季厚平,王 鈞

(福建聯(lián)合石油化工有限公司,福建 泉州362000)

裂解氣壓縮機(jī)是乙烯裝置長(zhǎng)周期、穩(wěn)定運(yùn)行的核心機(jī)組,其運(yùn)行狀況直接關(guān)系到裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,甚至影響到整個(gè)煉廠的運(yùn)營(yíng)。某乙烯裝置設(shè)計(jì)年產(chǎn)110萬(wàn)噸乙烯,采用順序分離流程的工藝技術(shù)。2020年初裂解氣壓縮機(jī)透平K20201ST出現(xiàn)進(jìn)汽量和透平輸出功率持續(xù)下降的現(xiàn)象,導(dǎo)致調(diào)速閥全開(kāi),裂解氣壓縮機(jī)一段吸入壓力持續(xù)上升,裝置加工負(fù)荷嚴(yán)重受限。

為了解決透平輸出功率下降的問(wèn)題,經(jīng)組織研究分析論證,在行業(yè)內(nèi)首次提出在維持裝置負(fù)荷不變的情況下采取在線加注清洗劑清洗、在裂解氣壓縮機(jī)氮?dú)膺\(yùn)行工況下實(shí)施飽和蒸汽清洗的綜合方案。該方案實(shí)施后,透平進(jìn)汽量、輸出功率得到完全恢復(fù),取得了良好的效果。該技術(shù)的成果可為大型機(jī)組透平功率下降的在線處理提供借鑒。

1 透平運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題

該乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)透平采用ELLIOT技術(shù),為抽汽冷凝式,雙缸設(shè)計(jì),對(duì)內(nèi)外缸溫差要求極其嚴(yán)格,其驅(qū)動(dòng)蒸汽為超高壓蒸汽(11.3 MPa、525℃),10級(jí)葉輪,四級(jí)抽出高壓蒸汽(3.9 MPa、380℃)。

2021年3月,乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)出現(xiàn)透平進(jìn)汽量、輸出功率以及轉(zhuǎn)速下降等現(xiàn)象,至同年6月,在調(diào)速閥全開(kāi)情況下,透平進(jìn)汽量只有403 t/h,透平輸出功率僅為36207kW,裝置運(yùn)行負(fù)荷下降了約15%,能耗也大大增加,對(duì)裝置穩(wěn)定、高效運(yùn)行形成制約。透平輸出功率下降后,從蒸汽流程、透平機(jī)械檢查、工藝系統(tǒng)、蒸汽品質(zhì)等方面進(jìn)行了原因分析,綜合判斷為透平葉片、靜葉柵結(jié)垢所致。

2 透平結(jié)垢的危害

汽輪機(jī)流通部分結(jié)垢后,將使汽流的流通面積減小,若維持各級(jí)壓力不變,則流量將減小,進(jìn)而使汽輪機(jī)發(fā)出的功率減小。

透平結(jié)垢后,不僅對(duì)汽輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)性有直接影響,而且嚴(yán)重威脅透平的安全運(yùn)行。具體表現(xiàn)為:

1)隔板壓差增大。由于級(jí)前壓力增加,使該級(jí)壓力降增加,隔板前后壓差增大,嚴(yán)重時(shí)隔板變形會(huì)使葉片和隔板發(fā)生摩擦。

2)改變了葉型線,降低汽輪機(jī)的效率。

3)減少通流面積,使蒸汽流量減小,機(jī)組效率下降,負(fù)荷降低,汽耗量增加。

4)結(jié)垢發(fā)生在汽輪機(jī)中部各級(jí)時(shí),前部各級(jí)的焓降減小,級(jí)的反動(dòng)度增加,轉(zhuǎn)子軸向力增加;結(jié)垢還會(huì)使迷宮密封梳齒之間的空間被填滿,造成密封效果下降,泄漏量增加,轉(zhuǎn)子的軸向力亦增加。

5)由于在葉輪上的結(jié)垢不均勻,會(huì)引起轉(zhuǎn)子不平衡,產(chǎn)生異常振動(dòng)。

6)通流部分因鹽溶液的作用引起腐蝕加大。

7)葉片結(jié)垢后,離心力增加,圍帶內(nèi)表面結(jié)垢和鹽分沉積,使圍帶離心力加大,易造成葉片和圍帶的損壞【1】。

3 原因分析

3.1 透平結(jié)垢的原因

根據(jù)超高壓蒸汽流程示意進(jìn)行溯源分析排查,如圖1所示。

圖1 超高壓蒸汽流程示意

對(duì)進(jìn)入除氧器的低壓蒸汽進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,硅含量和鈉離子含量超標(biāo),合格率僅約75%。排查產(chǎn)汽用戶發(fā)現(xiàn),存在油含量超標(biāo)現(xiàn)象(產(chǎn)汽設(shè)備內(nèi)漏)。

