乙烯装置三机透平结垢分析及在线清洗技术应用

张利军

（中国石化 上海石油化工股份有限公司，上海 200540）

工业技术

乙烯装置三机透平结垢分析及在线清洗技术应用

张利军

（中国石化 上海石油化工股份有限公司，上海 200540）

对乙烯装置三大压缩机透平结垢机理和原因进行了分析，汽包带水和减温水劣质化是透平结垢的主要原因，提出了3项防止透平结垢的措施。同时分析了国内外透平在线清洗的案例，结合自身实际情况和流程模拟计算，制定了对结垢透平进行在线湿蒸汽清洗的方案，介绍了两次在线清洗过程并分析了在线清洗效果。通过比较清洗前后透平的运行工况表明，在保证装置安全运行的基础上，在线清洗效果良好，改善了结垢透平的运行工况，各项参数基本恢复到运行初期的水平，有效延长了乙烯装置的运行周期。从源头上控制蒸汽品质是控制乙烯装置三大压缩机透平结垢的根本方法。

乙烯装置；压缩机；透平结垢；在线清洗

随着我国石油化学工业的飞速发展，乙烯生产装置大多采用蒸汽透平作为原动机。由于蒸汽透平具有效率高、功率大、自动化程度高、操作简便、运行周期长等优点，大幅提高了企业的能量利用率和经济性。裂解气压缩机、丙烯冷媒压缩机和乙烯冷媒压缩机俗称三机，是乙烯装置的核心，其透平侧一般都采用高等级蒸汽来驱动［1-2］。

近年来，随着国内乙烯行业的飞速发展，乙烯装置连续运行的时间已普遍提高到4 a以上，乙烯装置的三机均使用汽轮机作为动力源。乙烯装置的长周期运行使得三机汽轮机结垢问题凸显，成为制约其长周期运行的主要问题。汽轮机结垢会导致热力参数发生变化，压缩机效率急剧下降［3］。为防止这种现象的发生，人们从各乙烯装置的源头上预防透平蒸汽结垢，但鉴于各地水质条件不同和管理水平参差不齐，透平结垢问题仍有可能在少数装置上出现［4］。

本工作从透平积盐机理和实际装置所采集的垢样数据入手，对透平结垢的机理和原因进行了分析，制定了3项减缓透平结垢的预防措施。同时，为解决结垢透平继续运行问题，对结垢透平采用在线湿蒸汽清洗，并探讨了两次实际应用的清洗效果。

1 透平结垢机理及原因分析

透平结垢机理与蒸汽中盐类杂质的溶解性密切相关，在低压缸温度区的沉积机理还涉及汽液两相分配机理。盐类杂质通过各种途径进入蒸汽系统，当蒸汽进入透平膨胀做功后，蒸汽的压力和温度逐渐下降，由于盐类杂质的蒸汽溶解特性不同，在不同的温度、压力区间，当某种物质的携带量大于它在蒸汽中的溶解度，成为过饱和状态时，就会以固相析出并沉积在蒸汽流通表面。在流体作用下，一般是动叶片上的透平结垢现象比静叶片上的严重，由于离心力的作用使盐垢的叶顶厚度比叶根厚，总体分布见图1。

图1 在不同蒸汽比容条件下杂质在汽轮机中的沉积特性［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.

蒸汽来自以二级除盐水作为补给水的锅炉时，透平结垢杂质主要为Na3PO4，NaOH，Na2SiO3，SiO2，其中，NaOH在开缸后会吸收空气中的CO2成为Na2CO3；而当蒸汽来自以软化水或一级除盐水作为补给水的锅炉时，透平结垢杂质还可能有Na2SO4和NaCl等。鉴于目前乙烯装置三机所用驱动蒸汽基本上是由二级除盐水蒸发而来，故本实验只讨论以二级除盐水作为锅炉给水的透平的典型结垢现象。该透平主要有如下规律：1）在透平高压级，由于蒸汽参数很高，且蒸汽流速快，通常情况下不结垢，但当蒸汽品质较差且含盐量偏高时，有可能结有盐垢。高压级后的几级沉积的盐类主要是在蒸汽中溶解度低的Na3PO4；2）NaOH的溶解度相对较大，主要沉积在中压级和低压级的前几级；3）由于SiO2在蒸汽中的溶解度较大，所以在蒸汽压力下降明显后才析出，较多沉积在汽轮机的中、低压级，在低压级处沉积量最大、质地坚硬且不宜清除。综上所述，透平结垢的根本原因是蒸汽品质劣化，其主要污染途径有汽包带水严重和减温水劣化两种。污染途径和污染杂质的种类不同，使得积垢成分和特点也会有明显差异［5］。

