氯气透平机安全运行初探

2023-01-15沈长厅

云南化工 2022年5期

关键词：氯气冷却器油泵

沈长厅

(昆明云能化工有限公司烧碱厂,云南昆明 650300)

氯气透平压缩机是氯碱生产的重要设备，能稳定电解氯氢的压差，把电解生产的氯气经冷却、干燥后，升压输送至液化、氯化氢工序。氯气透平机如不能正常运行，将影响烧碱及PVC产量，严重时会导致不安全事故的发生。

1 氯气透平机压缩机概述

1.1 工作原理

氯气透平压缩机是由一台变速箱和两个压缩缸，一个主油泵组成的离心式压缩机。电机通过连轴器连接变速箱内的大齿轮，在变速箱内，大齿轮带动高速轴上的小齿轮轴；小齿轮轴与一二级压缩缸连接。大齿轮带动小齿轮驱动，使两个压缩缸轴高速转动，然后高速转动轴带动叶轮高速旋转。一级叶轮高速转动，对氯气做功，使氯气获得动能。高速运动摩擦使氯气温度快速升高。具有动能的氯气，经过高速压缩缸升压后，进入二级叶轮再次升压。透平压缩机采用了两级压缩和两级冷却。

1.2 性能

氯气透平压缩机是通过齿轮箱变速，大齿轮传动小齿轮，大齿轮转一圈，小齿轮转六圈。通过两级叶轮来压缩氯气，使氯气压力逐级提高。叶轮高速转动时，氯气随叶轮高速旋转而产生离心力。叶轮旋转对氯气做功，氯气与叶轮之间相互作用，使压缩氯气的动能增大，氯气压力增加。和离心泵原理一样，在电机带动下，透平机转轴经过变速箱变速后，压缩缸的轴转动速度是电机转速的6倍。叶轮旋转带动氯气旋转，产生升力的作用，氯气被加速甩出叶轮。被甩出叶轮的氯气，进入叶轮蜗壳中。叶轮中心位置形成了负压，负压的存在保证了氯气能被输送进入叶轮蜗壳中。蜗壳内的氯气压力增加，向出口排出。叶轮周而复始的持续转动，确保氯气连续不断的在压缩机内流动。离心力的作用，使得甩出的氯气速度增加，动能提高，压力增加。昆明云能化工透平机是串联安装两级叶轮升压，出口压力达到工艺生产要求。

1.3 结构

本装置的氯气透平压缩机是由两级高速叶轮压缩箱、1台高速电机、1个高速齿轮变速箱、两台列管试冷却器、辅助油泵、油换热器、油过滤器、主油泵、轴瓦、氮封系统组成，生产能力为6万t/a。昆能化工现有两台，年输送能力12万吨。

1.4 氯气系统流程

从电解槽阳极出来的氯气(温度约 85 ℃)，经钛列管换热器对盐水加温，湿氯气的温度降至约 65 ℃ ；经过氯气总管进入氯气洗涤塔底部，自下而上运行；循环泵输送的氯水至换热器降温后，进入洗涤塔顶部喷头，自上而下；氯水与氯气逆流直接接触，氯气中的盐及杂质被氯水洗涤带走，氯气被冷却至 40 ℃ 以下，氯气中携带的水份降温后大部分被去除。出洗涤塔后的氯气，经过钛材质的列管换热器，氯气从冷却器自上而下，用 5 ℃ 冷冻盐水冷却至12 ～15 ℃。氯气经水雾捕集器除水后，进入填料干燥塔下部，自下而上运行。循环泵输送至换热器冷却的硫酸，从填料干燥塔顶部喷淋，自上而下，大于76%的硫酸直接与氯气逆流接触，除去氯气中的一部分水。一次硫酸干燥后的氯气，再进入泡罩干燥塔下部，与高位槽自流而下的98%浓硫酸反方向相互接触，进行二次硫酸干燥。干燥后的氯气，经酸捕集器除去酸雾，然后进入透平机一级压缩；经一级冷却器冷却后，进入二级压缩；二级压缩后经二级冷却器冷却，送至氯气分配台；经氯气分配台后，送至液化、氯化氢工序。

2 氯气透平机冷却器泄露原因分析及改进

昆明云能化工使用的是杭州求是透平机制造有限公司生产的氯气透平机，是二级氯气压缩机。因氯气压缩机叶轮转速高，叶轮与氯气产生高摩擦，使得每级压缩后氯气的温度升高。为顺利进行下级的气体的压缩，一级压缩和二级压缩后分别设有列管式换热器，即一级冷却器和二级冷却器。一级冷却器和二级冷却器用循环水进行换热。

