硫磺制酸蒸汽管道吹掃工藝參數(shù)確定與操作實踐

張玉杰

（中國恩菲工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

某600 kt/a硫磺制酸裝置采用“3+2”二轉(zhuǎn)二吸工藝，副產(chǎn)過熱蒸汽發(fā)電。高溫過熱器出口蒸汽參數(shù) 3.82 MPa、450 ℃，汽輪機進口主蒸汽參數(shù) 3.43 MPa、435 ℃。鍋爐及余熱發(fā)電系統(tǒng)投入使用前，需要對過熱器蛇形管及蒸汽管道進行吹掃，以清除在制造、運輸、保存、安裝、調(diào)試過程中產(chǎn)生或遺留在過熱器、蒸汽管道中的各種雜物，如垃圾、灰塵、砂粒、焊渣、氧化皮等，以免系統(tǒng)投入運行后高速氣流攜帶雜物沖擊汽輪機葉片，造成汽輪機振動過大、降低汽輪機內(nèi)效率，甚至侵蝕、損壞汽輪機葉片，造成葉片斷裂，發(fā)生嚴(yán)重的生產(chǎn)及安全事故。如果過熱器未吹掃干凈，過熱器蛇形管內(nèi)的雜物可能聚集在彎頭處，造成蒸汽流量減少、蛇形管過熱，嚴(yán)重時發(fā)生爆管等事故。殘留在過熱器、蒸汽管道中的砂石雜物多為硅酸鹽，系統(tǒng)投產(chǎn)后蒸汽溫度、壓力高，殘留在系統(tǒng)內(nèi)的砂石等硅酸鹽雜物，使高壓過熱蒸汽含有過量的硅酸鹽，嚴(yán)重影響蒸汽品質(zhì)，影響汽輪機運行，降低系統(tǒng)運行的安全性和經(jīng)濟性[1-3]。

1 余熱回收系統(tǒng)概述

1.1 設(shè)備

余熱回收系統(tǒng)主要設(shè)備有省煤器5A、省煤器3B、省煤器5C、余熱鍋爐、低溫過熱器、中溫過熱器及高溫過熱器。省煤器主要由殼體、集箱、熱管或翅片管組成；余熱鍋爐為臥式單鍋筒自然循環(huán)鍋爐，主要由汽包、鍋筒、管系、進出口煙箱組成；高溫過熱器為立式矩形箱體結(jié)構(gòu)，主要由進出口集箱和螺旋翅片蛇形管組成，蛇形管直管段帶翅片，彎頭部分為光管，方便施工與檢修。

1.2 管道

鍋爐給水及省煤器之間、省煤器與余熱鍋爐之間的管道材質(zhì)為20G，管道采用高壓水進行沖洗。余熱鍋爐汽包出口至中溫過熱器出口（高溫過熱器入口）蒸汽管徑DN300，管道材質(zhì)為20G，管道長度共計80 m，彎頭共計31個；高溫過熱器出口至汽輪機主汽門進口的蒸汽管徑DN300，管道材質(zhì)為12Cr1MoVG，管道長度共計180 m，彎頭共計45個。需要進行蒸汽吹掃的管道長度共計260 m，90°彎頭共計76個（不含過熱器蛇形管長度與彎頭數(shù)量）。余熱回收系統(tǒng)流程見圖1。

圖1 余熱回收系統(tǒng)流程示意

2 吹管方式與吹管工藝參數(shù)

2.1 吹管方式選擇

2.1.1 一段吹管與兩段吹管

按照是否將被吹掃管道進行拆分，吹管分一段吹管和兩段吹管2種。一段吹管是將過熱器、主蒸汽管道和再熱蒸汽冷段管道、再熱器、再熱蒸汽熱段管道串聯(lián)，一步完成的吹掃方式。兩段吹管是指先吹掃過熱器和主蒸汽管道，再將過熱器、主蒸汽管道與再熱蒸汽冷段管道、再熱器、再熱蒸汽熱段管道串聯(lián)進行吹掃，整個吹掃分兩步完成[4]。

