引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高的原因分析

謝宗杰，賈瑞博

（中海石油建滔化工有限公司，海南東方 572600）

引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高的原因分析

謝宗杰，賈瑞博

（中海石油建滔化工有限公司，海南東方 572600）

針對引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高影響裝置安全平穩(wěn)運行并造成產(chǎn)量減小的問題，分別從引風(fēng)機的設(shè)計、機械設(shè)備損壞、轉(zhuǎn)化爐膛風(fēng)道、工藝各項指標(biāo)的操作控制以及儀表指示等方面分析和檢查，查明主要原因是引風(fēng)機入口煙氣溫度過高所致，提出解決引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高的措施。

引風(fēng)機；汽輪機轉(zhuǎn)速；煙氣溫度

中海石油化學(xué)股份有限公司2 500 t／d甲醇裝置，采用英國DAVY公司甲醇生產(chǎn)工藝技術(shù)，以海上天然氣（甲烷含量61%）為原料，經(jīng)過蒸汽轉(zhuǎn)化爐轉(zhuǎn)化為甲醇合成氣，再經(jīng)過壓縮、合成、精餾等工序，生產(chǎn)符合GB338—2004國標(biāo)優(yōu)等品和美國聯(lián)邦O－M－232K“AA”級標(biāo)準(zhǔn)的精甲醇產(chǎn)品。裝置于2010年建成投產(chǎn)，生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化爐負(fù)荷超過94%時，引風(fēng)機即達到最高控制轉(zhuǎn)速10563 r／min，已經(jīng)失去引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速對爐膛負(fù)壓的調(diào)節(jié)作用。為了保護轉(zhuǎn)化爐的運行安全，爐膛負(fù)壓分別設(shè)定高聯(lián)鎖和低聯(lián)鎖。引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高，嚴(yán)重影響裝置的安全平穩(wěn)運行，制約裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)，影響了產(chǎn)量，造成了巨大的經(jīng)濟損失。

1 工藝流程及工藝參數(shù)

1.1 天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化制甲醇合成氣工藝流程

甲醇裝置采用頂燒式蒸汽轉(zhuǎn)化爐，轉(zhuǎn)化爐運行期間爐膛壓力控制在－80 Pa。鼓風(fēng)機、引風(fēng)機均靠背壓式蒸汽輪機帶動，由鼓風(fēng)機吸入的空氣經(jīng)過煙道氣盤管與煙氣換熱預(yù)熱至380℃后進入到轉(zhuǎn)化爐作為燃燒空氣，與進入轉(zhuǎn)化爐的高壓和低壓兩股燃料氣進行混合燃燒，提供蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需要的熱量，燃燒后的煙道氣進行廢熱回收后經(jīng)引風(fēng)機排入大氣。工藝流程見圖1。

圖1 天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化制甲醇合成氣工藝流程TI－1—引風(fēng)機入口氣體溫度；PI－1—轉(zhuǎn)化爐膛壓力

1.2 引風(fēng)機的設(shè)計參數(shù)

引風(fēng)機由上海鼓風(fēng)機廠有限公司設(shè)計并制造，風(fēng)機規(guī)格型號為1854Z／1550，型式為離心式。主要參數(shù)[1]見表1。

表1 引風(fēng)機參數(shù)

1.3 引風(fēng)機汽輪機設(shè)計參數(shù)

引風(fēng)機汽輪機由杭州汽輪機股份有限公司設(shè)計并制造，汽輪機規(guī)格型號為NG25／20，型式為背壓式。主要參數(shù)見表2。

表2 引風(fēng)機汽輪機參數(shù)

1.4 蒸汽轉(zhuǎn)化爐運行參數(shù)

本裝置采用頂燒式蒸汽轉(zhuǎn)化爐，主要運行參數(shù)見表3。

表3 轉(zhuǎn)化爐運行參數(shù)

