乙烯装置压缩机透平结垢原因分析及应对策略

2023-09-19马国锋曾淼洋

石油化工设备技术 2023年5期

马国锋,张炜,曾淼洋

(中国石油化工股份有限公司化工事业部,北京 100029)

乙烯装置是石化工厂的“龙头”装置,其裂解气压缩机、丙烯制冷压缩机和乙烯制冷压缩机是装置的“心脏”,压缩机的运行状况直接决定乙烯装置的安稳长满优运行水平。压缩机透平(简称透平)侧采用高等级蒸汽驱动,如果蒸汽品质不良,会造成透平结垢,出现驱动透平轮室压力异常上升、主汽门开度接近全开、透平达不到设定转速、机组运行效率下降等异常现象,还会增加汽轮机蒸汽消耗、影响压缩机负荷,甚至严重威胁压缩机的安全运行【1-12】。

本文旨在总结分析中国石化某三套乙烯装置在长周期运行过程中出现的透平结垢问题及采取的应对措施,主要从透平结垢机理、透平结垢危害、透平结垢处理、透平结垢预防等四个方面进行系统阐述,为乙烯装置“三机”透平安稳运行提供指导性建议。

1 透平结垢机理及原因分析

1.1 结垢机理

透平结垢与蒸汽中盐类杂质的溶解性密切相关,在缸体中的沉积机理与汽液两相分配机理有关。当蒸汽进入透平膨胀作功后,随着蒸汽的温度、压力下降,当某种盐类杂质携带量大于其在蒸汽中的溶解度时,就会进入饱和状态以固体形式析出并沉积在蒸汽通流表面上【9】。

通过对压缩机透平结垢情况的检查和对垢样的化验分析,可以总结出如下规律:

1) 一般汽轮室、静叶持环、透平转子等部位从高压端到低压端的结垢程度逐步增加,特别是末端两级叶片结垢会比较严重。流体作用会导致动叶片结垢比静叶片严重,离心力作用会使叶顶的盐垢厚度大于叶根。

2) 透平内结垢的物质可分为可溶性物质和不溶性物质。可溶性物质主要是Na盐,如Na2CO3、Na2SO3、Na2SiO3、NaCl等;不溶性物质主要是SiO2、CuO、Fe2O3等。

3) 因汽包夹带水导致的结垢,垢物组成与炉水水质相似,主要为Na3PO4、NaOH、SiO2。一般在透平高压级因蒸汽压力和温度很高,蒸汽流速快,不易结垢,高压级后几级主要沉积溶解度低的Na3PO4;NaOH在蒸汽中溶解度较大,主要沉积在中压级和低压级的前几级;饱和蒸汽携带的硅酸在过热蒸汽中会失水变成SiO2,SiO2在蒸汽中的溶解度较大,当蒸汽压力明显下降后会析出,主要沉积在透平的中、低压级,因垢物数量大、质地硬,不易清除。

1.2 原因分析

1.2.1 典型案例

1) S企业乙烯装置透平结垢情况

S企业2号乙烯装置老区在2006年出现乙烯制冷压缩机透平结垢情况,在2007年、2009年和2014年分别出现裂解气压缩机透平结垢情况。

乙烯制冷压缩机透平自2005年1月大修以后运行正常,但随着时间的推移,透平运行状况日趋恶化,转速不断下降,从2005年10月至2006年4月,压缩机转速由8 100 r/min下降到了7 200 r/min,汽轮机进汽量和压缩机负荷下降,一段吸入压力上涨。通过分析裂解炉水质和蒸汽品质,发现炉水品质恶化,蒸汽中Na+和SiO2存在超标现象,造成透平动、静叶片积盐结垢。后来在不降低入口蒸汽压力、不降低压缩机转速的前提下,采用饱和蒸汽在线冲洗的方法对透平叶片上的污垢进行了清理。