該余熱鍋爐及發(fā)電站為硫磺制酸廠的配套裝置，系統(tǒng)相對簡單，且需要吹掃的管道相對不長，故采用一段吹管的方式。

2.1.2 穩(wěn)壓吹管與降壓吹管

按照吹管時鍋爐系統(tǒng)壓力是否穩(wěn)定，吹管分穩(wěn)壓吹管和降壓吹管。穩(wěn)壓吹管維持鍋爐輸入和輸出的能量平衡、給水量和蒸發(fā)量的質(zhì)量平衡，鍋爐蒸發(fā)系統(tǒng)壓力相對穩(wěn)定。降壓吹管利用鍋爐降壓過程中的鍋爐儲能快速釋放產(chǎn)生蒸汽動量進行吹管[4]。

為縮短吹管時間，加快工程進度，降低燃料、人工工時等費用，確保安全及快速解決突發(fā)問題，該項目采用白天進行降壓吹管、夜晚進行穩(wěn)壓吹管的模式。

2.2 吹管吹掃力

在管道內(nèi)流動的蒸汽對雜物的吹掃力越大，雜物越容易被帶走。管道內(nèi)的垃圾、灰塵、砂粒、表層氧化皮較容易去除，內(nèi)層氧化皮、焊渣在管壁上附著牢固，需要大的吹掃力才能去除干凈。為了保證正常運行工況時沒有管壁殘留物被蒸汽吹落并帶入汽輪機，吹管時蒸汽對雜物在流動方向的吹掃力至少要大于等于在最大連續(xù)蒸發(fā)工況時的吹掃力[3,5]。這樣在吹管時不能被吹落的雜物，在正常運行工況及最大運行工況時也不會被吹落。管道吹掃效果很大程度上取決于蒸汽的吹掃力，吹掃力與蒸汽速度變化、比體積有關(guān)，吹掃力等于吹掃蒸汽的質(zhì)量流量乘以蒸汽速度增量：

式中: F——吹掃力，N；

G——蒸汽質(zhì)量流量，kg/s；

V——蒸汽比體積，m3/kg；

F——管道截面積，m2。

吹掃力F與蒸汽質(zhì)量流量G的二次方成正比，提高G是提高吹掃力的有效辦法?？紤]到吹管時的蒸汽全部排入大氣，不能回收，汽水損失和熱損失大。故吹掃時鍋爐蒸發(fā)量要根據(jù)除鹽水系統(tǒng)的能力、燃料/原料供應(yīng)與成本等因素綜合確定。

在一定溫度下，蒸汽的壓力越高，其比體積越小。吹管系統(tǒng)各處壓力與系統(tǒng)的連接方式、臨時管道及閥門的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)。為降低吹管系統(tǒng)壓力，提高蒸汽吹掃力，臨時管道應(yīng)盡量短而簡單，臨時管道與排氣管的直徑應(yīng)盡可能大，蒸汽管道上不必要的閥門、儀表應(yīng)拆除。這樣既能減少壓力損失、降低系統(tǒng)壓力，又能保護閥門、儀表不被損壞。

在一定壓力下，蒸汽溫度越高，比體積越大。因此吹管蒸汽溫度越高，吹掃力越大，吹管效率越高，故吹管蒸汽溫度應(yīng)盡量接近額定值。吹管時管道要做臨時保溫，這樣既能減少管道散熱、維持蒸汽溫度，又能防止?fàn)C傷。

2.3 吹管參數(shù)

2.3.1 吹管系數(shù)

吹管參數(shù)的選擇須保證被吹掃系統(tǒng)各處的吹管系數(shù)均大于1[4]。吹管系數(shù)計算公式如下：

式中：K——吹管系數(shù)；

Db——吹管工況蒸汽流量，t/h；

Vb——吹管工況蒸汽比體積，m3/kg；

Do——鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況蒸汽流量，t/h；

Vo——鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況蒸汽比體積，m3/kg。

2.3.2 壓降比

穩(wěn)壓吹管時，鍋爐蒸發(fā)量宜選定在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況的45%及以上。

降壓吹管時，吹管工況與鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況下過熱器壓降比不小于1.4。吹管過程中，應(yīng)對過熱器吹管系數(shù)進行校核，并根據(jù)實際情況對吹管系數(shù)進行必要的調(diào)整[4]。壓降比計算公式如下：

