空分裝置配套空冷器的運(yùn)行分析及故障處理

郭維維

（兗礦新疆煤化工有限公司空分車間)

眾所周知，我國水資源匱乏地區(qū)分布著豐富的煤炭資源。隨著煤化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，因地制宜利用煤炭資源發(fā)展下游產(chǎn)業(yè)，提高煤炭附加值，已是大勢所趨。與此同時，如何解決水資源緊缺問題已成了發(fā)展的關(guān)鍵。目前，大型煤化工項(xiàng)目越來越多地選擇空氣冷凝器作為汽輪機(jī)乏汽冷凝裝置。兗礦新疆煤化工有限公司空分空冷器裝置是由常熟某公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)并指導(dǎo)安裝的，用于曼恩機(jī)械有限公司生產(chǎn)的RIKT-160機(jī)組汽輪機(jī)乏汽的冷凝。該套空冷器裝置為常熟某公司在新疆啟用的首套裝置，目前已累計(jì)投入運(yùn)行23個月，運(yùn)行情況良好。

1 空氣冷凝器系統(tǒng)的組成和流程

空氣冷凝器 （簡稱空冷器）系統(tǒng)流程如圖1所示?？绽淦飨到y(tǒng)主要由以下6個子系統(tǒng)組成。

圖1 空氣冷凝器系統(tǒng)流程

（1）排汽系統(tǒng) 排汽系統(tǒng)設(shè)1根主排汽管道，排汽管道疏水直接引入排汽裝置下的疏水罐，管道上不設(shè)閥門。

（2）空氣冷凝器系統(tǒng) 空氣冷凝器系統(tǒng) （aircooled condenser system，簡稱ACC系統(tǒng)）通過蒸汽與空氣的熱交換來冷凝汽輪機(jī)排汽，以維持汽輪機(jī)的低背壓。整個空氣冷凝器系統(tǒng)按換熱介質(zhì)不同可劃分為蒸汽系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)。圖2為空冷器換熱管管束結(jié)構(gòu)示意圖。

①蒸汽系統(tǒng)。整個ACC系統(tǒng)由3列換熱管束組成，管束受熱面均采用兩級冷凝布置，即先順流(蒸汽流向與凝結(jié)水流向相同)后逆流 （蒸汽流向與凝結(jié)水流向相反）。在低溫低負(fù)荷情況下，可以選擇性停運(yùn)部分換熱管束，以減少整體換熱面積。在逆流換熱器上聯(lián)箱設(shè)有抽氣口，以便將不凝結(jié)氣體抽出。

②空氣系統(tǒng)?？諝庀到y(tǒng)主要指風(fēng)機(jī)組，包括12臺軸流風(fēng)機(jī)及風(fēng)機(jī)變速箱、電動機(jī)、振動開關(guān)、變頻器等附屬設(shè)施。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速通過變頻器可在20%～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在低溫低負(fù)荷情況下，通過改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或運(yùn)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)臺數(shù)可以改變空氣流量以減少換熱量。

（3）抽真空系統(tǒng) 抽真空系統(tǒng)設(shè)置2臺真空抽氣器，1臺為正常運(yùn)行時使用，1臺啟動抽氣器，用以汽輪機(jī)啟動時快速降低汽輪機(jī)背壓。真空抽氣器將逆流換熱管束上聯(lián)箱中的不凝結(jié)氣與很少量蒸汽一起抽出，不凝結(jié)氣經(jīng)過抽氣器兩級水冷，最終排入大氣。

（4）凝結(jié)水系統(tǒng) 凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)置2臺凝結(jié)水泵，凝結(jié)水系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。ACC系統(tǒng)中的凝結(jié)水靠重力自流輸送到集液箱，由凝結(jié)水泵通過凝結(jié)水管輸出。

（5）啟動旁路裝置 由于汽輪機(jī)在暖機(jī)階段的流量非常低，在極端寒冷的情況下，不能滿足空冷器最小流量要求，因此必須使用ACC系統(tǒng)啟動旁路，以達(dá)到防凍的目的。旁路蒸汽系統(tǒng)包括一組隔離閥、減溫減壓裝置以及連接管道等。

（6）清洗系統(tǒng) 清洗系統(tǒng)配置1臺清洗水泵，水泵布置在室內(nèi)，采用半自動清洗方式，即水平移動為手動，垂直運(yùn)動為電動。清洗系統(tǒng)的控制完全獨(dú)立，由就地開關(guān)控制，不進(jìn)DCS。

