100 MW裂解氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)用抽凝式汽輪機(jī)的國(guó)產(chǎn)化工程應(yīng)用與優(yōu)化

王文姁，李宏福，李金波

(1.中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101；2.杭州汽輪機(jī)股份有限公司，浙江 杭州 310022)

乙烯產(chǎn)業(yè)是石油化工行業(yè)的核心，乙烯的生產(chǎn)能力經(jīng)?？杀豢醋饕粋€(gè)國(guó)家和地區(qū)石化生產(chǎn)水平的標(biāo)志。近年來(lái)隨著乙烯裝置的規(guī)模不斷擴(kuò)大，從原來(lái)的80～100萬(wàn)t/a逐漸發(fā)展到150萬(wàn)t/a【1】。面對(duì)如此大規(guī)模的乙烯裝置，裂解氣壓縮機(jī)及驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的功率也越來(lái)越大，對(duì)其設(shè)計(jì)、性能、運(yùn)行方面的要求也相應(yīng)提高。此前，國(guó)產(chǎn)最大的裂解氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的功率為69 885 kW，國(guó)產(chǎn)工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)最大為71 614 kW，均于2017年投入使用。目前150萬(wàn)t/a乙烯是國(guó)內(nèi)已建成的最大規(guī)模裝置，該裝置內(nèi)的裂解氣壓縮機(jī)配套用汽輪機(jī)機(jī)組能力達(dá)到了105 MW。以前百萬(wàn)噸級(jí)乙烯裝置的工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)生產(chǎn)制造技術(shù)為世界上少數(shù)幾家國(guó)外廠商所壟斷【1】。依托國(guó)內(nèi)150萬(wàn)t/a乙烯項(xiàng)目，中國(guó)石化工程建設(shè)有限公司(簡(jiǎn)稱SEI)與杭州汽輪機(jī)股份有限公司(簡(jiǎn)稱杭汽)對(duì)于100 MW汽輪機(jī)共同開展了國(guó)產(chǎn)化研發(fā)，通過(guò)一系列技術(shù)攻關(guān)，順利完成該機(jī)組國(guó)產(chǎn)化開發(fā)，為項(xiàng)目節(jié)省了投資，縮短了設(shè)計(jì)周期，更重要的是實(shí)現(xiàn)了100 MW規(guī)模工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的全面國(guó)產(chǎn)化，在石油化工行業(yè)的發(fā)展中具有重大意義。

1 100 MW工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)技術(shù)難點(diǎn)

乙烯三機(jī)一般指裂解氣壓縮機(jī)、丙烯制冷壓縮機(jī)、乙烯制冷壓縮機(jī)，三機(jī)都由汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中裂解氣壓縮機(jī)操作工況最多，功率也最大【2】。根據(jù)裝置原料及工藝流程，SEI提出該150萬(wàn)t/a乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)配套汽輪機(jī)設(shè)計(jì)條件如表1 所示。

表1 150萬(wàn)t/a乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)相關(guān)參數(shù)

該機(jī)組要滿足21個(gè)典型運(yùn)行工況，運(yùn)行工況的最大功率達(dá)到89 745 kW，汽輪機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力要達(dá)到105 MW,在工業(yè)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)領(lǐng)域，該功率不僅是國(guó)內(nèi)最大，也是世界最大。如此大功率的工業(yè)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，存在不小的困難和挑戰(zhàn)。

乙烯裝置為下游其余化工裝置的源頭，作為乙烯裝置“心臟”的乙烯三機(jī)如果意外停車，會(huì)影響乙烯裝置及其下游裝置的運(yùn)行，甚至?xí)?dǎo)致全線停車，這將帶來(lái)巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，裂解氣壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的工況復(fù)雜，超高壓蒸汽壓力、溫度、抽汽壓力、抽汽流量、工藝負(fù)荷及機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)有很大范圍的變化。復(fù)雜的工況變化會(huì)引起機(jī)組的機(jī)械應(yīng)力、熱力條件、材料膨脹、推力大小及方向等參數(shù)發(fā)生劇烈變化，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性、可靠性和適應(yīng)能力的要求都特別高【3】。SEI與杭汽一起，從全局優(yōu)化角度出發(fā)，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅需要考慮正常工況，還需考慮運(yùn)行環(huán)境突變下的安全性和可靠性；對(duì)汽輪機(jī)重要部件的設(shè)計(jì)，符合甚至高于API、IEC、DIN、NEMA等國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，還需對(duì)汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理布置，既要節(jié)省占地，又要合理設(shè)置檢修空間。