老区裂解气压缩机透平和丙烯制冷压缩机透平在2007年8月大修后,从12月底开始出现轮室压力逐渐上升、功率逐渐下降的问题。裂解气压缩机透平轮室压力由检修后的6.6 MPa逐渐上升至8.1 MPa,丙烯制冷压缩机透平的轮室压力由检修后的6.0 MPa逐渐上升至8.5 MPa,严重影响了装置的负荷以及机组的安全运行。2008年2月装置停车消缺,对透平进行开缸检查,发现叶轮及喷嘴结垢比较严重,确定为蒸汽携带Na盐使透平结垢。随后,对污垢进行了清理。

但是从2009年3月开始,老区裂解气压缩机透平的轮室压力还是出现持续上升问题,2009年5月上升至8.2 MPa,丙烯制冷压缩机透平的轮室压力上升至7.9 MPa,透平结垢问题再次出现。2009～2010年期间,分别两次对裂解气压缩机和丙烯制冷压缩机透平采用带负荷湿蒸汽在线清洗的方法进行除垢,取得了良好的效果。分析认为,透平结垢的主要原因是裂解炉经过改造后,运行负荷加大,产汽量有所增加,锅炉汽包汽水分离结构设计不合理,给水、上水管方向与排污管取水方向接近,干扰了炉水取样的准确性,未及时发现蒸汽品质下降问题,从而造成透平结垢。

从2013年11月起,老区裂解气压缩机透平轮室压力再次出现迅速升高问题,经判断为蒸汽品质控制不佳引起的压缩机透平结垢。为减少停车检修带来的损失、保障乙烯装置长周期运行,2014 年1月和3月两次对压缩机透平进行带负荷湿蒸汽在线清洗,取得了良好的除垢效果。

2) M企业乙烯装置透平结垢情况

2014年,M企业1号乙烯装置受锅炉给水品质波动影响,乙烯制冷压缩机透平出现结垢情况,影响装置满负荷运行,遂对乙烯制冷压缩机透平进行了停车浸泡清洗,清洗后透平轮室压力恢复至正常水平,基本能满足装置正常运行。

但随后又出现丙烯制冷压缩机透平轮室压力快速上升问题,转速持续降低,为乙烯制冷压缩机提供冷量不足致使其四段排出压力高,严重制约装置满负荷生产。2015年对两台机组进行了饱和蒸汽在线清洗,清洗后丙烯制冷压缩机透平轮室压力由3.65 MPa下降至2.80 MPa,乙烯制冷压缩机透平轮室压力由3.15 MPa下降至2.50 MPa,丙烯制冷压缩机转速可提高至额定值,说明清洗效果较好。

3) F企业乙烯装置透平结垢情况

从2020年初开始,F企业乙烯装置裂解气压缩机透平出现进汽量和透平输出功率持续下降的问题,装置负荷严重受限【13】。为了解决该问题,提出在维持装置运行的情况下,通过在线加注清洗剂的方式进行清洗; 为了彻底解决瓶颈, 后来利用消缺契机在裂解气压缩机N2运行工况下进行了饱和蒸汽在线清洗, 实施后透平输出功率基本恢复正常。

通过对结垢物的分析和对除氧器运行情况的排查,确定透平结垢的主要原因为含油的烃类介质泄漏被带入蒸汽系统,使得进入除氧器的凝结水合格率低,导致蒸汽品质下降。

1.2.2 原因分析

透平中垢物的主要来源有蒸汽中的Na、Si、Na+、Si4+形成的盐类,以及管线腐蚀的铁锈等,通过分析典型案例及查阅有关文献可知,其结垢的主要原因可能有:

1) 蒸汽发生汽包(如裂解炉汽包)在加药、液位控制或者排污控制不好的情况下会导致蒸汽中Na+、Si4+超标,Na+、Si4+经过长期积累使透平积盐严重,从而造成透平结垢。

2) 汽包设计或者排污阀选型不合理导致汽包的排污控制能力不足,炉水中的SiO2以及Na+等物质含量会上涨,造成发生蒸汽中携带大量的盐类物质,进而导致蒸汽品质下降。

