汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)垢原因分析與清洗方法選擇

郭 濤，謝群力，黃建國，張 帥

（河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司二分公司，河南開封 475000）

1 概 述

河南晉開化工投資控股集團(tuán)有限責(zé)任公司二分公司百萬噸總氨項(xiàng)目，其氨合成工段有4臺(tái)合成氣壓縮機(jī)，任務(wù)是對凈化工段送來的合成氣進(jìn)行加壓；另有4臺(tái)氨冰機(jī)，任務(wù)是為空分、凈化、氨合成工段提供冷量，這8臺(tái)壓縮機(jī)均由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。2012年年底這8臺(tái)壓縮機(jī)相繼試車成功并投運(yùn)。2017年7月，氨合成工段這8臺(tái)機(jī)組的汽輪機(jī)輪室壓力出現(xiàn)異常波動(dòng)，短時(shí)間內(nèi)上漲速度大大超過設(shè)計(jì)值，并且在機(jī)組加負(fù)荷過程中出現(xiàn)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥全開、機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速、出力率大幅下降的現(xiàn)象，合成氨系統(tǒng)不得不減負(fù)荷運(yùn)行，整個(gè)生產(chǎn)陷入被動(dòng)局面。

2 汽輪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)壓縮機(jī)組的不同，配套的汽輪機(jī)一共有以下3類。

（1）配套氨冰機(jī)的NK40／56型汽輪機(jī)。數(shù)量2臺(tái)，額定進(jìn)汽壓力 （3.5±0.1）MPa，額定轉(zhuǎn)速6630r／min，額定功率12081kW。

（2）配套氨冰機(jī)的NK40／45／20型汽輪機(jī)。數(shù)量2臺(tái)，額定進(jìn)汽壓力 （3.5±0.1）MPa，額定轉(zhuǎn)速9350r／min，額定功率8619kW。

（3）配套合成氣壓縮機(jī)的5EH-7 B D型汽輪機(jī)。數(shù)量4臺(tái)，額定進(jìn)汽壓力8.83MPa，額定轉(zhuǎn)速11870r／min，額定功率10361kW。

3 汽輪機(jī)輪室壓力上漲問題的出現(xiàn)

2017年7月，在短短的2周時(shí)間內(nèi)，8臺(tái)汽輪機(jī)均出現(xiàn)了輪室壓力大幅上漲的趨勢，其中最嚴(yán)重的是4臺(tái)氨冰機(jī)的配套汽輪機(jī)，其輪室壓力從正常運(yùn)行時(shí)的2.5MPa左右快速上漲到3.5MPa，基本接近于主蒸汽壓力；同時(shí)，4臺(tái)合成氣壓縮機(jī)配套汽輪機(jī)輪室壓力也從4.7MPa左右上漲到5.5MPa，接近設(shè)計(jì)允許最高壓力5.63MPa。為滿足壓縮機(jī)的動(dòng)力需求，我們開始不斷地開大調(diào)節(jié)汽閥，增加汽輪機(jī)的進(jìn)汽量，但此時(shí)調(diào)節(jié)級(jí)葉輪產(chǎn)生的動(dòng)力已經(jīng)大幅下降，當(dāng)調(diào)節(jié)汽閥開度達(dá)到100%、汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，汽輪機(jī)沒有了調(diào)節(jié)余地，不能滿足壓縮機(jī)的動(dòng)力需求，系統(tǒng)不得不減負(fù)荷運(yùn)行，當(dāng)時(shí)合成氨系統(tǒng)3臺(tái)氣化爐制氣，合成氨產(chǎn)量從128t／h逐步減少到123t／h，處于極不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，生產(chǎn)陷入較為被動(dòng)的局面；同時(shí)，空分工段、稀硝酸工段的汽輪機(jī)也出現(xiàn)了同樣的問題。

4 原因分析與排查

4.1 原因分析

蒸汽經(jīng)主汽閥和調(diào)節(jié)閥進(jìn)入汽輪機(jī)的噴嘴后，由于噴嘴的特殊結(jié)構(gòu)，氣體發(fā)生膨脹，蒸汽溫度和壓力降低，流速增大，噴嘴噴出的高速蒸汽沖擊動(dòng)葉片，動(dòng)葉片帶著葉輪旋轉(zhuǎn)，將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成葉輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，葉輪帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)而對外做功。

