氯氣透平機安全運行初探

沈長廳

(昆明云能化工有限公司燒堿廠,云南 昆明 650300)

氯氣透平壓縮機是氯堿生產(chǎn)的重要設(shè)備，能穩(wěn)定電解氯氫的壓差，把電解生產(chǎn)的氯氣經(jīng)冷卻、干燥后，升壓輸送至液化、氯化氫工序。氯氣透平機如不能正常運行，將影響燒堿及PVC產(chǎn)量，嚴(yán)重時會導(dǎo)致不安全事故的發(fā)生。

1 氯氣透平機壓縮機概述

1.1 工作原理

氯氣透平壓縮機是由一臺變速箱和兩個壓縮缸，一個主油泵組成的離心式壓縮機。電機通過連軸器連接變速箱內(nèi)的大齒輪，在變速箱內(nèi)，大齒輪帶動高速軸上的小齒輪軸；小齒輪軸與一二級壓縮缸連接。大齒輪帶動小齒輪驅(qū)動，使兩個壓縮缸軸高速轉(zhuǎn)動，然后高速轉(zhuǎn)動軸帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)。一級葉輪高速轉(zhuǎn)動，對氯氣做功，使氯氣獲得動能。高速運動摩擦使氯氣溫度快速升高。具有動能的氯氣，經(jīng)過高速壓縮缸升壓后，進入二級葉輪再次升壓。透平壓縮機采用了兩級壓縮和兩級冷卻。

1.2 性能

氯氣透平壓縮機是通過齒輪箱變速，大齒輪傳動小齒輪，大齒輪轉(zhuǎn)一圈，小齒輪轉(zhuǎn)六圈。通過兩級葉輪來壓縮氯氣，使氯氣壓力逐級提高。葉輪高速轉(zhuǎn)動時，氯氣隨葉輪高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力。葉輪旋轉(zhuǎn)對氯氣做功，氯氣與葉輪之間相互作用，使壓縮氯氣的動能增大，氯氣壓力增加。和離心泵原理一樣，在電機帶動下，透平機轉(zhuǎn)軸經(jīng)過變速箱變速后，壓縮缸的軸轉(zhuǎn)動速度是電機轉(zhuǎn)速的6倍。葉輪旋轉(zhuǎn)帶動氯氣旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生升力的作用，氯氣被加速甩出葉輪。被甩出葉輪的氯氣，進入葉輪蝸殼中。葉輪中心位置形成了負(fù)壓，負(fù)壓的存在保證了氯氣能被輸送進入葉輪蝸殼中。蝸殼內(nèi)的氯氣壓力增加，向出口排出。葉輪周而復(fù)始的持續(xù)轉(zhuǎn)動，確保氯氣連續(xù)不斷的在壓縮機內(nèi)流動。離心力的作用，使得甩出的氯氣速度增加，動能提高，壓力增加。昆明云能化工透平機是串聯(lián)安裝兩級葉輪升壓，出口壓力達到工藝生產(chǎn)要求。

1.3 結(jié)構(gòu)

本裝置的氯氣透平壓縮機是由兩級高速葉輪壓縮箱、1臺高速電機、1個高速齒輪變速箱、兩臺列管試?yán)鋮s器、輔助油泵、油換熱器、油過濾器、主油泵、軸瓦、氮封系統(tǒng)組成，生產(chǎn)能力為6萬t/a。昆能化工現(xiàn)有兩臺，年輸送能力12萬噸。

1.4 氯氣系統(tǒng)流程

從電解槽陽極出來的氯氣(溫度約 85 ℃)，經(jīng)鈦列管換熱器對鹽水加溫，濕氯氣的溫度降至約 65 ℃ ；經(jīng)過氯氣總管進入氯氣洗滌塔底部，自下而上運行；循環(huán)泵輸送的氯水至換熱器降溫后，進入洗滌塔頂部噴頭，自上而下；氯水與氯氣逆流直接接觸，氯氣中的鹽及雜質(zhì)被氯水洗滌帶走，氯氣被冷卻至 40 ℃ 以下，氯氣中攜帶的水份降溫后大部分被去除。出洗滌塔后的氯氣，經(jīng)過鈦材質(zhì)的列管換熱器，氯氣從冷卻器自上而下，用 5 ℃ 冷凍鹽水冷卻至12 ～15 ℃。氯氣經(jīng)水霧捕集器除水后，進入填料干燥塔下部，自下而上運行。循環(huán)泵輸送至換熱器冷卻的硫酸，從填料干燥塔頂部噴淋，自上而下，大于76%的硫酸直接與氯氣逆流接觸，除去氯氣中的一部分水。一次硫酸干燥后的氯氣，再進入泡罩干燥塔下部，與高位槽自流而下的98%濃硫酸反方向相互接觸，進行二次硫酸干燥。干燥后的氯氣，經(jīng)酸捕集器除去酸霧，然后進入透平機一級壓縮；經(jīng)一級冷卻器冷卻后，進入二級壓縮；二級壓縮后經(jīng)二級冷卻器冷卻，送至氯氣分配臺；經(jīng)氯氣分配臺后，送至液化、氯化氫工序。