2 影響引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高的因素

2.1 引風(fēng)機選型問題

引風(fēng)機作為汽輪機驅(qū)動的主要設(shè)備，如果設(shè)計之初選型不當(dāng)，實際運行時超過設(shè)計的最大功率，則有可能在裝置低負(fù)荷運行時就已經(jīng)達到了引風(fēng)機的設(shè)計功率。為了提高裝置的生產(chǎn)能力，必須提高汽輪機的轉(zhuǎn)速，則有可能導(dǎo)致汽輪機的轉(zhuǎn)速過高。

2.2 機械設(shè)備原因

2.2.1 有異物堵塞風(fēng)道

在蒸汽轉(zhuǎn)化爐至引風(fēng)機入口的對流段分布有8組煙氣換熱盤管，每組盤管單根為水平布置與煙氣流動方向垂直，從上到下每組盤管有10根換熱管布滿煙道，相鄰2根管之間約有10cm的空隙，如果有異物堵塞換熱盤管之間的縫隙造成煙氣流動受阻，會使阻力增大。為了保證轉(zhuǎn)化爐膛的負(fù)壓，必然增加引風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，就會造成引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高。

2.2.2 引風(fēng)機葉片變形、損壞

葉片作為引風(fēng)機做功的直接部件，如果發(fā)生變形和損壞，即有可能造成引風(fēng)機的效率和功率下降，最終無法滿足轉(zhuǎn)化爐的工藝要求，而導(dǎo)致引風(fēng)機汽輪機的轉(zhuǎn)速過高。

2.2.3 引風(fēng)機入口風(fēng)門擋板損壞或者開關(guān)不到位

引風(fēng)機入口由2個風(fēng)道口組成，每一個風(fēng)道有一個風(fēng)門擋板，每個風(fēng)門擋板由9個風(fēng)門葉片按百葉窗方式排列，2個風(fēng)道的所有風(fēng)門葉片連接在一個聯(lián)軸節(jié)上由一個控制閥門控制。如果風(fēng)門葉片損壞或者與聯(lián)軸節(jié)的連接松動，就會造成引風(fēng)機入口流通面積減小和阻力增大而導(dǎo)致引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速的升高；控制閥門開關(guān)不到位也會造成引風(fēng)機入口流通面積減小和阻力增大。為了滿足工藝要求，提高引風(fēng)機轉(zhuǎn)速就會造成汽輪機轉(zhuǎn)速過高。

2.3 工藝操作原因

2.3.1 轉(zhuǎn)化爐堂負(fù)壓控制過低

引風(fēng)機的主要作用是保證轉(zhuǎn)化爐膛負(fù)壓穩(wěn)定，使裝置安全平穩(wěn)運行。轉(zhuǎn)化爐膛的負(fù)壓是保證轉(zhuǎn)化爐設(shè)備安全的重要控制指標(biāo)，如果轉(zhuǎn)化爐膛負(fù)壓控制過低則會造成引風(fēng)機做功增加，必然會導(dǎo)致引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高。

2.3.2 煙道氣氧含量控制過高

煙道氣氧含量主要是由鼓風(fēng)機來控制，如果氧含量控制過高就意味著更多的空氣被送進轉(zhuǎn)化爐，為了維持轉(zhuǎn)化爐爐膛壓力的穩(wěn)定，引風(fēng)機的做功也會跟著增加，造成引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速的升高。圖2為轉(zhuǎn)化爐氧含量與引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

圖2 轉(zhuǎn)化爐氧含量與引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速的關(guān)系

2.3.3 系統(tǒng)負(fù)荷過高

原料天然氣和蒸汽混合后，在轉(zhuǎn)化爐里發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)生成CO、CO2和H2，其過程為一個吸熱反應(yīng)。隨著原料氣的增加反應(yīng)所需要的熱量也就隨之增加，為了維持轉(zhuǎn)化氣出口溫度在865℃，必須增加燃?xì)饬髁亢涂諝饬縼頋M足轉(zhuǎn)化爐反應(yīng)的需要，相應(yīng)的要提高鼓風(fēng)機、引風(fēng)機的轉(zhuǎn)速來維持轉(zhuǎn)化爐的穩(wěn)定，所以負(fù)荷過高也會造成引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高。

