氮压机组汽轮机排汽缸真空度低原因分析及处理

桑贤伟

(呼伦贝尔金新化工有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021506)

0 引 言

呼伦贝尔金新化工有限公司(简称金新化工)基于现有500 kt/a合成氨、800 kt/a尿素装置，经评估、研究，提出“富甲烷气提纯”技改方案——以富甲烷气为原料经压缩、液化提纯制得液化天然气(LNG)，LNG项目于2019年11月投产；氮气压缩机组(简称氮压机组)是LNG装置中的核心设备，自氮压机组投运以来，中压凝气式汽轮机蒸汽消耗较高——蒸汽消耗设计值15.8 t/h、运行值22.2 t/h，运行值超出设计值6.4 t/h，蒸汽损耗量约31 kt/a，浪费十分严重；汽轮机排汽缸真空度设计值-0.090 MPa、运行值为-0.059 MPa，运行值偏离设计值-0.031 MPa，趋于报警值-0.060 MPa(联锁跳车值-0.040 MPa)，汽轮机出力严重不足；汽轮机排汽缸温度设计值46 ℃、运行值83 ℃，运行值高出设计值37 ℃，排汽缸温度过高会引起汽轮机排汽侧零部件膨胀超差，严重时会造成动静部件摩擦，给机组的安全稳定运行带来极大的隐患。

1 氮压机组汽轮机概况

氮压机组汽轮机由主机和辅机两部分组成，主机主要为汽轮机本体及调速系统，辅机主要包括抽汽冷凝器、表面冷凝器(简称表冷器)、润滑油站、冷凝液泵、轴封抽气系统等。汽轮机主要参数为：型号TC4N-6，进汽温度447 ℃、进汽压力5.02 MPa(A)，排汽温度46 ℃、排汽压力0.012 MPa(A)，额定功率4 383 kW，额定转速12 421 r/min、一阶临界转速5 450 r/min。

汽轮机真空冷凝系统由表冷器、抽汽冷凝器(包括一级抽汽器、二级抽汽器、启动抽汽器)、轴封抽气器、冷凝液泵以及附属设备、连接管道、阀门等组成。来自汽轮机排汽管的蒸汽，由表冷器管程冷却水冷却，蒸汽在冷却水管的外表面凝结成水，大量蒸汽急剧液化而体积瞬间变小，在表冷器内形成-0.034 MPa的真空度，使汽轮机有较低的排汽温度及排汽压力，保持汽轮机的高效、稳定运行；冷凝水汇集在表冷器底部，由冷凝液泵加压送出界区。工作中，由于汽轮机本体及系统的密封不严，即汽轮机低压部分的各级及相应的换热设备、后排汽缸、冷凝系统等处空气向内泄漏，在表冷器内积聚；打开密封蒸汽供给阀向汽轮机密封套供给密封蒸汽，保持密封蒸汽压力在0.02 MPa左右，此部分蒸汽及漏入的空气被轴封抽气器抽出，其余少量影响真空度的其他气体用抽汽冷凝器抽出。

2 汽轮机排汽缸真空度低原因分析

引起汽轮机排汽缸真空度低的因素较多，据金新化工对汽轮机真空度低问题的排查经验，不断地排除无关因素，缩小检查范围，最后将问题排查的重心集中到以下几个方面。

2.1 表冷器系统方面

汽轮机真空冷凝系统的表冷器为双程列管式换热器，换热面积450 m2，设计循环水流量为1 150 m3/h。表冷器系统方面致汽轮机排汽缸真空度低的可能原因及排查如下。

2.1.1表冷器换热效果不佳

表冷器循环水上水设计压力0.45 MPa、温度28 ℃，回水设计压力0.25 MPa、温度38 ℃，表冷器循环水上水与回水温差为10 ℃。实际运行过程中，表冷器上水与回水温差10 ℃，回水温度在35 ℃，温度范围正常；对表冷器循环水侧人孔进行拆开检查，循环水管壁并未发现有结垢现象，表明表冷器换热良好，由此排除表冷器换热效果不佳导致排汽缸真空度低的可能。