1.1 汽包带水引起的结垢

由汽包带水引起的结垢，其成分与炉水水质成分相似，典型成分为Na3PO4，NaOH，SiO2，且三者比例较接近，具体的垢样组成见表1。

表1 典型汽包带水造成的透平结垢的垢样组成Table 1 Composition of typical steam turbine fouling samples under steam drum caused by water

1.2 减温水劣化引起的结垢

减温水水质污染也是透平结垢的主要原因［6］，其特征是垢样中PO43-含量极低。以软化水或一级除盐水为锅炉给水时，其工艺控制不当易造成盐类杂质泄漏，该杂质以NaCl，Na2CO3，NaOH为主。以二级除盐水为锅炉给水的高参数机组，往往是凝结水混床控制不当，造成Na+或Cl-穿透而影响给水，其结垢垢样成分以NaOH（中压缸）和NaCl（低压缸）为主。另外，部分机组中胶体硅含量偏高，通过减温水进入蒸汽系统后得到活化并影响蒸汽品质，造成垢样中SiO2含量较高。典型减温水劣化造成的透平结垢的垢样组成见表2。

表2 典型减温水劣化造成的透平结垢的垢样组成Table 2 Composition of typical steam turbine fouling samples formed due to desuperheating water deterioration

2 减缓透平结垢的预防措施

减缓透平结垢的预防措施重在源头，即加强水质管理，蒸汽品质取决于给水和炉水水质，控制调整给水和炉水水质是为了获得合格品质的蒸汽。为此，首先，要建立以炉水水质为中心的监测和调整体系，追求合理、可控的过程控制，从根本上保证蒸汽品质，即在运行阶段，只要保证给水合格、炉水化学工况正常（pH合格、PO43-合格、含盐量适当），就可避免蒸汽中杂质浓度超标的问题［7］。其次，要建立灵活的监测反馈机制，做到：1）配置有效的监测指标和频次，结合必要的在线化学仪表进行实时监测炉水电导率等；2）加强化学监测和运行调整的联系，超标数据必须第一时间进行取样复检或及时调整操作；3）化学监测数据的特点决定了差错是不可避免的，在出现异常数据后，必须及时取样复检，以确保分析结果的准确性［8-11］。

对于裂解炉，由于采用二级除盐水为汽包给水，其杂质盐的含量较低，且不存在凝汽器泄漏等问题，其盐类是由给水加药（NaOH和Na3PO4）和冷凝水混床失效漏钠带入的，故可从以下4个方面进行有效控制。

1）优化给水加药方式和加药量。给水加药方式需优化是因为裂解炉采用二级除盐水，不存在炉水中出现钙、镁等硬度造成的硬垢问题，PO43-的主要作用是调节炉水的pH，而不是减少悬渣的形成，故给水加药方案中可减少磷酸盐的注入量，可通过适当增加NaOH用量调整pH，这样可大幅降低炉水中Na+的含量，从而降低蒸汽中Na+的来源。若加药量偏大且为连续加药方式，则炉水含盐量失控风险较大，可在兼顾加药量和汽包排污相匹配的前提下，降低加药量，保证炉水的pH在9.2～9.6之间。

2）发挥在线仪表的作用，密切监测凝水回收混床失效状态。凝水回收处理混床如果存在运行终点控制不合理的情况，就可能产生Na+急剧穿透，通过给水进入炉水中，并通过减温水进入过热蒸汽，故必须严格控制混床的周期制水量和失效终点。