2.3.4 引風(fēng)機入口煙氣溫度過高

裝置在開車正常后，一直存在引風(fēng)機入口溫度過高的現(xiàn)象。圖3為2012年4月至2013年3月裝置檢修前1a的引風(fēng)機入口煙氣溫度。

圖3 引風(fēng)機入口溫度曲線

從圖3可見，引風(fēng)機的入口溫度在1a的運行時間內(nèi)基本維持在179℃左右，而引風(fēng)機的入口溫度設(shè)計值為160℃，實際運行溫度超過設(shè)計溫度19℃左右。引風(fēng)機入口溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 引風(fēng)機入口溫度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

從圖4可見，隨著引風(fēng)機入口溫度的下降，引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速明顯下降。引風(fēng)機入口溫度的增加是造成引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高的原因之一。

2.4 儀表指示不準(zhǔn)確

在裝置正常運行期間，所有調(diào)整都是依靠儀表指示變化作為依據(jù)，如果儀表的指示存在偏差會給操作人員錯誤的指導(dǎo)。影響引風(fēng)機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的參數(shù)眾多，如轉(zhuǎn)化爐爐膛負(fù)壓、轉(zhuǎn)化爐煙氣氧含量、轉(zhuǎn)化爐出口溫度等參數(shù)。如果一個或多參數(shù)出現(xiàn)偏差將有可能導(dǎo)致引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高。

3 影響引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高的原因

針對可能引起引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高的原因分析，在裝置檢修期間對設(shè)備進行了全面檢查，在正常運行時對工藝操作條件進行了跟蹤對比，并對儀表進行了在線調(diào)效。

3.1 引風(fēng)機實際功率計算

為了確定實際運行期間的引風(fēng)機功率，對運行期間煙氣的流量進行了計算。轉(zhuǎn)化爐的煙氣是由進入轉(zhuǎn)化爐的兩股燃料氣與空氣混合燃燒后的產(chǎn)物。進入轉(zhuǎn)化爐的燃料氣為兩股燃?xì)猓还墒歉邏喝細(xì)猓ㄌ烊粴猓?，一股是低壓燃?xì)猓ㄖ饕荘AS（氫氣回收單元）的尾氣），兩股燃?xì)獾慕M分不同，耗氧量也不同。低壓燃?xì)獾慕M分及耗氧量見表4。

表4 低壓燃?xì)饨M分及耗氧量

燃燒單位體積的低壓燃?xì)馑牡目諝饬?/p>

完全燃燒單位體積的低壓燃?xì)馑a(chǎn)生的氣體量

所以得出完全燃燒單位體積的低壓燃?xì)夂鬆t膛中剩余的氣體量

高壓燃?xì)獾慕M分及耗氧量見表5。

表5 高壓燃?xì)饨M分及耗氧量

燃燒單位體積的低壓燃?xì)馑牡目諝饬?/p>

完全燃燒單位體積的低壓燃?xì)馑a(chǎn)生的氣體量

所以得出完全燃燒單位體積的低壓燃?xì)夂鬆t膛中剩余的氣體量M2＝A2×0.79（空氣中的N2）＋B2＋CN2＋CCO2＝6.54×0.79＋2.042＋0.139＋0.229＝7.58

在正常生產(chǎn)時高壓燃?xì)庀牧繛?6×103m3／h，低壓燃?xì)庀牧繛?3×103m3／h。煙氣氧含量以2%計算，正常生產(chǎn)時煙氣流量

當(dāng)引風(fēng)機入口煙氣溫度設(shè)計值160℃、壓力0.1 MPa，煙氣流量

計算得出當(dāng)煙氣溫度、壓力正常時引風(fēng)機的實際功率為198.1m3／s，小于其額定功率224.87m3／s。所以引風(fēng)機的設(shè)計選型是滿足使用要求的。

