直接空气冷凝汽器在凝气式汽轮机上的应用

强洪刚

（天津石化公司，天津 300270）

天津石化100万t／a连续重整装置K－202增压机使用直接空冷式凝气汽轮机驱动2个气缸，将氢气压力由0.51MPa升至2.35MPa后输送至氢气管网，供重整装置和其他加氢装置使用。K－202驱动汽轮机选用杭州汽轮机厂制造的NKS40／36型凝气式汽轮机，配备巴蒂尼奥热能技术（常熟）有限公司（GEA）制造的空冷器用以冷却汽轮机的排气，空冷的正常冷却流量为25.3t／h，额定冷却流量为32.3t／h。汽轮机的设计排气压力为0.248MPa，排气温度为65℃；而夏季未冲洗空冷和增加设施时的最高排气压力达到0.064MPa，排气温度高达89℃。

1 凝汽式空冷汽轮机系统介绍

空气冷凝汽器（ACC）系统［1］，利用空气直接冷却汽轮机的排汽，空气与排汽之间进行热交换。汽轮机低压缸排汽通过大直径的排汽管道直接排入空冷冷凝器管束，轴流风机将冷空气吸入，通过翅片管外部进行表面换热，将排汽冷却为凝结水。这种系统适用于缺少冷却用水的北方地区。当时我们选择空冷器作为冷却器也是考虑到供水系统能力不足带来的循环水量的问题。空气冷凝汽器（ACC）系统是由蒸汽汽轮机、空冷散热器、螺旋桨式轴流冷却风机及其驱动电动机（简称空冷风机）等组成。空冷器管束由4排管列构成：下面3排管列构成凝汽部分，上面1排管列构成二次冷凝部分。后者与抽真空管路相连，将不凝结气体抽出系统。

2 空冷凝汽器系统的组成

汽轮机组凝汽器的主要任务是将汽轮机内做完功的蒸汽凝结成水，并在汽轮机的排汽口建立额定的真空，以维持机组的正常运转。凝汽式空气汽轮机的冷凝系统由空冷凝汽器、抽气器（包括一、二级喷射器及启动抽气器）、凝结水泵以及附属设备（集液箱、热井、排气安全阀）、连接管道、阀门等组成。该空冷冷凝系统组成见图1。

图1 空冷冷凝系统图

从图1中看出，汽轮机做功产生凝结水汇集到集液箱里，排出的乏汽通过大直径排汽总管进入中间配汽管，由中间配汽管分配到不同翅片管中。当排汽流经翅片管内部时，大量的冷空气被轴流风机送入并吹过翅片管，将排汽的热量带走，从而使蒸汽凝结成水。同时，由于内部大量气体急剧冷却成水而在空气冷凝器内形成了高度真空，又由于系统内存在一定的压力差，从而使汽轮机排出的乏汽源源不断地流进空气冷凝器内。冷凝下来的冷凝液汇集在热井里，与集液箱送来的凝结水一起经热井冷凝水泵送往凝结水系统管网，统一回收利用。空冷凝汽器中的不凝汽和汽机运行过程中由排汽缸、汽轮机低压部分各级回热设备、冷凝设备、连接设备管线等泄漏产生的气体，在空冷凝汽系统内慢慢会聚积，影响负压的稳定。所以，必须用抽气器来将这些空气抽出。

3 运行概况、存在问题及处理方法

3.1 排气压力存在过冷现象

直接空冷式汽轮机自2009年12月开工以来，汽轮机的排气压力、排气温度和饱和蒸汽温度与压力的对照表（见表1）不一致，存在一定的过冷偏差，即对应的排气压力下排气温度偏低（运行数据见表2）。

表1 饱和蒸汽温度与压力对照表

表2 开工初期排气压力和排气温度对应表

3.2 空冷冷却效果变差

3.2.1 夏季负压情况

1）自2011年3月开始，汽轮机的排气压力在工艺操作条件和汽轮机蒸汽耗量没有变化的情况下逐渐升高。运行至2011年5月，汽轮机排气压力升至0.044MPa（A），比2010年同期高出0.02MPa。于是，对空冷器增加喷淋设施，通过喷淋设施向空冷翅片管喷洒除盐水，以起到冷却翅片管内介质的作用。开启喷淋后，汽轮机的排气压力由0.044MPa降至0.036MPa，但没有降至汽轮机的设计排气压力0.025MPa。排查抽气器、抽气器冷却器、真空系统所有设备接管等，没有发现抽气器喷嘴有堵塞现象；抽气器冷却器铜管比较干净，也没有结垢现象；对真空系统测漏，也没有发现泄漏点。通过对汽轮机所有可能造成排气压力升高的原因排查后发现，最大的可能性归结于空冷的冷却效果变差。生产厂家建议化学清洗。对局部进行试验性化学清洗，发现翅片管表面恢复金属本色。2011年6月16日开始大面积清洗，先使用消防水冲洗翅片管灰尘，再使用化学药剂清洗，最后用消防水将化学药剂冲洗干净。2011年6月17日下午，K－202汽轮机10台空冷全部化学冲洗完毕。化学清洗前，K－202排气压力最高为0.062MPa；化学清洗后，K－202排气压力最高为0.039MPa，效果比较明显。选择环境温度均为35℃的2天中的同一个时间段，对K－202汽轮机空冷器化学清洗前、后的数据进行对比。对比数据见表3，冲洗前、后对比见图2。

