丙烷脫氫裝置汽輪機(jī)的在線清洗研究

陸朝陽(yáng) 田俊凱 范昌海

浙江衛(wèi)星能源有限公司 （浙江嘉興 314000）

浙江衛(wèi)星能源有限公司丙烷脫氫的主要工藝裝置是丙烷脫氫制丙烯裝置。汽輪機(jī)應(yīng)用于產(chǎn)品的最后一道工序——丙烷丙烯分離塔，是丙烷脫氫裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一。汽輪機(jī)推動(dòng)的熱泵壓縮機(jī)為丙烯塔提供塔底再沸熱量，同時(shí)為塔頂提供冷凝冷量。本次清洗的汽輪機(jī)由杭州汽輪機(jī)股份有限公司供貨，型號(hào)為ENK50/63/25/56，型式為抽凝式。

1 汽輪機(jī)運(yùn)行基本情況

機(jī)組從2014 年8 月開(kāi)工后一直穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn)速為4 300～4 400 r/min，蒸汽壓力為4.0 MPa，蒸汽溫度為400 ℃，蒸汽用量為100 t/h，抽汽量為40 t/h，輪室壓力為2.0 MPa；2019 年3 月起，輪室壓力上漲明顯，為了維持轉(zhuǎn)速，主汽閥門開(kāi)度逐漸增大，蒸汽用量增加明顯，進(jìn)入4 月后，主汽閥門開(kāi)到100%，蒸汽用量增加10 t/h。為了主汽閥門有調(diào)節(jié)余量，通過(guò)降低抽汽量維持運(yùn)行，數(shù)周后輪室壓力增加至3.5 MPa，這嚴(yán)重制約裝置的正常生產(chǎn)負(fù)荷，同時(shí)蒸汽消耗的增加影響綜合經(jīng)濟(jì)效益。此外，轉(zhuǎn)子平衡變差存在安全隱患[1]。因此，必須對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行清洗除垢。

2 結(jié)垢原因分析

機(jī)組采用4.0 MPa 過(guò)熱蒸汽，其來(lái)源是開(kāi)工鍋爐、燃機(jī)余熱鍋爐以及加熱爐余熱鍋爐。分析表明，結(jié)垢造成汽輪機(jī)輪室壓力異常增大，而結(jié)垢物質(zhì)主要成分是蒸汽中夾帶的鈉鹽、二氧化硅等；當(dāng)汽包加藥系統(tǒng)故障，或者因連排、定排故障而未及時(shí)排出懸浮物及雜質(zhì)時(shí)，蒸汽品質(zhì)即難以控制。

經(jīng)過(guò)排查歷史蒸汽采樣數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有多次鈉離子超標(biāo)現(xiàn)象。因此，汽輪機(jī)結(jié)垢的直接原因是蒸汽中夾帶的鈉離子超標(biāo)，根本原因是加藥系統(tǒng)和排污系統(tǒng)故障造成的蒸汽品質(zhì)下降。

3 結(jié)垢清洗方法

經(jīng)過(guò)查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)汽輪機(jī)結(jié)垢進(jìn)行清洗的方法主要有以下3 種。

3.1 停車開(kāi)缸清洗

大唐淮北發(fā)電廠報(bào)道了開(kāi)缸清洗的經(jīng)驗(yàn)[2]：汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子返廠，通過(guò)對(duì)葉片進(jìn)行噴丸處理和人工打磨，使目標(biāo)恢復(fù)金屬本色。該方法不僅能去除易溶于水的鈉鹽，還能清除不易溶于水的硅酸鹽等結(jié)垢物質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)是清洗得干凈、徹底，缺點(diǎn)是清洗周期長(zhǎng)。