2 氯氣透平機冷卻器泄露原因分析及改進

昆明云能化工使用的是杭州求是透平機制造有限公司生產(chǎn)的氯氣透平機，是二級氯氣壓縮機。因氯氣壓縮機葉輪轉(zhuǎn)速高，葉輪與氯氣產(chǎn)生高摩擦，使得每級壓縮后氯氣的溫度升高。為順利進行下級的氣體的壓縮，一級壓縮和二級壓縮后分別設(shè)有列管式換熱器，即一級冷卻器和二級冷卻器。一級冷卻器和二級冷卻器用循環(huán)水進行換熱。

2.1 冷卻器的結(jié)構(gòu)

冷卻換熱器主要由殼體、列管、封頭、管板、擋板等組成，昆能化工采用的是鑫大化工機械有限公司制造的列管換熱器。氯氣與循環(huán)水在進行換熱時，循環(huán)水由封頭的連結(jié)管處進入，從封頭另一端的出口管流出，循環(huán)水走管程。氯氣從殼體的接管進入，從殼體上的另一接管處流出，氯氣走殼程。

2.2 冷卻器泄漏的影響

冷卻器泄漏，會對透平機造成毀滅性損害：水進入葉輪，腐蝕葉輪，會對透平機組的運行壽命造成縮短，導(dǎo)致抽力下降；嚴(yán)重時會直接打破葉輪的動平衡，使葉輪及軸承直接損壞。因此冷卻器泄漏，會對氯堿穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)造成影響，嚴(yán)重導(dǎo)致系統(tǒng)只能低負(fù)荷運行，甚至停產(chǎn)危害。

2.3 冷卻器泄露的原因分析

2.3.1 冷卻器泄漏敘述

昆能化工出現(xiàn)過的設(shè)備事故：2015年8月，運行中的氯氣透平機發(fā)生異響(2 s 左右)。聽到異響聲后，當(dāng)班人員去現(xiàn)場對氯氣透平機巡檢，未有異?，F(xiàn)象；DCS畫面顯示透平機正常，氯氣總管壓力及分配臺壓力正常。當(dāng)巡檢人員回到DCS室，氯氣透平機發(fā)生劇烈的異響聲，DCS此時顯示氯氣透平機流量下降，抽力下降；當(dāng)班人員緊急啟動備用氯壓機，停運異響的氯氣透平機。第二天，拆開氯氣透平機機頭，機頭內(nèi)有積水，發(fā)現(xiàn)是一級冷卻器漏水，導(dǎo)致氯氣透平機機頭損壞。

2.3.2 冷卻器泄漏的原因分析及探討

1) 列管換熱器在制造時，由于未嚴(yán)格執(zhí)行要求，出現(xiàn)了縫隙、殘渣等問題。氯氣和水帶壓沖刷管壁，且氯氣在升壓過程中溫度快速升高，高溫高流速加劇了管道滲漏速度。2) 氯氣含水量不達標(biāo)是造成泄漏的另一原因。氯氣是在冷卻、干燥、除酸霧后進入透平壓縮機，氯氣含水量不達標(biāo)，將會加劇腐蝕換熱器。3)冷卻用的循環(huán)水不達標(biāo)也是造成泄漏原因之一。循環(huán)水是重復(fù)使用的，且使用中在循環(huán)水內(nèi)加入的阻垢劑、次氯酸鈉等，會腐蝕換熱器。4)氯堿系統(tǒng)用的機封水要回至循環(huán)水內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)的機泵有硫酸泵、堿泵、鹽酸泵、次氯酸鈉泵等，含堿、硫酸、鹽酸、次氯酸鈉的泵機封泄漏，會把腐蝕的液體帶入循環(huán)水，加劇了換熱器的泄漏。