2 100 MW工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)技術(shù)開發(fā)

150萬(wàn)t/a乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)用汽輪機(jī)是目前國(guó)內(nèi)最大的工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，該機(jī)組型號(hào)為EHNK80/112，由SEI進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，杭汽進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)并制造，通過(guò)多次方案論證及技術(shù)攻關(guān)，最終完成了新技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化研發(fā)。

汽輪機(jī)本體結(jié)構(gòu)主要部件包括轉(zhuǎn)子,調(diào)節(jié)汽閥前、后支座，外汽缸，內(nèi)汽缸，排汽缸，導(dǎo)葉持環(huán)，前、后軸承座及汽封環(huán)等【4】。汽輪機(jī)縱剖面示意見圖1。整體結(jié)構(gòu)采用單缸布置，雙側(cè)進(jìn)汽，單側(cè)排汽，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

圖1 汽輪機(jī)縱剖面示意

表2 100 MW工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

對(duì)于任何新技術(shù)的應(yīng)用，保證其運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性是重中之重。以此為目標(biāo)，SEI與杭汽進(jìn)行了以下主要技術(shù)研究和創(chuàng)新。

2.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子是工業(yè)汽輪機(jī)的重要轉(zhuǎn)動(dòng)部件，在設(shè)計(jì)時(shí)除了要兼顧考慮強(qiáng)度、通流效率等因素以外，其振動(dòng)特性和推力狀態(tài)水平是特別關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。

機(jī)組的設(shè)計(jì)環(huán)境與實(shí)際運(yùn)行環(huán)境之間，往往存在著一定差異，尤其是當(dāng)外部系統(tǒng)出現(xiàn)偏差較大或者有故障的情況時(shí)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)應(yīng)有極好的抗衡能力。對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了分解式研究，經(jīng)過(guò)多種方案優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出的轉(zhuǎn)子在多種支撐系統(tǒng)下振動(dòng)性能優(yōu)良，具備抗衡軸承進(jìn)油壓力大幅波動(dòng)、支撐剛度大范圍變化、系統(tǒng)沖擊等外部干擾的能力，同時(shí)還提高了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)抗衡制造流程風(fēng)險(xiǎn)的能力。

轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)配置，充分考慮支撐對(duì)臨界轉(zhuǎn)速變化的影響【5】，并結(jié)合了影響轉(zhuǎn)子模態(tài)振型、響應(yīng)以及穩(wěn)定性等各方面因素，選取了油膜穩(wěn)定性更佳的進(jìn)口可傾瓦軸承。按照API 612標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速、響應(yīng)及穩(wěn)定敏感性等詳細(xì)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析，并且對(duì)軸承的多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了反復(fù)優(yōu)化，保證汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性達(dá)到最優(yōu)。其轉(zhuǎn)子特征和振動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果如表3和表4所示。

表3 100 MW工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子特征

表4 100 MW工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果

2.2 汽輪機(jī)效率優(yōu)化

建立了進(jìn)汽流道優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?構(gòu)建了多物理場(chǎng)耦合仿真可視化平臺(tái)，完成了數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建，并建立了一套完整的低壓級(jí)與排缸聯(lián)動(dòng)優(yōu)化分析方法, 開發(fā)出適用于大型乙烯裝置的高效系列低壓級(jí)組；采用基于三維CFD方法和優(yōu)化理論相結(jié)合的三維葉柵優(yōu)化方法【6】以及高效葉型開發(fā)及程序化聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓級(jí)葉型氣動(dòng)性能的優(yōu)化，并將優(yōu)化葉型參數(shù)程序化，再采用模塊設(shè)計(jì)程序進(jìn)行方案優(yōu)化，解決了100 MW 等級(jí)工業(yè)汽輪機(jī)變轉(zhuǎn)速變工況抽汽機(jī)組的氣動(dòng)效率問(wèn)題。經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化后，汽輪機(jī)整機(jī)效率比國(guó)外不同廠家的同類機(jī)組效率高0.3%～1.5%，說(shuō)明機(jī)組氣動(dòng)性能水平達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

2.3 高效排汽區(qū)段的研發(fā)

