某透平汽封供汽系統存在的問題及優化

劉翠強

(中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

某透平汽封供汽系統存在的問題及優化

劉翠強

(中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

針對某裝置出現的透平汽封蒸汽不合格問題，應用Pipephase軟件分析得出管道系統設置的不合理是汽封供汽系統溫降大的主要原因，提出了兩種對現有管道系統優化的方案，并指出設計同類管道系統時應注意的問題，為同類系統的設計提供了參考。

透平汽封蒸汽；供汽管道系統；管道系統優化

壓縮機是化工生產裝置中的重要動設備，其安全運轉是裝置穩定生產的保障。為提高能效、節約能源，大型壓縮機組通常采用蒸汽透平驅動。透平汽封系統是透平機組的重要組成部分，其作用是防止氣缸內的蒸汽外泄或不凝氣體進入透平缸體、破壞腔體真空度[1]，通常用于汽封的介質是有一定過熱度的蒸汽。

某裝置壓縮機組配套凝汽式蒸汽透平，驅動蒸汽為3.6 MPaA，380 ℃的中壓過熱蒸汽，透平乏汽壓力20 kPaA。根據設計基礎數據，蒸汽透平供貨商選用0.54 MPaA，195 ℃的低壓過熱蒸汽作為透平汽封蒸汽。透平試車階段，通過測溫槍測得裝置界區處低壓過熱蒸汽溫度值為200 ℃，進汽封系統入口蒸汽溫度僅為160 ℃，透平供貨商認為蒸汽過熱度太低，不滿足汽封系統要求。本文將分析低壓過熱蒸汽溫降大的原因，并提出優化方案以解決汽封供汽系統存在的問題，保證壓縮機組的安全平穩運行。

1 裝置低壓過熱蒸汽管網設置及其蒸汽溫度的影響

1.1 現有低壓過熱蒸汽管網設置情況

本裝置低壓蒸汽管路系統結構如圖1所示。低壓過熱蒸汽的用戶包括預塔再沸器、透平系統(包括汽封系統和抽真空系統)、透平空冷系統、伴熱用戶、采暖用戶及公用工程軟管站。其中，透平系統和預塔再沸器為連續用戶，透平系統的總蒸汽用量開車工況為2 t/h，正常工況為1 t/h，汽封系統開車和正常工況用量均為0.315 t/h，預塔再沸器正常用量為60 t/h，透平試車早于預塔。僅冬季開車工況，透平空冷器需補充18 t/h的蒸汽。其余伴熱、采暖及軟管站用戶均為間歇蒸汽用戶，且用量較小，所以未在圖1中表示。

圖1 低壓過熱蒸汽管路系統圖

Fig.1 LP superheated steam piping system

設計基礎數據提供的低壓過熱蒸汽的參數如表1所示：

表1 低壓過熱蒸汽參數表

由表1可知，低壓過熱蒸汽進界區的溫度是符合設計基礎要求的。由圖1及以上分析可知，預塔再沸器為低壓過熱蒸汽的主要用戶，且接點靠近界區，下游蒸汽用戶較少，蒸汽用量小，但下游主管管徑并未相應縮小，仍為DN500。散熱面積大，熱量補充少，應為蒸汽溫降較大的主要原因。

另外，汽封蒸汽管線管徑DN25，管內蒸汽流速接近70 m/s，根據文獻[2]，0.3 ～ 0.6 MPa的低壓過熱蒸汽100米壓力降不應高于15 kPa，現有管徑的壓力降遠高于此值。管徑偏小，形成氣阻同時導致管道內介質的擾動強度增強，從而強化了傳熱效果，造成低壓過熱蒸汽到達節點二時溫降偏大，也應該是汽封供汽不合格的原因之一。

1.2 汽封供汽系統的分析計算

根據項目現場氣候及保溫設置情況，設定環境溫度10℃，風速5m/s，低壓過熱蒸汽進界區溫度195 ℃，壓力0.54 MPaA，保溫材料熱導率0.044 W/(m·℃)，DN500管線保溫厚度100mm，DN250管線保溫厚度90 mm，DN25管線保溫厚度60 mm，通過Pipephase 9.5分別核算壓縮機開車工況(工況一)、壓縮機正常運轉工況(工況二)及壓縮機和再沸器均正常運轉工況(工況三)汽封供汽系統的蒸汽溫度情況見表2。

表2 各工況透平汽封低壓蒸汽溫度

由表2可知，隨著透平系統蒸汽用量的增加，節點一處的溫度顯著升高：工況一和工況二相比，蒸汽流量增加1倍，溫度升高12 ℃；對比工況二和工況三可知，當上游預塔再沸器有用量時，也能提高汽封系統入口處的蒸汽溫度，但是效果沒有增加下游蒸汽流量明顯，可見，再沸器接點下游的主管偏大應為汽封供汽溫降大的主要原因。三種工況下，節點二處的蒸汽溫度比節點一處低4～6 ℃，對于10 m管長來說，溫降偏大，可見，管徑偏小帶來的溫降影響也不容忽視。透平試車工況和工況一相符，現場實測值和模擬值存在的偏差可歸結于以下因素：