4) 换热器泄漏或操作原因导致凝结水中油含量超标,容易导致阴、阳床再生周期严重缩短,从而出现由于锅炉给水含油量超标导致汽包液面产生大量泡沫、引起汽水共沸的现象,使得蒸汽品质严重恶化。

5) 锅炉给水除氧器的供应能力不足,加剧氧化垢物的生成。

6) 由于腐蚀原因,凝结水中Fe3+含量超标,未经净化或处理,导致减温水劣质化,其进入蒸汽系统后,最终将导致Fe2O3等固态微粒粘附在透平的蒸汽通流部分,在透平叶轮处富集。

2 透平结垢的危害

透平通流部分结垢后,将使汽流的通流面积减小,若维持各级压力不变,则流量将减小,使透平发出的功率减小,同时,透平轮室压力明显升高,吸汽能力下降,不仅对压缩机的经济性有直接影响,而且严重威胁透平的安全运行【8】。危害主要有以下几个方面:

1) 透平各级压力降增加,导致隔板前后压差增大,隔板变形严重时会与叶片发生摩擦。

2) 透平效率降低,进气调节阀阀杆开度明显增大,导致转速下降。

3) 蒸汽通流面积减小,造成蒸汽流量降低,机组效率下降,汽耗量增加,负荷降低,装置能耗上升。此外,蒸汽通流面积减小还会造成流动阻力增大,轴向推力增大,使得转子轴向位移增大,推力轴承过载。

4) 在透平中部各级结垢时,前部各级的焓降减小,级的反动度增加,导致转子轴向力增大。

5) 当透平迷宫密封梳齿之间的间隙被垢物填满后,会造成密封效果下降,蒸汽泄漏量增加,甚至导致转子轴向力增加。

6) 若叶轮上结垢不均匀,则会导致转子不平衡。此时,转子质心偏离轴承中心线,产生异常振动。

7) 流道因盐溶液作用,形成局部腐蚀;应力交变及腐蚀介质作用在部件上,形成腐蚀疲劳和应力腐蚀。

8) 叶片结垢后,离心力增加,围带内表面结垢和盐分沉积,则会使围带离心力加大,易造成叶片和围带的损坏。

9) 透平通流部分结垢严重时,容易造成主汽阀、调速阀卡死的事故,在紧急停车时,若主汽阀、调速阀动作不灵活或卡涩不动作,会造成严重后果。

10) 如蒸汽中携带有硅酸粉末,会引起叶片、喷嘴等部件的严重磨损。

3 透平结垢处理

目前处理蒸汽透平结垢问题主要有三种方法,即停机清洗【6,14】、加注清洗剂在线清洗和饱和蒸汽在线清洗【1-5,7-20】,三种方法在生产中均有应用,本文将根据具体案例对三种方法加以介绍和说明。三种清洗方法的优缺点如表1所示。

1) 停机清洗,主要包括机械清洗、浸泡清洗和化学清洗等方法【4、14、20-21】。停机机械清洗需停机解体各部件,用高压水枪清除各部件表面的结垢物,但机组停车大修,既要投入大量的人力物力,又需要较长的时间,势必会造成巨大的经济损失【20】。停机浸泡清洗主要针对Na2CO3、NaOH等可溶性垢物,在透平停机后,切断透平进、出口蒸汽,通入锅炉给水,将透平壳体充满,然后进行手动盘车,进行反复冲洗。水洗法操作较容易,所用时间相对较短,但只对可溶性垢物清洗效果好。停机化学清洗主要针对Fe2O3、Al2O3等不溶性垢物,需要用化学清洗液进行清洗去除,经过化学清洗后的叶轮可能需要进行动平衡测试。

2) 加注清洗剂在线清洗。在机组正常运行情况下,通过加注多种耐高温、耐高压的化学组分的混合缓蚀阻垢剂,利用其与垢物产生的界面渗透、挤压、剥落等界面效应,使垢物变成微细粉末脱落、分散、悬浮于水中,再通过排污、凝结水除铁器以及精处理高速混床截留等方式排出【13,22】。该方法不仅能清除转移已结的垢物,还可防止结垢物质在受热面上沉积。

