1前言
烟气轮机是催化裂化装置的核心设备之一，也是故障率较高的设备之一。它的主要作用就是以装置内催化剂再生烧焦过程中产生的高温烟气为介质，通过烟气轮机将这部分高温烟气的压力能和温度能转化为机械能对外做功，用于发电或驱动主风机为装置提供压缩空气，达到回收能量、降低装置能耗的目的，它对催化裂化装置乃至整个炼油厂运行的经济效益都有着举足轻重的作用。
几年前，国内大部分催化裂化装置处于部分负荷运行， 烟气轮机的进气参数没有达到设计条件，导致回收功率远低于设计值，结果是电机不但不能发电， 而且还要补充一些功率 (实际运行电流较大)。 目前，催化裂化装置几乎都在满负荷生产，国家又大力推行节能减排政策，烟气轮机的实际回收功率为各方所关注。 这就需要做到便捷、准确地测量烟气轮机的回收功率， 并可以在 DCS 上或机组控制系统上像监测压力、温度一样实时监测烟气轮机的回收功率[1]。
2非接触式在线监测扭力计
旋转设备中功率的测量，简单地说就是测量驱动设备和被驱动设备之间的扭矩，当扭矩测量出来后，结合测得的转速，将扭矩与转速相乘就可得到功率。 而测量扭矩的最佳位置是在驱动设备与被驱动设备之间的联轴器上。
随着现代科学技术的发展，扭矩测量技术已经引起人们的充分重视， 成为测试技术的最新分支。准确地测量扭矩，能够为旋转机械的设计提供科学的数据，对动力机械的运行状态进行必要的监视和报警，并为机组的检维修提供准确的依据。
这一理念多年来一直被技术人员所秉承，并由此派生出了许多种扭矩测量方法。 但是，这些方法无一例外地面临着一个共同的难点———“精度”。 因为联轴器的工作状态是扭转-弯曲-离心变形 3 种状态的组合， 运行中的每一刻它们都在发生变化。另外，联轴器护罩的结构型式、护罩内的环境温度等都会对扭矩测量精度产生影响。 因此，动态测量扭矩的精度问题不是测量单一参数能够解决的。
为了满足市场需求，国外的联轴器公司陆续推出了各种扭力计产品，包括电阻式、磁电式等，每种产品都具有其自身的特点，适用于不同场合。 催化裂化装置中的烟气轮机-能量回收机组转速高、功率大、连续运转周期长、机组配置复杂，这些苛刻的因素导致许多扭力计产品在这里并不适用。
近几年，美国 KOP-FLEX 公司设计制造的非接触式在线监测扭力计在构思上有所突破，并且在国外的传动工程中已经得到了充分的肯定与应用。 在国内，这一产品仅在极个别的工程项目上，随国外引进设备一起进入国内。 它的思路是将联轴器与扭力计做成一个整体，通过非接触式探头，检测联轴器中间节在传动过程中的扭转位移量和转速，计算出联轴器上传递的扭矩，进而计算出实际的功率值并予以显示。
KOP -FLEX 公司的非接触式在线监测扭力计主要由联轴器的驱动端半联轴器、非驱动端半联轴器、联轴器中间节、交错轮齿、单极传感器、调制单元和显示单元等组成。 交错齿轮是在传统的膜片式或膜盘式联轴器的中间短节(或中间套筒)两端设置两个套筒， 这两个套筒分别与中间节的两端相连，并在中间节的中部呈现承插状，两个套筒在承插部分设置成交错的齿轮，交错齿轮沿圆周均布但并不接触，如图1 所示。
当联轴器承受扭矩时，中间节的两个套筒会产生一个扭转位移，这一位移通过交错齿轮的相对位置变化显示出来。 交错齿轮相对位置变化的大小，直接反映出联轴器中间节承受的扭矩大小。
单极传感器是一个测量压缩机联轴器中间节上交错齿轮位移变化(也就是相位变化)的电涡流探头，当交错齿轮不断地从它面前经过时，它会测出一连串的脉冲信号即转速信号。 如果联轴器没有承受扭矩，这一组交错齿轮发出的脉冲信号为标准脉冲信号;当联轴器承受扭矩时，中间节的两个套筒之间会产生一个扭转位移，此时的脉冲信号与没有承受扭矩时的脉冲信号之间将会有一个相位差，电涡流探头会敏锐地检测出这一细微的差别。
同时，电涡流探头中还组合进了 RTD(Resistanttemperature detector，热电阻检测元件)，它可以同步测量探头附近即联轴器护罩内的温度值。
调制单元中储存有实验台上测得的该联轴器的传递扭矩与相位差的对应关系。 电涡流探头测出的温度数据、脉冲信号和转速信号一起送到调制单元中进行处理，把相位发生变化后的脉冲信号与未受到扭矩作用状态下的标准信号进行比较，根据两者的差别，就可知道在一定转速下联轴器传递的扭矩。 进一步说，也就是测得了转速、扭矩，两者相乘就可算出传递功率，再将检测到的实际环境温度纳入进行修正， 就可以得到实际的瞬态回收功率值。传感器相位变化如图 2 所示。
通常情况下，一个非接触式在线监测扭力计需要两个电涡流探头。 在调制单元中读数时，将这两个电涡流探头的读数进行平均，得出的误差将会更小，一般测量精度在1%以内。