3.2 機械設(shè)備檢查

2013年3月裝置檢修期間，設(shè)備及工藝技術(shù)人員對轉(zhuǎn)化爐對流段進行了詳細(xì)檢查。在檢查過程中，并未發(fā)現(xiàn)有異物阻塞及損壞的情況。在現(xiàn)場對整個風(fēng)道和多個軟連接進行了多次檢查，并沒有檢查到明顯的破損現(xiàn)象，轉(zhuǎn)化爐膛和對流段的窺視孔完好；檢修期間對風(fēng)機內(nèi)部的塵土附著物等進行了清除，也未發(fā)現(xiàn)葉片變形或損壞；檢查引風(fēng)機入口風(fēng)門擋板所有葉片全都完好，葉片軸承潤滑良好且與聯(lián)軸節(jié)連接牢固，風(fēng)門調(diào)節(jié)閥也做了行程試驗均無問題。

3.3 工藝參數(shù)對比（表6）

表6 工藝參數(shù)對比

從表6可見，正常生產(chǎn)時裝置負(fù)荷、爐膛負(fù)壓和煙道氣氧含量均在設(shè)計控制值之內(nèi)，不是造成引風(fēng)機轉(zhuǎn)速升高的直接原因；引風(fēng)機入口溫度180℃高于其設(shè)計溫度160℃，從前文分析得出引風(fēng)機入口溫度高會引起引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高。

3.4 儀表檢查

發(fā)現(xiàn)引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高后，多次對爐膛負(fù)壓表進行在線校正，均沒有發(fā)現(xiàn)問題?，F(xiàn)場壓力表與主控壓力表度數(shù)對比也基本相同；煙氣氧含量的手動分析數(shù)據(jù)與主控顯示氧含量一致；裝置檢修時對引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速儀表等逐一進行了檢查，均沒有發(fā)現(xiàn)問題。

4 總 結(jié)

通過分析總結(jié)基本可以得出結(jié)論：引起引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高的原因是引風(fēng)機入口煙氣溫度過高。從表6中可以看出煙道氣進口和出口的設(shè)計溫度差為921℃，而實際的溫度差為835℃，其原因是轉(zhuǎn)化爐煙氣對流段換熱盤管的換熱能力不足而造成煙氣熱量后移，導(dǎo)致引風(fēng)機入口溫度過高。決定下次裝置檢修時對轉(zhuǎn)化爐對流段煙氣換熱盤管進行改造，提高轉(zhuǎn)化爐對流段盤管的整體換熱效率，以解決引風(fēng)機汽輪機轉(zhuǎn)速過高的問題，從而保證裝置的安全平穩(wěn)運行。

[1]王邦旭.引風(fēng)機透平轉(zhuǎn)速波動大原因分析與處理措施[J].化工設(shè)計通訊，2013，32（10）：13－16.

Cause analysis of the high speed of the fan turbine

Xie Zong-jie,Jia Rui-bo
（CNOOC Kingboard Chemical Co.，Ltd，Hainan Oriental 572600，China）

Aiming at a fan turbine speed is too high impact safety devices running smoothly and caused yield reduced，respectively from the draft fan design，machinery and equipment damage，transformation of the furnace duct，process indicators of the operation control and instrumentation instructions，etc.Analysis and inspection，find out main reason is cited fan inlet flue gas temperature due to the high is proposed to solve cited fan turbine speed is too high to measure.

Fan；Steam turbine；Flue gas temperature

TK284

B

1003-6490（2015）03-053-04

2014－09－17

謝宗杰（1987－），男，四川自貢人，助理工程師，2009年畢業(yè)于四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系應(yīng)用化工專業(yè)，現(xiàn)在中海石油建滔化工有限公司工藝運行四隊工作。