3) 饱和蒸汽在线清洗。通过饱和蒸汽夹带的水或经冷却而产生的凝液溶解透平流道、叶片及静叶栅上的结垢物, 以恢复流道宽度。可通过保持透平一定的转速, 加大饱和蒸汽进汽量, 增强清洗效果。由于饱和蒸汽在线清洗方法效果较好, 并且省时省力, 因此,该方法得到了广泛的实践应用【1-5,7-19】。

3.1 停机浸泡清洗

2014年5月,M企业1号乙烯装置乙烯制冷压缩机透平转数开始缓慢下降,由9 150 r/min降至8 800 r/min,透平轮室压力最高上涨至3.95 MPa,严重影响装置运行负荷。采取提高入口蒸汽压力,降低出口管网压力的措施后,转数恢复正常,但V1阀开度由正常的60%增大至75%。经分析,主要是由于透平叶轮通流部分结垢所致,于2014年9月23日对乙烯制冷压缩机透平进行了停车浸泡清洗。

3.1.1 前期准备

前期准备工作如下:

1) 保持装置低负荷运转;

2) 在透平缸体导淋配临时管引入高压锅炉给水;

3) 在现场接临时电源,用于现场水质采样仪供电,现场进行实时分析;

4) 现场备软管数根,用于接N2、中压蒸汽及上汽缸排汽,透明长塑料管10 m,用于监测透平水位;

5) 准备手提式红外线测温仪和双金属温度计对气缸温度进行监测。

3.1.2 浸泡清洗流程

浸泡清洗流程包括以下几个方面:

1) 透平打闸后,立即在透平排汽管线采样分析电导率及pH值。

2) 确认透平缸体降温合格后,从透平缸体导淋处接入高压锅炉给水。

3) 在透平排汽手阀靠近透平侧导淋接透明胶管,将其引至透平V1阀阀室处,以此监控透平灌水液位。浸泡高度至透平V1阀顶部连接螺栓处,同时拆开透平上缸排汽温度测点(透平上缸约3/4高度)进行排汽。

4) 拆开透平联轴节保护罩上半部,通过链条盘车器对其进行连续盘车。

5) 待液位升至V1阀阀室后,通过适当调整上水导淋开度和采样导淋开度,使凝液保持流动。

6) 上水至指定液位后,每隔5 min记录一次在线电导率变化情况。

清洗结束原则为通过分析凝液水中电导率、钠、硅离子含量确认清洗节点。对入水口和出水口进行连续采样,当出、入水口电导率值、钠、硅离子含量持续10次釆样值均保持稳定并经确认后,可以结束清洗。

3.1.3 浸泡清洗效果

采用除盐水循环浸泡法,在停机不拆大盖的情况下清理汽轮机,取得较好效果,乙烯压缩机透平转数恢复正常,由之前的8 170 r/min提至9 060 r/min,轮室压力下降, 由3.86 MPa降至2.4 MPa, 装置负荷提高,裂解炉投料负荷由之前的127 t/h提高到145 t/h,V1阀开度减小,由100%开度降至60%左右。

3.2 加注清洗剂在线清洗

2020年,F企业乙烯装置裂解气压缩机透平出现结垢现象,在问题初期维持装置负荷不变的情况下,首次在乙烯行业采取了加注混合缓蚀阻垢剂的在线清洗方案【13】。具体实施如下。

3.2.1 加注清洗剂在线清洗流程

采用的清洗剂为复合型清洗剂,由耐高温、耐高压的表面活性剂、渗透剂及剥离剂、表面致钝和缓蚀剂等复配而成,低毒、弱碱性。

将清洗剂用除盐水稀释调配至一定浓度,连续注入至乙烯装置在运行裂解炉减温水调节阀后,清洗剂随减温水注入超高压蒸汽总管,被蒸汽带进透平中。清洗剂浓度与透平进汽量和输出功率的变化情况如下表2所示。由表2可以看出,随着加剂浓度的提高,压缩机透平的进汽量和输出功率升高,说明清洗取得了一定效果。