2 空冷器裝置凍管故障及原因分析

2.1 空冷器裝置凍管

2012年冬，該套裝置所處最低氣溫達(dá)-30℃，屬于極端惡劣環(huán)境。隨著氣溫降低，先采取了逐漸降低風(fēng)機(jī)負(fù)荷、停運(yùn)風(fēng)機(jī)、減小空冷器的換熱面積等方法維持空冷器運(yùn)行。后來，隨著氣溫進(jìn)一步降低，選擇了蒸汽乏汽最遠(yuǎn)端一列換熱管束，關(guān)閉該列蒸汽進(jìn)氣隔離閥，停止該列運(yùn)行。初期運(yùn)行情況良好，在環(huán)境溫度達(dá)最低時也沒有出現(xiàn)異常情況。但運(yùn)行約60天后，環(huán)境溫度開始回升，2013年1月17日發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)排壓突然持續(xù)上升。為維持汽輪機(jī)正常背壓，啟動主抽氣器維持運(yùn)行約2 h，在此期間凝結(jié)水溫度大幅度波動，且相鄰列溫差大于5℃，判斷為蒸汽嚴(yán)重偏流?？绽淦鳜F(xiàn)場框架上，可聽到停運(yùn)列管束發(fā)出明顯的漏氣聲，敲擊漏氣聲附近管束，聲音沉悶，因此可判斷為現(xiàn)場管束凍堵。

由于部分管束因凍堵而發(fā)生局部脹裂，隨著氣溫上升，凍堵處自然化凍，自裂縫處倒吸空氣進(jìn)入空冷器，導(dǎo)致空氣進(jìn)入空冷器系統(tǒng)，蒸汽發(fā)生嚴(yán)重偏流，抽氣器抽吸能力達(dá)不到要求，汽輪機(jī)背壓持續(xù)上升，最終汽輪機(jī)被迫停車。

2.2 凍管原因分析

根據(jù)此次故障的情況進(jìn)行了以下分析。停運(yùn)一列風(fēng)機(jī)，關(guān)閉蒸汽進(jìn)氣隔離閥，以降低空冷器換熱面積，但并沒有將停運(yùn)的這列風(fēng)機(jī)完全隔離。頂部抽取不凝氣的閥門處于打開狀態(tài)，同時底部冷凝液與運(yùn)行列相通。在同一水平面上，停運(yùn)列冷凝液底部下聯(lián)箱保持一定液位。由于進(jìn)氣隔離閥關(guān)閉，沒有蒸汽進(jìn)入停運(yùn)列，頂部抽氣閥一直處于吸氣狀態(tài)，在停運(yùn)列頂部與底部冷凝液產(chǎn)生了壓差，導(dǎo)致底部下聯(lián)箱的冷凝液被抽至一定高度。在極低環(huán)境溫度下，雖然管道脹裂，但由于凍堵并沒有發(fā)生泄漏。在環(huán)境溫度回升過程中，部分位置出現(xiàn)化凍現(xiàn)象，凍裂管道處開始出現(xiàn)漏氣，空冷器真空度難以維持，最終停車。

一般情況下導(dǎo)致凍管常見的有以下一些原因：蒸汽流量偏低；在意外情況下空氣進(jìn)入系統(tǒng)的真空部分；由于長時間運(yùn)行，系統(tǒng)中不凝氣體積聚太多；蒸汽分配不均導(dǎo)致某一列管束蒸汽量較少，風(fēng)量過大，冷凝液過冷。而本次空冷器凍結(jié)是因?yàn)閱为?dú)停運(yùn)了一列管束，又不能將該列管束完全隔離，所以最終導(dǎo)致部分管束凍管。

2.3 凍管處理措施

（1）快速處理，恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。由于需要較大的換熱量，空冷器的管束一般管壁較薄，所以焊接堵漏方法不可行。對于凍裂管束暫時通過割斷處理方式，堵死有漏點(diǎn)管束，以便盡快恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。此法為治標(biāo)不治本，且可能導(dǎo)致蒸汽分配惡化，極易產(chǎn)生更為嚴(yán)重的凍管后果。因此，不建議大面積使用。

（2）更換管束，優(yōu)化工藝流程。利用檢修機(jī)會對割斷管束進(jìn)行更換，同時對原有設(shè)計(jì)進(jìn)行改造，在單列冷凝液匯流進(jìn)入冷凝液總管處增加手閥，閥前增加導(dǎo)淋，配合頂部抽氣閥對停運(yùn)列進(jìn)行完全隔離。在完全停運(yùn)一列后，關(guān)閉蒸汽進(jìn)氣閥、頂部不凝氣抽氣閥、底部新增手閥，打開手閥前導(dǎo)淋閥，排凈底部冷凝液，對停運(yùn)列完全隔離。經(jīng)試驗(yàn)，可以完全隔離停運(yùn)列，并且對機(jī)組運(yùn)行沒有影響。

2.4 采取措施后的效果

2012年冬，采取快速處理的方法恢復(fù)了系統(tǒng)運(yùn)行，但一直存在蒸汽偏流問題。2013年5月采取更換管束、優(yōu)化工藝流程的方法從根本上解決了凍管和偏流問題。2013年冬季伊始，對優(yōu)化后的工藝流程進(jìn)行了試驗(yàn)，完全達(dá)到了預(yù)期效果，可以徹底隔離停運(yùn)列管束。從2014年的運(yùn)行情況來看，空冷器運(yùn)行情況良好，未再發(fā)生大面積凍管故障。

