延炼厂YLII8000C烟气轮机改造可行性报告.docx
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延长集团延安炼油厂
YLII8000C烟气轮机改造可行性研究报告
共14页
(含封面)
成都市成航发工艺有限公司
2010年3月23日
延长集团延安炼油厂YLII8000C烟气轮机改造可行性研究报告
前言
烟气轮机是催化裂化装置再生烟气能量回收的专用动力回收透平,是把催化裂化再生烟气中所具有的热能和压力能膨胀做功转变为机械能的高速旋转机械,其发出的功率用于驱动压缩机(即主风机)和发电,从而达到能量回收的目的。
国内现在运行的烟气轮机绝大部分为20多年前设计、生产的,不仅气动设计相对落后,效率较低,而且存在气流冲刷、催化剂堆积等问题,不能很好满足机组高可靠性、长周期运行的要求。
延安炼油厂YLII8000C烟气轮机设计输出功率6800KW,根据评估报告数据,该烟气轮机目前实际输出功率4914KW/H,实际运行效率不到其本身应有做功能力的75%,且运行过程中出现了叶片冲蚀的情况,严重影响设备的运行安全性。
随着科技水平的进步,气动设计技术也有了长足的发展,利用航空发动机涡轮设计技术对烟气轮机进行全新一对一柔性设计,可充分回收烟气中所含的热能和动能,有效提高烟气轮机输出功率,同时减轻气流对叶片的冲蚀,提高设备运行稳定性。
为了实现高效率和长周期稳定运行并重的目标,建议对该型烟气轮机进行改造。
改造工作主要针对其气动部分进行全新三维气动设计,对机械结构进行优化设计。
保持原进排气口、底座的对外连接结构、尺寸不变,与原机组的匹配不变。
对气动的改进将保持原有双机级结构形式不变,采用新设计的进气锥、导叶组件、转子组件、过渡衬环、排气壳体和气封组件,以达到提高输出功率和运行稳定性的目的。
在叶片设计上借鉴当前最新的航空发动机和燃气轮机涡轮设计技术,应用先进的亚音速和弯扭复合叶型设计技术,采用全三维有粘气动设计,使流场内流速均匀、顺畅,不分离范围大,减少催化剂对动、静叶片的冲刷和催化
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剂的堆积,并有效提高效率。
保障机组高效率、长周期运行。
目 录
1YLII8000C烟气轮机运行现状 (4)
2改造方案 (4)
3YLII8000C烟气轮机改造分析 (7)
3.1气动设计先进性分析 (7)
3.2结构设计先进性分析 (11)
一:
YLII8000C烟气轮机运行现状
表1YLII8000C烟机轮机运行参数
容积流量(Nm3/min)
1634
质量流量(kg/s)
35.2127
透平入口总压(MPa)
0.217(表压)
透平入口温度(K)
907
透平出口总压(MPa)
0.006(表压)
总压膨胀比
3.168
绝热效率
84%
实际输出功率(kw)
4914
转速(r/min)
6090
当地海拔高度(m)
1000
该机组的实际输出功率为4914KW/H,在运行过程中,动叶均有不同程度的冲蚀。
分析可知:
YLII8000C烟气轮机的实际输出功率不到其应有做功能力的75%,与理论输出功率相去甚远,且叶栅通道二次流严重,在消耗能量的同时,对二级动叶片造成严重的冲刷,因此有必要进行改造,重新设计流道和叶型,以充分回收能量。
二、改造方案
项目名称
整机气动改造(双级改造)
在充分论证的基础上,对YLII8000C烟气轮机的改造采用整机气动改造(双级改造),即采用新型进气锥、导叶组件、转子组件、过渡衬环、排气壳体和气封组件,更换所有与气动设计相关的部件,具体方案如下:
改造方式
对原旧烟气轮机进行流道、气动、叶片设计改造
