關(guān)于提高高壓蒸汽吹掃效率的研究

方勝付

(武漢桓創(chuàng)技術(shù)服務(wù)有限公司,湖北 武漢 430223)

高壓過熱蒸汽管道吹掃是新建項(xiàng)目透平機(jī)組啟動(dòng)前必須要進(jìn)行的一項(xiàng)十分重要的預(yù)試車工作。它是以蒸汽為動(dòng)力,吹除管道內(nèi)部在制造、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和施工過程中產(chǎn)生的塵土、焊渣和氧化皮等雜物,確保進(jìn)入汽輪機(jī)蒸汽的潔凈度滿足制造廠要求。

1 項(xiàng)目介紹

某新建55萬(wàn)t/a氨醇項(xiàng)目,其高壓過熱蒸汽用戶包括空分空壓機(jī),其采用德國(guó)曼透平驅(qū)動(dòng),合成氣壓縮機(jī)采用日本三菱透平驅(qū)動(dòng),氨壓縮機(jī)采用國(guó)內(nèi)新錦化機(jī)透平驅(qū)動(dòng),所用高壓過熱蒸汽(10 MPa,530 ℃)來(lái)自園區(qū)一墻之隔同步新建的熱電廠(新建3套240 t/h循環(huán)流化床鍋爐,其中1臺(tái)鍋爐已經(jīng)具備送氣吹掃條件)。遵照行業(yè)規(guī)定[1],從熱電廠汽包出來(lái),直到項(xiàng)目各透平用戶高壓過熱蒸汽管道都進(jìn)行了酸洗,且完成了管道第一層保溫。高壓熱蒸汽系統(tǒng)見圖1。

圖1 高壓過熱蒸汽系統(tǒng)

本項(xiàng)目高壓蒸汽管網(wǎng)比較簡(jiǎn)單,只有3個(gè)用戶(有一路去4.0 MPa減溫減壓器用戶,因管線比較短,這里暫不考慮)。蒸汽管道流量計(jì)是長(zhǎng)管噴嘴形式,內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。為了避免蒸汽管道吹掃合格后,在安裝流量計(jì)(需要割管焊接)時(shí)造成二次污染,征得儀表廠家同意后,本項(xiàng)目流量計(jì)放在吹掃前安裝,并且促成熱電廠也改為吹掃前安裝。

2 吹掃工藝的選擇

2.1 吹掃方式的選擇

行業(yè)內(nèi)高壓蒸汽吹掃有爆破吹掃和穩(wěn)壓吹掃兩種方式,因爆破吹掃屬于鍋爐非正常運(yùn)行工況,影響鍋爐使用壽命,操作難度大,所以本項(xiàng)目選擇穩(wěn)壓吹掃方式。從總管出來(lái)只有兩路分支,根據(jù)管徑大小選擇空分/合成(合成兩個(gè)用戶同時(shí)吹掃)輪流切換吹掃方式,即吹掃空分時(shí),關(guān)閉去合成用戶閥門和沿途導(dǎo)淋,使去合成管線達(dá)到降溫效果。根據(jù)雙方商定結(jié)果,吹掃期間,早上6∶30開始暖管,8∶00正式吹掃,晚上20∶00停氣管道降溫,吹掃費(fèi)用76萬(wàn)元/d。這樣選擇每3 h切換一次,即可實(shí)現(xiàn)每天空分/合成蒸汽管線都能吹掃兩次,還能達(dá)到輪流升降溫的目的,所以本項(xiàng)目的吹掃方式可以定義為“穩(wěn)壓吹掃+升降溫吹掃”相結(jié)合的方式。

2.2 吹掃流速的選擇

根據(jù)管路特點(diǎn),總管管徑最大,吹掃空分和吹掃合成管線,計(jì)算管道吹掃流速時(shí),只需要考慮總管流速是否達(dá)標(biāo)。根據(jù)行業(yè)規(guī)范要求[2],蒸汽吹掃流速應(yīng)大于30 m/s,蒸汽吹管系數(shù)是蒸汽吹掃動(dòng)量與正常操作時(shí)的動(dòng)量之比,高壓過熱蒸汽正常流速范圍是40～60 m/s,因此,本項(xiàng)目高壓蒸汽吹掃流速按60 m/s左右設(shè)計(jì)。

2.3 吹管系數(shù)的選擇

吹管系數(shù)(也叫擾動(dòng)系數(shù))是指吹管時(shí)蒸汽的動(dòng)量與額定負(fù)荷時(shí)蒸汽的動(dòng)量之比。吹管系數(shù)通常用k表示,計(jì)算公式為:

式中,Gc為吹管工況蒸汽的流量,m3/h;Vc為吹管工況蒸汽的比容,m3/kg;Ge為額定工況蒸汽的流量,m3/h;Ve為額定工況蒸汽的比容,m3/kg。

按吹管導(dǎo)則[3]要求,滿足吹管質(zhì)量的前提是,在被吹掃的系統(tǒng)中,各區(qū)段的k值必須均大于1。它的物理意義為:吹掃過程中蒸汽在管道中產(chǎn)生的動(dòng)量必須大于額定工況運(yùn)行時(shí)蒸汽在管道中產(chǎn)生的動(dòng)量,而且吹管系數(shù)越大,吹管質(zhì)量越高。蒸汽吹管過程是膨脹流動(dòng)過程,因管道阻力、介質(zhì)黏度等因素影響,從鍋爐汽包開始,蒸汽壓力逐漸下降,蒸汽密度降低,比容增大,流速增加,因此,只需要總管(DN400)滿足k>1就行。國(guó)內(nèi)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)值是1.2≤k≤1.5[4],德國(guó)曼透平廠家要求1.2≤k≤1.7,日本三菱廠家要求1.1≤k≤1.5,故本項(xiàng)目將吹管系數(shù)選定在1.5。

