汪學峰

（中國石油化工股份有限公司九江分公司， 江西 九江， 332004）

50MW熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組結(jié)垢原因分析及故障處理

汪學峰

（中國石油化工股份有限公司九江分公司， 江西 九江， 332004）

介紹了自備發(fā)電站熱電聯(lián)供裝置50MW汽輪發(fā)電機組汽輪機葉片結(jié)垢的原因和危害， 采用低溫低壓飽和濕蒸汽清洗去除葉片結(jié)垢，在生產(chǎn)運行中加強蒸汽、凝結(jié)水品質(zhì)監(jiān)督，使熱電聯(lián)供發(fā)電機組汽輪機葉片結(jié)垢、積鹽情況得到了明顯改善，因蒸汽、凝結(jié)水品質(zhì)原因引起的非計劃停機、停爐、停電等設(shè)備事故沒有發(fā)生，提高了熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組的運行效率，保障了機組高效、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，滿足大型石油化工裝置安全穩(wěn)定、長周期、連續(xù)運行的生產(chǎn)需要。

熱電聯(lián)供；汽輪機；結(jié)垢；原因分析；措施

0 引言

中國石油化工股份有限公司九江分公司 （下稱 “九江石化”）是江西省內(nèi)唯一的煉油、 化肥、化工配套生產(chǎn)的大型石油化工聯(lián)合企業(yè)，是中國石化在中部地區(qū)、長江沿江的重要煉化企業(yè)之一。該公司自備發(fā)電站熱電聯(lián)供裝置 （Co-generation），為煉油、化肥、化工等生產(chǎn)裝置提供高壓、中壓蒸汽和電力； 擁有2臺190t/h高溫、 高壓燃煤鍋爐，1套50MW熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組。 該發(fā)電機組的汽輪機由杭州汽輪機廠制造，汽輪機采用抽汽凝汽式運行， 機組于2002年6月投入使用。

熱電聯(lián)供是從一次能源中獲得兩種以上二次能源。一次能源包括煤、液化氣、天然氣、石油焦等，二次能源是由一次能源經(jīng)過轉(zhuǎn)換的熱力、電力和動力等。熱電聯(lián)供機組可以提高熱力發(fā)電廠的熱效率以及能源的綜合利用效率，還有利于環(huán)保和降低投資成本。熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖

熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組的工作原理是由汽輪機帶動發(fā)電機進行發(fā)電，其排汽排出的熱量，則由廢熱回收鍋爐進行熱交換，蒸汽通過熱力管網(wǎng)直接供應(yīng)生產(chǎn)裝置。熱電聯(lián)供系統(tǒng)將一次能源轉(zhuǎn)換為50%的電能后再將30%的廢熱回收， 可將一次能源的綜合利用效率提高到80%以上。

九江石化熱電聯(lián)供發(fā)電機組汽輪機功率大、蒸汽用量大、主蒸汽壓力高、溫度高、容易結(jié)垢。2010年11月， 汽輪機出現(xiàn)效率明顯下降趨勢。 在負荷未增加的情況下，主蒸汽消耗不斷增加，且調(diào)節(jié)級后壓力有所上升，進汽調(diào)節(jié)閥開度也不斷開大。在1個月的時間內(nèi)，新蒸汽進汽流量已由原來的98t/h增大至106t/h， 調(diào)節(jié)級后壓力也由原來的3.1MPa升至3.7MPa， 汽輪機高壓蒸汽調(diào)節(jié)閥開度開全，已無調(diào)節(jié)能力，且汽輪機經(jīng)常發(fā)生振動加劇現(xiàn)象。盡管采取了降低機組的負荷等措施維持運行，機組的運行工況仍然不穩(wěn)定，使發(fā)電機組的發(fā)電能力、安全運行受到嚴重影響，降低了機組運行的安全可靠性，嚴重威脅到煉油、化肥、化工等生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定運行。

經(jīng)九江石化工程技術(shù)人員和杭州汽輪機廠專家現(xiàn)場會診，分析造成上述狀況的原因是由汽輪機通流部分結(jié)垢、結(jié)鹽所致，對機組的安全、經(jīng)濟運行危害極大，因此必須盡快采取有效措施清除結(jié)垢物，保障生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定運行。

