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項目于2019年11月投產(chǎn)；氮氣壓縮機組(簡稱氮壓機組)是LNG裝置中的核心設(shè)備，自氮壓機組投運以來，中壓凝氣式汽輪機蒸汽消耗較高——蒸汽消耗設(shè)計值15.8 t/h、運行值22.2 t/h，運行值超出設(shè)計值6.4 t/h，蒸汽損耗量約31 kt/a，浪費十分嚴重；汽輪機排汽缸真空度設(shè)計值-0.090 MPa、運行值為-0.059 MPa，運行值偏離設(shè)計值-0.031 MPa，趨于報警值-0.060 MPa(聯(lián)鎖跳車值-0.040 MPa)，汽輪機出力嚴重不足；汽輪機排汽缸溫度設(shè)計值46 ℃、運行值83 ℃，運行值高出設(shè)計值37 ℃，排汽缸溫度過高會引起汽輪機排汽側(cè)零部件膨脹超差，嚴重時會造成動靜部件摩擦，給機組的安全穩(wěn)定運行帶來極大的隱患。

1 氮壓機組汽輪機概況

氮壓機組汽輪機由主機和輔機兩部分組成，主機主要為汽輪機本體及調(diào)速系統(tǒng)，輔機主要包括抽汽冷凝器、表面冷凝器(簡稱表冷器)、潤滑油站、冷凝液泵、軸封抽氣系統(tǒng)等。汽輪機主要參數(shù)為：型號TC4N-6，進汽溫度447 ℃、進汽壓力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。

汽輪機真空冷凝系統(tǒng)由表冷器、抽汽冷凝器(包括一級抽汽器、二級抽汽器、啟動抽汽器)、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。來自汽輪機排汽管的蒸汽，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，使汽輪機有較低的排汽溫度及排汽壓力，保持汽輪機的高效、穩(wěn)定運行；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，由于汽輪機本體及系統(tǒng)的密封不嚴，即汽輪機低壓部分的各級及相應(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 汽輪機排汽缸真空度低原因分析

引起汽輪機排汽缸真空度低的因素較多，據(jù)金新化工對汽輪機真空度低問題的排查經(jīng)驗，不斷地排除無關(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方面。

2.1 表冷器系統(tǒng)方面

汽輪機真空冷凝系統(tǒng)的表冷器為雙程列管式換熱器，換熱面積450 m2，設(shè)計循環(huán)水流量為1 150 m3/h。表冷器系統(tǒng)方面致汽輪機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)計壓力0.45 MPa、溫度28 ℃，回水設(shè)計壓力0.25 MPa、溫度38 ℃，表冷器循環(huán)水上水與回水溫差為10 ℃。實際運行過程中，表冷器上水與回水溫差10 ℃，回水溫度在35 ℃，溫度范圍正常；對表冷器循環(huán)水側(cè)人孔進行拆開檢查，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，使汽輪機排汽壓力升高即真空度降低。金新化工實際檢測在線液位與現(xiàn)場液位計并多次校驗，現(xiàn)場液位計與在線指示一致，熱井液位一直處于正?？刂品秶畠?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表冷器熱負荷過高

表冷器的熱負荷包含兩個方面，一方面為來自汽輪機的負荷，汽輪機負荷過高會造成汽輪機排出的乏汽過多，表冷器不能將蒸汽充分冷凝成液體；另一方面來自疏水膨脹箱各疏水管線，暖機過程中為保證入汽輪機蒸汽不帶水，在汽輪機級間、軸封蒸汽管線、汽封漏氣管線等處設(shè)計了很多疏水管線，汽輪機正常運行時各疏水管線上的閥門如果關(guān)不死，就會造成很多蒸汽直接進入凝汽器(表冷器)真空側(cè)，使凝汽器(表冷器)熱負荷增大。實際運行過程中，汽輪機蒸汽負荷在22 t/h左右，現(xiàn)場測驗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，確定表冷器超負荷運行是汽輪機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、緊固等方式進行處理，再次進行灌水試驗，漏點消除，由此確認排汽缸缸體密封不嚴是導(dǎo)致汽輪機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，逸汽管下方有一個疏水管線從汽輪機排汽缸內(nèi)部接至軸封抽氣器。汽輪機在開車過程中以及運行過程未發(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排汽缸真空度低的可能。

2.2.3汽封間隙檢查

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

表1 汽輪機前/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組啟動抽汽器、2組一級抽汽器和2組二級抽汽器組成。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擴散作用將吸入室的空氣和蒸汽帶至冷凝器內(nèi)。

據(jù)現(xiàn)場啟動汽輪機建立真空度過程分析，在投用啟動抽汽器的情況下，汽輪機排汽缸真空度為-0.052 MPa；投用1組抽汽器噴射器(即1組一級抽汽器和1組二級抽汽器)的情況下，汽輪機排汽缸真空度為-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汽輪機排汽缸真空度的影響很小，即抽汽器并沒有達到設(shè)計出力要求，故判斷汽輪機排汽缸真空度低的主要原因為抽汽器系統(tǒng)失效。于是，對抽汽器系統(tǒng)進行如下排查。

2.3.1噴射器壓力檢查

噴射器入口蒸汽壓力設(shè)計值為0.55 MPa，對抽汽器系統(tǒng)進行全面排查，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

對噴射器管道及5組噴射器前濾網(wǎng)進行檢查，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)場濾網(wǎng)前后沒有壓差表，不能檢測濾網(wǎng)是不是存在阻流，于是，金新化工聯(lián)合沈鼓輔機設(shè)計部門對濾網(wǎng)尺寸進行校核。

(1)過濾器進出口管道規(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)計廠家現(xiàn)場檢查管線的安裝情況，并灌水進行查漏，抽汽器管線及設(shè)備無泄漏，由此排除管線安裝錯誤及泄漏等問題導(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、擴散器組成。噴射器主要參數(shù)：蒸汽壓力0.55 MPa，進汽溫度278 ℃，主抽汽器噴嘴直徑4 mm(設(shè)計廠家提供)，啟動抽汽器噴嘴直徑6.2 mm(設(shè)計廠家提供)。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)合氮壓機組當前實際運行數(shù)據(jù)，并在設(shè)計廠家提供噴射器相關(guān)參數(shù)的情況下對噴射器噴嘴尺寸進行了校核，校核計算結(jié)果為，主抽汽器噴嘴直徑應(yīng)為7.8 mm、啟動抽汽器噴嘴直徑應(yīng)為11.6 mm，即主抽汽器噴嘴尺寸設(shè)計偏小、啟動抽汽器噴嘴尺寸設(shè)計也偏小，與生產(chǎn)實際所需不匹配，達不到現(xiàn)場使用要求，由此判定噴射器噴嘴尺寸設(shè)計不當是抽汽器系統(tǒng)失效(即工作效率低)的主要原因之一。

3 改進措施

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

3.1 抽汽器噴嘴重新進行設(shè)計及制造

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

表2 改造前后抽汽器噴嘴直徑對比 mm

3.2 改造噴嘴前蒸汽濾網(wǎng)

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

3.3 改進效果

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

4 結(jié)束語

經(jīng)過1個月的時間，金新化工對氮壓機組汽輪機排汽缸真空度低的原因進行反復(fù)排查，對各種可能原因進行多方推理與論證，最終找出了引起汽輪機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，全年可挽回經(jīng)濟損失約10萬元。

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