加注清洗剂清洗期间,监测分析透平凝液中SiO2及Na+等指标情况,发现均有不同程度的波动,电导率最高为164.8 μS/cm,Na+最高浓度1 260 μg/L。

3.2.2 加注清洗剂在线清洗效果

2020年7～11月,持续在线加药清洗145 d后,裂解气压缩机透平进汽量上升,功率提升10%,装置运行负荷从85%提升至92%,取得明显效果。

3.3 饱和蒸汽在线清洗

饱和蒸汽在线清洗能使压缩机透平运行效果与机械清垢基本一致,但是用时大大缩短,使得装置能够在短时间内恢复到正常生产状态,并且减少了低负荷生产造成的经济损失。同时,由于不需要拆装透平,减少了现场作业环节,提高了作业安全性,避免了因施工质量问题造成机组二次损坏的情况发生,因此该方法得到了广泛应用,比如S企业针对2号乙烯装置老区乙烯制冷压缩机和裂解气压缩机多次出现的结垢问题采用了饱和蒸汽在线清洗技术【8-10】,M企业针对1号乙烯装置丙烯、乙烯制冷压缩机透平结垢问题采用了饱和蒸汽在线清洗技术【11-12】,F企业针对裂解气压缩机透平结垢问题也采用了饱和蒸汽在线清洗技术【13】,均取得了较好的效果。本文主要介绍M企业饱和蒸汽在线清洗技术的应用情况。

M企业自2014年12月开始,受锅炉给水品质波动的影响,丙烯制冷压缩机透平轮室压力快速上升,最高涨至3.65 MPa,转速持续降低,为乙烯制冷压缩机提供冷量不足,致使其四段排出压力高,严重制约装置满负荷生产。为解决上述问题,于2015年1月30日对两台机组进行了饱和蒸汽在线清洗。

3.3.1 清洗前准备

清洗前的准备工作包括以下几点:

1) 在透平在线清洗前,将装置负荷降至60%左右,并将工艺系统调整到位。

2) 乙烯制冷压缩机为背压式机组,将排汽切出改为排现场消音器,排汽压力控制在300～400 kPa。

3) 丙烯制冷压缩机为抽汽冷凝式机组,将抽汽切出改为排现场消音器,抽汽压力控制在1.58～1.75 MPa。

3.3.2 饱和蒸汽在线清洗过程

通过缓慢降低裂解炉和热电锅炉超高压蒸汽的产汽温度,将丙烯、乙烯制冷压缩机透平入口的高压蒸汽温度缓慢降低。

乙烯制冷压缩机透平(C-600T)入口高压蒸汽温度在9:00降至350℃时,其排汽凝液中电导率和SiO2出现变化,SiO2浓度达34.09 μg/L,Na+浓度达214 μg/L;在10:10,透平入口高压蒸汽温度达340 ℃,排汽温度148 ℃左右,排汽温度达到饱和状态,此时电导率开始发生变化,从正常值6 μS/cm上涨至13 μS/cm,如图1和表3所示。随着入口蒸汽进一步降温,透平缸体内蒸汽湿度增大,进一步清洗前面的叶轮,进而将更多结垢物清洗出来。在11:15时,入口高压蒸汽温度为332 ℃,其电导率最高达131.0 μS/cm;在14:00 时,入口高压蒸汽温度为275 ℃,其电导率为58.6 μS/cm,SiO2浓度为7 210 μg/L,Na+浓度为4 090 μg/L。清洗状况显示,乙烯制冷压缩机透平入口高压蒸汽温度最低下降至261 ℃。在清洗过程中,乙烯制冷压缩机轮室压力大幅下降,在入口相同高压蒸汽进汽条件下,其轮室压力下降约0.6 MPa,说明此次清洗较好地去除了透平内的盐垢。