2.4 冷卻器泄漏的改進措施

1) 定時對冷卻器檢查，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時處理；定時按期更換冷卻器。

2) 定時對一、二級冷卻循環(huán)水中游離氯含量進行化驗，超標(biāo)及時檢查處理。

3)加大對腐蝕液體循環(huán)泵的機封檢查，發(fā)現(xiàn)機封泄漏及時處理。

4) 增加氧化還原電位在線監(jiān)測。當(dāng)氧化還原電位增加時，及時對循環(huán)水取樣，分析游離氯含量。增加氧化還原電位聯(lián)鎖，當(dāng)氧化還原電位到 680 mV 時，機組聯(lián)鎖跳停。

3 透平機喘振的分析與改進

3.1 透平機喘振

透平機在帶負(fù)荷情況下連續(xù)運行不會出現(xiàn)喘振現(xiàn)象。透平機停機后啟動，或未帶負(fù)荷運行時，會發(fā)生喘振現(xiàn)象；透平機帶負(fù)荷較小，手動回流開度不夠，也會發(fā)生喘振。喘振其實就是透平機內(nèi)氣體循環(huán)量不夠，進氣量及出氣量較小，機組氣體從進口到出口氣體循環(huán)不流暢，總之是氣體流量不夠才會發(fā)生喘振。喘振會導(dǎo)致機組振動增大，電流波動大，造成機組異響。

3.2 喘振的危害

透平機長時間喘振會對機組造成嚴(yán)重?fù)p害。喘振機組會劇烈振動，噪音是正常的數(shù)倍，導(dǎo)致軸承移位較大，損毀軸承及葉輪。喘振危害有以下幾個方面:

1)電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，影響主油泵供油，破壞供油系統(tǒng)；2)軸承轉(zhuǎn)速時快時慢，損壞軸承；3)葉輪損壞，造成齒輪箱破壞，嚴(yán)重會造成人員傷害；4)電機移位，壓箱、軸瓦損壞，造成整機損壞。

3.3 引起喘振的原因分析

壓縮工藝參數(shù)直接影響著透平機喘振，這些參數(shù)包括:透平機出口流量、出口壓力、透平機廢氯控制閥開度、出口旁通閥及自動調(diào)節(jié)閥開度、手動回流開度、透平機進口流量、進口壓力。某一參數(shù)發(fā)生變化，就有可能引起喘振，尤其是在裝置開車、停車階段。透平機組進口氣體流量過少，出口的回流閥未調(diào)節(jié)到全開的位置，一、二級出口壓力過低，進氣量和出氣量不穩(wěn)定，機組內(nèi)氣體流量達不到匹配流量等等，都會引起喘振。

3.4 操作改進

1)透平機開停機時，操作人員需根據(jù)流量來調(diào)整透平機。流量高時關(guān)小回流，流量不夠時開大回流，實時保證透平機流量在 1950 m3/h 以上。開機前,先全開手動回流及自動回流開度;停機前,應(yīng)先全開回流。開停機時,保證機組回流全開，即使進出口壓力過低，也能讓氣體在機組充分內(nèi)循環(huán)，不發(fā)生喘振現(xiàn)象。

2)開機前,對透平機進行升壓，升壓至 50 kPa ，保證開機時機組內(nèi)有氣體能充分循環(huán)。

3)開機時,確保泄至廢氣系統(tǒng)的廢氯閥開度，需進口氣量和出口氣量相一致，保證機組內(nèi)的循環(huán)氣量平衡達到機組設(shè)計流量要求。

4)開停機時，操作人員時刻觀察流量、一級進口抽力，時刻保證機組抽力，保證氣體循環(huán)流量達標(biāo)。流量及進口無抽力時應(yīng)及時調(diào)整。