3）投用裂解炉在线炉水电导率表，该表可反映出炉水含盐量的变化趋势，为排污操作提供依据。

4）防止汽包发汽中携带炉水。要适当控制汽包液位处于合适位置，防止液位过高，降低蒸汽空间高度，从而减少机械携带。同时要加强汽包连续排污和定期排污管理，使富含，Ca2+，Mg2+的浮渣正常排出，减少蒸汽溶解性携带。

通过严格控制驱动蒸汽的品质，可明显改善汽轮机透平机叶片结垢积盐的情况，从而使机组高效、安全、稳定、经济地运行，延长机组的运行周期和使用寿命［4］。

3 在线湿蒸汽清洗技术的应用

如果一旦发生透平结垢现象并影响乙烯装置高负荷运行，则在线清洗技术是避免装置停车处理的一种有效手段［12］。

3.1 国外技术简介

A公司是世界著名的压缩机供应商，早已拥有透平在线清洗技术，该技术要求透平在蒸汽温度高于饱和温度15 ℃以上和压缩机处于低负荷（最小调速状态）条件下运转，其透平在线清洗系统见图2。

图2 A公司的透平在线清洗系统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公司的透平在线清洗方法基于单台机组，其步骤为：1）透平转速调至最小可调转速；2）打开疏水阀排凝（安装在蒸汽旁路管线最低端）；3）打开蒸汽旁路出口阀；4）打开蒸汽旁路入口阀；5）关闭蒸汽主隔离阀；6）逐渐关小阀②直到透平调速阀全开，维持蒸汽流量不变；7）打开透平入口管线上的所有排放点；8）通过控制锅炉给水阀④来降低超高压蒸汽（SS）的温度，降温速率小于33 ℃/h，最低温度必须高于饱和温度15 ℃；9）在SS温度降到高于饱和温度15 ℃时，维持该状态2 h；10）清洗结束后升温，升温速率与降温速率一致；11）清洗完成10 min后关闭排污阀［13-15］。

该技术应用的前提条件是三机透平入口蒸汽主切断阀均设置有带减温减压的旁路。

3.2 在线清洗实例

国内B公司的乙烯装置已分别于2009年和2014年进行过2次在线清洗作业，该公司乙烯装置的蒸汽管网示意图见图3。具体情况如下：在开车运行一段时间后，裂解气压缩机透平（GT-201）一级蒸汽压力由初期的6.5 MPa升至8.3 MPa以上，丙烯压缩机透平（GT-501）由初期的6.4 MPa升至7.9 MPa以上。观察到的现象表明，压缩机透平已存在较严重的结垢现象，并影响装置负荷。为减少停车检修带来的损失，对GT-201和GT-501实施在线清洗。

图3 国内B公司乙烯装置的蒸汽管网示意图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.

由图3可见，该装置蒸汽管网较复杂，一旦SS温度下降，必然伴随高压蒸汽（HS）和中压蒸汽（MS）的温度降低，故不可能像国外技术中介绍的基于一台机组实施在线清洗，而是基于SS，HS，MS所有等级用户实施清洗，其风险远高于对单台机组实施在线清洗的风险。因此，在实施清洗作业前，必须将方案考虑周全。根据水的饱和温度与压力曲线可知，各蒸汽的饱和温度和压力分别为：SS 324.6 ℃、12 MPa；HS 254 ℃、4.25 MPa；MS 202 ℃、1.60 MPa。

3.2.1 在线清洗过程

在线清洗过程为：上午6：00开始SS降温、降负荷，同时停止甲烷和氢气产品的外送；6：40 GT-201/GT-501复水改成排放现场，不再回收利用；7：15为防止MS温度降低对用户产生影响，停运GT-201/GT-501的油透平和复水透平，改为电泵运行，同时停运甲烷压缩机以防止燃料气系统波动；9：10当GT-201的HS抽汽温度降至310 ℃时，投用HS安全阀至消音器放空管线，同时逐步打开循环水透平泵的HS进口及乙烯冷媒压缩机透平（GT-601）进口HS的消音器等排放点，尽可能维持进乙烯压缩机透平的HS温度。同样，当GT-501的MS抽汽温度降至211 ℃时，将火炬MS全打开，并投用GT-301的MS进口至消音器放空管线，尽可能维持MS温度；16：00 GT-201进口SS温度降至346℃，HS抽汽温度降至饱和温度251 ℃，GT-501的MS抽汽温度降至饱和温度197 ℃；16：30裂解炉开始升温，提高负荷；20：00蒸汽温度及装置负荷恢复正常，整个清洗工作历时14 h。GT-201复水清洗过程的数据见表3。

