氯氣透平壓縮機運維要點與工藝安全技術改進

商書光

(濱化集團股份有限公司,山東 濱州 256600)

隨著我國經濟的快速發展,特別是在氧化鋁、印染、化纖、輕工業等產業發展的帶動之下,氯堿產業發展較快,產能從2011年的3 412萬t漲至2021年的4 508萬t,年增速約為3.59%。氯堿產業發展過程中,一些新工藝新技術得到了大量的推廣應用,其中氯氣透平壓縮機(以下簡稱透平機)作為離子膜燒堿裝置的重要設備之一,承載著離子膜電解氯氣的壓縮輸送任務,逐步取代了液環式壓縮機,運行效率得到了很大提升,安全性、穩定性得到了質的變化,單機組可滿足30萬t/a規模氯堿廠氯氣處理能力[1-6]。

透平機的控制系統較為復雜,以西門子4VRZ 151/405/03 G型氯氣透平壓縮機為例,透平機周圍本身設有大量的監測點,而且多與透平機采取連鎖停機控制,其中連鎖保護點多達35項左右,如油壓、軸溫、震動、軸向位移、密封氣壓差、氯氣溫度、防喘振保護等監控點傳輸信號多,控制系統復雜,對運維管理工作質量要求非常高。

1 透平機的運行原理

透平機也叫蝸輪式壓縮機,通常分為離心式和軸流式兩種,其中離心式透平機比較常用,它的工作原理與離心泵基本相似,離心式壓縮機是靠葉輪在高速旋轉時,通過葉片對通道里的氣體作功,在離心力的作用下,使氣體的壓力提高,同時氣體在通過葉輪的通道時,通道的截面逐漸增大,氣體前面的流速降低,氣體后面就不斷涌向前,使流體的一部分動能轉變為靜壓能,也就起到增壓的作用。因此,透平機的工作過程是通過葉輪將電動機的機械能轉變為氣體的靜壓能和動能的過程。西門子公司4VRZ 151/405/03 G型透平機,外殼采用水平分離式,氣體入口和出口連接法蘭朝下,采用四級壓縮,出口壓力可達1.1 MPa,轉速11 197 r/min,配套電機額定功率1 270 kW,外殼、固定導葉、填料箱和密封件都采用水平分離式設計。為了調節流量,一級葉輪的前端設有導葉閥,導葉閥由密封著的氣動執行機構進行調節,氣動執行機構安裝在外殼頂部。透平機的各級之間的密封通過特殊的迷宮墊片密封,入口和出口末端的軸密封是三層填料箱,內部填料箱室互相連接,并通過補償管線連接到透平機進口,填料箱外部空間也有管線連接起來,用干燥的氮氣密封填料箱,以防止氯氣外漏,氮氣-氯氣混合氣通過填料箱中心部位引入到燒堿裝置廢氣吸收系統。

2 透平機運維要點

2.1 降低氯氣中含水

透平機正常工作,要求氯氣的含水量不能超過100×10-6,而且含水越低越好,主要因為機體材質為合金鋼GS-CK24V,很容易受到濕氯氣的腐蝕,造成葉輪及內部精密部件的損壞。當氯中水質量分數小于0.015%時,碳鋼的腐蝕速率在0.04 mm/a以下,目前降低含水的策略是“先冷卻、后干燥”的工藝流程。實驗數據表明:在相同壓力下,氣體溫度每下降10 ℃,濕氯氣中的“含濕量”降低約50%。工藝上對于濕氯氣的處理,首先是冷卻,之后用濃硫酸作為干燥劑進一步降低含水。降溫流程采取氯氣洗滌塔+兩級鈦冷卻器,將濕氯氣冷卻至12～18 ℃,實現氣水分離,以此除去氯氣含水量98.4%以上,再經水霧捕集器后進入干燥流程,干燥流程一般分為三級填料塔串聯、一級填料塔+填料泡罩復合塔、二級填料塔+泡罩塔三種。用98%濃硫酸和氯氣充分循環接觸進行干燥除水,用循環水換熱帶走硫酸干燥過程中放出的熱量,最后經酸霧捕集器后實現干燥目的。