進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽中或多或少會(huì)攜帶一些雜質(zhì)，如SiO2及N a+等金屬離子，這些雜質(zhì)在隨蒸汽流動(dòng)過程中粘附、沉積在葉片表面而形成積垢，垢層使葉片表面粗糙、型線改變，蒸汽流道變窄，汽輪機(jī)出力也因流量減小、效率降低而下降，且葉片積垢使軸向推力增大。積垢不僅使葉片的彎曲應(yīng)力和離心應(yīng)力增大，而且容易引起腐蝕，縮短葉片壽命；同時(shí)，積垢還會(huì)引起速關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥閥桿卡澀。大量的機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)顯示，通流部分積垢不僅影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，而且危及機(jī)組的安全性和可靠性。正因?yàn)槿绱?，生產(chǎn)中應(yīng)高度重視汽輪機(jī)進(jìn)汽品質(zhì)的控制。

2017年7月多臺(tái)汽輪機(jī)同時(shí)出現(xiàn)輪室壓力快速上漲的問題，排除儀表顯示方面的問題，基本上可確定是汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及通流部分結(jié)垢加劇所致。但據(jù)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)垢的成因，正常情況下其結(jié)垢應(yīng)該是一個(gè)緩慢的過程，故此次出現(xiàn)的快速結(jié)垢應(yīng)該是蒸汽品質(zhì)發(fā)生了較大波動(dòng)。

4.2 原因排查

2017年8月8日，合成氨生產(chǎn)系統(tǒng)調(diào)整負(fù)荷，1臺(tái)NK40／56型汽輪機(jī)計(jì)劃停機(jī)。技術(shù)人員安排對其透平冷凝液進(jìn)行分析，分析結(jié)果為電導(dǎo)率112.7μS／cm、Na+含量72.7μg／L、SiO2含量25μg／L；對其他運(yùn)行機(jī)組的透平冷凝液進(jìn)行分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)以上3項(xiàng)分析結(jié)果均正常，在工藝指標(biāo)范圍內(nèi)。經(jīng)討論，技術(shù)人員得出如下結(jié)論：汽輪機(jī)在停車后，汽缸內(nèi)的蒸汽壓力、溫度降低，在轉(zhuǎn)子以及通流部分逐步變成冷凝液，冷凝液對可溶性鹽垢緩慢進(jìn)行溶解，并使SiO2等不溶性結(jié)垢剝離而進(jìn)入冷凝液中，從而造成停車機(jī)組透平冷凝液的分析結(jié)果異常。因透平冷凝液中的Na+含量嚴(yán)重超標(biāo)，技術(shù)人員判斷此次汽輪機(jī)發(fā)生大面積結(jié)垢的原因?yàn)榭扇苄遭c鹽快速聚集。

據(jù)此推斷，對當(dāng)時(shí)2周內(nèi)的蒸汽品質(zhì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了查看，分析結(jié)果最高值分別為電導(dǎo)率17μS／cm、Na+含量15μg／L、SiO2含量16μg／L，而生產(chǎn)中蒸汽品質(zhì)的控制指標(biāo)分別為電導(dǎo)率≤7μS／cm、Na+含量≤5μg／L、SiO2含量≤20μg／L?？梢钥闯?，NK40／56型汽輪機(jī)輪室壓力上漲時(shí)近2周以來蒸汽中的Na+嚴(yán)重超標(biāo)且次數(shù)較多，而當(dāng)期鍋爐運(yùn)行確實(shí)多次出現(xiàn)波動(dòng)，蒸汽壓力、溫度多次偏離正常工藝指標(biāo)。由此技術(shù)人員作出推斷，蒸汽中的鈉鹽在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及通流部分的大量析出造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)垢加劇。

5 清洗方法的選擇

通流部分結(jié)垢的清洗據(jù)垢層成分可采用不同的方法，大部分情況下結(jié)垢包括積鹽和硅垢，積鹽成分主要是可溶于水的NaCl、Na2SO4、硅酸鹽等；硅垢成分中有不同晶態(tài)的SiO2，SiO2有很強(qiáng)的結(jié)垢能力，且非常堅(jiān)硬，不溶于水。