1 結(jié)垢原因分析

2011年2月， 九江石化公司對50MW熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組進行停機檢修，發(fā)現(xiàn)汽輪機葉片上有不同程度的結(jié)垢、結(jié)鹽現(xiàn)象。對汽輪發(fā)電機組汽輪機葉片灰褐色粉狀垢樣進行分析檢測，通過測定垢樣的灼燒減量重量百分含量， 分析得出Si、Na、 Ca、 Mg、 Fe、 Zn、 Al等離子重量百分含量，垢樣化驗檢測分析結(jié)果見表1。

表1 熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組汽輪機葉片垢樣化驗檢測結(jié)果 （%）

九江石化公司組織專業(yè)技術(shù)人員對熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組汽輪機葉片結(jié)垢的特點、原因進行論證和分析，認為主要是由于蒸汽、凝結(jié)水的品質(zhì)降低而導致機組汽輪機葉片形成不同程度的結(jié)垢。

（1）經(jīng)化驗檢測分析， 熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組的汽輪機葉片上結(jié)垢的酸不溶物為95.2%， 其主要成分是SiO2。 鍋爐水中會含有少量 （或微量）的鹽類物質(zhì)， 工藝要求鍋爐給水和主蒸汽中SiO2＜20μg/L， Na離子＜10μg/L。 結(jié)垢的成因初步判斷為：化肥脫鹽水裝置將回收來的各種凝結(jié)水與生水混合，進入樹脂交換器進行除鹽，一旦凝結(jié)水品質(zhì)差，和生水在樹脂中形成膠狀物，膠狀物含有Fe2O3、 A l2O3和SiO2等 物 質(zhì) ， 隨 除 鹽 水 進 入 除 氧器和鍋爐汽包。飽和蒸汽攜帶的硅酸，在過熱蒸汽中會失水變成SiO2， 在高溫狀態(tài)下， 膠狀物中的Si元素被釋放出來， 一部分Si元素隨過熱蒸汽進入熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組汽輪機，長周期運行中，在汽輪機葉片上逐漸附著形成SiO2結(jié)垢。

（2）延遲焦化裝置凝結(jié)水、 化肥合成氨裝置凝結(jié)水進入采暖系統(tǒng)替代低壓蒸汽作為熱源，再進入熱電脫鹽水裝置進行處理。上述凝結(jié)水經(jīng)過采暖系統(tǒng)循環(huán)后， 水中Fe2O3含量大幅上升， 遠遠超過現(xiàn)有化肥脫鹽水裝置脫除Fe3+的能力， 造成二級除鹽水Fe2O3超標， 導致熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組的汽輪機、除氧器、鍋爐汽包等設(shè)備出現(xiàn)不同程度的鐵腐蝕現(xiàn)象，如除氧器和汽包內(nèi)壁呈鐵銹紅色，汽輪機轉(zhuǎn)子腐蝕、葉片結(jié)垢，高壓段沖擊腐蝕， 中、 低壓段結(jié)垢， 說明蒸汽中攜帶了Fe、 Si、Ca離子等雜質(zhì)。

（3）熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組的汽輪機噴嘴和動葉片在蒸汽中Fe、 Si、 Ca等雜質(zhì)嚴重超標的情況下運行，逐漸形成結(jié)垢。又根據(jù)主蒸汽流量增加、調(diào)節(jié)級后壓力上升、凝汽器真空度同時上升，調(diào)節(jié)級后的第四級到第六級結(jié)垢情況尤為嚴重。調(diào)節(jié)級、第二級、第三級由于蒸汽參數(shù)較高，結(jié)垢相對較輕。第七級、第八級在濕蒸汽區(qū)運行，故結(jié)垢的可能性較小。

2 結(jié)垢的危害

石油化工工業(yè)是典型的流程工業(yè)，具有高溫高壓、易燃易爆等特點，必須保持生產(chǎn)過程的連續(xù)性，這對石油化工企業(yè)設(shè)備運行管理提出了嚴格的要求。

工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于蒸汽、凝結(jié)水品質(zhì)不良， 鹽類和SiO2超標通常會導致工業(yè)鍋爐爐管結(jié)垢以及機組的汽輪機通流系統(tǒng)葉片結(jié)垢、結(jié)鹽、設(shè)備腐蝕等現(xiàn)象，葉片疲勞腐蝕易產(chǎn)生裂紋，在交變應(yīng)力作用下會造成葉片斷裂，對機組的安全、高效、經(jīng)濟運行危害極大，嚴重地會造成生產(chǎn)裝置非計劃停機、停爐、停電等重大設(shè)備事故。