3.2 停車不開(kāi)缸清洗

甘肅劉化（集團(tuán)）有限責(zé)任公司旗下熱電廠的兩套汽輪機(jī)（背壓式和抽凝式）采用停車浸泡的方法去除結(jié)垢[3]，分兩步實(shí)施：（1）通過(guò)熱的脫鹽水浸泡去除比較容易溶解的鈉鹽結(jié)垢物；（2）通過(guò)添加化學(xué)清洗溶劑對(duì)難以溶解的結(jié)垢物進(jìn)行清洗，清洗過(guò)程保持盤車運(yùn)行，并利用蒸汽對(duì)清洗溶劑進(jìn)行加熱。該清洗方法的優(yōu)點(diǎn)是比開(kāi)缸清洗節(jié)約時(shí)間；缺點(diǎn)是需要停車進(jìn)行清洗，清洗效果不如開(kāi)缸清洗效果。

3.3 在線清洗

中國(guó)石油化工股份有限公司荊門分公司催化裂化裝置于2018 年進(jìn)行了汽輪機(jī)在線清洗[4]。通過(guò)濕飽和蒸汽對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行清洗，蒸汽溫度由400 ℃降低至280 ℃，壓力不變，達(dá)到去除結(jié)垢的目的，且效果明顯，汽輪機(jī)工況恢復(fù)至開(kāi)車工況。該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是不用停車，減少了停車對(duì)裝置造成的經(jīng)濟(jì)損失，經(jīng)濟(jì)且高效；缺點(diǎn)是無(wú)法徹底清除結(jié)垢，難溶解的硅酸鹽及鈣、鎂離子等無(wú)法被清除。

結(jié)合裝置實(shí)際運(yùn)行需要，經(jīng)過(guò)討論分析，采用第3 種在線清洗方法。

4 清洗方案實(shí)施

通過(guò)查閱飽和蒸汽溫度-壓力曲線，在4.0 MPa的條件下，飽和蒸汽的溫度是250 ℃，因此選定蒸汽溫度最低降至270 ℃（保證蒸汽過(guò)熱20 ℃以上），以防止蒸汽攜帶的液滴造成汽輪機(jī)葉輪損傷。

清洗過(guò)程中，嚴(yán)格監(jiān)控汽輪機(jī)的軸振動(dòng)，若軸振動(dòng)波動(dòng)大于5 mm，立即停止蒸汽降溫，待軸振動(dòng)穩(wěn)定后再實(shí)施蒸汽降溫操作。

為防止蒸汽帶液嚴(yán)重給設(shè)備造成損傷，除了設(shè)定最低蒸汽溫度為270 ℃，還要嚴(yán)格控制蒸汽降溫速率不大于30 ℃/h，并且分多次降溫，每次降溫幅度不大于60 ℃。觀察清洗效果，如果輪室壓力未見(jiàn)明顯變化，進(jìn)一步降溫，直至清洗完成。

清洗期間監(jiān)控蒸汽凝液中Na+和汽輪機(jī)輪室壓力隨蒸汽溫度的變化，記錄并分析。

4.1 340 ℃恒溫

第一階段，通過(guò)鍋爐出口減溫減壓器對(duì)蒸汽溫度進(jìn)行調(diào)整，緩慢降低蒸汽溫度至340 ℃，凝水中Na+質(zhì)量濃度最高可測(cè)到4 000 μg/L，輪室壓力基本沒(méi)有變化，在3.5 MPa 左右。Na+含量及蒸汽溫度的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

圖1 汽輪機(jī)在線清洗蒸汽溫度與Na+質(zhì)量濃度變化情況

由圖1 可以看出：隨著蒸汽溫度下降，凝液中Na+的質(zhì)量濃度逐漸升高，在340 ℃時(shí)達(dá)到最高，為4 000 μg/L；凝液中Na+質(zhì)量濃度出現(xiàn)峰值后很快降低，說(shuō)明清洗部位是低壓缸側(cè)，隨著溫度降低逐漸向高壓缸側(cè)清洗；340 ℃下，輪室壓力未明顯降低，說(shuō)明高壓入口側(cè)的Na+沒(méi)有被清洗下來(lái)。綜上分析，蒸汽溫度為340 ℃時(shí)清洗效果不佳，需進(jìn)一步降溫。

