催化剂结垢引起的烟气轮机转子振动特性分析.pdf

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1、190化工机械2017正催化剂结垢引起的烟气轮机转子振动特性分析陈帅甫王建军金有海(中国石油大学(华东)化学工程学院)摘要采用ANSYS软件对烟气轮机转子进行数值建模，对叶片表面结垢引起的烟气轮机转子振动特性进行分析。研究了模型在带有催化剂结垢情况下的振动特性，并探索了催化剂结垢质量变化的情况下。烟气轮机转子振动特性的变化规律；预测不同位置和质量的结垢对烟气轮机转子振动特性的影响规律。结果表明：烟气轮机叶片表面结垢的3个参数(偏心距、周向角度、质量)对转子振动特性的影响各不相同。结垢质量大小和偏心距严重影响烟气轮机转子振动速度，

2、质量越大、偏心距越大振动速度越大．而结垢的周向角度对转子振动速度的大小没有影响。关键词烟气轮机结垢转予振动特性中图分类号TQ051．1文献标识码A文章编号0254—6094(2017)02-0190-06炼油厂催化裂化装置的能量回收系统是催化裂化装置的重要组成部分，主要作用是以催化剂再生烧焦过程中产生的高温烟气为介质，通过核心设备烟气轮机对外做功，用于发电或驱动催化裂化装置的主风机，从而达到能量回收和降低装置能耗的目的¨’2。。但是近年来，随着重油、渣油等劣质原油的大量加工，高温烟气中催化剂颗粒在烟机动叶片和围带上的结垢现象日益

3、普遍。结垢会影响催化烟机转子的动平衡，造成催化烟机振动异常、叶片断裂及冲蚀等故障，严重影响催化裂化装置长周期安全运行，甚至导致烟气能量回收的经济效益无法实现”1。同时催化裂化再生装置运行需要风机提供大量的空气，一旦烟气轮机出现故障甚至停机，风机就需要电动机带动，在故障检修期间就需要花费数十万的电费，除此之外，再加上检修费、配件费等花费，一次烟气轮机故障将造成近上百万的损失。因此，为避免烟机振动超标导致催化裂化装置无法长周期运行，预测不同程度结垢对烟机转子振动特性的影响就显得非常必要。1现场烟气轮机转子振动特性烟气轮机的常见故障包

4、括叶片磨损、断裂、粉尘堆积、动静摩擦、动平衡破坏、同心度偏移、油膜失稳及壳体变形等，对安全生产影响较大的是转子振动超标。除了设计、制造、装配方面的原因外，烟机在运行过程中催化剂颗粒在动叶片表面结垢造成的转子不平衡是烟机转子振动的主要原因H“o。图1为由于催化剂结垢引起的振动造成烟气轮机故障的现场照片。通过对烟气轮机转子振动的在线监测和数据分析可见，频谱图显示振动信号中一倍频振动速度增大明显(图2)，时域波形图为规则的正弦曲线，结合现场情况判断振动增大是由催化剂在烟气轮机转子上结垢造成¨’8o。图1现场烟气轮机结垢图基金项目：山东

5、省自然科学基金项目(ZR2015EM026)。作者简介：陈帅甫(1988-)，博士研究生，从事旋转机械振动监测的研究，linxuanl958@163．tom。第44卷第2期化工机械19l图2烟机转子振动时域波形图和频谱图2数值模拟计算2．1烟气轮机转子建模通过测量得到烟气轮机单个叶片的尺寸数据，采用Gambit软件对叶片单独进行建模后导入ANSYS软件中。轮盘和轴的建模在ANSYS中进行，并设置轴线方向为戈轴，与轴线垂直的水平方向为。轴，竖直方向为Y轴，建模完成后的烟气轮机转子模型如图3所示。图3烟气轮机转子模型2．2网格划分模

6、型的网格选用四面体单元，自由网格划分。叶片、轮盘和轴的单元类型为Solidl87，轴承支承采用弹簧阻尼单元Combinl4进行模拟，位置在轴颈的中间对称面处，分别将这两个界面记为面1、2，其中面1靠近轮盘一侧，面2靠近联轴器一侧。划分网格后的模型结果如图4所示。2．3加载和计算烟机在实际运行过程中，动叶片上的结垢随着时间的推移而逐渐增多，同时结垢在各个叶片上的分布情况也因烟气中催化剂颗粒浓度和粒度图4网格划分结果分布、烟气的流量、温度及压力等工况参数的变化而出现不均匀现象。烟机转子的动叶片在运转中不可避免地会出现极其微小的振动，

7、而当围带上的结垢增厚导致动叶片叶顶与围带的间隙减小甚至局部没有间隙时，动叶片的叶顶就会和围带上的结垢发生碰磨。高速旋转的转子即使受到轻微的碰磨也会产生较大的振动，进而导致动叶片上的结垢出现不均匀的脱落现象。上述两种情况都会改变转子动叶片上的结垢质量分布均匀程度。通过将叶片上的块状结垢质量转换为质心位于叶片中心处的等价质点，可以得到叶片上结垢质量简化后的特征参数，即质量大小m，偏心距e(即该质点与轮盘中心处的距离)和周向角度Ot。不平衡质量对高速旋转的转子所产生的作用力可以用该质量的特征参数所表示的离心力进行描述阳川。如大小为m的

8、不平衡质量存在于偏心距为e、周向角度为a的地方，并且转子的转速为∞，那么它所产生的离心力F=∞。me。将该不平衡质量产生的离心力分解到y．z两个方向上，可以得到在Y、z两个方向上的分力分别为：F。=t02mecos(tot一理)F：2t02mesin(tot—a