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)

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)

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，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。

烟气轮机 结垢 转子 振动特性

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[1,2]。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[3]。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[4～6]。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[7,8]。

图1 现场烟气轮机结垢图

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x轴，与轴线垂直的水平方向为z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Solid187，轴承支承采用弹簧阻尼单元Combin14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，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。

图4 网格划分结果

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α。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[9,10]。如大小为m的不平衡质量存在于偏心距为e、周向角度为α的地方，并且转子的转速为ω，那么它所产生的离心力F=ω2me。

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：

Fy=ω2mecos(ωt-α)

Fz=ω2mesin(ωt-α)

当不平衡质量为两个或多个时，就需要简化不平衡质量。将每个不平衡质量分别计算出离心力之后进行矢量叠加，即可得到等效简化之后的力，加载位置为轮盘中心处的节点。模拟对应的工况转速为6 700r/min。

笔者以结垢质量的3个特征参数(即质量m、周向角度α和偏心距e)为变量；同时把所有数据点分为单不平衡质量和双不平衡质量两个大类。设立分组和有对比性的数据点，分别研究3个参考变量对转子振动的影响和两个不平衡质量在不同参数的情况下在叠加之后对转子振动的影响效果。采用瞬态动力学分析方法对加载后的模型进行计算。

3 计算结果与分析

通过对模拟结果的整理，发现由不平衡质量引起的转子振动现象，其轴心轨迹图为圆形或者偏心度较小的椭圆形(图5)，时域波形图为近似正弦曲线(图6)，频谱图(图7)中一倍频的振动速度最大。可以看出，模拟结果与现场烟机转子振动特性曲线一致，可以采用该模型对烟机叶片结垢引起的转子振动特性进行数值模拟。

图5 面1的轴心轨迹图

图6 面1竖直方向周向角度为45°时的时域波形图

图7 面1竖直方向振动响应频谱图

3.1 单不平衡质量的结果分析

3.1.1 质量为变量

在偏心距和周向角度相同的情况下，质量的变化对转子振动的速度产生了很大的影响。从图8可以看出转子振动的速度几乎是与质量成正比的线性关系，在实际工况中，转子上的不平衡质量越大，振动越剧烈。

图8 振动速度随质量变化趋势

3.1.2 偏心距为变量

在质量和周向角度相同的情况下，偏心距的变化对转子振动的速度产生了较大的影响。从图9可以看出转子振动的速度几乎是与不平衡质量位置参数偏心距成正比的线性关系，在实际工况中，转子上的不平衡质量位置距离轮盘中心越远，振动越剧烈。

图9 振动速度随偏心距变化趋势

3.1.3 周向角度为变量

通过分析可见，不平衡质量周向角度的改变，对转子振动的振幅几乎没有影响，仅对最大幅值出现的时间(即振动响应时间)有影响，图6、10即为面1竖直方向中周向角度分别为45、90°时的时域波形图。

图10 面1竖直方向周向角度为90°时的时域波形图

3.2 双不平衡质量的结果分析

3.2.1 质量为变量

当a、b两不平衡质量点周向角度对称(a点在0°位置，b点在180°位置)、偏心距都为0.43m时，a不平衡质量大小为20g固定，b不平衡质量大小分别为40、60、80、10g与a进行效果叠加，叠加效果与只有a的单不平衡质量效果进行对比。

通过对比发现，在误差允许范围内，加上b不平衡质量之后，叠加后造成振动速度等效于质量大小为a、b两点质量差的单不平衡质量造成的振动速度(图11)。由此也可以推断当a、b两不平衡质量点的周向角度和偏心距相同时，双不平衡质量叠加后造成振动速度等效于质量大小为a、b两点质量和的单不平衡质量造成的振动速度。

图11 a、b周向角度对称偏心距相同质量不同叠加后效果

3.2.2 偏心距为变量

当a、b两不平衡质量点周向角度都在0°、质量都为40g时，a不平衡质量在偏心距为0.43m的位置固定，b不平衡质量分别在偏心距为0.13、0.23、0.33m的位置与a进行效果叠加，叠加效果与只有a的单不平衡质量效果进行对比，结果见表1。通过对比发现，相对于只有a不平衡质量，在加上b不平衡质量之后，振动速度明显增强，b点距离a点越近，增强效果越明显。

表1 双不平衡质量两点偏心距不同时振动速度对比

只有单不平衡质量a(质量大小为40g)时，振动速度为11.394 3μm/s，对比同周向角度的双不平衡质量的情况，可得在同周向角度的双不平衡质量，相对于同质量的单不平衡质量，对转子的振动速度有加剧作用，这种加剧作用随b点到轮盘中心的距离增大而增大，符合不平衡质量位置参数偏心距对振动速度的影响。

当a、b两不平衡质量点周向角度对称(a点在0°位置，b点在180°位置)、质量都为40g时，a不平衡质量在偏心距为0.43m的位置固定，b不平衡质量分别在偏心距为0.13、0.23、0.33m的位置与a进行效果叠加，叠加效果与只有a的单不平衡质量效果进行对比，结果见表2。