2.1.2热井液位高

热井液位过高可能会造成表冷器部分换热管被水淹没，减少表冷器的有效冷却面积，使汽轮机排汽压力升高即真空度降低。金新化工实际检测在线液位与现场液位计并多次校验，现场液位计与在线指示一致，热井液位一直处于正常控制范围之内，并没有出现热井液位高的情况。由此排除热井液位高导致排汽缸真空度低的可能。

2.1.3表冷器热负荷过高

表冷器的热负荷包含两个方面，一方面为来自汽轮机的负荷，汽轮机负荷过高会造成汽轮机排出的乏汽过多，表冷器不能将蒸汽充分冷凝成液体；另一方面来自疏水膨胀箱各疏水管线，暖机过程中为保证入汽轮机蒸汽不带水，在汽轮机级间、轴封蒸汽管线、汽封漏气管线等处设计了很多疏水管线，汽轮机正常运行时各疏水管线上的阀门如果关不死，就会造成很多蒸汽直接进入凝汽器(表冷器)真空侧，使凝汽器(表冷器)热负荷增大。实际运行过程中，汽轮机蒸汽负荷在22 t/h左右，现场测验各疏水阀可以完全关闭，未出现管线及阀门泄漏的问题，由此可以排除疏水膨胀箱各疏水管线泄漏而致系统真空低的可能，确定表冷器超负荷运行是汽轮机排汽缸真空度低的原因之一。

2.2 排汽缸缸体及轴封抽气系统方面

2.2.1排汽缸缸体密封检查

排汽缸缸体灌水检查，发现排汽缸与表冷器中间接口处有少量泄漏，通过更换密封垫片、涂抹密封胶、紧固等方式进行处理，再次进行灌水试验，漏点消除，由此确认排汽缸缸体密封不严是导致汽轮机排汽缸真空度低的原因之一。

2.2.2轴封抽气系统检查

汽轮机采用封闭式汽封系统，前汽封主要作用为防止高压蒸汽漏入轴承箱造成轴承温度升高及润滑油带水，后汽封主要作用为防止空气漏入排汽缸而造成真空度恶化。正常情况下，轴封蒸汽压力控制在0.02 MPa，汽轮机前、后汽封逸汽管均有少量蒸汽逸出，为回收蒸汽冷凝液，逸汽管下方有一个疏水管线从汽轮机排汽缸内部接至轴封抽气器。汽轮机在开车过程中以及运行过程未发现后汽封逸汽管有蒸汽冒出，为排查空气从轴封漏气至排汽缸内的可能，操作人员将轴封蒸汽压力调至0.04 MPa，后汽封逸汽管有蒸汽逸出，由此可以排除轴封抽气器方面原因导致汽轮机排汽缸真空度低的可能。

2.2.3汽封间隙检查

据氮压机组安装时厂家提供的安装数据，前/后汽封间隙测量数据见表1。可以看到，前/后汽封安装间隙符合设计要求，由此可排除汽封间隙超差导致汽轮机排汽缸真空度低的可能。

表1 汽轮机前/后汽封安装间隙 mm

2.3 抽汽冷凝器系统方面

抽汽冷凝器由蒸汽喷射器、冷凝器组成，而喷射器由1组启动抽汽器、2组一级抽汽器和2组二级抽汽器组成。蒸汽喷射器是完成能量转换的一种装置，它是由一定能量(压力和流量)的蒸汽将静压能转换为动能，经喷嘴射出形成高速射流，通过射流与空气之间的卷吸作用及紊动扩散作用将吸入室的空气和蒸汽带至冷凝器内。

