘肃静宁人，本科学历，高
级工程师，研究方向为烟气轮机技术研发。

烟气轮机是用于回收炼油厂催化裂化装置中再生烟气余能的专用透平设备。

经过近40年的发展，烟气轮机完全实现了从设计、制造、试验、工业应用、远程监测及系列化的目标。

烟气轮机的广泛应用不仅降低了催化装置的能耗，为用户带来可观的经济效益，同时也促进了与之相关的气固分离技术、高温合金材料、耐磨涂层、机组控制、监测及在线诊断等领域的科学研究及发展。

随着烟气轮机技术的不断进步，烟气轮机的长周期安全稳定运行问题已基本解决，提高烟气轮机的效率已成为各炼厂关注的又一重点。

1 提高烟气轮机效率的途径
提高热机效率是科技人员的不懈追求。

提高烟气轮机效率的方法很多，对已有烟气轮机而言，使之在设计参数附近运行是保障烟气轮机多出功的最有效方法；对新设计烟气轮机来说，符合三维设计理论的弯扭复合叶型是近年来烟气轮机提效方面的最新成果。

随着单级烟气轮机逐渐成为主流（国内
约占97%），“某导叶”的提效方式从汽轮机引入了烟气轮机。

2 “某导叶”提效的原理及缺点
在透平设计中，为了使做完功的气流顺畅排出，末级动叶片气流出气角偏离轴向的角度必须要小。

单级透平中，因动叶片的出气角较小，在速度三角形中，气流的周向分速度也较小，因而转化成使转子转动的能量较小，相应单级透平效率较低。

为了提高效率，研究人员想出了在单级
透平后增加一组静叶，这样，在设计中可以尽可能使动叶出气角增大，从而增大气流的周向分速度，以便使转化为转子转动的能量加大。

增加的一组静叶可以起到整流作用，使气流与轴向的夹角在理想范围，使气流顺畅地排出。

图1 单级烟气轮机及“某导叶”烟气轮机气流流动示意图
“某导叶”结构的烟气轮机，约可以提效0.3-0.5%，提效效果明显。

然而，由于增加了一组静叶片，在制造成本相应增加的同时，烟气轮机结
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技术交流
石油和化工设备2019年第22卷
图2 单级烟气轮机结构简图
图3 高效导流板设计分析及结构简图
图4 高效导流板实物照片
垢、冲蚀的故障频次增加，给长周期运行带来隐患。

另外，“某导叶”结构在烟气轮机改造中受已有空间的限制，实施起来难度较大。

3 一种新的提效方法—高效导流板
图2所示为单级烟气轮机结构简图，烟气通过
导流锥整流后进入静叶片膨胀加速，之后进入动
叶片，推动转子旋转，将机械能输出，烟气做完功之后，通过壳体排入烟道。

通常设计中，壳体的内外壳之间通过6-10块梭型筋板连接，梭型筋板只起到固定和加强的作用。

依据“某导叶”提效原理，将梭型筋板设计成叶片状的导流板，由导流板代替静叶片，达到提效的目的。

这种设计结构简单紧凑，易于实施，几乎不增加制造成本。

设计中，输入烟气轮机运行参数，通过CFD 流场分析软件对烟气轮机气动流场进行仿真模拟，通过运算，输出合理的导流板型线数据，利用型线数据对导流板进行三维建模，并用ANSYS 软件进行强度校核。

导流板制造工艺采用精密铸造形式，能够最大程度与设计型线保持一致。

高效导流板的实施方案充分考虑了烟机提效改造相关项目，既准确保证了高效导流板在动叶出口的设计角度及轴向位置，又充分考虑了现场实施方案的可行性，不论新机组或者改造机组，实施起来简单易行。

4 实施案例
某炼油厂YL8000型烟气轮机于2014年6
月实施了高效
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第12期 米鹏锋等 高效导流板在烟气轮机上的应用及效果
表2 烟气轮机更换高效导流板后三机组运行数据
表1 烟气轮机更换高效导流板前三机组运行数据
导流板现场改造方案，改造前、后三机组运行数据见表1、表2。