排查進(jìn)入除氧器的除鹽水,發(fā)現(xiàn)凝液混床制水量大幅度下降,正常情況下為45000t/周期,最低時(shí)下降至10000t/周期。監(jiān)測(cè)分析凝結(jié)水發(fā)現(xiàn),鈉含量最高達(dá)到12300μg/L,二氧化硅＞2000μg/L。凝結(jié)水不合格導(dǎo)致凝液混床運(yùn)行周期縮短,交換床頻繁切換。超標(biāo)的凝結(jié)水進(jìn)入二級(jí)除鹽水系統(tǒng)。

監(jiān)測(cè)分析顯示,各超高壓產(chǎn)汽用戶的蒸汽合格率或爐水合格率偏低,均未超過(guò)85%。

綜合上述分析數(shù)據(jù)判斷,此次透平功率下降原因主要有以下3點(diǎn):

1)煉油分部的低壓蒸汽發(fā)生器泄漏,帶油進(jìn)入系統(tǒng),在該低壓蒸汽汽包汽水界面產(chǎn)生共沸,形成霧沫夾帶,使得鹽類數(shù)倍進(jìn)入低壓蒸汽,并通過(guò)低壓蒸汽攜帶進(jìn)入鍋爐給水除氧器中,造成超高壓鍋爐給水水質(zhì)下降,進(jìn)而導(dǎo)致超高壓蒸汽不合格,同時(shí)給水通過(guò)減溫器直接進(jìn)入超高壓蒸汽系統(tǒng)。

2)工藝凝結(jié)水二氧化硅、鈉離子等超標(biāo),凝液混床制水量下降,交換床頻繁切換,精制凝結(jié)水質(zhì)量波動(dòng),超標(biāo)的凝結(jié)水被帶入二級(jí)除鹽水系統(tǒng),并進(jìn)入超高壓鍋爐給水中。

3)乙烯裝置裂解爐汽包爐水合格率偏低、公用分部氣化爐廢熱鍋爐超高壓蒸汽及輔助鍋爐超高壓蒸汽合格率偏低。

由上述分析可知,結(jié)垢的主要成分是鈉鹽和硅鹽,此外,可能還有烴類。

3.2 垢樣分析

2018年11月,該乙烯裝置大檢修,對(duì)透平進(jìn)行開(kāi)缸檢查,發(fā)現(xiàn)透平高、低壓段均有不同程度的結(jié)垢情況,其中靜葉片結(jié)垢尤為嚴(yán)重。取樣進(jìn)行化驗(yàn)分析,垢樣組成如表1所示。

表1 K20201ST透平葉片垢樣組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

分析數(shù)據(jù)顯示,透平垢樣有如下特征:

1)沉積物中碳、鈉、硅、鋁結(jié)垢形態(tài)明顯。

2)含碳元素,表明有烴類介質(zhì)泄漏并被帶入蒸汽系統(tǒng)。

此次透平功率下降后的溯源分析結(jié)論與2018年大檢修前的情形極為相似,因此,該垢樣組成分析數(shù)據(jù)具有一定的參考價(jià)值,可為清洗劑的選擇及飽和蒸汽的清洗方案的選擇提供數(shù)據(jù)支撐。

4 清洗方案比較

透平通流部分的清洗方案比較見(jiàn)表2。

表2 透平清洗方案比較

在對(duì)上述方案進(jìn)行評(píng)估比較后,擬采取方案一與方案三分階段實(shí)施的綜合方案進(jìn)行處理。

先采用方案一,在維持裝置負(fù)荷不變的情況下,加注清洗劑進(jìn)行在線清洗,通過(guò)滲透、剝離作用對(duì)可溶物垢鹽和不可溶物垢鹽進(jìn)行清除。

方案一實(shí)施完成后,視透平功率恢復(fù)情況,擇機(jī)采用方案三進(jìn)行飽和蒸汽在線清洗。

5 加注清洗劑在線清洗

5.1 清洗原理

此次采用的清洗劑是復(fù)合型清洗劑,其物性數(shù)據(jù)如表3所示。該清洗劑由耐高溫、耐高壓表面活性劑、滲透劑及剝離劑、表面致鈍和緩蝕劑等復(fù)配而成,毒性低,pH值7～9。