生產過程中,上述系統如出現問題造成氯中含水超標,會導致透平機及裝置穩定運行出現嚴重問題。運行過程中要通過在線分析儀嚴格連續監控透平機含水指標,并設有報警和連鎖,其次要嚴格控制好冷卻后氯氣溫度和填料塔濃硫酸吸水后濃度指標≥70%。除此之外,還要注意其他常出現的問題,如因為氯氣洗滌塔磁環填料的少量的破碎會造成氯水板式換熱器的堵塞,進而造成氯氣溫度超高,影響降溫除水效果,因此氯水板式換熱器要在設計上換熱面積適當留有余量,一般不要少于20%,并進行定期清理。其次是注意二級鈦冷卻器和水霧捕集器及氯水管線的保溫完善,這兩臺設備是濕氯氣溫度最低的單元,特別北方地區冬季氣溫降低很容易引發氯水結晶堵塞管道問題。冷卻過程須注意控制冷卻后氯氣溫度在15 ℃左右,且不低于12 ℃,否則會容易生成氯的水合結晶(當氯氣溫度在9.6 ℃時,濕氯氣中的水蒸氣會與氯氣生成Cl2·8H2O結晶),堵塞管道和設備,并易使鈦管冷卻器燃燒。(完全干燥的氯或液氯在常溫下幾乎不與金屬作用,但是與鈦則不然,鈦與濕氯氣不反應,而與干燥的氯則劇烈燃燒。Ti+2Cl2→TiCl4)。

2.2 防止氯氣帶酸

氯氣離開冷卻塔、干燥塔時,往往夾帶有液相及固相雜質,直接冷卻能有效地除去固相雜質,但不能完全除掉水霧。而干燥后氯氣帶酸對透平機的影響非常大,有的透平機在大修時開蓋會發現機體內有酸和大量酸泥,一般都是由于酸霧捕集器運行不好或對酸霧影響透平機的危害認識不夠導致,氯氣帶酸會對軸端密封材料腐蝕厲害,導致軸封氯氣滲漏量加大,嚴重者會造成葉輪腐蝕甚至使整個轉子失去動平衡,進而影響透平機正常運行,而酸霧捕集器濾芯的壽命因運行環境和產品質量而定,因此一定要選用質量可靠的濾芯,每次裝置大修過程中須做好濾芯的檢查確認。

2.3 潤滑系統維保

西門子4VRZ 151/405/03 G型透平機,一次填充的潤滑油油量大約2 000 L,油脂使用耐壓和耐老化的透平油,油質按照DIN51354標準(等同于ISO黏度等級VG46FZG破壞強度等級≥8的油)。運行過程中,建議每3個月分析測定一次潤滑油油質,累計運行8 000 h需進行綜合檢測,當酸值、黏度超標時須換油;當油過濾器壓差大于0.1 MPa或者指示黃色區域時,檢查更換油濾芯。長期運行,建議每3 a進行一次換油,換油時要對油箱內進行清理檢查,關注濾網堵塞情況和沉積的黃褐色雜物清理是否干凈。這些雜質來源于潤滑油系統的油箱、油冷卻器、油過濾器以及所有的連通管道中沒有被清除干凈的焊渣和泥沙之類的雜質,還有就是機組運行過程中發生的機械磨損所帶出來的金屬磨屑和被氯氣污染的潤滑油所產生的氯烴化合物及瀝青質、膠紙等。這些雜質積累會導致機組運行過程中軸瓦溫度升高,軸瓦磨損,更嚴重者導致主軸受到不同程度的磨損及損壞。更換新油時不僅要關注油檢測質量報告,同時要關注油的顏色是否正常。透平機前油壓、前油溫檢測點要盡量采用“三取二”冗余模式,避免因單點監測點故障(失真)導致的不必要連鎖停車。輔助油泵要接有不間斷電源,平時啟動開關要注意保持在“自動”模式。