5.1 物理（機(jī)械）清洗

汽輪機(jī)大修時(shí)，將汽缸打開，吊出轉(zhuǎn)子，檢查葉片、通流部分的結(jié)垢情況，采用手工清除、水力珩磨、打砂和噴丸等方法進(jìn)行清洗。手工清除采用刮刀、金屬絲刷、砂紙等工具進(jìn)行手工除垢，適用于小型汽輪機(jī)的結(jié)垢清洗；水力珩磨采用壓縮空氣射流，將含有磨料粉末的水噴向金屬表面，適用于大型汽輪機(jī)的清洗；打砂和噴丸清洗用壓縮空氣將50～100目的砂或者噴丸噴向金屬表面進(jìn)行清洗，此種方法力度較大，易傷到金屬本體，一般不推薦采用。

5.2 飽和蒸汽清洗

飽和蒸汽清洗法是一種經(jīng)濟(jì)的清洗方法，它是將飽和蒸汽通入汽輪機(jī)，在盤車狀態(tài)下對通流部分結(jié)垢進(jìn)行沖洗。沖洗后，積鹽被飽和蒸汽冷凝液溶解帶走；鹽類物及SiO2混合物結(jié)垢，當(dāng)溶于水的鹽類物被沖掉后，不溶于水的SiO2垢層會(huì)隨之剝離而被除去。

5.3 化學(xué)清洗

當(dāng)飽和蒸汽清洗不能有效清除垢層時(shí)，可考慮采用化學(xué)清洗?；瘜W(xué)清洗是在清洗蒸汽中加入化學(xué)藥品的清洗方法，如加入NaOH溶液，NaOH與SiO2發(fā)生反應(yīng)生成溶于水的Na2S i2O5而使硅垢被清除。由于化學(xué)藥品會(huì)腐蝕汽輪機(jī)的構(gòu)件，因此清洗時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制藥品的溫度、濃度等關(guān)鍵指標(biāo)，并且化學(xué)清洗后要用飽和蒸汽對汽輪機(jī)進(jìn)行徹底清洗，防止殘留藥品對汽輪機(jī)造成腐蝕。

對于以上3種清洗方案，技術(shù)人員認(rèn)為：第1種方案 （物理清洗）雖然清理徹底，但需對汽輪機(jī)進(jìn)行揭缸并吊出轉(zhuǎn)子，每臺(tái)汽輪機(jī)需10d左右的檢修時(shí)間，檢修清洗費(fèi)用在15萬元左右，耗時(shí)較長、費(fèi)用較高，而且如果8臺(tái)汽輪機(jī)逐一揭缸清洗，勢必對整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，檢修費(fèi)用大大增加；第3種方案 （化學(xué)清洗）雖然可行，但若清洗過程控制不好，容易腐蝕汽輪機(jī)葉片，且需請專業(yè)清洗公司，也會(huì)產(chǎn)生不少的費(fèi)用。經(jīng)分析與討論，據(jù)汽輪機(jī)結(jié)垢主要為可溶性鈉鹽的特點(diǎn)，我們最終選擇使用第2種方案——飽和蒸汽清洗。

6 清洗過程及效果

6.1 清洗過程及方案優(yōu)化

技術(shù)人員依據(jù)汽輪機(jī)制造廠家的 《使用說明書》，并查閱大量相關(guān)資料，制定了清洗方案。清洗初期，為防止清洗不均勻造成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡，影響汽輪機(jī)的運(yùn)行效果，故采用了相對保守的方案。具體為：往汽缸里通入0.5MPa飽和蒸汽，汽輪機(jī)盤車，據(jù)冷凝液的分析數(shù)據(jù)不斷調(diào)整工藝參數(shù)；隨后，根據(jù)清洗過的汽輪機(jī)開車運(yùn)行情況，調(diào)整清洗方案，用0.5MPa的飽和蒸汽沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)，使汽輪機(jī)在低速 （控制在300 r／min左右）運(yùn)行狀態(tài)下除垢。飽和蒸汽清洗過程中冷凝液的分析數(shù)據(jù) （峰值）見表1。

表1 清洗過程中飽和蒸汽冷凝液的分析數(shù)據(jù)

由表1可看出：3.8MPa、9.8MPa蒸汽管網(wǎng)中的汽輪機(jī)均發(fā)生了較嚴(yán)重的結(jié)垢，用飽和蒸汽清洗后，不僅溶解掉了大量的積鹽，而且還將部分硅垢沖洗掉了，達(dá)到了預(yù)期效果；對于不同壓力等級(jí)蒸汽管網(wǎng)中的汽輪機(jī)來說，由于蒸汽品質(zhì)、汽輪機(jī)功率、結(jié)垢成分有所差異，其分析結(jié)果可比性不強(qiáng)，但對于同一壓力等級(jí)蒸汽管網(wǎng)中的汽輪機(jī)來說，沖轉(zhuǎn)清洗比盤車清洗更為有效。