表3 清洗劑物性指標(biāo)數(shù)據(jù)

在線加注清洗劑的清洗作用為非溶解性清洗,通過(guò)特種界面活性劑作用于垢層,產(chǎn)生界面滲透、擠壓、剝落等界面效應(yīng),使垢層分解成微細(xì)粉末脫落并懸浮于凝水中排出,且能在金屬表面形成致密的鈍化膜,從而使基體金屬得到完全的保護(hù)。

5.2 清洗流程

清洗劑經(jīng)除鹽水稀釋調(diào)配至一定濃度后,經(jīng)計(jì)量泵采用連續(xù)注入的方式輸送至乙烯裝置任意1臺(tái)在運(yùn)行裂解爐減溫水調(diào)節(jié)閥后,隨減溫水注入超高壓蒸汽總管,并被蒸汽帶入透平中。

5.3 清洗步驟

1)配劑

根據(jù)清洗劑特性,清洗劑送到現(xiàn)場(chǎng)后,需要調(diào)配一定比例(約1∶8)約60℃的除鹽水加入加劑系統(tǒng)中,經(jīng)攪拌設(shè)施調(diào)制均勻,達(dá)到可輸送狀態(tài)。初期加注濃度約為6mg/L(清洗劑在超高壓蒸汽中的濃度),并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2)調(diào)整

配劑完成開(kāi)始加注后,為保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行,避免出現(xiàn)異常情況,在清洗階段逐步提高清洗劑中滲透劑的比例,從最初的4%(滲透劑占清洗劑的質(zhì)量百分比)分階段逐步提高至45%。加劑濃度從6.7mg/L(清洗劑占比蒸汽濃度)分3個(gè)階段逐步提高至16.8mg/L。當(dāng)透平輸出功率幾乎沒(méi)有變化時(shí),結(jié)束清洗。清洗劑在線清洗的配劑調(diào)整及透平進(jìn)汽量和輸出功率變化如表4所示。

由表4可見(jiàn),在線加注清洗劑實(shí)施在線清洗后,隨著滲透劑比例的提升和加劑濃度的提高,透平進(jìn)汽量和輸出功率有明顯變化。

表4 清洗劑加注期間配劑和濃度調(diào)整數(shù)據(jù)

5.4 監(jiān)控及分析

加注清洗劑清洗期間,每班早晚各加樣分析1次,期間監(jiān)測(cè)分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),二氧化硅及鈉離子 均有不同程度的波動(dòng),如表5所示。

表5 清洗劑加注期間凝液監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2020年7月8日～11月30日,累 計(jì) 清 洗145d,通過(guò)加注清洗劑在線清洗,裂解氣壓縮機(jī)透平進(jìn)汽量上升,輸出功率從3502kW上漲至41189kW,裝置運(yùn)行負(fù)荷從85%提升至92%,取得明顯效果。但調(diào)速閥仍處于全開(kāi)狀態(tài),壓縮機(jī)一段吸入壓力仍較高。

因此決定在2021年8月乙烯裝置其他系統(tǒng)按計(jì)劃停工前、裂解氣壓縮機(jī)氮?dú)膺\(yùn)轉(zhuǎn)工況期間,實(shí)施飽和蒸汽在線清洗,以進(jìn)一步清除透平通道垢物。

6 飽和蒸汽在線清洗

6.1 清洗原理

飽和蒸汽可以對(duì)葉片及靜葉柵的可溶性垢鹽進(jìn)行溶解脫除,如鈉鹽;當(dāng)可溶性垢鹽與不可溶性垢鹽共存時(shí),飽和蒸汽也能夠起到溶解清除的作用。從透平垢樣分布的組成分析來(lái)看,可溶物垢鹽和不可溶物垢鹽不是單一的,而是共存的。

由于已經(jīng)采取在線加注清洗劑的方式對(duì)垢鹽進(jìn)行了清洗,這也為透平飽和清洗奠定了基礎(chǔ)。

6.2 清洗流程

為了能夠精確控制超高壓蒸汽的溫度和降溫速率,采用乙烯裝置的9號(hào)和10號(hào)裂解爐自產(chǎn)蒸汽作為此次透平飽和蒸汽清洗的驅(qū)動(dòng)蒸汽,且每臺(tái)裂解爐出口均安裝有減溫器,可以通過(guò)溫控閥對(duì)超高壓蒸汽進(jìn)行控制。在氮?dú)膺\(yùn)轉(zhuǎn)工況下,優(yōu)化壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù),9號(hào)和10號(hào)裂解爐自產(chǎn)蒸汽完全能夠滿足透平用汽。流程示意見(jiàn)圖2。

