乙烯装置压缩机透平结垢原因分析及应对策略.pdf
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1、收稿日期:.作者简介:马国锋,男,年毕业于西南石油学院化学工程与工艺专业,学士,主要从事乙烯芳烃等基本有机化工生产技术管理工作,高级工程师,曾获中石化科技进步二、三等奖各项,已发表论文篇.E m a i l:m a g u o f e n g s i n o p e c c o m.乙烯装置压缩机透平结垢原因分析及应对策略马国锋,张炜,曾淼洋(中国石油化工股份有限公司化工事业部,北京 )摘要:蒸汽和锅炉给水品质下降会造成乙烯装置压缩机透平结垢,进而引发机组工作效率下降、耗汽量明显上升等问题.文章对三套乙烯装置压缩机透平结垢问题的具体原因进行了分析,并详细介绍了对其采取的停机浸泡清洗、加注清洗剂
2、在线清洗、饱和蒸汽在线清洗等处理方法及注意事项,同时提出了预防压缩机透平结垢的应对措施,可为同类问题的处理提供参考.关键词:压缩机透平结垢清洗应对策略d o i:/j i s s n 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【】.本文旨在总结分
3、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.透平结垢机理及原因分析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【】.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:)一般汽轮室、静叶持环、透平转子等部位从高压端到低压
4、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.)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N a盐,如N aC O、N aS O、N aS i O、N a C l等;不溶性物质主要是S i O、C u O、F eO等.)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N aP O、N a OH、S i O.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N aP O;N a OH在蒸汽中溶解度较大,主要沉积在中压级和低压级
5、的前几级;饱和蒸汽携带的硅酸在过热蒸汽中会失水变成S i O,S i O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.)蒸汽中C l、S O等阴离子和有机物容检维修技术石油化工设备技术,()P e t r o c h e m i c a lE q u i p m e n tT e c h n o l o g y易造成透平腐蚀,甚至失效.当蒸汽携带C l杂质时,随着杂质的沉积并浓缩,会造成透平叶片电化学腐蚀;有机物在高温高压蒸汽中最终降解生成羧酸(R C OOH)、C O和HO,导致p H值降低,进而导致透平叶片酸腐蚀问题.原因分析
6、典型案例)S企业乙烯装置透平结垢情况S企业号乙烯装置老区在 年出现乙烯制冷压缩机透平结垢情况,在 年、年和 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 年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 年 月至 年月,压缩机转速由 r/m i n下降到了 r/m i n,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N a和S i O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
7、机透平和丙烯制冷压缩机透平在 年月大修后,从 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 MP a逐渐上升至MP a,丙烯制冷压缩机透平的轮室压力由检修后的MP a逐渐上升至MP a,严重影响了装置的负荷以及机组的安全运行.年月装置停车消缺,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N a盐使透平结垢.随后,对污垢进行了清理.但是从 年月开始,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,年月上升至 MP a,丙烯制冷压缩机透平的轮室压力上升至MP a,透平结垢问题再次出现.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
8、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 年 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,年月和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.)M企业乙烯装置透平结垢情况 年,M企业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
9、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.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 MP a下降至 MP a,乙烯制冷压缩机透平轮室压力由 MP a下降至 MP a,丙烯制冷压缩机转速可提高至额定值,说明清洗效果较好.)F企业乙烯装置透平结垢情况从 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
10、重受限【】.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N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.原因分析透平中垢物的主要来源有蒸汽中的N a、S i、N a、S i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:)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
11、中N a、S i超标,N a、S i经过长期积累使透平积第 卷第期马国锋等乙烯装置压缩机透平结垢原因分析及应对策略盐严重,从而造成透平结垢.)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S i O以 及N a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.)减温水水质污染直接影响蒸汽品质,造成透平结垢,其特征是垢样中P O含量极低.)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.)锅炉给水除氧器的供
12、应能力不足,加剧氧化垢物的生成.)由于腐蚀原因,凝结水中F e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F eO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.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【】.危害主要有以下几个方面:)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.)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.)蒸汽通流面积减小,造成蒸
13、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.)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.)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.)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.)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.)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