图1 清洗过程乙烯制冷压缩机透平凝液电导率变化情况

表3 乙烯制冷压缩机透平凝液分析数据

丙烯制冷压缩机透平(C-650T)入口高压蒸汽温度在13:11时降至290 ℃,抽汽温度207 ℃左右,接近饱和状态, 此时抽汽凝液电导率开始出现较大变化, 如图2和表4所示。在13:20 C-650T入口高压蒸汽温度达286 ℃时, C-650T抽汽凝液电导率有较大变化,从正常值6 μS/cm上涨至27.2 μS/cm;当 C-650T入口高压蒸汽温度下降至274 ℃时,C-650T抽汽凝液电导率达到最大值319 μS/cm,在入口蒸汽温度由274 ℃降低至269 ℃的过程中,轮室压力开始出现快速下降,30 min内下降了0.54 MPa,说明透平结垢最严重部位蒸汽已经达到饱和状态,大量可溶性盐溶于湿蒸汽中,15:00时,C-650T 抽汽凝液中Na+、SiO2浓度大大超出正常值;当进一步降温, 最低达266.5 ℃时,抽汽凝液电导率下降至26 μS/cm,排出垢物进一步减少,在相同进汽条件下轮室压力由3.02 MPa快速下降至2.48 MPa,说明清洗过程已经去除大部分盐垢。

表4 丙烯制冷压缩机透平抽汽凝液详细组分

3.3.3 饱和蒸汽在线清洗效果

表5和表6分别为丙烯、乙烯制冷压缩机透平清洗前后的运行参数。由表5和表6可见:C-600T、C-650T经过清洗后,装置能达到满负荷,C-650T运行状态良好,转速可提高至5 380 r/min,V1阀开度约75%,进汽量能达到134 t/h,最高进汽能达到144 t/h,较清洗前状态明显好转;C-600T转速可提高至9 100 r/min,且V1阀开度只有60%,轮室压力只有2.4 MPa左右,状态也有明显好转。

表5 丙烯制冷压缩机透平清洗前后运行参数表

3.3.4 饱和蒸汽在线清洗注意事项

饱和蒸汽在线清洗应注意以下几点:

1) 在线清洗过程中,要通过调节防喘振阀控制好各段吸入温度、压力和流量,控制好各段吸入罐液位,避免大幅波动引发机组联锁停车;同时,监控好机组振动、位移、温度等参数变化,发现问题立即处置。

2) 饱和蒸汽清洗温度需选择合理,温度过高,清洗效果不明显;温度过低,较多的饱和湿蒸汽进入透平,会对转子造成较大冲击。根据透平具体结构,结合实施经验,一般选择清洗温度高于工作压力下的饱和温度15 ℃以上,清洗效果比较明显【8,11】。

3) 为有效防止饱和蒸汽对管线造成水击,在蒸汽管线沿途的各疏水器及导淋处及时进行排液。

4) 如果透平具备抽汽功能,需提前将抽汽切出管网。因抽汽温度会先于入口温度进入湿蒸汽饱和状态,如不提前切出管网,将会导致抽汽带水,造成管网水击。

5) 透平入口超高压蒸汽的降温速率比较难控制,如降温过快或波动,可能造成透平内外缸温差过大,振动上升,导致缸体变形,引发机组联锁。一般首先降低压力,再降低温度,但是必须将温度控制在操作法规定的温度以上,以免损坏叶片。可提前制定好降温、降压曲线,控制好蒸汽降压、降温速度,避免过大的降温速度造成汽缸和管道法兰等部件产生过大温差应力而造成次生事故。

6) 可以通过适当降低温度、提高转速、加大蒸汽流量,增大蒸汽对透平流通部件冲洗力度,加速透平流通部分的水垢脱落,提高在线清洗效果。

7) 可通过观察透平的轮室压力变化作为判断清洗效果的标准。在相同负荷、同等进汽量的情况下,当透平轮室压力不超过设计值的10%时,可认为在线清洗取得成功。