圖2 裂解氣壓縮機(jī)透平飽和蒸汽清洗蒸汽流程示意

根據(jù)9號(hào)和10號(hào)裂解爐的產(chǎn)汽量、溫控閥的最大給水量及相應(yīng)焓值模擬測(cè)算,9號(hào)爐超高壓蒸汽最低能降至332℃,10號(hào)爐超高壓蒸汽最低能降低至345℃,熱備工況產(chǎn)汽量達(dá)到100t/h。裂解氣壓縮機(jī)氮?dú)膺\(yùn)行工況,最小耗汽量約90 t/h。2臺(tái)裂解爐供汽完全滿足條件。

6.3 潛在的風(fēng)險(xiǎn)

飽和蒸汽在線清洗存在如下潛在風(fēng)險(xiǎn):

1)驅(qū)動(dòng)透平的超高壓蒸汽降溫速率難以控制,會(huì)導(dǎo)致降溫過(guò)快或波動(dòng),造成透平內(nèi)外缸溫差過(guò)大、振動(dòng)上升,進(jìn)而導(dǎo)致缸體變形,引發(fā)機(jī)組聯(lián)鎖。

2)驅(qū)動(dòng)透平的超高壓蒸汽溫度接近或低于飽和蒸汽溫度,易造成超高壓蒸汽帶液現(xiàn)象發(fā)生,引發(fā)超高壓蒸汽管線水擊及凝液被帶入機(jī)體,造成超高壓蒸汽管線和透平機(jī)組受損。

3)驅(qū)動(dòng)透平的超高壓蒸汽降溫后,抽出的高壓蒸汽溫度也會(huì)同步下降,會(huì)導(dǎo)致高壓蒸汽系統(tǒng)蒸汽溫度下降,引起下游用戶做功不足;嚴(yán)重時(shí),甚至?xí)霈F(xiàn)蒸汽帶液進(jìn)入高壓蒸汽管網(wǎng)的情況,引發(fā)水擊事件。

4)清洗過(guò)程中,葉片及靜葉柵垢鹽溶解進(jìn)凝液中,會(huì)導(dǎo)致電導(dǎo)率超標(biāo)、外送凝液指標(biāo)不合格,使凝水處理系統(tǒng)受到污染。

6.4 控制措施

針對(duì)透平飽和蒸汽在線清洗可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn),采取以下措施進(jìn)行管控:

1)降溫不降壓,嚴(yán)格控制超高壓蒸汽降溫速率在20℃/h以內(nèi);監(jiān)控透平4組內(nèi)外缸溫差不大于50℃。

2)當(dāng)超高壓蒸汽溫度降低至400℃時(shí),打開(kāi)沿線超高壓蒸汽管線的排凝和透平機(jī)體、抽汽線排凝閥,并沿線監(jiān)視有無(wú)凝液排出。控制裂解爐產(chǎn)出超高壓蒸汽溫度和透平入口蒸汽溫度高于飽和溫度至少20℃。根據(jù)飽和水蒸氣物性曲線圖可得,11.3MPa水蒸氣的飽和溫度為320℃,則實(shí)際控制溫度應(yīng)不低于345℃【2】。

3)將裂解氣壓縮機(jī)改至氮?dú)夤r運(yùn)行,進(jìn)入全凝模式,實(shí)現(xiàn)零抽汽,避免對(duì)高壓蒸汽管網(wǎng)的潛在影響。

4)清洗過(guò)程中監(jiān)控在線電導(dǎo)率和離線分析數(shù)據(jù),當(dāng)電導(dǎo)率上升或離線分析數(shù)據(jù)指標(biāo)超標(biāo)時(shí),將凝液改至不合格線。

6.5 主要清洗步驟

飽和蒸汽在線清洗的主要步驟如下:

1)裂解氣壓縮機(jī)改氮?dú)夤r運(yùn)行,進(jìn)入全凝模式,調(diào)整運(yùn)行參數(shù),將超高壓蒸汽進(jìn)汽量減至最小。使9號(hào)和10號(hào)裂解爐產(chǎn)汽量大于裂解氣壓縮機(jī)透平耗汽量,實(shí)現(xiàn)9號(hào)和10號(hào)裂解爐產(chǎn)汽滿足裂解氣壓縮機(jī)透平的耗汽需求。