4.2 295 ℃恒溫

第二階段，蒸汽溫度降至295 ℃，凝水中最高Na+質(zhì)量濃度達(dá)到6 220 μg/L，輪室壓力從3.7 MPa降到3.6 MPa，下降幅度不明顯；Na+、輪室壓力、軸位移與蒸汽溫度變化趨勢(shì)分別見(jiàn)圖2，圖3，圖4。

圖2 汽輪機(jī)在線清洗蒸汽溫度與Na+質(zhì)量濃度變化情況

圖3 汽輪機(jī)在線清洗蒸汽溫度與輪室壓力變化情況

圖4 汽輪機(jī)在線清洗蒸汽溫度與軸位移變化情況

由圖2～4 可以看出，隨著蒸汽溫度下降：凝液中Na+的質(zhì)量濃度逐漸升高，在295 ℃時(shí)最高，為6 220 μg/L；輪室壓力下降0.1 MPa，清洗效果不明顯；汽輪機(jī)軸位移下降0.04 mm，說(shuō)明高壓缸側(cè)只有少許Na+被清洗下來(lái)。綜上分析，蒸汽溫度下降至295 ℃不足以完全清洗Na+，還需進(jìn)一步降溫。

4.3 270 ℃恒溫

第三階段：目標(biāo)蒸汽溫度最低降到270 ℃，實(shí)際蒸汽溫度降至271 ℃，凝水中最高Na+質(zhì)量濃度達(dá)到66 600 μg/L，輪室壓力從3.6 MPa 降到2.0 MPa，軸位移下降0.15 mm。各指標(biāo)趨勢(shì)見(jiàn)圖5，圖6，圖7。

圖5 汽輪機(jī)在線清洗蒸汽溫度與鈉離子質(zhì)量濃度變化情況

圖6 汽輪機(jī)在線清洗蒸汽溫度與輪室壓力變化情況

由圖5～7 可以看出，隨著蒸汽溫度下降：凝液中Na+的質(zhì)量濃度逐漸升高，在271 ℃時(shí)最高可以分析到66 600 μg/L；輪室壓力從3.6 MPa 下降1.7 MPa，后維持在2.0 MPa 左右，清洗效果較好；汽輪機(jī)軸位移下降0.15 mm，說(shuō)明高壓缸入口側(cè)的Na+基本清洗完成，基本恢復(fù)結(jié)垢前的狀態(tài)。

清洗后，主汽閥開(kāi)度從100%下降至70%，蒸汽耗用量恢復(fù)至原始開(kāi)工水平（90 t/h）。

圖7 汽輪機(jī)在線清洗蒸汽溫度與軸位移變化情況

5 結(jié)論

本次清洗最低蒸汽溫度為271 ℃，過(guò)熱度為21℃，清洗過(guò)程全程監(jiān)控軸系各參數(shù)，未見(jiàn)明顯異常；水蒸汽溶解Na+效果較好、效率高，280 ℃以下停留80 min 即可清除結(jié)垢；蒸汽溫度到271 ℃時(shí)，結(jié)垢瞬間脫除，造成汽輪機(jī)軸位移有明顯波動(dòng)。如果有下次清洗，蒸汽溫度可以稍高（275～280 ℃），時(shí)間稍長(zhǎng)（2 h 左右），若未見(jiàn)明顯效果再進(jìn)一步降低溫度。結(jié)垢清除后，汽輪機(jī)側(cè)的軸位移下降明顯，壓縮機(jī)側(cè)的軸位移并沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明在線清洗對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行沒(méi)有任何干擾。避免汽輪機(jī)結(jié)垢要從根本上解決蒸汽品質(zhì)問(wèn)題，增加蒸汽采樣頻次，嚴(yán)格控制指標(biāo)。