调制单元计算出的数据会传给显示单元，在显示单元可以直接读出瞬时做功的数值。 同时，显示单元也能够与装置的 DCS 经过 RS-232 或 RS-485进行通讯，实现在操作系统上的在线监测。
3设计选用过程中应考虑的几个问题
在工程设计的选用过程中，对上述扭力计与联轴器的二合一产品需要在下面几个方面给予关注。
① 安全性。 原来没有采用扭力计产品时，烟风联轴器基本上是选择备齿保安型膜片式联轴器，这一条在选用扭力计时仍然适用，毕竟安全才是最关键的。
② 力学模型分析。 由于整个机组要进行扭转临界转速计算分析，增加扭力计后，联轴器的中间段将变得较为复杂， 合理地进行结构分析和计算，将是整机组扭转临界转速计算准确性的关键所在。
③ 联轴器护罩要求采用铸铝而不能采用钢板焊接。 主要是考虑到护罩的热变形等因素，因为扭力计的探头位置如果在运行中发生改变，将会影响到测量的精度。
④ 显示单元与 DCS 或机组控制系统的通讯联系。 由于显示单元与调制单元的通讯采用 RS-232或 RS-485 通讯联络， 在订货时， 一定要与供货商协商好到底采用何种通讯方式，否则现场组态后可能取不到扭力计的数据。
⑤ 机组的安装找正对扭力计精度的影响。 烟气轮机属于热机，压缩机进出气两端的温度也相差很多，压缩机组中各单机的垂直方向热膨胀量是完全不同的，因此制定合理的找正曲线，确保运行过程中联轴器的状态良好， 减少额外的受力变形，对提高扭力计的测量精度十分必要。
⑥ 机组各单机定位时的轴端距离确定。 由于气体在压缩过程中会逐渐变热，压缩机的排气温度越高，压缩机转子的轴向热膨胀量越大，导致联轴器在冷态和热态下承受的轴向变形也越大。 也就是说，在冷态和热态状态下，交错齿轮的被检测位置会发生变化，也可能会影响到测量精度。所以，在做总成设计时，对转子的轴向热膨胀值要给予充分的重视。
4实际应用
洛阳石化工程公司在催化裂化装置烟气能量回收机组中对非接触式在线监测扭力计进行了实际应用。
4.1对新建烟气轮机进行性能标定
催化装置开工正常后，调节主风量、压力及再生温度到设计值。 双动滑阀全关，由烟气轮机入口的高温蝶阀控制再生压力。 此时看高温蝶阀的开度及回收功率：若阀的开度接近全开，此时回收功率应该是最大;若阀的开度较小，烟气轮机回收功率也较小，说明烟气轮机的通流面积设计大了;若阀全开，双动滑阀也打开了一部分，烟气轮机回收功率也较小，说明烟气轮机的通流面积设计小了。
无论检测出烟气轮机的通流面积设计大了还是设计小了，均应该将信息及时反馈给烟气轮机供货商，返厂整改。 另外，多数炼油厂会订一套备用转子，应该在性能标定后执行为好。
4.2日常烟气轮机回收功率的监视
烟气轮机正常运转时回收功率的多少除与工艺参数有关外，还与烟气中的催化剂的含量及组成有关。 如装置发生跑催化剂事故，烟气轮机的动静叶片会被磨损，回收功率将逐渐减少，烟气轮机的振动值也会逐渐增加。
有时装置进行工艺操作调整， 更换催化剂，烟气轮机的回收功率也会减少。
当烟气轮机通流部分结垢时，其回收功率也会逐渐减少，振动值会逐渐升高。
4.3突发事故的监测
催化装置正常操作过程中有时会产生一些突发事故，如再生器发生二次燃烧，烟气温度上升，烟气轮机的回收功率会迅速升高; 主风机发生喘振，再生压力也会立即升高，使烟气轮机的回收功率瞬间增加。
当发生二次燃烧时，如果烟气轮机的入口温度超过 700℃，应立即全关烟气轮机入口高温蝶阀。
4.4尝试应用于工程项目
在最近的几个工程项目中进行了初步应用，如中国石油四川石化公司 250×104t/a 重油催化裂化装置中的烟气轮机-主风机三机组， 陕西延长 (集团) 有限公司榆林炼油厂 180×104t/a 重油催化裂化装置中的烟气轮机-主风机四机组。 机组的主要配置及参数见表 1、表 2。
这两套机组中，烟气轮机与主风机之间均选用了 KOP-FLEX 公司的扭力计与联轴器产品。预计这两个项目将于 2011 年二季度投入使用。
5结语
非接触式在线监测扭力计不仅仅是一件测量仪器，它能够与机组的其他监测仪表共同构成一个完整的监控体系，在机组运行过程中监测烟气轮机运转情况，保证机组安全、长周期、高效率地运行。当然，它也可以在许多其它的领域进行推广应用。 如炼油厂加氢装置中的液力透平泵组、余热回收发电机组、蒸汽轮机直接驱动的压缩机组等。
参考文献：
[1] 杨恩霞 ， 田仁 ， 纪鑫 . 非接触式 在 线 动 态扭矩测量装置的设计[J].应用科技，2006，33(10)：60-62.
作者简介：徐平义，高级工程师，1986年毕业于西安交通大学热力涡轮机械专业，长期从事炼油厂旋转机械技术的研究与管理工作。 E-mail ：xupingyi@lpec.com.cn
