氮壓機(jī)組汽輪機(jī)排汽缸真空度低原因分析及處理

桑賢偉

(呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506)

0 引 言

呼倫貝爾金新化工有限公司(簡(jiǎn)稱金新化工)基于現(xiàn)有500 kt/a合成氨、800 kt/a尿素裝置，經(jīng)評(píng)估、研究，提出“富甲烷氣提純”技改方案——以富甲烷氣為原料經(jīng)壓縮、液化提純制得液化天然氣(LNG)，LNG項(xiàng)目于2019年11月投產(chǎn)；氮?dú)鈮嚎s機(jī)組(簡(jiǎn)稱氮壓機(jī)組)是LNG裝置中的核心設(shè)備，自氮壓機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，中壓凝氣式汽輪機(jī)蒸汽消耗較高——蒸汽消耗設(shè)計(jì)值15.8 t/h、運(yùn)行值22.2 t/h，運(yùn)行值超出設(shè)計(jì)值6.4 t/h，蒸汽損耗量約31 kt/a，浪費(fèi)十分嚴(yán)重；汽輪機(jī)排汽缸真空度設(shè)計(jì)值-0.090 MPa、運(yùn)行值為-0.059 MPa，運(yùn)行值偏離設(shè)計(jì)值-0.031 MPa，趨于報(bào)警值-0.060 MPa(聯(lián)鎖跳車值-0.040 MPa)，汽輪機(jī)出力嚴(yán)重不足；汽輪機(jī)排汽缸溫度設(shè)計(jì)值46 ℃、運(yùn)行值83 ℃，運(yùn)行值高出設(shè)計(jì)值37 ℃，排汽缸溫度過高會(huì)引起汽輪機(jī)排汽側(cè)零部件膨脹超差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成動(dòng)靜部件摩擦，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)極大的隱患。

1 氮壓機(jī)組汽輪機(jī)概況

氮壓機(jī)組汽輪機(jī)由主機(jī)和輔機(jī)兩部分組成，主機(jī)主要為汽輪機(jī)本體及調(diào)速系統(tǒng)，輔機(jī)主要包括抽汽冷凝器、表面冷凝器(簡(jiǎn)稱表冷器)、潤(rùn)滑油站、冷凝液泵、軸封抽氣系統(tǒng)等。汽輪機(jī)主要參數(shù)為：型號(hào)TC4N-6，進(jìn)汽溫度447 ℃、進(jìn)汽壓力5.02 MPa(A)，排汽溫度46 ℃、排汽壓力0.012 MPa(A)，額定功率4 383 kW，額定轉(zhuǎn)速12 421 r/min、一階臨界轉(zhuǎn)速5 450 r/min。

汽輪機(jī)真空冷凝系統(tǒng)由表冷器、抽汽冷凝器(包括一級(jí)抽汽器、二級(jí)抽汽器、啟動(dòng)抽汽器)、軸封抽氣器、冷凝液泵以及附屬設(shè)備、連接管道、閥門等組成。來(lái)自汽輪機(jī)排汽管的蒸汽，由表冷器管程冷卻水冷卻，蒸汽在冷卻水管的外表面凝結(jié)成水，大量蒸汽急劇液化而體積瞬間變小，在表冷器內(nèi)形成-0.034 MPa的真空度，使汽輪機(jī)有較低的排汽溫度及排汽壓力，保持汽輪機(jī)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行；冷凝水匯集在表冷器底部，由冷凝液泵加壓送出界區(qū)。工作中，由于汽輪機(jī)本體及系統(tǒng)的密封不嚴(yán)，即汽輪機(jī)低壓部分的各級(jí)及相應(yīng)的換熱設(shè)備、后排汽缸、冷凝系統(tǒng)等處空氣向內(nèi)泄漏，在表冷器內(nèi)積聚；打開密封蒸汽供給閥向汽輪機(jī)密封套供給密封蒸汽，保持密封蒸汽壓力在0.02 MPa左右，此部分蒸汽及漏入的空氣被軸封抽氣器抽出，其余少量影響真空度的其他氣體用抽汽冷凝器抽出。

2 汽輪機(jī)排汽缸真空度低原因分析

引起汽輪機(jī)排汽缸真空度低的因素較多，據(jù)金新化工對(duì)汽輪機(jī)真空度低問題的排查經(jīng)驗(yàn)，不斷地排除無(wú)關(guān)因素，縮小檢查范圍，最后將問題排查的重心集中到以下幾個(gè)方面。