2.1 冷却器的结构

冷却换热器主要由壳体、列管、封头、管板、挡板等组成，昆能化工采用的是鑫大化工机械有限公司制造的列管换热器。氯气与循环水在进行换热时，循环水由封头的连结管处进入，从封头另一端的出口管流出，循环水走管程。氯气从壳体的接管进入，从壳体上的另一接管处流出，氯气走壳程。

2.2 冷却器泄漏的影响

冷却器泄漏，会对透平机造成毁灭性损害：水进入叶轮，腐蚀叶轮，会对透平机组的运行寿命造成缩短，导致抽力下降；严重时会直接打破叶轮的动平衡，使叶轮及轴承直接损坏。因此冷却器泄漏，会对氯碱稳产、高产造成影响，严重导致系统只能低负荷运行，甚至停产危害。

2.3 冷却器泄露的原因分析

2.3.1 冷却器泄漏叙述

昆能化工出现过的设备事故：2015年8月，运行中的氯气透平机发生异响(2 s 左右)。听到异响声后，当班人员去现场对氯气透平机巡检，未有异常现象；DCS画面显示透平机正常，氯气总管压力及分配台压力正常。当巡检人员回到DCS室，氯气透平机发生剧烈的异响声，DCS此时显示氯气透平机流量下降，抽力下降；当班人员紧急启动备用氯压机，停运异响的氯气透平机。第二天，拆开氯气透平机机头，机头内有积水，发现是一级冷却器漏水，导致氯气透平机机头损坏。

2.3.2 冷却器泄漏的原因分析及探讨

1) 列管换热器在制造时，由于未严格执行要求，出现了缝隙、残渣等问题。氯气和水带压冲刷管壁，且氯气在升压过程中温度快速升高，高温高流速加剧了管道渗漏速度。2) 氯气含水量不达标是造成泄漏的另一原因。氯气是在冷却、干燥、除酸雾后进入透平压缩机，氯气含水量不达标，将会加剧腐蚀换热器。3)冷却用的循环水不达标也是造成泄漏原因之一。循环水是重复使用的，且使用中在循环水内加入的阻垢剂、次氯酸钠等，会腐蚀换热器。4)氯碱系统用的机封水要回至循环水内，系统内的机泵有硫酸泵、碱泵、盐酸泵、次氯酸钠泵等，含碱、硫酸、盐酸、次氯酸钠的泵机封泄漏，会把腐蚀的液体带入循环水，加剧了换热器的泄漏。

2.4 冷却器泄漏的改进措施

1) 定时对冷却器检查，发现异常应及时处理；定时按期更换冷却器。

2) 定时对一、二级冷却循环水中游离氯含量进行化验，超标及时检查处理。

3)加大对腐蚀液体循环泵的机封检查，发现机封泄漏及时处理。

4) 增加氧化还原电位在线监测。当氧化还原电位增加时，及时对循环水取样，分析游离氯含量。增加氧化还原电位联锁，当氧化还原电位到 680 mV 时，机组联锁跳停。

3 透平机喘振的分析与改进

3.1 透平机喘振

透平机在带负荷情况下连续运行不会出现喘振现象。透平机停机后启动，或未带负荷运行时，会发生喘振现象；透平机带负荷较小，手动回流开度不够，也会发生喘振。喘振其实就是透平机内气体循环量不够，进气量及出气量较小，机组气体从进口到出口气体循环不流畅，总之是气体流量不够才会发生喘振。喘振会导致机组振动增大，电流波动大，造成机组异响。

3.2 喘振的危害

透平机长时间喘振会对机组造成严重损害。喘振机组会剧烈振动，噪音是正常的数倍，导致轴承移位较大，损毁轴承及叶轮。喘振危害有以下几个方面:

1)电机转速不稳定，影响主油泵供油，破坏供油系统；2)轴承转速时快时慢，损坏轴承；3)叶轮损坏，造成齿轮箱破坏，严重会造成人员伤害；4)电机移位，压箱、轴瓦损坏，造成整机损坏。

3.3 引起喘振的原因分析

压缩工艺参数直接影响着透平机喘振，这些参数包括:透平机出口流量、出口压力、透平机废氯控制阀开度、出口旁通阀及自动调节阀开度、手动回流开度、透平机进口流量、进口压力。某一参数发生变化，就有可能引起喘振，尤其是在装置开车、停车阶段。透平机组进口气体流量过少，出口的回流阀未调节到全开的位置，一、二级出口压力过低，进气量和出气量不稳定，机组内气体流量达不到匹配流量等等，都会引起喘振。

