乙烯裝置三機透平結垢分析及在線清洗技術應用

張利軍

（中國石化 上海石油化工股份有限公司，上海 200540）

工業技術

乙烯裝置三機透平結垢分析及在線清洗技術應用

張利軍

（中國石化 上海石油化工股份有限公司，上海 200540）

對乙烯裝置三大壓縮機透平結垢機理和原因進行了分析，汽包帶水和減溫水劣質化是透平結垢的主要原因，提出了3項防止透平結垢的措施。同時分析了國內外透平在線清洗的案例，結合自身實際情況和流程模擬計算，制定了對結垢透平進行在線濕蒸汽清洗的方案，介紹了兩次在線清洗過程并分析了在線清洗效果。通過比較清洗前后透平的運行工況表明，在保證裝置安全運行的基礎上，在線清洗效果良好，改善了結垢透平的運行工況，各項參數基本恢復到運行初期的水平，有效延長了乙烯裝置的運行周期。從源頭上控制蒸汽品質是控制乙烯裝置三大壓縮機透平結垢的根本方法。

乙烯裝置；壓縮機；透平結垢；在線清洗

隨著我國石油化學工業的飛速發展，乙烯生產裝置大多采用蒸汽透平作為原動機。由于蒸汽透平具有效率高、功率大、自動化程度高、操作簡便、運行周期長等優點，大幅提高了企業的能量利用率和經濟性。裂解氣壓縮機、丙烯冷媒壓縮機和乙烯冷媒壓縮機俗稱三機，是乙烯裝置的核心，其透平側一般都采用高等級蒸汽來驅動［1-2］。

近年來，隨著國內乙烯行業的飛速發展，乙烯裝置連續運行的時間已普遍提高到4 a以上，乙烯裝置的三機均使用汽輪機作為動力源。乙烯裝置的長周期運行使得三機汽輪機結垢問題凸顯，成為制約其長周期運行的主要問題。汽輪機結垢會導致熱力參數發生變化，壓縮機效率急劇下降［3］。為防止這種現象的發生，人們從各乙烯裝置的源頭上預防透平蒸汽結垢，但鑒于各地水質條件不同和管理水平參差不齊，透平結垢問題仍有可能在少數裝置上出現［4］。

本工作從透平積鹽機理和實際裝置所采集的垢樣數據入手，對透平結垢的機理和原因進行了分析，制定了3項減緩透平結垢的預防措施。同時，為解決結垢透平繼續運行問題，對結垢透平采用在線濕蒸汽清洗，并探討了兩次實際應用的清洗效果。

1 透平結垢機理及原因分析

透平結垢機理與蒸汽中鹽類雜質的溶解性密切相關，在低壓缸溫度區的沉積機理還涉及汽液兩相分配機理。鹽類雜質通過各種途徑進入蒸汽系統，當蒸汽進入透平膨脹做功后，蒸汽的壓力和溫度逐漸下降，由于鹽類雜質的蒸汽溶解特性不同，在不同的溫度、壓力區間，當某種物質的攜帶量大于它在蒸汽中的溶解度，成為過飽和狀態時，就會以固相析出并沉積在蒸汽流通表面。在流體作用下，一般是動葉片上的透平結垢現象比靜葉片上的嚴重，由于離心力的作用使鹽垢的葉頂厚度比葉根厚，總體分布見圖1。

圖1 在不同蒸汽比容條件下雜質在汽輪機中的沉積特性［3］Fig.1 Sedimentary characteristics of impurities on the turbine under different specific volume of steam［3］.HP：high pressure；MP：medium pressure；LP：low pressure.

蒸汽來自以二級除鹽水作為補給水的鍋爐時，透平結垢雜質主要為Na3PO4，NaOH，Na2SiO3，SiO2，其中，NaOH在開缸后會吸收空氣中的CO2成為Na2CO3；而當蒸汽來自以軟化水或一級除鹽水作為補給水的鍋爐時，透平結垢雜質還可能有Na2SO4和NaCl等。鑒于目前乙烯裝置三機所用驅動蒸汽基本上是由二級除鹽水蒸發而來，故本實驗只討論以二級除鹽水作為鍋爐給水的透平的典型結垢現象。該透平主要有如下規律：1）在透平高壓級，由于蒸汽參數很高，且蒸汽流速快，通常情況下不結垢，但當蒸汽品質較差且含鹽量偏高時，有可能結有鹽垢。高壓級后的幾級沉積的鹽類主要是在蒸汽中溶解度低的Na3PO4；2）NaOH的溶解度相對較大，主要沉積在中壓級和低壓級的前幾級；3）由于SiO2在蒸汽中的溶解度較大，所以在蒸汽壓力下降明顯后才析出，較多沉積在汽輪機的中、低壓級，在低壓級處沉積量最大、質地堅硬且不宜清除。綜上所述，透平結垢的根本原因是蒸汽品質劣化，其主要污染途徑有汽包帶水嚴重和減溫水劣化兩種。污染途徑和污染雜質的種類不同，使得積垢成分和特點也會有明顯差異［5］。