由于100 MW裂解氣壓縮機(jī)汽輪機(jī)的高參數(shù)需求，需要研發(fā)高氣動(dòng)效率的汽輪機(jī)排汽區(qū)段，其中包括低壓扭葉級(jí)組開發(fā)及配套的焊接排汽缸的一體化研究。

2.3.1 低壓扭葉級(jí)組開發(fā)

低壓扭葉級(jí)組是在原SK葉片基礎(chǔ)上，為提升整個(gè)機(jī)組通流性能而開發(fā)設(shè)計(jì)的具有良好的熱力性能和強(qiáng)度性能的工業(yè)汽輪機(jī)低壓級(jí)組末級(jí)葉片，型號(hào)為SK112低壓扭曲葉級(jí)組(如圖2所示)，其最大質(zhì)量流量約為560 t/h，排汽面積約為2.8 m2，最高連續(xù)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。

圖2 SK112葉片示意

圖3和圖4分別為設(shè)計(jì)工況下相對(duì)葉高為50%截面的壓力分布和子午面壓力分布云圖。由圖3和圖4可以看出，SK112低壓級(jí)葉片通流部分整體上壓力分布均勻，氣流流動(dòng)沒(méi)有產(chǎn)生渦旋和分離，氣動(dòng)性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 SK112低壓級(jí)組設(shè)計(jì)工況下50%葉高截面壓力分布云圖

圖4 SK112低壓級(jí)組設(shè)計(jì)工況下子午面壓力分布云圖

2.3.2 焊接排汽缸開發(fā)

排汽缸氣動(dòng)性能直接影響到末級(jí)葉柵出口背壓和凝汽器入口汽流的均勻程度,進(jìn)而影響到整個(gè)汽輪機(jī)組的熱效率。為配套SK112低壓級(jí)組，研發(fā)設(shè)計(jì)了K112焊接排汽缸，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 SK112導(dǎo)葉、導(dǎo)葉持環(huán)、K112排缸裝配模型

將開發(fā)的SK112低壓級(jí)組末級(jí)葉片與配套的K112焊接排汽缸進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)了低壓級(jí)組和排汽缸的氣動(dòng)性能。聯(lián)合計(jì)算得到排汽缸的靜壓恢復(fù)系數(shù)為0.42。在聯(lián)合計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)排汽缸進(jìn)行三維性能優(yōu)化,優(yōu)化后排汽缸靜壓恢復(fù)系數(shù)為0.52。其計(jì)算結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 低壓級(jí)組聯(lián)合排汽缸氣動(dòng)計(jì)算模型

圖7 葉根開始的三維流線分布

2.4 下半汽缸溫度補(bǔ)償裝置和變形控制技術(shù)開發(fā)

由于汽缸的大型化，上、下汽缸的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，其熱變形問(wèn)題給機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)過(guò)程帶來(lái)了很大困難，為此開發(fā)了適用于大型高壓進(jìn)汽抽凝式工業(yè)驅(qū)動(dòng)用汽輪機(jī)下缸溫度補(bǔ)償裝置和變形控制技術(shù)。通過(guò)設(shè)置下半汽缸溫度補(bǔ)償裝置對(duì)汽缸下半進(jìn)行全方位加熱，可有效消除汽缸上、下半缸的溫差，提高操控性，避免大型機(jī)組在啟動(dòng)過(guò)程中動(dòng)、靜擦碰風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，由于部分進(jìn)汽原因，汽缸內(nèi)部流場(chǎng)不均勻，上、下缸溫差較大，會(huì)引起一定的熱變形。在汽輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，調(diào)節(jié)汽閥開啟的先后順序、抽汽的投入與解除也會(huì)帶來(lái)汽缸溫差,進(jìn)而引起相對(duì)較大的汽缸變形。通過(guò)設(shè)置汽缸內(nèi)、外表面適當(dāng)?shù)臏囟群蛯?duì)流系數(shù)，得到兩種進(jìn)汽順序的極端汽缸溫度場(chǎng)，并將得到的溫度場(chǎng)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計(jì)算中，再對(duì)模型進(jìn)行配合約束、設(shè)置摩擦以及對(duì)螺栓進(jìn)行預(yù)緊加載，進(jìn)而分析整個(gè)汽缸高度方向上的變形結(jié)果。根據(jù)分析的結(jié)果設(shè)置溫度補(bǔ)償裝置，同時(shí)根據(jù)汽缸上、下半的溫差信號(hào)以及下半缸的溫度信號(hào)進(jìn)行有效的閉環(huán)控制，將汽缸上、下半的溫差信號(hào)反饋給溫控模塊，并由調(diào)節(jié)模塊控制加熱單元，從而有效控制溫差，實(shí)現(xiàn)控制變形的目的。