2.4 級間冷卻器運行管理

透平機各級葉輪壓縮做功產生的熱量會被循環水換熱帶走,因此一級壓縮后氯氣會首先進入一級級間冷卻器后再進入二級壓縮,以此類推,四級壓縮后氯氣一部分直接去氯堿下游受氯裝置,而分流一部分經過四級后冷卻器回流至透平機入口,透平機換熱器一般采取臥式列管換熱形式,換熱器的殼程材質為16MnR,管程材質為20#鋼,由于換熱管多采用薄壁碳鋼管線,特別是循環水水質渾濁或加藥處理,長期運行后會對管束內壁造成腐蝕減薄,根據我們拆解后的觀察發現,腐蝕多因循環水臟導致部分管束內壁局部沉積物造成的點蝕,貫穿后會造成干氯氣與水直接接觸,劇烈發生多個反應(氯氣與水接觸時,氯與鐵反應2Fe+3Cl2→2FeCl3;鐵在稀鹽酸中的反應: Fe+2HCl→FeCl2+H2↑;鐵在濃鹽酸中的反應:2Fe+6HCl→2FeCl3+3H2↑;三氯化鐵能溶于水反應:FeCl3+3H2O→3Fe(OH)3↓+3HCl;三氯化鐵在水蒸汽中反應:2 FeCl3+3H2O→Fe2O3+6HCl。因此,金屬鐵在濕氯氣中很快被腐蝕。)從而加速腐蝕,快速擴大泄漏點,如果不能及時發現并果斷停機處理,不但會對機體造成損壞,還會引發氯氣泄漏事故。當前廣泛采取的措施是在各級列管換熱器循環回水管線上分別安裝氧化還原電子電位差計(ORP),通過ORP示值變化來反映換熱器是否內漏,并設有報警,平時控制350 mV以下。為了防止緊急出現內漏宜采取的其他措施:1)透平機運行過程中嚴格控制殼程內氯氣壓力高于管程內水的壓力;2)盡可能定期清理干凈和提升循環水水質;3)借助停機時機會清理管內沉積物,加強管束內壁腐蝕情況的檢查,對于不銹鋼管束常用渦流探傷就是一種不錯的檢查方式;4)氯氣中含水也是級間冷卻器突發滲漏的主要原因,要嚴格控制盡可能降低氯中含水。

2.5 停機置換與保管措施

透平機需要停機之前,首先用干燥氮氣對透平機機體、冷卻系統內氯氣進行置換干凈,關閉氯氣干燥裝置后進入透平機的氯氣閥,適度開啟入口充氮閥,關閉透平機出口閥,透平機出口止回閥前去廢氣吸收的氯氣壓力自控閥微開3%以上,保持透平機運行狀態,直到置換合格后停下透平機。透平機停運后,要關小去廢氣閥門,保持充氮氣儲存保護狀態,維持透平機出口壓力5～10 kPa,確保機體內不受潮。需要注意的是,如果維修透平機(需開蓋)還要注意做好密封腔內氣體的徹底置換檢查,避免死角部位積存氯氣,盲目拆卸會造成氯氣泄漏至廠房內環境中,造成污染。

2.6 不停機切換操作注意事項

透平機作為氣體壓縮能量傳遞設備,在有備機情況下,一旦遇到在運機器需要檢修,則會遇到切換備機的情況。作為較為復雜的壓縮機組,切換過程中如果細節把控不好極易引發離子膜電解裝置連鎖停車事故,因此多數廠家因為切換風險太大,往往借助于停車機會進行倒換。經過長期的實驗摸索,在走了不少彎路的基礎上,建議通過如下操作進行切換。

1)備用透平機首先要用氮氣充壓至50 kPa以上后開機并試運正常,期間對各運行參數和控制系統做好確認,這是順利切換的前提。在此基礎上再從透平機出口分配臺通過臨時工裝管線向備機入口串入氯氣,工裝管線一般采用DN25 mm碳鋼管線即可,待備用機出口壓力上升至與運行透平機出口壓力接近時,化驗分析備用透平機出口氯氣純度,當氯氣純度≥98%,則置換合格。