(1)進界區的蒸汽參數波動；

(2)測量工具存在誤差；

(3)低壓蒸汽管線閥門、旁路等部位未保溫，也造成了一定的溫降。

(4)輸入參數及軟件模擬存在誤差。

2 管道系統優化措施的研究

由上文可知，管路系統設計的不合理是造成汽封供汽溫度偏低主要原因，所以可以通過優化管道設置提高蒸汽品質。針對低壓蒸汽管網存在的問題，可進行以下優化。

2.1 管路系統的優化措施一

將預塔再沸器接點后主管管徑修改為DN250，保溫厚度90 mm，汽封供汽管管徑改為DN40，保溫厚度60 mm，進界區蒸汽參數、環境因素，保溫材料參數同1.2節(下同)，通過Pipephase 9.5計算出上述三種工況下汽封系統接口處的蒸汽溫度見表3。

表3 各工況透平機封低壓蒸汽溫度

對比表3和表2可知，通過縮小預塔再沸器接點后的低壓蒸汽管徑，到達節點一處的蒸汽溫度升高了2～4 ℃，溫度的變化并不明顯。通過計算可以知道，即使是流量較大的工況一，DN250主管蒸汽流速低于5 m/s，流速仍相對較低，不利于低壓蒸汽溫度的維持；擴大汽封蒸汽管線管徑至DN40后，各工況節點二處的蒸汽溫度升高了約5～6 ℃，從節點一到節點二的溫度降減小到了2 ℃，可見汽封管線管徑偏小帶來的溫降影響還是很明顯的。

2.2 管路系統的優化措施二

由于間歇用戶透平空冷器的用量偏大，限制了預塔再沸器后主管管徑的進一步縮徑，也拉低了汽封蒸汽的供汽溫度，為避免這一問題，可將透平系統蒸汽接點移至圖1虛線所示靠近界區閥處，設置總管管徑DN100，保溫厚度80 mm，配管長度以150 m計，汽封供汽接管管徑仍為DN40，保溫厚度60 mm，通過Pipephase 9.5模擬出的節點二的蒸汽溫度見表4。

表4 各工況透平機封低壓蒸汽溫度

對比表2和表4可知，通過調整透平系統接管位置，進汽封系統的蒸汽溫度工況一提高8 ℃，工況二提高14 ℃，在界區低壓蒸汽滿足設計要求時，低壓蒸汽的過熱度達到了24℃；核算流速可知，修改后的透平系統主管蒸汽流速工況一為26 m/s，工況二為13 m/s，比優化措施一提高很多；且相對優化措施一，優化措施二管道修改量少，所以，如果通過優化管道設計解決目前存在的問題，優化措施二是相對較好的優化方案。

通過以上的分析還可以知道，大用量的間歇用戶對共用主管的其他用戶的供汽品質影響很大，所以蒸汽品質敏感用戶應避免與用量較大的間歇用戶共用主管，其接管宜單獨接出，且接出點宜設在大流量、連續蒸汽用戶接出管點前。

3 結論

汽封供汽的安全和穩定性是透平及連帶壓縮機安全運轉的充分必要條件之一，由于本裝置的汽封供汽管道系統的設置存在一定的問題，導致界區進汽滿足設計要求時，低壓過熱蒸汽到達汽封系統接口處的溫度偏低?？梢酝ㄟ^改變汽封蒸汽管線接點緩解這一問題。為避免此類問題出現，在設計蒸汽品質敏感用戶的管道系統時，應做到以下幾點：

(1)綜合各種工況，預先計算抵達蒸汽用戶接口處的蒸汽溫度，避免此類問題發生；

(2)蒸汽品質敏感用戶宜單獨供汽，避免與用量較大的間歇用戶共用主管；

(3)蒸汽品質敏感用戶宜從大流量、連續用戶接點上游接出。

同時我們應該注意到，低壓蒸汽的主要用戶是換熱器、伴熱、采暖等對蒸汽品質要求不高的熱用戶，蒸汽用量起伏較大。在節能要求趨于嚴格的當下，產汽源一般為廢熱鍋爐等廢熱回收裝置，產汽點較多，汽源情況復雜，蒸汽品質難以保持穩定。一般的透平系統的試車和運轉早于其他系統，此時低壓蒸汽管網蒸汽品質容易未達到設計要求，所以應避免以低壓蒸汽作為汽封蒸汽。根據相關規范[1]，宜選用透平動力蒸汽或抽出汽作為汽封汽源，必須使用低壓蒸汽時，應設有防止蒸汽過熱度不足的預熱等保障措施。

[1] The American Petroleum Institute .API 612-2014 Petroleum, petrochemical, and natural gas industries-steam turbines-special-purpose aApplications[S]. WASHINGTON: The American Petroleum Institute,2014.

[2] 張德江,王懷義, 丘 平. 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊[M].5版.北京：中國石化出版社，2015.

(本文文獻格式：劉翠強.某透平汽封供汽系統存在的問題及優化[J].山東化工，2017，46(06)：105-106.113.)

The Problem and Optimization of Turbine Seal Steam Supplying System

LiuCuiqiang

(Shanghai Branch, SINOPEC Ningbo Engineering Company Ltd., Shanghai 200030, China)

It is lower than designed that the temperature of related turbine's seal steam. To solve the problem, steam condition in the seal steam supplying pipes is simulated by pipephase. Main cause of temperature drop is found, and methods of piping optimization is proposed, it can guide the design of the turbine's seal steam supplying system.

turbine seal steam；steam piping system; piping optimization

2017-02-17

劉翠強(1984—)，湖北邢臺人，碩士，主要從事化工工藝設計工作。

TQ055.8

B

1008-021X(2017)06-0105-02