中国石化工程建设有限公司烟气轮机节能技术

1. 基本情况

 1.1 背景 烟气轮机技术是中国石化工程建设有限公司（以下简称 SEI）的专有技术， 自 1978 年首台国产烟气轮机在抚顺石油二厂催化裂化装置投用，至今已经 46 年。在此期间，伴随着一代又一代催化裂化技术的发展，随着原料重质化和劣质 化、产品高附加值和清洁化，工艺技术的进步带来了催化剂技术的不断进步和各 类助剂的不断涌现，烟气轮机技术的发展也不断面临新的挑战和技术瓶颈。 在这样的科技发展潮流中，烟气轮机技术紧跟石化高质量发展的要求，不断 增强技术适应性、提升能量回收效率、提高机组运行周期，持续发挥其在装置节 能降耗中的重要作用，形成了新一代的高效节能、绿色低碳的烟气轮机技术。 迄今为止，SEI 已经完成了约 300 台烟气轮机的设计及应用，其中在役烟气 轮机约 210 台，占据国际 60%以上的市场，具备广阔的市场空间。烟气轮机技术 从能效水平、装备规模、运行稳定性等多个方面综合评估处于国际领先水平。 烟气轮机技术十分契合《产业结构调整指导目录（2024 年本）》、《绿色低碳 转型产业指导目录（2024 年版）》等政策文件对于推广余热余压回收技术的要求， 最新发布的《炼油行业节能降碳专项行动计划》也明确提出“推广高效催化裂化 烟气轮机等先进技术装备”。 

1.2 原理 烟气轮机是一种透平机械，在装置的节能降耗中发挥着重要作用。带压高温 烟气首先在静叶中进行膨胀将热能转换为动能，然后在动叶中继续膨胀并推动主 轴旋转，将动能转换为机械能，其输出的能量用来直接驱动主风机或电机，从而 达到回收能量的目的。烟气轮机机组型式包括烟气轮机发电机组、烟气轮机+压 缩机+电动/发电机三机组、烟气轮机+汽轮机+压缩机+电动/发电机四机组，其中 三机组以及四机组这种气-电双驱或者汽-气-电三驱同轴机组配置型式更是极大 提高了能源利用效率。 

1.2.1 烟气轮机参数及特点 （1）烟气温度：650～730℃ （2）介质含催化剂：易结垢、高冲蚀、高磨损 （3）介质含微量 SO2：硫腐蚀2 （4）转速：3500～10000rpm 烟气轮机结构及特点： （1）支撑方式：悬臂式 （2）轮盘级数：单级、双级 （3）进气方式：轴向进气径向排气 （4）壳体型式：垂直剖分 1.2.2 烟气轮机技术难点及特点 烟气轮机在高温环境下运行，烟气中含有催化剂颗粒，结垢、冲蚀、磨损等 导致的烟气轮机稳定性和效率下降一直是困扰机组运行的难题。此外，随着装置 运行周期的增长，工艺运行工况的改变会导致工艺参数与烟气轮机设计参数不匹 配，从而使得部分烟气需要放空或者烟气轮机在非高效区运行。尤其是随着装置 规模趋向大型化，机组综合效率的少量提升就会带来相当大的经济效益。因此， 烟气轮机的长周期安全稳定运行和高效节能对于烟气轮机的开发来说是目前最 为重要的两个方向，提升烟气轮机设计点及变工况运行效率、增强防结垢及抗冲 蚀磨损能力、提高机组稳定性及运行周期是烟气轮机节能降碳的主要思路。 针对上述情况，SEI 不断总结提升完善“烟气轮机节能技术”，不仅可以应用 在新烟气轮机的设计中，也可以用来对烟气轮机进行快速节能改造，适应催化类 装置工艺技术发展和变化的同时，也可以拓宽应用到其它各类装置的余热余压回 收利用中。 

1.3 工艺流程及技术特点 

1.3.1 技术方案 （1）开发高效马刀叶型：有效调整等压线的分布形状，控制径向压力梯度 和横向压力梯度，抑制附面层分离。 （2）开发叶根保护技术：更好的保护动叶叶根，提高叶根的强度。 （3）优化烟气轮机反力度：选择沿叶高方向合理的级反力度，减小跨音速 激波的影响。 （4）开发带导流板的高效排气机壳：由于烟气轮机的悬臂结构限制，轴向 扩压段无法加长，因此开发了带有导流板的高效排气机壳。 （5）开发防结垢流道结构：合理地安排动、静叶栅的焓降分配，开发可以 减缓催化剂结垢现象的流通结构。 （6）开发静叶吹扫技术：开发吹扫装置，能够在线定期通入吹扫气体，利3 用垢样与叶片的热膨胀系数差别使垢样从叶片上脱落。 （7）开发高效气封结构：开发新型复合密封，优化密封的进气形式，减少 催化剂粉尘的集聚堵塞。 （8）优化叶片振动特性：通过对叶片进行共振及谐共振分析，合理优化动 静叶片参数，得到最佳的共振裕度。 （9）抗失稳转子设计：通过转子结构及轴承优化设计，降低转子振动敏感 性。 1.3.2 应用效果 （1）降低叶片振动应力，提高转子稳定性，烟气轮机强度储备和稳定性高； （2）提升流场均匀度，减小流动损失、扩压损失和余速损失，降低蒸汽消 耗，烟气轮机整机效率高； （3）减弱结垢条件，催化剂不易在叶片上沉积，减少了烟气轮机磨损和腐 蚀，烟气轮机运行安全性高； （4）可以通过快速、低成本的局部改造实现烟气轮机的高效长周期运行。 