2.1 表冷器系統(tǒng)方面

汽輪機(jī)真空冷凝系統(tǒng)的表冷器為雙程列管式換熱器，換熱面積450 m2，設(shè)計(jì)循環(huán)水流量為1 150 m3/h。表冷器系統(tǒng)方面致汽輪機(jī)排汽缸真空度低的可能原因及排查如下。

2.1.1表冷器換熱效果不佳

表冷器循環(huán)水上水設(shè)計(jì)壓力0.45 MPa、溫度28 ℃，回水設(shè)計(jì)壓力0.25 MPa、溫度38 ℃，表冷器循環(huán)水上水與回水溫差為10 ℃。實(shí)際運(yùn)行過程中，表冷器上水與回水溫差10 ℃，回水溫度在35 ℃，溫度范圍正常；對(duì)表冷器循環(huán)水側(cè)人孔進(jìn)行拆開檢查，循環(huán)水管壁并未發(fā)現(xiàn)有結(jié)垢現(xiàn)象，表明表冷器換熱良好，由此排除表冷器換熱效果不佳導(dǎo)致排汽缸真空度低的可能。

2.1.2熱井液位高

熱井液位過高可能會(huì)造成表冷器部分換熱管被水淹沒，減少表冷器的有效冷卻面積，使汽輪機(jī)排汽壓力升高即真空度降低。金新化工實(shí)際檢測(cè)在線液位與現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)并多次校驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)液位計(jì)與在線指示一致，熱井液位一直處于正常控制范圍之內(nèi)，并沒有出現(xiàn)熱井液位高的情況。由此排除熱井液位高導(dǎo)致排汽缸真空度低的可能。

2.1.3表冷器熱負(fù)荷過高

表冷器的熱負(fù)荷包含兩個(gè)方面，一方面為來(lái)自汽輪機(jī)的負(fù)荷，汽輪機(jī)負(fù)荷過高會(huì)造成汽輪機(jī)排出的乏汽過多，表冷器不能將蒸汽充分冷凝成液體；另一方面來(lái)自疏水膨脹箱各疏水管線，暖機(jī)過程中為保證入汽輪機(jī)蒸汽不帶水，在汽輪機(jī)級(jí)間、軸封蒸汽管線、汽封漏氣管線等處設(shè)計(jì)了很多疏水管線，汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)各疏水管線上的閥門如果關(guān)不死，就會(huì)造成很多蒸汽直接進(jìn)入凝汽器(表冷器)真空側(cè)，使凝汽器(表冷器)熱負(fù)荷增大。實(shí)際運(yùn)行過程中，汽輪機(jī)蒸汽負(fù)荷在22 t/h左右，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)各疏水閥可以完全關(guān)閉，未出現(xiàn)管線及閥門泄漏的問題，由此可以排除疏水膨脹箱各疏水管線泄漏而致系統(tǒng)真空低的可能，確定表冷器超負(fù)荷運(yùn)行是汽輪機(jī)排汽缸真空度低的原因之一。

2.2 排汽缸缸體及軸封抽氣系統(tǒng)方面

2.2.1排汽缸缸體密封檢查

排汽缸缸體灌水檢查，發(fā)現(xiàn)排汽缸與表冷器中間接口處有少量泄漏，通過更換密封墊片、涂抹密封膠、緊固等方式進(jìn)行處理，再次進(jìn)行灌水試驗(yàn)，漏點(diǎn)消除，由此確認(rèn)排汽缸缸體密封不嚴(yán)是導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽缸真空度低的原因之一。

2.2.2軸封抽氣系統(tǒng)檢查

汽輪機(jī)采用封閉式汽封系統(tǒng)，前汽封主要作用為防止高壓蒸汽漏入軸承箱造成軸承溫度升高及潤(rùn)滑油帶水，后汽封主要作用為防止空氣漏入排汽缸而造成真空度惡化。正常情況下，軸封蒸汽壓力控制在0.02 MPa，汽輪機(jī)前、后汽封逸汽管均有少量蒸汽逸出，為回收蒸汽冷凝液，逸汽管下方有一個(gè)疏水管線從汽輪機(jī)排汽缸內(nèi)部接至軸封抽氣器。汽輪機(jī)在開車過程中以及運(yùn)行過程未發(fā)現(xiàn)后汽封逸汽管有蒸汽冒出，為排查空氣從軸封漏氣至排汽缸內(nèi)的可能，操作人員將軸封蒸汽壓力調(diào)至0.04 MPa，后汽封逸汽管有蒸汽逸出，由此可以排除軸封抽氣器方面原因?qū)е缕啓C(jī)排汽缸真空度低的可能。