式中：βΔp——壓降比；

Δpb——吹管工況某區(qū)段流動壓降，MPa；

Δpo——鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況該區(qū)段流動壓降，MPa。

2.3.3 降壓吹管過熱器出口最小壓力

降壓吹管時，吹管臨時控制閥門全開后，過熱器出口蒸汽最低壓力需在圖2所示曲線以上。

圖2 降壓吹管時過熱器出口蒸汽最低壓力推薦值

2.3.4 文獻介紹的吹管參數(shù)

關(guān)于吹掃蒸汽的參數(shù)，不同文獻的觀點各異。

文獻[1]要求蒸汽吹掃壓力應(yīng)為工作壓力的75%，工作流量的50%以上，吹掃時間大于15 min；吹掃采用蓄熱降壓法，3.8 MPa、450 ℃的鍋爐開始吹掃蒸汽壓力2.5 MPa、結(jié)束吹掃蒸汽壓力1.0 MPa。吹掃時鍋爐蒸發(fā)量為額定蒸發(fā)量的60%～70%。

文獻[1]認(rèn)為，由于吹管系數(shù)與蒸汽比體積成正比，蒸汽比體積和溫度、壓力有關(guān)，一定的溫度和壓力下蒸汽比體積是定值。由于吹掃過程要使管道盡量接近實際工作溫度，故吹掃蒸汽的比體積只與吹掃壓力有關(guān)。根據(jù)蒸汽汽焓圖，一定溫度下，壓力越低比體積越大，建議應(yīng)選用較低的壓力參數(shù)進行吹管。

2.4 吹管工藝參數(shù)分析驗證與確定

2.4.1 吹管系數(shù)的分析驗證

根據(jù)吹管系數(shù)計算公式[式(2)]，并結(jié)合試吹掃期間測量的蒸汽參數(shù)，計算的不同壓力下的吹管系數(shù)見圖3。

圖3 采用吹管系數(shù)公式計算的不同壓力下的吹管系數(shù)

由圖3的數(shù)據(jù)可知：吹掃蒸汽壓力在2.0～3.6 MPa時吹管系數(shù)均大于2，遠(yuǎn)高于DL/T 1269—2013《火力發(fā)電建設(shè)工程機組蒸汽吹管導(dǎo)則》中吹管系數(shù)大于1的要求。吹掃蒸汽壓力越低，吹管系數(shù)越大，這與一些文獻中的描述一致。蒸汽壓力小于2.4 MPa時，吹管系數(shù)甚至大于3。

2.4.2 壓降比的分析驗證

根據(jù)試吹掃期間測量的不同吹掃壓力下的系統(tǒng)參數(shù)，采用壓降比計算公式[式(3)]，計算的不同壓力下的壓降比見圖4。

圖4 采用壓降比公式計算的不同壓力下的壓降比

由圖4可見：在臨時吹掃閥門開啟后的5 s內(nèi)，系統(tǒng)壓力急劇下降，此時壓降比由極小迅速上升至超過1.5，此時吹掃蒸汽壓力為3.3 MPa。分析認(rèn)為由于臨時吹掃閥門開啟前，系統(tǒng)內(nèi)壓力基本一致，沒有壓降；臨時吹掃閥門開啟初期，蒸汽開始流動，系統(tǒng)壓差增大，壓降比增大。在臨時吹掃閥門開啟11 s后，壓降比上升至最大，最大值為2.39，此時吹掃壓力為2.9 MPa；之后壓降比隨著吹掃壓力的下降而逐漸下降，至臨時吹掃閥門開啟94 s（此時吹掃壓力為2.2 MPa）后，壓降比快速下降；至臨時吹掃閥門開啟96 s時，壓降比降低至1.34，不滿足DL/T 1269—2013中壓降比不小于1.4的要求。

2.4.3 吹管工藝參數(shù)確定

分析吹管系數(shù)與壓降比的實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果，最終確定該項目蒸汽管道開始吹掃蒸汽壓力為3.3 MPa，結(jié)束吹掃蒸汽壓力為 2.3 MPa。

分析認(rèn)為，采用壓降比公式的計算結(jié)果更接近硫磺制酸余熱鍋爐及發(fā)電站蒸汽管道吹掃。建議硫磺制酸項目設(shè)計文件中可明確推薦采用壓降比法確定吹管參數(shù)。