以九江石化熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組汽輪機為例。 當蒸汽、 凝結(jié)水品質(zhì)降低， 蒸汽中Si、 Ca、Fe、 Mg、 Al等離子超標， 汽輪機噴嘴和葉片槽道結(jié)垢，產(chǎn)生化學腐蝕，造成葉片型損增大、級效率降低和葉片間蒸汽通流面積減小。在初壓不變的情況下，汽輪機進汽量減少，影響汽輪發(fā)電機組的出力。

經(jīng)過統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組煤耗隨負荷的變化曲線特性主要由汽輪機熱耗率決定。汽輪機通流系統(tǒng)葉片結(jié)垢、結(jié)鹽，會直接造成熱效率下降，增加機組煤耗。據(jù)測算，汽輪機熱效率每下降0.1%， 供電煤耗就會增加0.1%，全年累計就要多消耗10000多噸燃煤， 給企業(yè)造成巨大的能耗損失。

如果機組帶同樣負荷，汽輪機葉片表面結(jié)垢后，蒸汽流量勢必加大，葉片蒸汽彎曲應(yīng)力增加；結(jié)垢的葉片離心力增加，葉片離心應(yīng)力增加。這些都使葉片工作應(yīng)力增加，導致葉片工作條件偏離設(shè)計工況，會改變成組葉片的頻率和振型，使汽輪機葉片振動頻率復雜化，葉片安全性會大大降低，嚴重時會導致汽輪機葉片損壞事故。

當汽輪機輪室壓力明顯升高時，汽輪機吸汽能力就會明顯下降。因此，其最大輸出功率就會大大降低，表現(xiàn)出來的現(xiàn)象是蒸汽進汽調(diào)節(jié)閥閥桿明顯開大甚至全開，最終還可能導致汽輪機轉(zhuǎn)速下降。同時，沉積物還會引起機械干擾。例如，軸向推力的增加，會使汽輪機止推軸承過載。

另外，當汽輪機通流部分結(jié)垢嚴重時，將破壞配汽機構(gòu)的正常工作，并且容易造成自動主汽門、調(diào)速汽門卡死的事故隱患，有可能導致汽輪機在事故狀態(tài)下緊急停機時自動主汽門、調(diào)速汽門動作不靈活或拒動作的嚴重后果，以致汽輪機損壞。

3 處理方法及效果

九江石化公司針對50MW熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組汽輪機葉片結(jié)垢的情況， 于2011年2月對該汽輪發(fā)電機組進行停機檢修。機械清洗及化學清洗雖然比較徹底，但檢修時間長、費用高。濕蒸汽清洗過程簡單易行，便于操作，不需要將機體與系統(tǒng)斷開。

經(jīng)過對幾套汽輪機除垢清洗方案綜合比較，決定采用濕蒸汽清洗方案清洗汽輪機葉片的結(jié)垢物， 即在低負荷、 低轉(zhuǎn)速 （3300～3500r/min）、 鍋爐降壓、 降溫下， 用低溫 （220～250℃）、 低壓（1.9～2.1MPa）飽和濕蒸汽沖洗清除結(jié)垢物。 使進入汽輪機第一個結(jié)垢級的蒸汽有2%的濕度， 利用濕蒸汽做功的同時，沖刷結(jié)垢的噴嘴和動葉片，將結(jié)垢物充分溶解，并隨做功后的排汽凝結(jié)水帶出機組。

操作時，降低熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組汽輪機負荷，將汽輪機由抽汽凝汽式變?yōu)槟竭\行，汽輪機轉(zhuǎn)速降低到3300r/min， 避開汽輪機的臨界轉(zhuǎn)速， 且在2673r/min和4233r/min這兩個臨界轉(zhuǎn)速點之間有較寬的浮動范圍。嚴格控制主蒸汽流量在12～15t/h， 不宜過大， 防止軸向位移過大， 蒸汽流量也不宜過低，否則會造成清洗不徹底。使進汽溫度略高于該壓力下的飽和蒸汽溫度，根據(jù)清洗時的情況可在清洗后期適當提高新蒸汽的過熱度，以減輕對已清洗好的葉片的沖蝕。手動主蒸汽閥門控制蒸汽流量， 清洗過程中每10min檢測1次凝結(jié)排水的電導率，不合格的凝結(jié)水排地溝。并重點監(jiān)控汽輪機膨脹值、熱應(yīng)力、軸向位移、振動和溫度等重要運行參數(shù)，必須在指標范圍之內(nèi)，還應(yīng)嚴格控制好蒸汽流量、溫度及負荷，汽輪機運行參數(shù)出現(xiàn)大幅波動以及主機監(jiān)視參數(shù)過大時，應(yīng)果斷停機處理。清洗時，汽輪機的主要參數(shù)如表2所示。