4 潤滑油的作用及問題處理

氯氣透平機齒輪轉(zhuǎn)速達 17190 r/min。高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生高摩擦和高溫。氯氣透平機能否正常提供冷卻潤滑油，尤為重要。氯氣壓縮機機組潤滑油由主油泵及副油泵供油。透平機組啟動后，由主油泵供油，機組停運后由副油泵供油；機組運行時，主油泵運行；副油泵聯(lián)鎖停止運行，機組停運或跳停時聯(lián)鎖副油泵自動啟動供油。供油系統(tǒng)提供 0.15～0.25 MPa 的油壓，經(jīng)熱器換熱后進入過濾器除去雜質(zhì)，然后進入機組的前后軸承、齒輪箱等傳動部位，潤滑齒輪箱油的同時帶走機組運行過程中產(chǎn)生的熱量，以確保機組的安全穩(wěn)定運行。潤滑油系統(tǒng)還有控制摩擦、減少機件的磨損、防止齒輪銹蝕和對齒輪振動起阻尼的作用。常見的潤滑油系統(tǒng)故障有:油品不合格、潤滑油受氯氣污染、主油泵問題、輔助油泵問題、潤滑油油箱氮氣密封不好(進入空氣)，以及潤滑油系統(tǒng)的相關(guān)連鎖失靈等問題。在機組運行過程中，經(jīng)常對潤滑油質(zhì)量進行檢查(油溫控制在指標(biāo)范圍內(nèi)，實時監(jiān)測供油壓力)，每半年按時更換潤滑油和油過濾器，檢查主油泵及輔助油泵是否完好。

5 氮氣密封的控制及問題處理

氯氣透平機一、二級密封氣體采用的是氮氣密封，一級氮封壓力要求0.05 ～0.10 MPa。二級氮封壓力要求0.10 ～0.15 MPa，氮氣從空壓制氮工序送至透平機?？諌褐频ば蛩椭镣钙綑C的氮氣壓力大于 0.4 MPa，存在氮氣壓力過高且壓力不穩(wěn)定，較難控制氮氣密封壓力。在進入一、二級氮封前，加裝了減壓閥，使氮氣壓力控制在 0.2 MPa 左右，較容易調(diào)節(jié)一、二級氮封壓力。氮氣密封壓力過高，容易把齒輪箱內(nèi)的潤滑吹出；壓力較低，會使氯氣溢至氮氣密封系統(tǒng)，腐蝕潤滑油和齒輪，危害及大。應(yīng)實時監(jiān)測氮氣密封壓力，壓力過低或過高都應(yīng)及時調(diào)整。當(dāng)空壓制氮工序無法正常供應(yīng)氮氣時，及時接用備用氮氣鋼瓶供應(yīng)氮氣，保證一、二級氮封壓力在指標(biāo)范圍內(nèi)。

6 泄壓閥存在問題及改進

廢氣泄壓閥設(shè)計時，直接至吸收塔。吸收塔口易被積鹽堵塞，開機時泄壓閥不能正常工作，導(dǎo)致停機時氯氣無法排至廢氣系統(tǒng)，開機時透平機進氣及出氣不順暢，流量較低，機組無抽力現(xiàn)像。把廢氣閥改接至DN300廢氣事故氯氣管上，事故氯氣管進廢氣吸收塔口直徑較大，不會堵塞，泄壓閥改進后無排氣不順暢現(xiàn)象。

7 保養(yǎng)及維護

1)每 4 h 對透平機前后軸承溫度、振動，進行現(xiàn)場測量，并做好溫度及振動值記錄。2)透平機一、二級進口增設(shè)過濾網(wǎng)，機組長期運行，酸霧捕集器未除干凈的酸泥會堆積在進口過濾網(wǎng)上，堵塞進口過濾網(wǎng)，使透平機抽力下降，影響生產(chǎn)效率。每半年應(yīng)更換潤滑油時，拆開一、二級進口過濾網(wǎng)，取出進行清洗，時刻保證透平機高效運行。3)每年對儀器儀表進行監(jiān)測校正，準(zhǔn)確的監(jiān)測能精確的判斷透平機的運行狀態(tài)。4)每次換油時，用面團清理油箱底部的鐵銹及大顆粒雜質(zhì)；換油時更換油過濾器，保證油壓壓差穩(wěn)定，使進入壓箱的潤滑油清潔，保證高速運行的齒輪安全運行。5)每年檢查換熱器殼程結(jié)垢情況，結(jié)垢及時清洗污垢，潤滑油換熱高效運行，使油溫在可控范圍內(nèi)。6)每年對電機進行維護保養(yǎng)。

8 總結(jié)

氯氣透平壓縮機作為氯堿生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，氯氣透平機在運行過程中出現(xiàn)的問題應(yīng)及時進行總結(jié)分析，找出問題的所在并改進。通過對氯氣透平機運行過程中存在問題的改進，氯氣透平機已能長時間連續(xù)、安全、穩(wěn)定的運行，為氯堿安全、穩(wěn)定、高負(fù)荷生產(chǎn)提供了保障。