3 吹管準(zhǔn)備與要求

項目部成立了蒸汽管道吹掃組織機構(gòu)，設(shè)置了技術(shù)支持組、裝置操作組、施工配合組、安全警戒組等工作組；編制了蒸汽管道吹掃專項方案，并經(jīng)施工、技術(shù)、質(zhì)量、安全、監(jiān)理、業(yè)主審核批準(zhǔn)；按照規(guī)范要求設(shè)計并安裝了臨時管道、支架、消音器等臨時設(shè)施，拆除了流量計等儀表部件。

DL 5190.1—2012《電力建設(shè)施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，蒸汽吹掃的臨時管道及系統(tǒng)應(yīng)由具有設(shè)計資質(zhì)的單位設(shè)計，支架按設(shè)計要求安裝牢固。臨時管道材質(zhì)應(yīng)滿足吹管參數(shù)要求，排氣管的內(nèi)徑應(yīng)大于被吹掃管道的內(nèi)徑且布置簡捷。吹掃臨時連接管安裝前應(yīng)進行全面檢查，并按正式管道的施工工藝施工。臨時管道的焊接由合格焊工施焊，靶板前的焊口采用氬弧焊打底工藝，盡量縮短靶板前的臨時系統(tǒng)管道。管道吹掃時，管道上的流量裝置、調(diào)節(jié)閥芯等拆除。吹掃應(yīng)設(shè)消聲裝置，噪聲排放符合環(huán)保規(guī)定。吹掃參數(shù)的確定應(yīng)保證吹掃時蒸汽對管壁的沖刷力大于額定工況下蒸汽對管壁的沖刷力。吹掃時臨時控制閥門應(yīng)全開，開啟時間小于1 min。被吹掃系統(tǒng)各處的吹管系數(shù)大于1，或系統(tǒng)各處的壓降比大于1.4。汽包鍋爐吹掃時壓力下降值控制在飽和溫度下降值不大于42 ℃。升壓至0.3～0.5 MPa時，對蒸汽管道系統(tǒng)的所有螺栓進行熱態(tài)檢查，蒸汽壓力達到吹掃壓力的30%、60%時進行試吹掃，試吹掃后檢查臨時管道的安裝質(zhì)量[2,6]。

4 吹管實施

4.1 試吹掃

試吹掃用于操作團隊熟悉系統(tǒng)、設(shè)備及閥門性能，熟練操作流程。進行吹掃過程中相關(guān)蒸汽參數(shù)測定，確定正式吹掃工藝參數(shù)。復(fù)核臨時管道、支架的設(shè)計及施工安裝情況。并使各蒸汽管道吹掃工作組熟悉各自工作，加強相互配合。

圖5 試吹掃對比

圖5中左為第一次管道吹掃時吹掃消聲器出口的排氣（汽），右為第二次管道吹掃時吹掃消聲器出口的排氣（汽）。

圖5中可清晰看出前期管道吹掃排氣（汽）極臟，建議臨時管道出口（及消聲器）放置在空曠位置，與現(xiàn)有建構(gòu)筑物保持足夠的安全距離。不具備足夠安全距離的，現(xiàn)有建構(gòu)筑物與管廊橋架要做好防護。巡檢及與安全警戒人員要做好安全防護。加強溝通協(xié)調(diào)與警戒，吹管期間嚴(yán)禁任何人員進入吹管警戒區(qū)。

4.2 正式吹掃

試吹掃完成后轉(zhuǎn)入正式吹掃，正式吹掃按既定方案進行吹管工作。裝置操作組為主進行硫酸系統(tǒng)的操作，并記錄系統(tǒng)壓力、液位、溫度等參數(shù)。技術(shù)支持組主要確定工藝參數(shù)，監(jiān)控吹管過程數(shù)據(jù)，處理突發(fā)問題。施工配合組進行臨時管道安裝與檢驗、流量計及閥門部件拆裝、保溫、螺栓熱緊、更換靶板等。安全警戒組負(fù)責(zé)警戒、安全檢查等工作。