1.1 汽包帶水引起的結垢

由汽包帶水引起的結垢，其成分與爐水水質成分相似，典型成分為Na3PO4，NaOH，SiO2，且三者比例較接近，具體的垢樣組成見表1。

表1 典型汽包帶水造成的透平結垢的垢樣組成Table 1 Composition of typical steam turbine fouling samples under steam drum caused by water

1.2 減溫水劣化引起的結垢

減溫水水質污染也是透平結垢的主要原因［6］，其特征是垢樣中PO43-含量極低。以軟化水或一級除鹽水為鍋爐給水時，其工藝控制不當易造成鹽類雜質泄漏，該雜質以NaCl，Na2CO3，NaOH為主。以二級除鹽水為鍋爐給水的高參數機組，往往是凝結水混床控制不當，造成Na+或Cl-穿透而影響給水，其結垢垢樣成分以NaOH（中壓缸）和NaCl（低壓缸）為主。另外，部分機組中膠體硅含量偏高，通過減溫水進入蒸汽系統后得到活化并影響蒸汽品質，造成垢樣中SiO2含量較高。典型減溫水劣化造成的透平結垢的垢樣組成見表2。

表2 典型減溫水劣化造成的透平結垢的垢樣組成Table 2 Composition of typical steam turbine fouling samples formed due to desuperheating water deterioration

2 減緩透平結垢的預防措施

減緩透平結垢的預防措施重在源頭，即加強水質管理，蒸汽品質取決于給水和爐水水質，控制調整給水和爐水水質是為了獲得合格品質的蒸汽。為此，首先，要建立以爐水水質為中心的監測和調整體系，追求合理、可控的過程控制，從根本上保證蒸汽品質，即在運行階段，只要保證給水合格、爐水化學工況正常（pH合格、PO43-合格、含鹽量適當），就可避免蒸汽中雜質濃度超標的問題［7］。其次，要建立靈活的監測反饋機制，做到：1）配置有效的監測指標和頻次，結合必要的在線化學儀表進行實時監測爐水電導率等；2）加強化學監測和運行調整的聯系，超標數據必須第一時間進行取樣復檢或及時調整操作；3）化學監測數據的特點決定了差錯是不可避免的，在出現異常數據后，必須及時取樣復檢，以確保分析結果的準確性［8-11］。

對于裂解爐，由于采用二級除鹽水為汽包給水，其雜質鹽的含量較低，且不存在凝汽器泄漏等問題，其鹽類是由給水加藥（NaOH和Na3PO4）和冷凝水混床失效漏鈉帶入的，故可從以下4個方面進行有效控制。

1）優化給水加藥方式和加藥量。給水加藥方式需優化是因為裂解爐采用二級除鹽水，不存在爐水中出現鈣、鎂等硬度造成的硬垢問題，PO43-的主要作用是調節爐水的pH，而不是減少懸渣的形成，故給水加藥方案中可減少磷酸鹽的注入量，可通過適當增加NaOH用量調整pH，這樣可大幅降低爐水中Na+的含量，從而降低蒸汽中Na+的來源。若加藥量偏大且為連續加藥方式，則爐水含鹽量失控風險較大，可在兼顧加藥量和汽包排污相匹配的前提下，降低加藥量，保證爐水的pH在9.2～9.6之間。

2）發揮在線儀表的作用，密切監測凝水回收混床失效狀態。凝水回收處理混床如果存在運行終點控制不合理的情況，就可能產生Na+急劇穿透，通過給水進入爐水中，并通過減溫水進入過熱蒸汽，故必須嚴格控制混床的周期制水量和失效終點。

3）投用裂解爐在線爐水電導率表，該表可反映出爐水含鹽量的變化趨勢，為排污操作提供依據。

4）防止汽包發汽中攜帶爐水。要適當控制汽包液位處于合適位置，防止液位過高，降低蒸汽空間高度，從而減少機械攜帶。同時要加強汽包連續排污和定期排污管理，使富含，Ca2+，Mg2+的浮渣正常排出，減少蒸汽溶解性攜帶。

通過嚴格控制驅動蒸汽的品質，可明顯改善汽輪機透平機葉片結垢積鹽的情況，從而使機組高效、安全、穩定、經濟地運行，延長機組的運行周期和使用壽命［4］。

3 在線濕蒸汽清洗技術的應用

如果一旦發生透平結垢現象并影響乙烯裝置高負荷運行，則在線清洗技術是避免裝置停車處理的一種有效手段［12］。

3.1 國外技術簡介

A公司是世界著名的壓縮機供應商，早已擁有透平在線清洗技術，該技術要求透平在蒸汽溫度高于飽和溫度15 ℃以上和壓縮機處于低負荷（最小調速狀態）條件下運轉，其透平在線清洗系統見圖2。

圖2 A公司的透平在線清洗系統Fig.2 Online cleaning system of company A.SS：super high pressure steam；BFW：boiler feed water；S/T：steam turbine；TE：temperature transmitter.