2.2.3汽封間隙檢查

據(jù)氮壓機(jī)組安裝時(shí)廠家提供的安裝數(shù)據(jù)，前/后汽封間隙測(cè)量數(shù)據(jù)見表1?？梢钥吹剑?后汽封安裝間隙符合設(shè)計(jì)要求，由此可排除汽封間隙超差導(dǎo)致汽輪機(jī)排汽缸真空度低的可能。

表1 汽輪機(jī)前/后汽封安裝間隙 mm

2.3 抽汽冷凝器系統(tǒng)方面

抽汽冷凝器由蒸汽噴射器、冷凝器組成，而噴射器由1組啟動(dòng)抽汽器、2組一級(jí)抽汽器和2組二級(jí)抽汽器組成。蒸汽噴射器是完成能量轉(zhuǎn)換的一種裝置，它是由一定能量(壓力和流量)的蒸汽將靜壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，經(jīng)噴嘴射出形成高速射流，通過射流與空氣之間的卷吸作用及紊動(dòng)擴(kuò)散作用將吸入室的空氣和蒸汽帶至冷凝器內(nèi)。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)啟動(dòng)汽輪機(jī)建立真空度過程分析，在投用啟動(dòng)抽汽器的情況下，汽輪機(jī)排汽缸真空度為-0.052 MPa；投用1組抽汽器噴射器(即1組一級(jí)抽汽器和1組二級(jí)抽汽器)的情況下，汽輪機(jī)排汽缸真空度為-0.056 MPa；抽汽噴射器全部投用的情況下，汽輪機(jī)排汽缸真空度為-0.060 MPa。由此可以初步判定抽汽器的投用對(duì)汽輪機(jī)排汽缸真空度的影響很小，即抽汽器并沒有達(dá)到設(shè)計(jì)出力要求，故判斷汽輪機(jī)排汽缸真空度低的主要原因?yàn)槌槠飨到y(tǒng)失效。于是，對(duì)抽汽器系統(tǒng)進(jìn)行如下排查。

2.3.1噴射器壓力檢查

噴射器入口蒸汽壓力設(shè)計(jì)值為0.55 MPa，對(duì)抽汽器系統(tǒng)進(jìn)行全面排查，5組噴射器入口蒸汽壓力均為0.55 MPa，符合設(shè)計(jì)要求，排除因蒸汽壓力不足導(dǎo)致抽汽器系統(tǒng)失效的可能。

2.3.2噴射器流量檢查

對(duì)噴射器管道及5組噴射器前濾網(wǎng)進(jìn)行檢查，2組噴射器前過濾器位置蒸汽管道及濾網(wǎng)未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)堵塞，噴嘴前濾網(wǎng)檢查中未發(fā)現(xiàn)有破損及異常狀況，但由于現(xiàn)場(chǎng)濾網(wǎng)前后沒有壓差表，不能檢測(cè)濾網(wǎng)是不是存在阻流，于是，金新化工聯(lián)合沈鼓輔機(jī)設(shè)計(jì)部門對(duì)濾網(wǎng)尺寸進(jìn)行校核。

(1)過濾器進(jìn)出口管道規(guī)格為DN25，濾網(wǎng)截面積S1=(0.025/2)2×3.14=0.000 49 m2。

(2)取過濾器有效過濾面積(S2)與濾網(wǎng)截面積(S1)之比為3，則過濾器有效過濾面積S2=3S1=3×0.00049=0.001 47 m2。

(3)過濾器濾網(wǎng)網(wǎng)孔0.8 mm，表面積0.004 5 m2，現(xiàn)安裝的過濾器所選擇的濾芯表面積為0.005 6 m2，結(jié)構(gòu)開孔率34%，濾網(wǎng)為24目(可攔截0.785 mm以上的顆粒)，其有效開孔率為43%，則過濾器濾網(wǎng)有效過濾面積S=43%×34%×0.0056=0.000 818 7 m2，S

2.3.3抽汽器系統(tǒng)管線排查

據(jù)抽汽冷凝系統(tǒng)流程圖，金新化工與設(shè)計(jì)廠家現(xiàn)場(chǎng)檢查管線的安裝情況，并灌水進(jìn)行查漏，抽汽器管線及設(shè)備無(wú)泄漏，由此排除管線安裝錯(cuò)誤及泄漏等問題導(dǎo)致抽汽器系統(tǒng)失效的可能。