某白班吹管22次，開始吹掃蒸汽壓力超過3.6 MPa，結(jié)束吹掃蒸汽壓力約2.4 MPa，基本在既定方案 2.3～3.3 MPa。

4.3 吹管期間的余熱鍋爐操作

余熱鍋爐是硫酸廠的核心設(shè)備之一，鍋爐液位控制是操作控制的重點。吹管期間鍋爐系統(tǒng)蒸汽流量、壓力、溫度變化大，尤其需要注意鍋爐液位、鍋爐給水量、主蒸汽放空閥門及臨時吹掃閥門的操作與配合。由于單次吹管過程時間短，系統(tǒng)調(diào)節(jié)有滯后性，在試吹掃期間，鍋爐液位控制困難，鍋爐液位數(shù)次超過或低于最高或最低警戒線。經(jīng)過多次試吹掃的試驗與調(diào)整，分析了鍋爐液位的變化規(guī)律，總結(jié)了鍋爐液位控制與多個閥門調(diào)節(jié)的經(jīng)驗，吹管過程中進行提前操作，確保鍋爐液位保持在既定操作范圍內(nèi)。正式吹管期間余熱鍋爐液位變化見圖6。

圖6 吹管期間余熱鍋爐液位

臨時吹掃閥門打開6 s內(nèi)，鍋爐液位有少量下降。之后至23 s鍋爐液位迅速上升，鍋爐最高液位91%。之后至100 s，鍋爐液位逐漸緩慢下降至67%。之后十幾秒鍋爐液位快速下降至低于50%。吹掃開始時，臨時吹掃閥門剛打開，此時蒸汽外排速度小于余熱鍋爐產(chǎn)汽速度，鍋爐壓力有少量增加，液位有少量減少。之后由于大量蒸汽排出，鍋爐汽包中的蒸汽攜帶部分水滴，造成鍋爐呈現(xiàn)假液位，注意此時不能盲目減少鍋爐給水量；之后鍋爐液位緩慢下降。管道吹掃完成后，關(guān)閉臨時吹掃閥門，此時鍋爐系統(tǒng)壓力上升，鍋爐液位快速下降。

4.4 吹管完成與驗收

DL/T 1269—2013《火力發(fā)電建設(shè)工程機組蒸汽吹管導(dǎo)則》規(guī)定，吹掃效果檢查靶板寬度為臨時排氣管內(nèi)徑的8%，長度縱貫管道內(nèi)徑；吹掃合格標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)兩次靶板上沖擊斑痕的粒度不大于0.8 mm，且0.2～0.8 mm的斑痕不多于8點。

經(jīng)過10 d 100余次的吹掃后，連續(xù)3次檢查靶板均符合規(guī)范要求，蒸汽管道吹掃完成。

5 總結(jié)與建議

硫磺制酸余熱發(fā)電系統(tǒng)投入使用前，要對蒸汽管道進行吹掃，清除管道內(nèi)各種雜物，提高蒸汽品質(zhì)，保證余熱鍋爐系統(tǒng)與汽輪機運行的穩(wěn)定與安全。

吹管過程建議：①根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)與配置，合理選擇適當(dāng)?shù)拇倒芊绞剑虎诓捎迷嚧祾叩姆绞?，熟悉系統(tǒng)、設(shè)備及閥門的性能，測定吹管過程中系統(tǒng)與蒸汽參數(shù)；③硫磺制酸蒸汽管道吹掃優(yōu)先采用壓降比法計算與確定吹掃工藝參數(shù)；④建立吹管組織機構(gòu)，明確各自職責(zé)并進行演練配合；⑤編制吹管施工方案，按規(guī)定進行審核批準(zhǔn)；⑥按規(guī)范要求進行臨時設(shè)施與管道的設(shè)計、安裝與驗收，按規(guī)范要求進行吹管及檢驗；⑦吹管要設(shè)臨時消聲器，減少噪聲污染；⑧巡檢與安全警戒人員佩戴合適勞保用品，做好人身防護；⑨吹管過程中注意余熱鍋爐液位控制，吹管前適當(dāng)降低鍋爐液位，吹管過程中注意不能盲目降低鍋爐液位，吹管完成時注意提前加大鍋爐給水，盡量使鍋爐液位維持在要求范圍內(nèi)；⑩吹管嚴(yán)格按既定工藝參數(shù)及規(guī)范要求進行，確保吹管質(zhì)量；吹管過程中加強參數(shù)監(jiān)控、系統(tǒng)與設(shè)備檢查、安全巡查，確保吹管工作安全快速地完成。