表2 熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組汽輪機清垢的主要參數(shù)

清洗過程中，凝結(jié)水電導率呈明顯下降趨勢，由155μS/cm降至20μS/cm， 證明汽輪機汽缸內(nèi)的結(jié)垢物在逐漸減少，清洗效果比較明顯。清洗完成后，將汽輪機主蒸汽進汽溫度和壓力逐漸提高，汽輪發(fā)電機組提速正常并加載，這樣有利于進一步清除沉積物。經(jīng)過停機檢查，汽輪機葉片結(jié)垢層清除效果良好。 2011年2月26日， 九江石化熱電聯(lián)供鍋爐點火運行， 50MW發(fā)電機組汽輪機恢復滿負荷運行，主蒸汽用量減少，各運行參數(shù)都控制在指標范圍之內(nèi)。

截至2012年9月， 九江石化公司50MW熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組汽輪機已經(jīng)連續(xù)運行19個月， 汽輪機輪室壓力在6.8MPa左右。 在抽汽狀態(tài)下， 高壓蒸汽調(diào)節(jié)閥開度達到原始開車時開度的85%。在全凝時， 高壓蒸汽調(diào)節(jié)閥開度在50%， 達到預(yù)期效果。熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組實現(xiàn)了經(jīng)濟、安全運行，達到了預(yù)期效果。工業(yè)應(yīng)用實踐證明，使用低溫、低壓飽和濕蒸汽沖洗清除汽輪機葉片結(jié)垢物的方案是可行的。

4 改進措施

九江石化公司借鑒國內(nèi)石油化工企業(yè)同類型熱電聯(lián)供機組的設(shè)備管理經(jīng)驗， 針對50MW熱電聯(lián)供汽輪發(fā)電機組汽輪機葉片結(jié)垢的成因采取了相應(yīng)的技術(shù)改進和管理措施，并對蒸汽、凝結(jié)水品質(zhì)管理各環(huán)節(jié)存在的問題進行了整改。

（1）質(zhì)量管理中心加強蒸汽、 凝結(jié)水品質(zhì)的監(jiān)測，及時采樣，分析鍋爐給水、爐水、疏水、凝結(jié)水、飽和蒸汽、過熱蒸汽等，保證蒸汽、凝結(jié)水質(zhì)量合格。由于目前公司質(zhì)量管理中心現(xiàn)有檢測設(shè)備無法分析水中絡(luò)合態(tài)的硅，所以在設(shè)備運行過程中一旦發(fā)現(xiàn)鍋爐水可溶性SiO2含量超標要及時匯報，并聯(lián)系質(zhì)量管理中心同時采集鍋爐水和除鹽水樣做全硅化驗檢測，對高溫狀態(tài)硅釋放進行驗證。

（2）熱電作業(yè)部脫鹽水裝置回收的全廠各種凝結(jié)水相對較為復雜，凝結(jié)水回收要進一步優(yōu)化工藝運行方式，對工藝凝結(jié)水和透平凝結(jié)水區(qū)別對待和處理。目前，延遲焦化裝置凝結(jié)水已改煉油系統(tǒng)除油、除鐵裝置處理后進除氧器進行回收利用；采暖凝結(jié)水目前因為沒有過濾設(shè)備而另外回收利用。通過采取以上措施，嚴格控制熱電脫鹽水裝置回收的各種凝結(jié)水質(zhì)量和蒸汽品質(zhì)在工藝要求的范圍之內(nèi)，盡量減少含硅元素膠狀物的形成。

（3）熱電聯(lián)供發(fā)電機組汽輪機在運行過程中，發(fā)現(xiàn)有葉片結(jié)垢等類似問題要及時處理，避免運行工況進一步惡化。在機組運行一定時間后，根據(jù)機組運行效率定期對汽輪機的通流部分結(jié)垢物進行清洗，降低設(shè)備能耗，以保證機組高效、經(jīng)濟運行，從而保障生產(chǎn)裝置安全、穩(wěn)定運行。