2.5 提高運(yùn)行穩(wěn)定性

乙烯三機(jī)的的非計(jì)劃停機(jī)中，大部分是由于油路系統(tǒng)、汽路系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)的故障導(dǎo)致的，設(shè)計(jì)過(guò)程中需要解決內(nèi)因?qū)е碌牟环€(wěn)定性，同時(shí)兼顧外因?qū)е碌牟环€(wěn)定性。

從整個(gè)裝置考慮，汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)不能僅僅局限在正常的設(shè)計(jì)環(huán)境下，還需要考慮運(yùn)行環(huán)境突情況變下的安全性和可靠性。乙烯裝置實(shí)際運(yùn)行中，由于裝置負(fù)荷降低、裝置發(fā)生可在線維修的小故障以及下游工藝故障等原因，很有可能出現(xiàn)抽汽壓力波動(dòng)范圍超出設(shè)計(jì)值的情況。一般的生產(chǎn)裝置會(huì)采取抽汽壓力單點(diǎn)保護(hù)措施，此時(shí)會(huì)觸發(fā)保護(hù)使機(jī)組停機(jī)。但乙烯裝置是“龍頭”裝置，應(yīng)避免裝置停車，因此，汽輪機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了此種情況，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將機(jī)組運(yùn)行時(shí)抽汽壓力操作范圍控制在3.4～3.8 MPa(絕)、機(jī)組抽汽壓力的設(shè)計(jì)裕度擴(kuò)大為2.0～4.5 MPa(絕),解決了抽汽壓力大幅波動(dòng)對(duì)裝置系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

機(jī)組在不同工藝工況下運(yùn)行，抽汽壓力及流量的大范圍變化，使得全范圍工況內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)推力方向的變化。而推力方向的變化會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出現(xiàn)軸向竄動(dòng)，進(jìn)而可能導(dǎo)致軸位移信號(hào)的失真。因此，在進(jìn)行機(jī)組的推力設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)變換通流布置及平衡方式、分析每段的推力影響系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)變動(dòng)的情況下推力的平緩變化，使得正常操作范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)推力的方向變化，避免了在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子的軸向竄動(dòng)。

汽輪機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，不同部位金屬材料的膨脹情況不同，為防止冷熱態(tài)立鍵間隙變化，開發(fā)了新型立鍵結(jié)構(gòu)及前支座，避免了因缸體對(duì)中引發(fā)的故障，提高了設(shè)備的可靠性和裝置的穩(wěn)定性。

采用高壓調(diào)閥卸載技術(shù)，降低了提升力，將4個(gè)油動(dòng)機(jī)減為1個(gè)，減少了用油量，并縮小了油站尺寸，在穩(wěn)壓設(shè)備相同的情況下，很大程度上提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況

2020年1月，100 MW裂解氣壓縮機(jī)組投入運(yùn)行，從安裝調(diào)試到開車投料，用時(shí)不到半年時(shí)間。運(yùn)行一年多以來(lái)，振動(dòng)等各項(xiàng)參數(shù)都優(yōu)于設(shè)計(jì)值，表明其運(yùn)行良好，性能穩(wěn)定，各個(gè)系統(tǒng)均達(dá)到乙烯裝置設(shè)計(jì)與生產(chǎn)要求，且符合乙烯裝置安全和環(huán)保要求，同時(shí)，也滿足了國(guó)產(chǎn)化攻關(guān)提出的一系列技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著世界格局不斷變化，掌握核心生產(chǎn)力、攻克“卡脖子”技術(shù)越來(lái)越得到各方重視。未來(lái)幾年，國(guó)內(nèi)仍有多套大型乙烯裝置在建設(shè)或籌備階段。達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的100 MW工業(yè)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，不僅可為用戶降低投資成本及維修費(fèi)用，還可縮減項(xiàng)目設(shè)計(jì)及安裝周期，更為以后更大規(guī)模乙烯裝置的設(shè)計(jì)及建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。