2.4 吹掃流量的選擇

由吹管系數(shù)計(jì)算公式可以看出,吹管系數(shù)與吹管蒸汽的流量的平方成正比,所以增大吹掃蒸汽流量是提高吹掃動(dòng)量的有效方法,但增大吹掃流量會(huì)造成不必要的浪費(fèi),同時(shí)還需考慮鍋爐能力。按吹管導(dǎo)則[3]要求,穩(wěn)壓吹掃時(shí),鍋爐蒸發(fā)量宜選擇在鍋爐額定工況下連續(xù)最大蒸發(fā)量的45%及以上,所以本項(xiàng)目將吹掃流量選擇在100～140 t/h。

2.5 吹掃溫度的選擇

由吹管系數(shù)計(jì)算公式可以看出,吹管系數(shù)與吹管蒸汽的比容成正比。蒸汽的比容是指單位質(zhì)量的體積,它是密度的倒數(shù)。過熱蒸汽比容的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式是:

式中,v為蒸汽的比容,m3/kg;t為溫度,℃;p為壓力(絕壓),kg/cm2。

由蒸汽的比容計(jì)算公式可以看出,蒸汽的比容取決于蒸汽的壓力和溫度。當(dāng)吹掃壓力一定時(shí),提高蒸汽溫度,比容增加,流速增加,在保證相同吹掃動(dòng)量條件下,可以降低吹掃蒸汽流量。按照吹掃要求,吹掃蒸汽溫度應(yīng)該達(dá)到或接近于設(shè)計(jì)的正常操作溫度(530 ℃)。因?yàn)?按照現(xiàn)場(chǎng)去消音器臨時(shí)管道使用的是20#鋼,管道等級(jí)A5B,最高耐熱溫度425 ℃,最高承受壓力2.0 MPa。所以,本項(xiàng)目將吹掃蒸汽溫度選擇在400±5 ℃。

2.6 吹掃壓力的選擇

由吹管系數(shù)計(jì)算公式可以看出,吹管系數(shù)與吹掃蒸汽的比容成正比。蒸汽的比容與蒸汽的壓力成反比,所以降低吹掃蒸汽壓力,可提高吹管系數(shù)。但吹掃蒸汽壓力也不是越低越好,過低的吹掃壓力達(dá)不到管道高溫下對(duì)壓力的要求,就會(huì)導(dǎo)致吹掃動(dòng)量降低,達(dá)不到吹管的效果。按照吹掃經(jīng)驗(yàn),吹掃壓力一般控制在設(shè)計(jì)壓力的50%～75%,且不得低于設(shè)計(jì)壓力的25%。結(jié)合吹掃流程臨時(shí)管特性,本項(xiàng)目將總管吹掃蒸汽壓力選擇在2.0～3.0 MPa。

2.7 吹掃參數(shù)的確定

按照以上各參數(shù)確定的范圍,選擇壓力2MPa、3MPa,溫度350 ℃、400 ℃、420 ℃分別通過蒸汽吹掃計(jì)算軟件計(jì)算進(jìn)廠主管吹掃參數(shù),其結(jié)果見表1。

表1 通過吹掃軟件計(jì)算進(jìn)廠主管吹掃參數(shù)

由上表可以看出,吹掃工況壓力2 MPa、溫度400 ℃是最適合本項(xiàng)目的吹掃參數(shù)。吹掃參數(shù)確定后,組織熱電廠和業(yè)主方參與蒸汽吹掃所有管理人員、操作人員進(jìn)行安全技術(shù)交底,然后啟動(dòng)全廠高壓蒸汽管道吹掃工作。經(jīng)過3天連續(xù)吹掃后,停鍋爐2天安裝進(jìn)廠總管及去空壓機(jī)、合成氣壓縮機(jī)壓機(jī)、氨壓縮機(jī)蒸汽管線流量計(jì)、溫度計(jì)和壓力表等(曼透平和三菱透平廠家要求打靶時(shí)提供打靶蒸汽流量、溫度、壓力曲線),再連續(xù)吹掃2天。根據(jù)蒸汽管線導(dǎo)淋排水取樣分析和室外放空消音器排汽的透明程度,于第8天、第9天進(jìn)行打靶驗(yàn)收(曼透平和三菱透平廠家要求打冷靶,即打靶前被吹掃管道溫度要降低到常溫),結(jié)果連續(xù)三次打靶都順利通過了廠家驗(yàn)收,實(shí)現(xiàn)了全廠高壓蒸汽管道在較短時(shí)間內(nèi)吹掃完成的目標(biāo),得到了項(xiàng)目各參與方高度評(píng)價(jià)。曼透平靶片要求見圖2。

圖2 曼透平靶片要求

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,在進(jìn)行高壓蒸汽管道吹掃時(shí),滿足各區(qū)段的k值大于1是保證吹管質(zhì)量的前提條件,實(shí)現(xiàn)這一條件的有效辦法是通過提高吹掃蒸汽流量和蒸汽溫度,而不是通過提高吹掃蒸汽壓力。提高吹掃蒸汽流量和溫度也需要考慮實(shí)際情況,并不是越高越好。只有這樣,才能做到既節(jié)省吹掃蒸汽用量,又縮短吹管時(shí)間,實(shí)現(xiàn)蒸汽管道高效吹掃。