GT-501复水清洗过程的分析数据与表3类似，在清洗过程中随蒸汽湿度的增加，复水电导率频繁波动，Na盐、SiO2等含量均出现峰值。

3.2.2 清洗效果

两次在线清洗作业均较为成功，作业实施后，GT-201和GT-501的运行工况均有显著改善，一级蒸汽压力明显下降，透平效率提高，蒸汽消耗量减少，试验结果见表4和表5。

表3 GT-201复水清洗过程的数据Table 3 Cleaning process data of GT-201 recovery water

表5 SS降温过程中蒸汽温度的计算值Table 5 Calculated temperature during the cooling of SS

3.3 在线清洗注意事项

3.3.1 注意蒸汽系统的关联性，提前做好蒸汽平衡

在线清洗的方法是在保证SS，HS，MS各等级蒸汽压力不变的情况下，将SS温度逐步降至高于饱和温度20 ℃左右，用湿蒸汽洗去附着在喷嘴和叶轮上的盐垢，此时，透平抽汽HS的温度已降至饱和温度以下，故在保证SS用户GT-201/GT-501机组的安全外，保证其他HS等级用户（如GT-601等机组）的安全也尤为重要，所以应尽可能提高HS温度，保证GT-601等机组安全运行。制定方案时，通过Aspen Plus软件进行模拟计算，在SS整个降温过程中，始终保持HS的温度高于饱和温度19 ℃以上。控制方法是调整GT-201抽汽出口HS的放空量和炼油装置HS的补入量，以此调节混合后HS的温度。

3.3.2 注意降温速率的控制

蒸汽温度对在线清洗效果具有决定性影响，而降温速率的控制对三机机组的运行安全则十分关键，故要求SS温度在400 ℃以上时，降温速率应控制为50 ℃/h，400 ℃以下时降温速率则控制为15 ℃/h甚至更低，清洗完成后升温过程亦然。

要有效控制降温速率，降温方法是关键。B公司乙烯装置采用开工锅炉和裂解炉联合控制的方法，即以GT-201入口蒸汽温度为参考，先通过裂解炉SS温度控制阀将SS的温度从500 ℃降至450℃，然后再由开工锅炉将SS的温度降至450 ℃，两者交替进行，为保证HS的温度和应急处理的需要，开工锅炉的SS温度最低降至405 ℃后恒温，裂解炉的SS温度则继续降低，直至345 ℃。

3.3.3 注意降温过程中机组运行状态的检查

在线清洗时，裂解气压缩机处于低负荷和接近最小调速工况下运行，为保证机组不受损坏，清洗时，一切操作以机组安全为总原则，透平位移联锁不得切旁路，如果清洗过程中透平出现振动或位移过大，则应立即停止清洗，恢复正常蒸汽温度。在每一个恒温阶段，现场由设备、工艺人员联合巡检，密切注意压缩机运转状态和蒸汽管线水击及位移情况。

4 结论

1）通过分析蒸汽透平结垢的机理和原因可知，通过严格控制汽包给水的水质和优化工艺操作条件可避免透平结垢。为解决透平结垢问题，保证装置的长周期稳定运行，要从源头上控制蒸汽品质，加强水质管理，采取预防措施，以有效提升蒸汽透平在整个运行过程中的效率，降低装置能耗。

2）通过分析国内某装置先后两次成功地进行在线清洗可知，严格控制蒸汽的温度和降温速率，在保证装置设备安全运行的基础上，可对蒸汽透平进行在线清洗。比较清洗前后透平的运行工况可见，在线清洗效果良好，改善了结垢透平的运行工况，各项参数基本恢复到运行初期的水平。

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（编辑 李明辉）

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。

张利军（1967—），男，上海市人，硕士，高级工程师，电话 021 - 57940323，电邮 zhanglj.shsh@sinopec.com。