3 工藝參數(shù)異常情況處理

（1）不凝結(jié)氣體溫度低。當(dāng)不凝結(jié)氣體溫度低時，檢查系統(tǒng)是否存在泄漏。通常情況下，如該溫度與排氣溫度的差值大于10℃，開啟主抽氣器以使系統(tǒng)外泄漏的空氣被抽出。但是使用主抽氣器以后應(yīng)注意汽輪機(jī)排氣壓力不能過低，必須高于35 kPaA（經(jīng)驗(yàn)值），過冷度在3℃以內(nèi)，不超過5℃，一旦汽輪機(jī)壓力低于35 kPaA，系統(tǒng)將會在運(yùn)行一段時間以后產(chǎn)生偏流現(xiàn)象。

（2）排氣壓力高，冷凝液溫度低。如果出現(xiàn)這種狀況，一般為偏流的后期反應(yīng)，即管束內(nèi)可能發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致管道內(nèi)部結(jié)冰，換熱效率下降。若凍管情況在可接受范圍內(nèi)，可采取在線化凍處理，即采用風(fēng)機(jī)底部點(diǎn)火，人為營造溫?zé)岘h(huán)境，融化管束內(nèi)部冰的方法恢復(fù)空冷器的正常運(yùn)行。若凍管嚴(yán)重，應(yīng)迅速停止汽輪機(jī)運(yùn)行，停運(yùn)所有風(fēng)機(jī)和百葉窗，切斷旁路蒸汽，等待系統(tǒng)內(nèi)的冰融化。再次啟動前，需要檢查ACC系統(tǒng)的真空嚴(yán)密性，做真空衰減試驗(yàn) （具體值應(yīng)當(dāng)參考廠家給定的設(shè)計(jì)值）。若真空度下降趨勢在廠家給定范圍內(nèi)，證明系統(tǒng)無明顯泄漏點(diǎn)；若真空度下降趨勢明顯，則需現(xiàn)場排查，對不正常泄漏點(diǎn)進(jìn)行處理。

4 日常監(jiān)控運(yùn)行措施

（1）巡檢人員務(wù)必要間隔一段時間檢查空冷器內(nèi)部迎風(fēng)面管道上部、中部以及下部的壁溫，通常情況壁溫高于45℃。當(dāng)環(huán)境溫度低于-20℃時，管束壁溫會有明顯降低，此時應(yīng)注意空冷島整體溫度的監(jiān)控。若整體溫度均降低，則在條件允許范圍內(nèi)，可以通過適當(dāng)提高汽輪機(jī)排壓來提高乏汽冷凝溫度，以滿足防凍需要。

（2）由DCS通過迎風(fēng)面管束測量壁溫趨勢及真空度、環(huán)境溫度、冷凝液溫度、排氣溫度、不凝氣溫度等相互關(guān)系，判斷風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式。

（3）在運(yùn)行過程中應(yīng)注意防止凝結(jié)水過冷、不凝氣過冷。防止凝結(jié)水過冷的目的是避免由于冬季抽真空系統(tǒng)在低背壓下抽吸能力下降或嚴(yán)重漏氣致使凝結(jié)水過冷繼而結(jié)冰。切記在凝結(jié)水過冷情況下不能通過增加風(fēng)機(jī)負(fù)荷來降低汽輪機(jī)背壓。如果汽輪機(jī)排氣溫度高于冷凝液溫度15℃以上，可選擇啟動第二臺運(yùn)行抽氣器；若汽輪機(jī)排氣溫度與冷凝液溫度溫差在6℃以內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，則可以停第二臺運(yùn)行抽氣器。

（4）當(dāng)環(huán)境溫度降到0℃以下時，就要考慮防凍問題。如果進(jìn)入空冷器的蒸汽流量很小，即使風(fēng)機(jī)不運(yùn)行，空冷器也可能因?yàn)樽匀粨Q熱而結(jié)凍。特別是在汽輪機(jī)啟動階段，此時可以啟動旁路蒸汽，人為增加空冷器的蒸汽處理量。該蒸汽流量隨空冷器換熱面積的減少和環(huán)境溫度的升高而降低。

（5）管束的清潔程度對空冷器的性能影響很大。入夏前必須對管束進(jìn)行清洗，否則可能因?yàn)楦弑硥簩?dǎo)致機(jī)組不能滿負(fù)荷運(yùn)行。

總之，在實(shí)際運(yùn)行中，通過不斷優(yōu)化工藝流程，改進(jìn)操作方法，有效地提高了空冷器運(yùn)行的可靠性。空冷設(shè)備的有效利用，大大降低了空分耗水量。