（4）機械動力處負責組織完善蒸汽、 凝結(jié)水的分析項目和頻次，加強對蒸汽、凝結(jié)水品質(zhì)的監(jiān)測和管理?；首鳂I(yè)部、熱電作業(yè)部在蒸汽、凝結(jié)水品質(zhì)管理工作上存在不足，作業(yè)部盡快采取整改措施，成立攻關(guān)小組，按期完成攻關(guān)會布置的各項工作。

（5）熱電作業(yè)部通過整理全年回收延遲焦化裝置凝結(jié)水期間鍋爐水可溶性二氧化硅含量超標的數(shù)據(jù)，完善熱電聯(lián)供鍋爐汽包水位的校零工作，嚴格監(jiān)控汽包水位，避免水位波動太大，同時加強檢查與考核； 進一步組織對鍋爐水PH值不合格原因進行分析，并提出處理措施。熱電作業(yè)部進一步完善在線監(jiān)測儀表，逐月統(tǒng)計產(chǎn)汽單位磷酸三鈉等藥品的耗量。

（6）化肥作業(yè)部恢復合成氨裝置氣化爐廢熱鍋爐加藥工作，與質(zhì)量管理中心對接協(xié)調(diào)解決廢熱鍋爐取水樣的問題，組織專題技術(shù)攻關(guān)，進一步提高除氧水溶解氧合格率。

5 結(jié)語

經(jīng)過九江石化公司各部門的共同努力，通過采取一系列有效措施嚴格監(jiān)控蒸汽、凝結(jié)水品質(zhì)，提高了蒸汽、凝結(jié)水品質(zhì)分析的準確性，最大程度地降低了蒸汽、凝結(jié)水中的雜質(zhì)含量，減少蒸汽對Fe、 Si、 Ca離子的溶解攜帶， 使蒸汽、 凝結(jié)水品質(zhì)合格率逐月提高。

據(jù)九江石化質(zhì)量管理中心統(tǒng)計， 2009年九江石化全廠蒸汽、 凝結(jié)水品質(zhì)合格率是83.81%；2010年為92.33%； 2011年為93.87%； 2012年8月份達到了95.62%。 通過采取一系列措施， 使50MW熱電聯(lián)供發(fā)電機組汽輪機葉片結(jié)垢、積鹽情況得到了明顯改善，杜絕了因蒸汽、凝結(jié)水品質(zhì)原因引起的非計劃停機、鍋爐停爐、停電等設(shè)備事故的發(fā)生，機組煤耗指標得到有效控制，從而達到機組高效、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行，延長機組運行周期和使用壽命的目的。

九江石化公司以加強設(shè)備故障管理為突破口，建立了適合石油化工流程工業(yè)的設(shè)備管理模式，滿足大型石油化工裝置安全、穩(wěn)定、長周期、連續(xù)運行的生產(chǎn)需要。

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［3］黃建設(shè). 汽輪 機的帶負 荷 沖洗分析 ［J］. 汽 輪機技術(shù),2005, 47（6）：458-459

Fouling Process and ControlMeasures for 50 MW Turbo Generator Set of Com bined Heat and Power

Wang Xuefeng
(Jiujiang Petroleum&Chemical Factory,China Petroleum&Chem ical Co.,Ltd.Jiujiang Jiangxi332004)

This paper introduced the cause and harm of steam turbine blade fouling for 50 MW turbo generator set of combined heat and power providing for power plant.Low temperature and low pressure saturationmoist steam was adopted to remove the blade fouling.During the set running,the quality supervision of steam and condensation waterwas strengthened to improve the situation of steam turbine blade fouling and salt accumulating of the set,so that there was no equipment breakdown,such as unplanned shutdown,blow-off and power failure caused by the quality of steam and condensation water,which raised the operating efficiency of the turbo generator set of combined heat and power,and ensured high-efficiency,safe,stable and econom ic operation.

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汪學峰 （1978 年- ）， 男， 漢族， 江西南昌市人， 2001 年畢業(yè)于南昌大學機電工程及自動化專業(yè)， 大學本科， 工程師， 現(xiàn)工作于中國石油化工股份有限公司九江分公司，從事設(shè)備管理工作。