14、和围带的损坏.)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.)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.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【,】、加注清洗剂在线清洗和饱和蒸汽在线清洗【,】,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所示.)停机清洗,主要包括机械清洗、浸泡清洗和化学清洗等方法【、】.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
15、,势必会造成巨大的经济损失【】.停机浸泡清洗主要针对N aC O、N a OH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F eO、A lO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.)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
16、处理高速混床截留等方式排出【,】.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.)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石油化工设备技术 年好,并且省时省力,因此,该方法得到了广泛的实践应用【,】.表三种清洗方法的优缺点方法清洗方式优点缺点方法一停机机械清洗清洗、检查彻底)需要停工检修;)时间长,经济损失大;)机械清垢涉及多项直接作业环节,现场工作复杂,安全风险较大停机化学清洗不用拆卸透平,处理时间相对机械清洗时间
17、短,成本也较低可能需要对转子重新进行动平衡试验停机浸泡清洗)处理时间相对检修清洗短;)处理过程中转速较低,风险相对可控清洗不太彻底,效果一般方法二加注清洗剂在线清洗装置不需要降负荷,可以在线处理清洗时间长,见效慢,不彻底.方法三饱和蒸汽在线清洗)处理时间短,减少了低负荷生产造成的经济损失;)清洗效果较好,结束后可及时恢复正常生产)需要降负荷处理;)清洗过程中如控制不当有凝结水冲击损坏叶轮的风险停机浸泡清洗 年月,M企业号乙烯装置乙烯制冷压缩机透平转数开始缓慢下降,由 r/m i n降至 r/m i n,透平轮室压力最高上涨至 MP a,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
18、力的措施后,转数恢复正常,但V 阀开度由正常的 增大至.经分析,主要是由于透平叶轮通流部分结垢所致,于 年月 日对乙烯制冷压缩机透平进行了停车浸泡清洗.前期准备前期准备工作如下:)保持装置低负荷运转;)在透平缸体导淋配临时管引入高压锅炉给水;)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;)现场备软管数根,用于接N、中压蒸汽及上汽缸排汽,透明长塑料管 m,用于监测透平水位;)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.浸泡清洗流程浸泡清洗流程包括以下几个方面:)透平打闸后,立即在透平排汽管线采样分析电导率及p H值.)确认透平缸体降温合格后,从透平缸体导淋处接入高压锅
19、炉给水.)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V 阀阀室处,以此监控透平灌水液位.浸泡高度至透平V 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/高度)进行排汽.)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.)待液位升至V 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.)上水至指定液位后,每隔m i n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 次釆样值均保持稳定并经确认后,可以结束清洗.浸泡清洗效果采用除盐
20、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 r/m i n提至 r/m i n,轮室压力下降,由 M P a降至 M P a,装置负荷提高,裂解炉投料负荷由之前的 t/h提高到 t/h,V 阀开度减小,由 开度降至 左右.加注清洗剂在线清洗 年,F企业乙烯装置裂解气压缩机透平第 卷第期马国锋等乙烯装置压缩机透平结垢原因分析及应对策略出现结垢现象,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【】.具体实施如下.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
21、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所示.由表可以看出,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.表清洗剂加注期间配剂和浓度调整数据表日期渗透剂比例/(w,)清洗剂占比蒸汽浓度/(m gL)透平进汽量/(th)透平输出功率/k W月 日 月日 月日 月 日 月 日 月 日 月日 月 日 加注清洗剂清洗期间,监测分析透平凝液中S i O及N a等指标情况,发现均有不同
22、程度的波动,电导率最高为 S/c m,N a最高浓度 g/L.加注清洗剂在线清洗效果 年 月,持续在线加药清洗 d后,裂解 气 压 缩 机 透 平 进 汽 量 上 升,功 率 提 升,装置运行负荷从 提升至,取得明显效果.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
23、问题采用了饱和蒸汽在线清洗技术【】,M企业针对号乙烯装置丙烯、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【】,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【】,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 年 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 MP a,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 年月 日对两台机组进行了饱和蒸汽在线清洗.清洗前准备清洗前的准备工作包括以下几点:)在透平在线清洗前,将装置负荷降至 左右,并将
24、工艺系统调整到位.)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 k P a.)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 MP a.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 T)入口高压蒸汽温度在:降至 时,其排汽凝液中电导率和S i O出现变化,S i O浓度达 g/L,石油化工设备技术 年N a浓度达 g/L;在:,透平入口高压蒸汽温度达 ,排汽温度 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S/c m上涨至
25、 S/c m,如图和表所示.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:时,入口高压蒸汽温度为 ,其 电 导 率 最 高 达 S/c m;在:时,入口高压蒸汽温度为 ,其电导率为 S/c m,S i O浓度为 g/L,N a浓度为 g/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 .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MP a,说明此次清洗较好地去除了透平内的盐垢.图清洗过程乙烯制冷压缩机透平凝液电导率变化情况表乙烯制冷压缩机透平凝液分析数据时间C T低压蒸汽抽汽凝
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