表3 空冷冲洗前、后温度排气压力对比

图2 空冷冲洗前、后翅片管表面情况对比

2）2012年5月中旬，直接使用化学药剂清洗，但效果没有2011年冲洗后效果明显。排气温度超过0.050MPa时，开启空冷喷淋管度过夏季高温天气。

3.2.2 冬季负压情况

1）K－202汽轮机运行至2012年春节前夕，汽轮机的排气压力依然较高。进入空冷内部检查发现，底层翅片管空气流道已经被完全堵死，风机输送的空气根本无法通过翅片管流道，空冷效果变差。通过使用消防水冲洗后，空冷冷却效果恢复到开工初期状态，汽轮机的排气压力一直维持在0.023MPa左右，而且空冷的启动台数也由10台高速档运行改为2台高速档运行、4台低速档运行、4台停运。

2）2013年春节前夕，又出现与2012年春节前夕类似的现象，通过对空冷翅片管进行消防水冲洗发现，汽轮机的排气压力仅降低0.004MPa，进空冷前温度和出口冷后温度也变化不大，温差在7℃左右。

3.3 汽轮机排气压力表引压管的布置问题

2012年11月下旬，天津地区环境温度降到－10℃，且刮大风，汽轮机的排气压力逐渐升至0.051MPa，现场检查发现，汽轮机排气压力表引压管有一处保温破损，怀疑汽轮机排气压力表引压管冻凝，接蒸汽管吹扫后，压力突然降至0.035MPa。随机对汽轮机排气压力表进行校验，使用仪表风将引压管内存水吹出后，汽轮机的排气压力降至0.023MPa。排表后2星期左右，汽轮机的排气压力逐渐上升至0.045MPa。比较集液箱压力和汽轮机排气压力发现，汽轮机排气压力现场表比集液箱压力高0.015MPa。于是确定，造成汽轮机排气高的原因在于汽轮机排气压力表引压管的布置问题。

目前，杭州汽轮机厂设计的凝汽式汽轮机，现场排气压力取压点均在汽轮机排气侧机体上，但取压点的管线布置流程均为由压点出来、走现场平台底下、再接入现场压力变送器，这样的布置使得管线形成的一个“U型”结构。正是这个“U型”结构的存在，导致管线内容易形成凝结水柱，造成误差，使仪表测量的排气压力比实际高，最高时甚至高出0.02MPa。应对措施如下：将汽轮机排气压力变送器和现场压力表抬高至高于汽轮机排气取压点，使得取压管线逐步升高，避免管线内存水，消除因存水造成的排气压力升高问题，保证汽轮机的排气温度、排气压力和饱和蒸汽温度与压力的对照表一致（见图3）。

图3 汽轮机排气压力表移位增高照片

3.4 汽轮机冬季的防冻防凝问题

直接空冷凝汽式汽轮机的冬季防冻防凝问题也是影响机组安全运行的重要问题。冬季汽轮机的防冻防凝问题，除保证汽轮机的正常疏水排凝外，还应当考虑空冷器的防冻凝问题以及抽气器疏水器的防冻凝问题。应对措施：1）对空冷器的防冻凝问题，应当根据冬季汽轮机的排气压力、排气温度及时将空冷的高速切至低速或停运。定期对空冷翅片管进行测温，避免空冷翅片管温度低于0℃。若发现低于0℃，及时将空冷的高速切至低速或停运。严重时，关闭百叶窗，待翅片管温度上升后，再打开百叶窗。2）对抽气器疏水器的防冻凝问题，必要时增加保温即可。

4 总结

1）直接空冷凝汽式汽轮机空冷的排气问题是困扰汽轮机安全运行的首要问题，必须找出真正引起排气压力上升的原因，彻底解决。而汽轮机排气引压管的布置问题也是大家很少注意的方面，但这些小方面往往就是问题的根源所在。

2）直接空冷凝汽式汽轮机的冬季防冻防凝问题也是比较突出的，尤其是在北方寒冷的冬季，显得更加重要。应尽量避免空冷冬季冻凝事故的发生。否则，将造成装置全线停车，而且检修起来也比较困难。