A公司的透平在線清洗方法基于單臺機組，其步驟為：1）透平轉速調至最小可調轉速；2）打開疏水閥排凝（安裝在蒸汽旁路管線最低端）；3）打開蒸汽旁路出口閥；4）打開蒸汽旁路入口閥；5）關閉蒸汽主隔離閥；6）逐漸關小閥②直到透平調速閥全開，維持蒸汽流量不變；7）打開透平入口管線上的所有排放點；8）通過控制鍋爐給水閥④來降低超高壓蒸汽（SS）的溫度，降溫速率小于33 ℃/h，最低溫度必須高于飽和溫度15 ℃；9）在SS溫度降到高于飽和溫度15 ℃時，維持該狀態2 h；10）清洗結束后升溫，升溫速率與降溫速率一致；11）清洗完成10 min后關閉排污閥［13-15］。

該技術應用的前提條件是三機透平入口蒸汽主切斷閥均設置有帶減溫減壓的旁路。

3.2 在線清洗實例

國內B公司的乙烯裝置已分別于2009年和2014年進行過2次在線清洗作業，該公司乙烯裝置的蒸汽管網示意圖見圖3。具體情況如下：在開車運行一段時間后，裂解氣壓縮機透平（GT-201）一級蒸汽壓力由初期的6.5 MPa升至8.3 MPa以上，丙烯壓縮機透平（GT-501）由初期的6.4 MPa升至7.9 MPa以上。觀察到的現象表明，壓縮機透平已存在較嚴重的結垢現象，并影響裝置負荷。為減少停車檢修帶來的損失，對GT-201和GT-501實施在線清洗。

圖3 國內B公司乙烯裝置的蒸汽管網示意圖Fig.3 Steam pipe network of company B at home.GT-201：turbine of charge gas compressor；GT-501：turbine of propylene refrigerant compressor；GT-601：turbine of ethylene refrigerant compressor；OSBL：outside battery limits；HS：high pressure steam；MS：medium pressure steam；BF-1201A/B：starting up boilers.

由圖3可見，該裝置蒸汽管網較復雜，一旦SS溫度下降，必然伴隨高壓蒸汽（HS）和中壓蒸汽（MS）的溫度降低，故不可能像國外技術中介紹的基于一臺機組實施在線清洗，而是基于SS，HS，MS所有等級用戶實施清洗，其風險遠高于對單臺機組實施在線清洗的風險。因此，在實施清洗作業前，必須將方案考慮周全。根據水的飽和溫度與壓力曲線可知，各蒸汽的飽和溫度和壓力分別為：SS 324.6 ℃、12 MPa；HS 254 ℃、4.25 MPa；MS 202 ℃、1.60 MPa。

3.2.1 在線清洗過程

在線清洗過程為：上午6：00開始SS降溫、降負荷，同時停止甲烷和氫氣產品的外送；6：40 GT-201/GT-501復水改成排放現場，不再回收利用；7：15為防止MS溫度降低對用戶產生影響，停運GT-201/GT-501的油透平和復水透平，改為電泵運行，同時停運甲烷壓縮機以防止燃料氣系統波動；9：10當GT-201的HS抽汽溫度降至310 ℃時，投用HS安全閥至消音器放空管線，同時逐步打開循環水透平泵的HS進口及乙烯冷媒壓縮機透平（GT-601）進口HS的消音器等排放點，盡可能維持進乙烯壓縮機透平的HS溫度。同樣，當GT-501的MS抽汽溫度降至211 ℃時，將火炬MS全打開，并投用GT-301的MS進口至消音器放空管線，盡可能維持MS溫度；16：00 GT-201進口SS溫度降至346℃，HS抽汽溫度降至飽和溫度251 ℃，GT-501的MS抽汽溫度降至飽和溫度197 ℃；16：30裂解爐開始升溫，提高負荷；20：00蒸汽溫度及裝置負荷恢復正常，整個清洗工作歷時14 h。GT-201復水清洗過程的數據見表3。

GT-501復水清洗過程的分析數據與表3類似，在清洗過程中隨蒸汽濕度的增加，復水電導率頻繁波動，Na鹽、SiO2等含量均出現峰值。

3.2.2 清洗效果

兩次在線清洗作業均較為成功，作業實施后，GT-201和GT-501的運行工況均有顯著改善，一級蒸汽壓力明顯下降，透平效率提高，蒸汽消耗量減少，試驗結果見表4和表5。