1.4. 技术装备的知识产权和获奖情况 

1.4.1 知识产权情况 

表 1 技术发明授权情况 序号 专利名称 类别 授权号 授权 时间 发明人 

1 烟气轮机动叶片组件 和烟气轮机 发明 ZL202010389109.4 2023 张家灿，冀江，丁 勤，王自球 

2 一种用于烟气轮机的 气封组件和烟气轮机 发明 ZL201910872228.2 2023 冀江，丁勤，王自 球，张家灿 

3 一种测量催化裂化装 置烟风比的方法 发明 ZL202010163477.7 2023 张家灿，冀江，丁 勤，王自球 

4 一种用于烟气轮机的 叶片吹扫装置 发明 ZL201810236473.X 2022 冀江，丁勤，王自 球，张家灿

5 一种能量回收尾气透 平 发明 ZL201310535700.6 2017 冀江，丁勤，王自 球，张家灿 

6 一种大口径高温耐磨 平板闸阀 发明 ZL201310432588.3 2017 冀江，丁勤，王自 球，张家灿 

7 一种烟气轮机 发明 ZL201110025201.3 2014 冀江，丁勤，王自 球，姚常亮

8 催化裂化烟气轮机全 压力能回收系统 发明 ZL200710176408.4 2013 卢鹏飞，冀江 

9 一种高温轴流式尾气 透平 发明 ZL200910084939.X 2012 丁勤，冀江 

1.4.2 获奖情况4 

表 2 技术获奖情况 序号 获奖名称 颁发单位 获奖等级 获奖 年度 

1 高性能双级和单级发展型烟气 轮机的气动两相流研究与推广 应用 国家科学技术进步奖评 审委员会 国家二等 1988 

2 YL-3000 型能量回收烟气轮机 的研究、设计和应用 国家科学技术进步奖评 审委员会 国家三等 1985 

3 长城 1 号高温防护涂层研究及 其在烟气轮机上的应用 国家科学技术委员会 国家三等 1997 

4 YLII2000 型烟气轮机同轴四机 组 中国石油化工总公司 省部一等 1985 

5 YLII-6000 型大功率双级烟气轮 机及强度和振动计算程序软件 包 中国石油化工总公司 省部一等 1990 

6 30000kW 级特大功率烟气轮机 制造及应用 中国石油天然气集团公 司 省部一等 2005 

7 YLII-10000A 型烟气轮机 GH864 合金涡轮叶片用长城 1 号涂层 北京市人民政府 省部二等 1995 

8 烟气轮机用 GH132 合金盘件使 用寿命预测及评估 中国石油化工总公司 省部二等 1997 

9 催化裂化能量回收四机组计算 机仿真系统 中国石油化工总公司 省部三等 1994 

10 烟机机组特殊功能配套设备开 发研制 中国石油化工总公司 省部三等 2000 

11 催化裂化烟气轮机改造技术 中国石油化工总公司 省部三等 2005 2. 运行情况及应用效果 现有烟气轮机的系列能够满足 80～480 万吨/年催化裂化/催化裂解类装置的 烟气能量回收要求，最大回收功率 35000kW。新设计的单级烟气轮机效率从 78% 提升至 82%，双级烟气轮机效率从 81%提升至 85%，烟气轮机可以实现连续 4 年的长周期稳定运行；对于长周期运行的烟气轮机，针对运行工况与设计参数不 匹配、叶片结垢、冲蚀等问题，通过局部快速改造也可以实现高效长周期运行。 烟气轮机技术为 SEI 完全自主知识产权，烟气轮机设备本身可以实现 100% 的国产化，其中直径 1250mm 的烟气轮机轮盘已经完成国产化攻关，即将进行验 收和工业应用，直径 1380mm 的烟气轮机轮盘由于没有依托项目，尚未有国产化 应用案例，但是技术上已经完成储备。 烟气轮机技术及装备无特殊新增投资。 烟气轮机技术广泛应用于 FCC、CPP、DCC、RTC 等各类炼油装置，并已经 拓展应用于煤化工、合成气、硝酸等各类装置，后续也可以拓宽应用于更多类似5 余热余压能量回收利用的场景。 

2.1 应用案例一 中国石油兰州石化分公司 YL-33000A 型烟气轮机。 兰州石化分公司 YL-33000A 型烟气轮机于 2003 年投用，机组采用了烟气轮 机+汽轮机+压缩机+电动/发电机四机组型式，气-汽-电三驱的机组配置能够高效 的回收烟气和装置蒸汽的能量。 该烟气轮机是世界最大型的烟气轮机之一，至今已经平稳运行 21 年。 