2.3.4噴射器噴嘴尺寸校核

噴射器主要由工作噴嘴、混合室、擴(kuò)散器組成。噴射器主要參數(shù)：蒸汽壓力0.55 MPa，進(jìn)汽溫度278 ℃，主抽汽器噴嘴直徑4 mm(設(shè)計(jì)廠家提供)，啟動(dòng)抽汽器噴嘴直徑6.2 mm(設(shè)計(jì)廠家提供)。噴射器是抽汽器系統(tǒng)的重要部件，噴射器噴嘴參數(shù)直接影響抽汽器的工作效率。金新化工結(jié)合氮壓機(jī)組當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，并在設(shè)計(jì)廠家提供噴射器相關(guān)參數(shù)的情況下對(duì)噴射器噴嘴尺寸進(jìn)行了校核，校核計(jì)算結(jié)果為，主抽汽器噴嘴直徑應(yīng)為7.8 mm、啟動(dòng)抽汽器噴嘴直徑應(yīng)為11.6 mm，即主抽汽器噴嘴尺寸設(shè)計(jì)偏小、啟動(dòng)抽汽器噴嘴尺寸設(shè)計(jì)也偏小，與生產(chǎn)實(shí)際所需不匹配，達(dá)不到現(xiàn)場(chǎng)使用要求，由此判定噴射器噴嘴尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)是抽汽器系統(tǒng)失效(即工作效率低)的主要原因之一。

3 改進(jìn)措施

根據(jù)上述分析與校核，金新化工給設(shè)計(jì)廠家提出整改建議，具體如下。

3.1 抽汽器噴嘴重新進(jìn)行設(shè)計(jì)及制造

金新化工將抽汽器噴嘴尺寸校核情況反饋給原設(shè)計(jì)廠家，設(shè)計(jì)廠家依據(jù)其開發(fā)的噴嘴設(shè)計(jì)軟件重新進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果(數(shù)值)適度放大，適當(dāng)增大抽汽余量。改造前后抽汽器噴嘴直徑對(duì)比見表2。

表2 改造前后抽汽器噴嘴直徑對(duì)比 mm

3.2 改造噴嘴前蒸汽濾網(wǎng)

噴射器入口前濾網(wǎng)校核計(jì)算表明，濾網(wǎng)存在阻流情況，當(dāng)時(shí)由于氮壓機(jī)組需要長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，暫時(shí)將濾網(wǎng)取出。為確保良好品質(zhì)的蒸汽通過噴嘴，防止固態(tài)顆粒物進(jìn)入噴嘴而造成損壞，金新化工要求原設(shè)計(jì)廠家對(duì)噴嘴前蒸汽過濾器濾網(wǎng)重新進(jìn)行核算，制作符合實(shí)際生產(chǎn)所需的濾網(wǎng)，在下一次氮壓機(jī)組停機(jī)后填裝新的濾網(wǎng)。

3.3 改進(jìn)效果

氮壓機(jī)組汽輪機(jī)經(jīng)排查過程中的消漏等處理以及落實(shí)上述改進(jìn)措施后，于2019年12月20日重啟，運(yùn)行狀況良好，汽輪機(jī)排汽缸真空度為-0.087 MPa，排汽缸溫度約42 ℃，蒸汽消耗降至15.9 t/h，基本上達(dá)到設(shè)計(jì)要求，氮壓機(jī)組汽輪機(jī)排汽缸真空度低等問題得到較好解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過1個(gè)月的時(shí)間，金新化工對(duì)氮壓機(jī)組汽輪機(jī)排汽缸真空度低的原因進(jìn)行反復(fù)排查，對(duì)各種可能原因進(jìn)行多方推理與論證，最終找出了引起汽輪機(jī)排汽缸真空度低的主要原因，提出了相應(yīng)的解決措施，在設(shè)計(jì)廠家的配合下排汽缸真空度低等問題得到圓滿解決，僅減少蒸汽損耗一項(xiàng)，全年可挽回經(jīng)濟(jì)損失約10萬(wàn)元。

通過本次汽輪機(jī)排汽缸真空度低問題的排查及解決，金新化工對(duì)氮壓機(jī)組有了更深一步的了解。為確保壓縮機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，日常生產(chǎn)運(yùn)行中，機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的任何微小變化都應(yīng)引起關(guān)注，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并予以解決，不斷摸索機(jī)組運(yùn)行規(guī)律，掌握其最佳運(yùn)行工況；日常設(shè)備管理中，注重從源頭上解決壓縮機(jī)組存在的問題，不放過任何小故障，不消極、不拖延，及時(shí)消除隱患或防患于未然。