2)通過(guò)9號(hào)和10號(hào)超高蒸汽溫控閥控制降溫速率不大于20℃/h。同時(shí),監(jiān)控透平缸體4組溫差變化情況和透平軸位移、軸振動(dòng)變化情況。

3)監(jiān)控透平凝液電導(dǎo)率變化情況,每降低10℃停留約15min,并取凝液樣分析。

4)當(dāng)電導(dǎo)率上升或離線分析數(shù)據(jù)指標(biāo)超標(biāo)時(shí),將凝液改至不合格線。當(dāng)電導(dǎo)率達(dá)到峰值并回落至正常值后,結(jié)合離線分析數(shù)據(jù)判斷是否可結(jié)束清洗。

5)提高蒸汽溫度,恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)。

6.6 數(shù)據(jù)分析

在透平飽和蒸汽在線清洗過(guò)程中,當(dāng)透平入口超高壓蒸汽溫度降低至358℃時(shí),凝液在線電導(dǎo)率上升至滿量程。透平入口蒸汽溫度緩慢降低至350℃后,維持該溫度進(jìn)行飽和蒸汽在線清洗。期間,凝液電導(dǎo)率、凝液分析數(shù)據(jù)均發(fā)生較大變化,透平軸位移、軸振動(dòng)沒(méi)有明顯變化,透平缸體4組溫差均勻且小于30℃。透平凝液電導(dǎo)率隨透平入口溫度變化趨勢(shì)如圖3所示,透平凝液化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 透平凝液化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)

圖3 透平凝液電導(dǎo)率隨透平入口溫度變化趨勢(shì)

凝液分析數(shù)據(jù)顯示:在透平入口溫度達(dá)到360℃時(shí),凝液中鈉、鐵離子含量同步明顯上升,之后同步達(dá)到峰值;二氧化硅隨后也出現(xiàn)峰值,達(dá)到3656μg/L,表明透平流通部分的鈉鹽、硅鹽、鐵銹等可溶或不可溶垢鹽均已被清洗下來(lái)。

維持透平入口溫度恒定在350℃約7h后,凝液離線分析結(jié)果顯示,鈉離子指標(biāo)已合格(＜5 μg/L),電導(dǎo)率恢復(fù)正常,確認(rèn)清洗結(jié)束。

實(shí)施在線飽和蒸汽清洗后,裝置進(jìn)行了提高負(fù)荷測(cè)試,結(jié)果顯示,裂解氣壓縮機(jī)透平進(jìn)汽量超過(guò)470t/h,輸出功率超過(guò)44500kW,在壓縮機(jī)一段吸入壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值的情況下,調(diào)速閥仍有約25%的調(diào)節(jié)余地,透平振動(dòng)、位移正常。對(duì)比設(shè)計(jì)指標(biāo)可以確認(rèn),透平已完全恢復(fù)到原始投用的運(yùn)行狀態(tài)。

7 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)某乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)透平功率下降的問(wèn)題進(jìn)行了分析,并采取有效方案進(jìn)行處理,取得了良好效果?，F(xiàn)將處理過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)總結(jié)如下,以期能夠?yàn)橥悊?wèn)題的處理提供借鑒:

1)保證給水和蒸汽品質(zhì)合格,是透平機(jī)組長(zhǎng)周期高效運(yùn)行的保障,若源頭管控不到位,將使透平葉片結(jié)垢,造成功率下降。

2)針對(duì)結(jié)垢引起的透平功率下降問(wèn)題,采取在線加注清洗劑的技術(shù)方案進(jìn)行處理,當(dāng)滲透劑成分超過(guò)9%時(shí),清洗效果明顯,能夠較好地恢復(fù)透平的功率。

3)采用在線飽和蒸汽清洗技術(shù),降溫不降壓,并控制透平入口蒸汽溫度范圍在350～358℃之間。當(dāng)透平入口溫度達(dá)到358℃時(shí),垢鹽明顯開(kāi)始脫除,溫度保持在350℃時(shí),清除效果最佳。

4)實(shí)踐證明,采取在線加注清洗劑技術(shù),同時(shí)配合在線飽和蒸汽清洗技術(shù),完全可以將透平可溶的共存垢鹽及不可溶垢鹽清除,使透平恢復(fù)到設(shè)計(jì)工況。