2)現場操作人員將備用透平機出口去氯氣分配臺手動閥緩慢全開,使得兩臺透平機出口相通,共同串入到分配臺。

3)保持透平機主機入口導葉閥設定值為自動2 kPa左右,備用透平機入口導葉閥切換為手動控制模式。(因為兩臺都為自動狀態很容易引發不穩定,相互干擾)。緩慢開備用透平機入口手動閥,直至全開,使得兩透平機入口相通。

4)DCS操作人員通過逐步關小透平機備機的防喘控制閥及開大入口導葉閥,另一名操作人員配合同步關小透平機主機的入口導葉閥及同步開大主機的防喘震控制閥,實現兩臺透平機間的負荷轉移。當透平機主機出口壓力開始低于備機出口壓力20 kPa以上時,則證明負荷轉移基本完成。

5)現場操作人員關閉原主運行透平機去分配臺手動閥,然后慢慢關閉原主透平機入口手動閥,出入口手動閥全關后,則證明將原主機已切出系統,然后對其進行泄壓置換處理即可。

6)注意透平機系統連鎖的投切時機,切不可忘記,否則原主機一旦切完成后人為停機則必造成系統連鎖停車事故。系統連鎖由原主透平機改切至現透平機的時機,要以透平機實際在切換過程所帶負荷的多少而定。

7)切換過程中要關注各級級間冷卻器出口氯氣溫度上升變化,根據透平機所帶氯氣負荷及時調節,防止氯氣超溫運行觸發連鎖,造成停機。

3 氯氣透平機工藝安全技術改進

3.1 提高測控系統穩定性,消除“誤信號”引發連鎖停車

在離子膜電解裝置運行過程中,為了保護離子膜和電解槽等核心設備不受到損害,采用ESD或DCS連鎖停車的因素比較多。而透平機本身有軸承溫度、震動等35個連鎖監測點。運行中常見棘手的問題就是透平機本身運行正常,而是因為監測點、檢測線或傳輸信號波動(故障失真)引發透平機不必要連鎖停機。

因此透平機的測控系統的穩定性是至關重要的,“精確控制”并防止“信號失真”引發不必要的跳停是安全生產致力于探索研究的方向。下面以軸承溫度和震動檢測為例進行分析,透平機的軸瓦為鈀合金材料,當潤滑效果差或雜質存在時會導致溫度上升,而溫度達到130 ℃即可導致燒壞,進而高轉速下會對透平機主軸產生影響,因此為了保護設備當檢測溫度達到105 ℃即連鎖透平機跳停。而實際運行中,只要油品質量和供油壓力、溫度穩定的情況下,軸承溫度一般不會異常,生產實踐中導致透平機連鎖跳停多為檢測點故障或檢測線故障。透平機的軸承溫度監測點目前大多采用的是機組專用防漏式Pt100鉑電阻,包括“測量端”和“連接段”兩部分,其中連接段外壁包裹有四氟屏蔽線,熱電阻的連接段因引出機體,故設有密封膠圈,防止潤滑油沿連接線外滲。目前市場上很難采購三芯的機體專用熱阻,而是由一個檢測端(含2個獨立檢測電阻),連接線采用六芯兩組(用不同顏色區分),因熱阻測量采用“三線制”,所以每個熱阻測量點有一路備用,當在線監測點熱阻連接段線路故障時,透平機可以不拆蓋直接選用備用的另一組,但這樣無法實現熱阻檢測回路出現故障誤信號時透平機不跳停。為了解決上述問題,可以嘗試將另外一組測量線同樣接入DCS或PLC控制器,將單一測量模式組態改為兩個測值對比顯示,當同時出現波動時,再連鎖透平機跳停,最大限度避免“誤跳”。至于其他連鎖監測點如軸振動、軸位移,測量形式采用線圈固化在樹脂內制作成探頭,通過變送單元輸送給探頭大約8 V左右的電壓,探頭端部一般靠近主軸約1 mm間距,當主軸有震動產生時,渦流線圈磁場會發生變化引發電壓變化,然后電壓變化轉換成4～20 mA信號輸出到DCS。透平機的徑向軸振動一般在前后軸均有2支探頭檢測,目前單支震動超過125 μm將導致透平機跳停,而監測點經過長期運行會容易損壞,因此為減少監測點誤信號導致的連鎖跳停,可考慮采取“冗余”監控模式,并設定報警,既能及時發現指標變化,又能最大限度減少透平機非必要的停車。