表2 双不平衡质量两点周向角度对称质量相同偏心距不同时振动速度对比

通过对比发现，相对于只有a不平衡质量，在加上b不平衡质量之后，振动速度明显减弱，b点距离轮盘中心越远，减弱效果越明显。并且当周向角度也相同时，在误差允许范围之内，振动效果甚至可以完全抵消。

只有单不平衡质量a(质量大小为40g)时，振动速度为11.394 3μm/s，对比对称周向角度的双不平衡质量的情况，可得对称周向角度的双不平衡质量，相对于同质量的单不平衡质量，对转子的振动速度有减弱作用，这种减弱作用随b点到轮盘中心的距离增大而增大，符合不平衡质量位置参数偏心距对振动速度的影响。

3.2.3 周向角度为变量

当a、b两不平衡质量大小都为40g、偏心距都为0.43m时，a不平衡质量在周向角度为0°固定，b不平衡质量位置周向角度分别为0、30、60、90、120、150、180°与a进行效果叠加，叠加效果与只有a的单不平衡质量效果进行对比，如图12所示。

图12 单、双不平衡质量时振动速度随角度变化情况

通过对比发现，相对于只有a的单不平衡质量情况，加上b不平衡质量之后，在b周向角度从0～180°的变化中，叠加后造成振动速度会分为两段，前段对振动速度有加剧作用，但加剧作用随着角度的变化逐渐变小，后段对振动速度有减弱作用，减弱作用随着角度的变化逐渐变大。对比单不平衡质量点(参数为质量m=40g，偏心距e=0.43m)时的振动速度为11.394 3μm/s，可得在本组数据点中当b点周向角度在120°左右时，会出现一个位置，其叠加后的效果等效于上述单不平衡质量点的效果。通过对其他数据模拟结果的分析发现，对于其他特定参数的双不平衡质量点，在周向角度改变的情况下，也会出现某一个位置使得叠加后的效果等效于单不平衡质量点的效果。

4 结束语

通过对单不平衡质量和双不平衡质量的研究，可得多不平衡质量造成转子振动效果的合成，归根到底是每个不平衡质量在转子旋转过程中对轮盘中心产生的离心力的矢量合成。如果经过合成之后的离心力合力比原单不平衡质量产生的离心力大，则合成后的振动效果就比单不平衡质量的剧烈，反之亦然。总而言之，结垢质量大小和结垢位置参数偏心距严重影响烟气轮机转子振动速度，质量越大、偏心距越大，振动速度越大，质量越小、偏心距越小，则振动速度越小；而结垢周向角度对转子振动速度的大小没有影响，但是会影响到振动的响应时间。

[1] 袁芳.催化裂化烟气能量回收系统开发与研究[D].西安：西安石油大学，2008.

[2] 曹宝庆.催化裂化装置分馏及吸收稳定系统工艺参数分析与研究[D].天津：天津大学，2005.

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VibrationCharacteristicsAnalysisofFlueGasTurbineRotorCausedbyCatalystFouling

CHEN Shuai-fu, WANG Jian-jun, JIN You-hai
(CollegeofChemicalEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(EastChina))

Making use of ANSYS to model flue gas turbine’s rotor and to analyze the rotor’s vibration characteristics caused by the fouling on the blade surface was implemented; and the vibration characteristics of the model with catalyst fouling were investigated, including vibration characteristics’ variation at the time that mass of the catalyst fouling changes; and the influence rule of different positions and fouling masses on the rotor vibration characteristics was predicted. The results show that, the three parameters of the fouling on the blade surface like the eccentricity, circumferential angle and the mass affect the vibration characteristics of the rotor respectively; and both mass and eccentricity of the fouling seriously affects the rotor vibration velocity; the greater mass and eccentricity bring about more obvious rotor vibration velocity; and the circumferential angle of the fouling has no influence on the rotor’s vibration velocity.

flue gas turbine, fouling, rotor, vibration characteristics

山东省自然科学基金项目(ZR2015EM026)。

陈帅甫(1988-)，博士研究生，从事旋转机械振动监测的研究，linxuan1958@163.com。

TQ051.1

A

0254-6094(2017)02-0190-06

2016-05-16，

2016-12-26)

(Continued from Page 189)

large amount of vortexes arise at the radius bars where helical ribbon and rotating cone joins and boundary layer separates; under agitation of rotating cones and inner and outer helical ribbons, the fluid turbulently circulates to form into axial, radial and tangential flow and the turbulence degree outside the rotating cone is more obvious than that inside the rotating cone. An experimental device for researching fluid velocity was set up. In the condition of full flow, through replacing the polysilicon slurry with strong brine, the distribution characteristics of axial, radial and tangential three-dimensional component velocities were investigated. The experimental results show that, the rotating cone’s speed and fluid flow’s circulation volume have little effect on the axial velocity; and the vortex formed under the action of rotating cones and helical ribbons has secondary diversion effect which drives the fluid’s periodic motion in axial and radial direction. Experimental results and the fluid simulation results, showing a good consistency, prove the rationality and validity of the design of the continuous airtight and nested double sprial dryer.

Keywordsdryer,polysilicon,design development, CFD numerical simulation, cold-modeling experiment