3.4 操作改进

1)透平机开停机时，操作人员需根据流量来调整透平机。流量高时关小回流，流量不够时开大回流，实时保证透平机流量在 1950 m3/h 以上。开机前,先全开手动回流及自动回流开度;停机前,应先全开回流。开停机时,保证机组回流全开，即使进出口压力过低，也能让气体在机组充分内循环，不发生喘振现象。

2)开机前,对透平机进行升压，升压至 50 kPa ，保证开机时机组内有气体能充分循环。

3)开机时,确保泄至废气系统的废氯阀开度，需进口气量和出口气量相一致，保证机组内的循环气量平衡达到机组设计流量要求。

4)开停机时，操作人员时刻观察流量、一级进口抽力，时刻保证机组抽力，保证气体循环流量达标。流量及进口无抽力时应及时调整。

4 润滑油的作用及问题处理

氯气透平机齿轮转速达 17190 r/min。高转速产生高摩擦和高温。氯气透平机能否正常提供冷却润滑油，尤为重要。氯气压缩机机组润滑油由主油泵及副油泵供油。透平机组启动后，由主油泵供油，机组停运后由副油泵供油；机组运行时，主油泵运行；副油泵联锁停止运行，机组停运或跳停时联锁副油泵自动启动供油。供油系统提供 0.15～0.25 MPa 的油压，经热器换热后进入过滤器除去杂质，然后进入机组的前后轴承、齿轮箱等传动部位，润滑齿轮箱油的同时带走机组运行过程中产生的热量，以确保机组的安全稳定运行。润滑油系统还有控制摩擦、减少机件的磨损、防止齿轮锈蚀和对齿轮振动起阻尼的作用。常见的润滑油系统故障有:油品不合格、润滑油受氯气污染、主油泵问题、辅助油泵问题、润滑油油箱氮气密封不好(进入空气)，以及润滑油系统的相关连锁失灵等问题。在机组运行过程中，经常对润滑油质量进行检查(油温控制在指标范围内，实时监测供油压力)，每半年按时更换润滑油和油过滤器，检查主油泵及辅助油泵是否完好。

5 氮气密封的控制及问题处理

氯气透平机一、二级密封气体采用的是氮气密封，一级氮封压力要求0.05 ～0.10 MPa。二级氮封压力要求0.10 ～0.15 MPa，氮气从空压制氮工序送至透平机。空压制氮工序送至透平机的氮气压力大于 0.4 MPa，存在氮气压力过高且压力不稳定，较难控制氮气密封压力。在进入一、二级氮封前，加装了减压阀，使氮气压力控制在 0.2 MPa 左右，较容易调节一、二级氮封压力。氮气密封压力过高，容易把齿轮箱内的润滑吹出；压力较低，会使氯气溢至氮气密封系统，腐蚀润滑油和齿轮，危害及大。应实时监测氮气密封压力，压力过低或过高都应及时调整。当空压制氮工序无法正常供应氮气时，及时接用备用氮气钢瓶供应氮气，保证一、二级氮封压力在指标范围内。

6 泄压阀存在问题及改进

废气泄压阀设计时，直接至吸收塔。吸收塔口易被积盐堵塞，开机时泄压阀不能正常工作，导致停机时氯气无法排至废气系统，开机时透平机进气及出气不顺畅，流量较低，机组无抽力现像。把废气阀改接至DN300废气事故氯气管上，事故氯气管进废气吸收塔口直径较大，不会堵塞，泄压阀改进后无排气不顺畅现象。

7 保养及维护

1)每 4 h 对透平机前后轴承温度、振动，进行现场测量，并做好温度及振动值记录。2)透平机一、二级进口增设过滤网，机组长期运行，酸雾捕集器未除干净的酸泥会堆积在进口过滤网上，堵塞进口过滤网，使透平机抽力下降，影响生产效率。每半年应更换润滑油时，拆开一、二级进口过滤网，取出进行清洗，时刻保证透平机高效运行。3)每年对仪器仪表进行监测校正，准确的监测能精确的判断透平机的运行状态。4)每次换油时，用面团清理油箱底部的铁锈及大颗粒杂质；换油时更换油过滤器，保证油压压差稳定，使进入压箱的润滑油清洁，保证高速运行的齿轮安全运行。5)每年检查换热器壳程结垢情况，结垢及时清洗污垢，润滑油换热高效运行，使油温在可控范围内。6)每年对电机进行维护保养。