改造内容
1结构设计,对部分结构进行优化设计
1.1利旧的部件
底座;轴承箱体;前、后轴承;外围管道、油封、监测系统;
1.2需更换的部件
进气锥;静叶组件;转子组件;过渡衬环;排气壳体;气封组件(蜂窝密封)。
2气动设计:
根据实际参数对流道进行全新计算,采用双级结构,设计全新的流道和弯扭复合叶型,减轻气流对叶片和轮盘的冲蚀,有效提升输出功率。
改造的主要技术特点
1、全新三维气动设计:
气动进行全新三维一对一设计,符合机组实际工况,有效提高效率;
级数:
2级;
根据流道设计调整叶片稠度,设计亚音速叶型;叶片造型设计采用复合弯扭形式;
流道型线合理,减少损失;
有效减轻气流的冲刷和催化剂的堆积,达到高可靠性、长周期运行的目的。
2、结构设计
保持原进排气口、底座的对外连接结构、尺寸不变,与原机组的匹配不变;
采用新型线进气锥,减少进气损失;
优化转子组件的结构形式,提高可靠性;优化排气壳体结构,减少排气损失;
采用新的蜂窝密封结构,防止烟气进入冷却流道;进行强度、振动、传热和转子动力学校核;
3、精密的制造
采用精良的制造装备和成熟的工艺技术,引入军工质量保证体系,确保加工制造质量,保障组件的高质量。
可达到的目标
1)高效率,采用全三维航空发动机涡轮流道及叶片造型技术,经多轮迭代计算,流场内流速均匀,不分离范围大。
可以改善催化剂对动静叶的冲刷,减少催化剂的堆积,并有效提高烟机效率。
整机气动改造完成以后,在同等工况下烟气轮机输出功率可达到7000KW/H;
2)高可靠性,长周期运行,安全运行寿命提高50%(在满
足机组运行条件的前提下)。
交付周期
8个月(含设计制造周期)
安装周期
20天
三、YLII8000C烟气轮机改造分析
根据目前烟气轮机的实际工况,通过全新气动计算,由涡轮功
率计算的经典公式:
N
k'
= ' *
m RT
(1-
1 )h*
T g
mg(kg/s)——质量流量;
k'——绝热系数;
R'——气体常数;
k'-1 3
k'-1 T
p
*k'
T
3
T*(K)——透平入口温度;
T
p*——膨胀比;
T
h*——滞止绝热效率;
T
根据目前的设计水平,双级涡轮的滞止绝热效率h*=0.88。
根据表中原机YLII8000C数据,代入各参数的值,由上式计算可得,按叶片气动改造后,YLII8000C型烟气轮机的设计输出功率
为:
NT =7000(KW)
由计算可知,YLII8000C型烟气轮机设计输出功率可达到7000KW/H,相比原机组同等工况下提高2086KW/H,可达到高效率的改造效果。
3.1气动设计先进性分析
3.1.1一对一柔性设计的优势
一对一设计的理念在于一套设计方案和参数对应一种工况,新型烟气轮机的设计完全匹配目前的实际工况,根据烟气介质的固有特点,按气-固两相工质作功过程来进行气动热力计算,在满足恰当的叶片圆周速度和气流速度、适当的叶栅稠度和喉道面积、叶片中部反力度大于某个值、适当地增加叶片弦长和中间距的条件下,设计出理想的叶型和流道。
原YLII8000C的设计则是采用上世纪80年代开发的基型叶片L-2叶型简单变化安装角度和叶身长度而来,该叶型在6000KW以上中等功率双极烟气轮机中应用广泛,但是却不能匹配各种参数,存在一定的缺陷性。
随着气动设计技术的进步,该型旧叶片在设计上的局限性体现的更为明显。
3.1.2弯扭复合叶型对比变截面/等截面叶型的优势
1)静叶弯扭复合叶型对比等截面叶型的区别
分析原机组数据可知,静叶片采用等截面叶型,等截面叶型叶栅展开图如下:
上图虚线为根截面叶栅分布,实线为顶截面叶栅分布,叶根叶
栅
稠度高,气流速度高;叶顶叶栅稠度低,气流速度低。
分析可知:
气动设计的理想状态是要求叶顶气流速度高,因为后级动叶叶顶径向尺寸大,周向速度高,做功能力强,而过低的叶栅稠度则违背了这一设计原理,导致传递给后级动叶的能量不足;而对于叶根,因为叶栅稠度过大,导致气流的堵塞,在静叶出口形成紊流,高速气流直接冲蚀后级动叶的根部,造成严重的缺陷,这也是违背设计原理的。
新型弯扭复合叶型
新型静叶采用新型的弯扭复合叶型,合理调整叶片的稠度,使得气流能顺利的流过静叶,得到充分膨胀加速;而且从叶根到叶顶的稠度基本一致,叶身中部及叶顶气流出口速度足够高,增强整个叶身的做功能力,同时叶片有一定程度的弯曲,引导气流减轻对根部的冲蚀。
旧机组导向叶片组件
旧机组动叶冲蚀情况
2)动叶弯扭复合叶型对比变截面叶型的区别
动叶片模型图(等截面-简单变截面-复合弯扭变截面)
动叶片气流流线图(等截面-简单变截面-复合弯扭变截面)
上图为变截面叶型和新型复合弯扭叶型的冲蚀对比图,左为简单变截面叶型,右为弯扭复合叶型,由流线图可以看出,弯扭复合叶型使得气流尽量远离根部,能有效减轻气流对根部的冲蚀;同时叶片的弯扭复合变化能使叶身在整个径向方向上形成合理的气动攻角,尽量引导气流流向做功能力强的叶身中部和顶部,从而很好的利用气流能量做功,提高输出功率。
弯扭复合叶型的新动叶
采用弯扭复合叶型的叶片冲蚀图(运行16个月)
3.1.3防冲刷和催化剂的堆积的流道与叶型设计
新型烟机设计过程中,在满足恰当的叶片圆周速度和气流速度、叶片中部反力度大于某个值、适当地增加叶片弦长和中间距的条件下,烟气轮机能够得到更好的防磨损、防积灰效果,最为典型的案例是YLⅡ10-JNA型烟气轮机的设计。
该机组运行16个月以后,开机检验,叶片状态良好,表面未见明显的冲刷痕迹,流道也无明显的催化剂堆积,从而印证该设计方法的先进可靠。
3.2结构设计先进性分析
3.2.1仅仅更换气动核心部件的优势
YLII8000C的改造将利用原机组的轴承箱及轴承、底座、监测系统、油封系统等部件,仅仅更换进气锥、导叶组件、转子、、排气壳体、过渡衬环、气封组件等部件。
保持原进排气管道的结构和连接方式,安装方便。
相比整机改造,既能大幅度提升功率,还能为用户节约大量资金和时间成本。
3.2.2采用新的蜂窝密封结构,防止烟气进入冷却流道
原YLII8000C机组采用的是气封齿密封,而改造后,新的烟气轮机则采用蜂窝密封结构。
新型蜂窝密封结构
蜂窝密封技术是航天工业针对高温及高压差工况下开发出的高级密封技术。
美国航天飞机、U2及F16战斗机上均应采用了蜂窝汽封。
我国最新型的战斗机及民用飞机发动机上也大都采用该技术,平均效率提高了1%。
蜂窝结构是可磨损材料,可以将主轴与蜂窝间隙设计到最小值,从而减少漏气(汽)量,提高效率和降低能耗,又可提高转动系统的稳定性,保证叶片不会与机匣或缸体产生磨擦.蜂窝式密封在最小的材料质量下能保证密封具有最大的强度;允许在高压降下应用且不增加密封的尺寸;简化了涡轮机组安装和修理时的装配工作,比梳齿密封具有更好的转子动力学特性。
具有耐磨损、不伤轴、寿命长、密封效果好等优点。
蜂窝密封已在我公司的烟气轮机气封上进行了成功应用,表明可以有效减小气封与主轴之间的间隙,不会对主轴造成物理损伤,从而减小漏气(汽)量,有效提高效率和降低能耗。
3.2.3新型进气锥的应用
新型烟气轮机的设计中,将采用双钮线进气锥。
C
新型进气锥
B
A
剖线部分为原进气锥型线,蓝色细线为双钮线进气锥内壁型线。
分析原型线可知:
从A-B-C,曲率半径经历了由大到小,再由小到大的变化过程
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- 延炼厂 YLII8000C 烟气 轮机 改造 可行性报告