主风机AV56数据记录日期2013年5月入口压力，MPa（a）0.096入口流量，Nm 3/min 出口压力，MPa（a）
0.30出口流量，Nm 3/min 2250入口温度，℃15主风机耗功（kw）
10348.86
出口温度，℃221
烟气轮机YL8000烟机入口阀开度97%双动滑阀开度
2%，1%入口压力，MPa（a）0.27级数
单级出口压力，MPa（a）0.11入口流量，Nm 3
/min —入口温度，℃670烟气轮机输出功率（kw）
8551
出口温度，℃
521
电机YNH1000（电机效率0.97）
电压（V）10000电流（A）159功率因数0.68
电机功率（kw）
1815.86
齿轮箱功耗（kw）
19
主风机AV56数据记录日期2015年5月入口压力，MPa（a）0.096入口流量，Nm 3/min 出口压力，MPa（a）
0.301出口流量，Nm 3/min 2251入口温度，℃16主风机耗功（kw）
10301.82
出口温度，℃220
烟气轮机YL8000烟机入口阀开度97%双动滑阀开度
1%，1%入口压力，MPa（a）0.27级数
单级出口压力，MPa（a）0.11入口流量，Nm 3/min —入口温度，℃670烟气轮机输出功率（kw）
8600
出口温度，℃
509
电机YNH1000（电机效率0.97）
电压（V）10000电流（A）150.7功率因数0.68电机功率（kw）
1722
齿轮箱功耗（kw）
21式中：N bpol -主风机多变气体功率，kW ；Hp -多变过程能量头，J/kg ；G -空气的质量流量，kg/
S ；ηbpol -主风机多变效率；ηbm -主风机机械效率，由制造商负责提供；Z -空气的压缩性系数，Z=1；R- 气体常数，J/kg•K ，对空气：R=287J/kg•K ；T1 -空气的入口温度，K ；P1 -空气的入口
(1)主风机耗功计算：
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压力（绝压），kPa ；P2 -空气的出口压力（绝压），kPa ；n -多变指数；V5 -空气在273K ，100kPa 下的体积流量，m 3/min ；M -空气的平均分子量；K-绝热指数，对于空气，K=1.4；T2 -空气的出口温度，K 。

利用上述公式计算改造前、后风机耗功分别为：
N 风1=10348.86kw ，N 风2=10301.82kw (2)
电动机出功核算公式：
式中：N mo -电动机实际输出给机组的功率，kw ；N m -电动机输入功率，kw ；ηm -电动机效率（制造厂提供）；I -电流，A ；V -电压，kv ；cos Φ -电机的功率因数。

利用上述公式计算改造前后电机输出分别为：
N 齿1=1816.5kw ，N 电2=1714kw (3)齿轮箱耗功：N 齿1=19kw ，N 齿2=21kw
(4)利用机组功率平衡公式，可计算改造前、后烟气轮机实际输出功率。

N 烟＋N 风＋N 齿＋N 电＝0，烟气轮机做功N 烟取+；
N 烟1=-（N 风1＋N 齿1＋N 电1），主风机耗功N 风取–；
=-(-10348.86-19+1816.5)，齿轮箱耗功N 齿取–；
=8551kw ，主电机电动N 电取+；N 烟2=-（N 风2＋N 齿2＋N 电2）=-(-10301.82-21+1722)=8600kw
改造后烟气轮机输出功率提升：N 烟2-N 烟1=8600-8551=49kw 5 结束语
该烟气轮机自2014年6月实施高效导流板改造后，开车运行至2016年6月一个周期，烟气轮机的效率得到明显提升，且缓解了动叶片出气边封缘板及轮盘侧的冲蚀，保证了烟机的长周期、安全、稳定、高效运行。

一个周期间累计运行时间约1.7万小时，工业用电约0.68元/kwh ，改造后累计节约电费：1.7×49×0.68=56.6万元。

相对于某厂提出的某导叶烟气轮机，YL 型烟气轮机高效导流板的加工、制造、现场更换时间较短，且制造成本较低。

尤其是针对因增加脱硫脱硝催化装置而进行的烟气轮机通流部分改造，在无需更换原排气壳体的情况下便于现场改造，大大缩短了停工检修周期，为用户增加了可观的经济效益。

收稿日期：2019-08-30；修回日期：2019-10-11
◆参考文献
[1] HG/T 3650-2012，烟气轮机技术条件[S].
[2] 陈南雄，蒋苏. 某厂一级半烟气轮机技改措施及其效果[J].硫酸设计与粉体工程，2013，(3)：26-31.。