丙烷脫氫裝置汽輪機的在線清洗研究

陸朝陽 田俊凱 范昌海

浙江衛星能源有限公司 （浙江嘉興 314000）

浙江衛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。汽輪機應用于產品的最后一道工序——丙烷丙烯分離塔，是丙烷脫氫裝置的關鍵設備之一。汽輪機推動的熱泵壓縮機為丙烯塔提供塔底再沸熱量，同時為塔頂提供冷凝冷量。本次清洗的汽輪機由杭州汽輪機股份有限公司供貨，型號為ENK50/63/25/56，型式為抽凝式。

1 汽輪機運行基本情況

機組從2014 年8 月開工后一直穩定運行，轉速為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，為了維持轉速，主汽閥門開度逐漸增大，蒸汽用量增加明顯，進入4 月后，主汽閥門開到100%，蒸汽用量增加10 t/h。為了主汽閥門有調節余量，通過降低抽汽量維持運行，數周后輪室壓力增加至3.5 MPa，這嚴重制約裝置的正常生產負荷，同時蒸汽消耗的增加影響綜合經濟效益。此外，轉子平衡變差存在安全隱患[1]。因此，必須對汽輪機進行清洗除垢。

2 結垢原因分析

機組采用4.0 MPa 過熱蒸汽，其來源是開工鍋爐、燃機余熱鍋爐以及加熱爐余熱鍋爐。分析表明，結垢造成汽輪機輪室壓力異常增大，而結垢物質主要成分是蒸汽中夾帶的鈉鹽、二氧化硅等；當汽包加藥系統故障，或者因連排、定排故障而未及時排出懸浮物及雜質時，蒸汽品質即難以控制。

經過排查歷史蒸汽采樣數據，發現有多次鈉離子超標現象。因此，汽輪機結垢的直接原因是蒸汽中夾帶的鈉離子超標，根本原因是加藥系統和排污系統故障造成的蒸汽品質下降。

3 結垢清洗方法

經過查閱文獻，發現對汽輪機結垢進行清洗的方法主要有以下3 種。

3.1 停車開缸清洗

大唐淮北發電廠報道了開缸清洗的經驗[2]：汽輪機轉子返廠，通過對葉片進行噴丸處理和人工打磨，使目標恢復金屬本色。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垢物質。優點是清洗得干凈、徹底，缺點是清洗周期長。

3.2 停車不開缸清洗

甘肅劉化（集團）有限責任公司旗下熱電廠的兩套汽輪機（背壓式和抽凝式）采用停車浸泡的方法去除結垢[3]，分兩步實施：（1）通過熱的脫鹽水浸泡去除比較容易溶解的鈉鹽結垢物；（2）通過添加化學清洗溶劑對難以溶解的結垢物進行清洗，清洗過程保持盤車運行，并利用蒸汽對清洗溶劑進行加熱。該清洗方法的優點是比開缸清洗節約時間；缺點是需要停車進行清洗，清洗效果不如開缸清洗效果。

3.3 在線清洗

中國石油化工股份有限公司荊門分公司催化裂化裝置于2018 年進行了汽輪機在線清洗[4]。通過濕飽和蒸汽對汽輪機進行清洗，蒸汽溫度由400 ℃降低至280 ℃，壓力不變，達到去除結垢的目的，且效果明顯，汽輪機工況恢復至開車工況。該方法最大的優點是不用停車，減少了停車對裝置造成的經濟損失，經濟且高效；缺點是無法徹底清除結垢，難溶解的硅酸鹽及鈣、鎂離子等無法被清除。

結合裝置實際運行需要，經過討論分析，采用第3 種在線清洗方法。

4 清洗方案實施

通過查閱飽和蒸汽溫度-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 ℃（保證蒸汽過熱20 ℃以上），以防止蒸汽攜帶的液滴造成汽輪機葉輪損傷。

清洗過程中，嚴格監控汽輪機的軸振動，若軸振動波動大于5 mm，立即停止蒸汽降溫，待軸振動穩定后再實施蒸汽降溫操作。

為防止蒸汽帶液嚴重給設備造成損傷，除了設定最低蒸汽溫度為270 ℃，還要嚴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，如果輪室壓力未見明顯變化，進一步降溫，直至清洗完成。

清洗期間監控蒸汽凝液中Na+和汽輪機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，通過鍋爐出口減溫減壓器對蒸汽溫度進行調整，緩慢降低蒸汽溫度至340 ℃，凝水中Na+質量濃度最高可測到4 000 μg/L，輪室壓力基本沒有變化，在3.5 MPa 左右。Na+含量及蒸汽溫度的變化趨勢見圖1。

圖1 汽輪機在線清洗蒸汽溫度與Na+質量濃度變化情況

由圖1 可以看出：隨著蒸汽溫度下降，凝液中Na+的質量濃度逐漸升高，在340 ℃時達到最高，為4 000 μg/L；凝液中Na+質量濃度出現峰值后很快降低，說明清洗部位是低壓缸側，隨著溫度降低逐漸向高壓缸側清洗；340 ℃下，輪室壓力未明顯降低，說明高壓入口側的Na+沒有被清洗下來。綜上分析，蒸汽溫度為340 ℃時清洗效果不佳，需進一步降溫。

4.2 295 ℃恒溫

第二階段，蒸汽溫度降至295 ℃，凝水中最高Na+質量濃度達到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分別見圖2，圖3，圖4。

圖2 汽輪機在線清洗蒸汽溫度與Na+質量濃度變化情況

圖3 汽輪機在線清洗蒸汽溫度與輪室壓力變化情況

圖4 汽輪機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+的質量濃度逐漸升高，在295 ℃時最高，為6 220 μg/L；輪室壓力下降0.1 MPa，清洗效果不明顯；汽輪機軸位移下降0.04 mm，說明高壓缸側只有少許Na+被清洗下來。綜上分析，蒸汽溫度下降至295 ℃不足以完全清洗Na+，還需進一步降溫。

4.3 270 ℃恒溫

第三階段：目標蒸汽溫度最低降到270 ℃，實際蒸汽溫度降至271 ℃，凝水中最高Na+質量濃度達到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。各指標趨勢見圖5，圖6，圖7。

圖5 汽輪機在線清洗蒸汽溫度與鈉離子質量濃度變化情況

圖6 汽輪機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+的質量濃度逐漸升高，在271 ℃時最高可以分析到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；汽輪機軸位移下降0.15 mm，說明高壓缸入口側的Na+基本清洗完成，基本恢復結垢前的狀態。

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

圖7 汽輪機在線清洗蒸汽溫度與軸位移變化情況

5 結論

本次清洗最低蒸汽溫度為271 ℃，過熱度為21℃，清洗過程全程監控軸系各參數，未見明顯異常；水蒸汽溶解Na+效果較好、效率高，280 ℃以下停留80 min 即可清除結垢；蒸汽溫度到271 ℃時，結垢瞬間脫除，造成汽輪機軸位移有明顯波動。如果有下次清洗，蒸汽溫度可以稍高（275～280 ℃），時間稍長（2 h 左右），若未見明顯效果再進一步降低溫度。結垢清除后，汽輪機側的軸位移下降明顯，壓縮機側的軸位移并沒有明顯變化，說明在線清洗對壓縮機運行沒有任何干擾。避免汽輪機結垢要從根本上解決蒸汽品質問題，增加蒸汽采樣頻次，嚴格控制指標。