3.2 級間冷卻器改造

由于進口透平機價格昂貴,部分企業為節約投資,透平機級間冷卻器多采用國產設備,就比較而言,受加工精度和循環水質共同影響,特別是換熱器列管內表面防腐技術的差距較大,一般情況下國產級間冷卻器運行3 a以上,容易發生內漏,而級間冷卻器一旦發生內漏,容易誘發氯氣泄漏事故,并伴隨設備的腐蝕損壞,必須立即停車處理。經過嘗試對雙管板換熱器進行了改造,列管材質由20#鋼改為S30408不銹鋼材質,最早改造的一臺已連續穩定運行近5 a,較改造之前相比,發生內漏的幾率大大降低。

3.3 防止氯氣帶酸進行的改進措施

透平機級間密封一般采用特殊材質,但帶酸很容易造成腐蝕損壞,因此加強干燥系統運行管理非常重要。必須保持酸霧捕集器的安全穩定運行,否則對于透平機的長周期安全運行來講是得不到保障的。一般運行條件下,建議采用質量過關的濾芯,一般除霧器由短陶瓷纖維桶和不銹鋼網構成。泡罩塔干燥后氯氣通過“玻璃纖維床層時”直徑大于3 μm的“霧滴”被立即分離,最終凈化率達到99%以上。在生產過程中,由于氯氣前后壓差的作用,加上濃硫酸的浸泡,使骨架癱瘓,陶瓷纖維皺癟不起,失去了除霧的作用,過濾器與原件頂部密封擋板漏氣,致使氯氣帶酸。鑒于壓力降較小,為了更好地降低氯氣帶酸的風險,最好采用“兩級”酸霧捕集工藝,能夠更好地保證透平機的“酸腐蝕”最大限度保護透平機安全運行。

4 結果分析與討論

某司在2002年8月份一期6萬t/a離子膜燒堿裝置開始投產運行至今,在生產中不斷總結出現的問題,特別是在引進西門子透平機運行管理方面,不斷地探索與改進,在降低氯氣含水、防止氯氣帶酸、維保管理、級間冷卻器防內漏、測控系統及連鎖保護可靠性提升以及關鍵操作等方面進行了改進和嘗試。目前氯中含水指標≤10×10-6;2020年、2022年分別開機檢查運行了10 a以上的透平機,發現機體內非常干凈,沒有沉積酸泥現象。目前該司在運行的國產級間冷卻器已全部改造為S30408材質,最長的已連續運行近5 a,較為穩定;在切換透平機操作中最初也遇到過挫折,過程中造成透平機入口不穩定引發離子膜裝置跳停,但經過改進切換模式之后,自2015年至今,已切換10余次,成功率100%。

至于本文提到的透平機軸承溫度測量、軸承震動、各級壓縮出口氯氣溫度測量,由于機體原設計為單點連鎖,在生產中我們曾遇到過因為溫度測量線長期運行發生接觸不良(斷芯)造成檢測數據失真引發透平機連鎖停機事故,因此所有各級壓縮出口氯氣溫度均換成“三芯”,采取“冗余”模式,安全可靠性得到大大提高。至于軸承振動和軸承溫度為透平機機體內部安裝設計,受引進西門子透平機機體內測量點“單一”設計影響,較難實現“三取二”模式,因此,以后各型透平機設計可予以考慮,以此在長期運行中提高透平機軸承測控的可靠性。

5 結語

引進西門子透平機運行效率高,單機負荷高,配套燒堿產能大,投資回報率比較高,正在為國內氯堿企業所大量應用。由于加工精度高,價格昂貴,引進大型設備日常維修不方便,因此提高透平機的維保管理水平,對于氯堿企業安全生產管理意義深遠,通過在維保、測控、工藝改進、操作管理等各方面總結提升,提高了透平機的運行管理水平,減少了透平機故障率和計劃外停機次數,提高了氯堿裝置的安全穩定運行質量。