6.2 清洗效果

采用飽和蒸汽對其中的6臺(tái)汽輪機(jī)進(jìn)行清洗后，汽輪機(jī)重啟，汽輪機(jī)振值沒有出現(xiàn)上漲，運(yùn)行狀況良好。其中，氨冰機(jī)組汽輪機(jī)輪室壓力由3.5MPa降至2.5MPa左右；合成氣壓縮機(jī)組汽輪機(jī)輪室壓力由5.5MPa降至4.6MPa左右，機(jī)組達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，調(diào)節(jié)汽閥還有較大余量，滿足了工藝系統(tǒng)的需求；尤其是2臺(tái)用飽和蒸汽沖轉(zhuǎn)清洗的機(jī)組，清洗效果尤為理想，清洗后其汽輪機(jī)輪室壓力降至2.2MPa。因此，我們將此次創(chuàng)新清洗方案作為典型特殊工藝操作程序用于今后汽輪機(jī)的結(jié)垢清洗。

7 經(jīng)濟(jì)效益分析

7.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

節(jié)約檢修費(fèi)用：每臺(tái)汽輪機(jī)化學(xué)清洗 （揭缸大修）需要15萬元左右，6臺(tái)汽輪機(jī)采用飽和蒸汽清洗節(jié)約檢修費(fèi)用約90萬元。

增產(chǎn)效益：清洗前合成氨產(chǎn)量減至123t／h，清洗后產(chǎn)量恢復(fù)至128t／h，單月增加合成氨產(chǎn)量 （128-123） ×24×30＝3600t，液氨利潤以200元／t計(jì)，單月增產(chǎn)效益約72萬元。

7.2 間接經(jīng)濟(jì)效益

節(jié)約檢修時(shí)間：汽輪機(jī)若進(jìn)行人工清洗，需要10d時(shí)間，而用飽和蒸汽清洗只需3d即可完成，如此可避免一次大面積停車檢修的局面，為生產(chǎn)任務(wù)的完成創(chuàng)造有利條件。

降低蒸汽消耗：清洗后汽輪機(jī)的運(yùn)行效率有所提高，蒸汽消耗有所下降，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

成果推廣帶來的效益：本技術(shù)成果為其他工段汽輪機(jī)的清洗提供了參考，公司空分工段、稀硝酸工段的汽輪機(jī)經(jīng)過飽和蒸汽法清洗后，同樣收到了良好的效果。

8 結(jié)束語

汽輪機(jī)的長周期運(yùn)行，對于企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益來說至關(guān)重要。提高蒸汽品質(zhì)可使汽輪機(jī)有效運(yùn)行時(shí)間延長，因此，生產(chǎn)中必須嚴(yán)控工藝指標(biāo)，延緩汽輪機(jī)的結(jié)垢，盡量延長汽輪機(jī)的運(yùn)行周期。但實(shí)際生產(chǎn)中汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子及通流部分結(jié)垢是不可避免的，通過對汽輪機(jī)輪室壓力的監(jiān)測，可大致作出判斷，當(dāng)汽輪機(jī)輪室壓力超出允許值時(shí)，就應(yīng)及時(shí)對汽輪機(jī)進(jìn)行清洗了。在本次8臺(tái)汽輪機(jī)出現(xiàn)輪室壓力大幅上漲的異常狀況后，我們通過對汽輪機(jī)短時(shí)間內(nèi)結(jié)垢加劇的原因進(jìn)行分析，快速找到了問題的癥結(jié)，并經(jīng)過對多種清洗方案的分析與討論，最終確定采用經(jīng)濟(jì)、可靠的飽和蒸汽法進(jìn)行清洗，而且在清洗過程中對清洗方案進(jìn)行創(chuàng)新，總結(jié)出了一項(xiàng)利用飽和蒸汽沖轉(zhuǎn)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子清洗垢物的新成果。該創(chuàng)新成果推廣應(yīng)用到全廠有結(jié)垢問題的汽輪機(jī)組上，均獲得了良好的清洗效果，為公司各生產(chǎn)裝置的長周期運(yùn)行提供了有力的保障。