表3 GT-201復水清洗過程的數據Table 3 Cleaning process data of GT-201 recovery water

表5 SS降溫過程中蒸汽溫度的計算值Table 5 Calculated temperature during the cooling of SS

3.3 在線清洗注意事項

3.3.1 注意蒸汽系統的關聯性，提前做好蒸汽平衡

在線清洗的方法是在保證SS，HS，MS各等級蒸汽壓力不變的情況下，將SS溫度逐步降至高于飽和溫度20 ℃左右，用濕蒸汽洗去附著在噴嘴和葉輪上的鹽垢，此時，透平抽汽HS的溫度已降至飽和溫度以下，故在保證SS用戶GT-201/GT-501機組的安全外，保證其他HS等級用戶（如GT-601等機組）的安全也尤為重要，所以應盡可能提高HS溫度，保證GT-601等機組安全運行。制定方案時，通過Aspen Plus軟件進行模擬計算，在SS整個降溫過程中，始終保持HS的溫度高于飽和溫度19 ℃以上?？刂品椒ㄊ钦{整GT-201抽汽出口HS的放空量和煉油裝置HS的補入量，以此調節混合后HS的溫度。

3.3.2 注意降溫速率的控制

蒸汽溫度對在線清洗效果具有決定性影響，而降溫速率的控制對三機機組的運行安全則十分關鍵，故要求SS溫度在400 ℃以上時，降溫速率應控制為50 ℃/h，400 ℃以下時降溫速率則控制為15 ℃/h甚至更低，清洗完成后升溫過程亦然。

要有效控制降溫速率，降溫方法是關鍵。B公司乙烯裝置采用開工鍋爐和裂解爐聯合控制的方法，即以GT-201入口蒸汽溫度為參考，先通過裂解爐SS溫度控制閥將SS的溫度從500 ℃降至450℃，然后再由開工鍋爐將SS的溫度降至450 ℃，兩者交替進行，為保證HS的溫度和應急處理的需要，開工鍋爐的SS溫度最低降至405 ℃后恒溫，裂解爐的SS溫度則繼續降低，直至345 ℃。

3.3.3 注意降溫過程中機組運行狀態的檢查

在線清洗時，裂解氣壓縮機處于低負荷和接近最小調速工況下運行，為保證機組不受損壞，清洗時，一切操作以機組安全為總原則，透平位移聯鎖不得切旁路，如果清洗過程中透平出現振動或位移過大，則應立即停止清洗，恢復正常蒸汽溫度。在每一個恒溫階段，現場由設備、工藝人員聯合巡檢，密切注意壓縮機運轉狀態和蒸汽管線水擊及位移情況。

4 結論

1）通過分析蒸汽透平結垢的機理和原因可知，通過嚴格控制汽包給水的水質和優化工藝操作條件可避免透平結垢。為解決透平結垢問題，保證裝置的長周期穩定運行，要從源頭上控制蒸汽品質，加強水質管理，采取預防措施，以有效提升蒸汽透平在整個運行過程中的效率，降低裝置能耗。

2）通過分析國內某裝置先后兩次成功地進行在線清洗可知，嚴格控制蒸汽的溫度和降溫速率，在保證裝置設備安全運行的基礎上，可對蒸汽透平進行在線清洗。比較清洗前后透平的運行工況可見，在線清洗效果良好，改善了結垢透平的運行工況，各項參數基本恢復到運行初期的水平。

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（編輯 李明輝）

Analysis and Online Treatment of the Fouling on Three Steam Turbines in Ethylene Plant

Zhang Lijun
（SINOPEC Shanghai Petrochemical Company Limited， Shanghai 200540，China）

The causes of fouling on three compressor steam turbines in an ethylene plant were analyzed，which were the steam with water from the steam drums and the desuperheating water deterioration. Three measures were put forward to prevent the turbine fouling. Cases of online cleaning steam turbines at home and abroad were investigated. Combined with the actual situation and process simulation，an online cleaning plan was worked out to remove the fouling in the steam turbines by wet cleaning，which had already applied two times successively. The online cleaning effect was good，the operate mode of the turbines was improved and the operating cycle of the ethylene plant was prolonged. It was suggested to control the steam quality to reduce the fouling on the steam turbines.

ethylene plant；compressor；steam turbine fouling；online treatment

1000 - 8144（2015）02 - 0223 - 06

TQ 221.211

A

2014 - 07 - 18；［修改稿日期］ 2014 - 11 - 30。

張利軍（1967—），男，上海市人，碩士，高級工程師，電話 021 - 57940323，電郵 zhanglj.shsh@sinopec.com。