2.2 应用案例二 中国石化青岛炼油化工有限责任公司 290 万吨/年催化裂化装置 YL-24000A 型烟气轮机改造。 青岛炼化公司 290 吨/年催化裂化装置于 2008 年 5 月开车投产，装置再生烟 气能量回收系统配置型式为三机组，其中烟气轮机型号为 YL-24000A，经过几 年的运行，设备部分部件高温老化裂纹变形，动叶顶部冲刷增大，静叶结垢速率 快，轴密封蜂窝孔容易堆满催化剂，烟气轮机回收功率越来越低，电机耗功明显 增大等。2019 年大修前机组耗电甚至达到 10000kW 以上。 该烟气轮机采用中国石化工程建设有限公司的烟气轮机节能技术进行节能 改造，根据新的工艺参数，重新进行气动设计，主要改造内容如下： (1)更换新型动叶片(叶身喷涂长城 33 号耐磨涂层)。 (2)更换新型静叶组件(静叶片、静叶环体及静叶蜂窝，叶身喷涂长城 33 号耐 磨涂层)。 (3)新制静叶吹扫流道衬环。 (4)改造高效排气壳体(在壳体内增设高效导流支撑板)。 (5)更换轴承箱体、箱盖。 (6)更换径向止推轴承座。 (7)更换烟气轮机与风机之间联轴器（轻型）。 该改造项目 2019 年 8 月份完成并投用，2020 年 11 月通过中石化总部鉴定。 

3. 效益分析 

3.1 应用案例一 中国石油兰州石化分公司 YL-33000A 型烟气轮机，2012 年企业出具技术应 用证明中核算的经济效益如下： （1）YL-33000A 型烟气轮机于 2003 年 8 月 23 日投入运行，截至 2011 年6 12 月 31 日累计使用 66240 小时。 （2）经过 8 年运行，YL-33000A 型烟气轮机的平均输出功率达到 32800kW， 每年可节电 25977.6 万度，折合减排二氧化碳（按 0.61kgCO2/度）15.846 万吨/ 年；按照当地动力电价 0.56 元／度计算，每年可节电 14547.5 万元。 （3）经过 8 年运行，YL-33000A 型烟气轮机目前累计节约动力电为 214315.2 万度，折合减排二氧化碳（按 0.61kgCO2/度）130.732 万吨。按照动力电价 0.56 元／度计算，累计节电 120016.5 万元。

 3.2 应用案例二 中国石化青岛炼油化工有限责任公司 290 万吨/年催化裂化装置 YL-24000A 型烟气轮机改造。 中石化鉴定证书及“用户应用情况报告”中改造效益如下： （1）改造后经过 16 个月的运行，烟气轮机的输出功率和绝热效率、蒸汽耗 量、机组振动没有明显变化，机械性能稳定。 （2）改造后前后轴承振动值下降至 26-34μm，提高了机组运行稳定性。 （3）改造后烟气轮机回收功率提升 2766kW，每年运行时间按照 8400 小时 计算，年度折合节电为 2766×8400=2323.44 万度，折合减排二氧化碳（按 0.61kgCO2/度）1.417 万吨/年。 （4）电费按照 0.5 元/度计算，该项目综合年经济效益合计为 2323.44 万度 ×0.5 元/kW·h=1161.7 万元。 （5）本次改造项目投资 850 万，投资回收期 365×850/1161.7=267 天。 4. 突出亮点 （1）烟气轮机技术在装置的节能降耗中发挥重要作用，以 300 万吨/年 FCC/DCC 装置为例，有烟气轮机比无烟气轮机能耗分别减少 9.57 和 6.07 kgEO/t 原料；有烟气轮机比无烟气轮机带来经济效益分别增加 8091.6 和 5129.6 万元/ 年。 （2）烟气轮机技术特点十分契合双碳目标下生态优化、绿色发展理念，十 分契合《产业结构调整指导目录（2024 年本）》、《绿色低碳转型产业指导目录 （2024 年版）》等政策文件对于推广余热余压回收技术的要求，最新发布的《炼 油行业节能降碳专项行动计划》也明确提出“推广高效催化裂化烟气轮机等先进 技术装备。” （3）烟气轮机技术为 SEI 具有完全自主知识产权的专有技术，在其所在领7 域实现了高水平科技自立自强。 （4）随着科技的不断发展进步，开发团队始终以行业发展需求为导向，不 断开拓创新，深入实施能源技术装备补短板、锻长板、拓新板，加强科研成果转 化运用，最终形成了不断更新，持续进步，达到世界领先水平的烟气轮机技术。 （5）面对制造业高端化、智能化、绿色化发展背景下设备更新的需求，开 发烟气轮机改造技术，可以通过快速、低成本的局部改造实现烟气轮机的高效长 周期运行，改造效果好，投资回收周期短，十分契合“工业和信息化部等七部门 关于加快推动制造业绿色化发展的指导意见”等要求。 

编制人：张家灿 

审核人：丁 勤 

中国石化工程建设有限公司 

2025 年 2 月