据现场启动汽轮机建立真空度过程分析，在投用启动抽汽器的情况下，汽轮机排汽缸真空度为-0.052 MPa；投用1组抽汽器喷射器(即1组一级抽汽器和1组二级抽汽器)的情况下，汽轮机排汽缸真空度为-0.056 MPa；抽汽喷射器全部投用的情况下，汽轮机排汽缸真空度为-0.060 MPa。由此可以初步判定抽汽器的投用对汽轮机排汽缸真空度的影响很小，即抽汽器并没有达到设计出力要求，故判断汽轮机排汽缸真空度低的主要原因为抽汽器系统失效。于是，对抽汽器系统进行如下排查。

2.3.1喷射器压力检查

喷射器入口蒸汽压力设计值为0.55 MPa，对抽汽器系统进行全面排查，5组喷射器入口蒸汽压力均为0.55 MPa，符合设计要求，排除因蒸汽压力不足导致抽汽器系统失效的可能。

2.3.2喷射器流量检查

对喷射器管道及5组喷射器前滤网进行检查，2组喷射器前过滤器位置蒸汽管道及滤网未发现杂质堵塞，喷嘴前滤网检查中未发现有破损及异常状况，但由于现场滤网前后没有压差表，不能检测滤网是不是存在阻流，于是，金新化工联合沈鼓辅机设计部门对滤网尺寸进行校核。

(1)过滤器进出口管道规格为DN25，滤网截面积S1=(0.025/2)2×3.14=0.000 49 m2。

(2)取过滤器有效过滤面积(S2)与滤网截面积(S1)之比为3，则过滤器有效过滤面积S2=3S1=3×0.00049=0.001 47 m2。

(3)过滤器滤网网孔0.8 mm，表面积0.004 5 m2，现安装的过滤器所选择的滤芯表面积为0.005 6 m2，结构开孔率34%，滤网为24目(可拦截0.785 mm以上的颗粒)，其有效开孔率为43%，则过滤器滤网有效过滤面积S=43%×34%×0.0056=0.000 818 7 m2，S

2.3.3抽汽器系统管线排查

据抽汽冷凝系统流程图，金新化工与设计厂家现场检查管线的安装情况，并灌水进行查漏，抽汽器管线及设备无泄漏，由此排除管线安装错误及泄漏等问题导致抽汽器系统失效的可能。

2.3.4喷射器喷嘴尺寸校核

喷射器主要由工作喷嘴、混合室、扩散器组成。喷射器主要参数：蒸汽压力0.55 MPa，进汽温度278 ℃，主抽汽器喷嘴直径4 mm(设计厂家提供)，启动抽汽器喷嘴直径6.2 mm(设计厂家提供)。喷射器是抽汽器系统的重要部件，喷射器喷嘴参数直接影响抽汽器的工作效率。金新化工结合氮压机组当前实际运行数据，并在设计厂家提供喷射器相关参数的情况下对喷射器喷嘴尺寸进行了校核，校核计算结果为，主抽汽器喷嘴直径应为7.8 mm、启动抽汽器喷嘴直径应为11.6 mm，即主抽汽器喷嘴尺寸设计偏小、启动抽汽器喷嘴尺寸设计也偏小，与生产实际所需不匹配，达不到现场使用要求，由此判定喷射器喷嘴尺寸设计不当是抽汽器系统失效(即工作效率低)的主要原因之一。

3 改进措施

根据上述分析与校核，金新化工给设计厂家提出整改建议，具体如下。

3.1 抽汽器喷嘴重新进行设计及制造

金新化工将抽汽器喷嘴尺寸校核情况反馈给原设计厂家，设计厂家依据其开发的喷嘴设计软件重新进行设计计算，并将计算结果(数值)适度放大，适当增大抽汽余量。改造前后抽汽器喷嘴直径对比见表2。

表2 改造前后抽汽器喷嘴直径对比 mm

3.2 改造喷嘴前蒸汽滤网

喷射器入口前滤网校核计算表明，滤网存在阻流情况，当时由于氮压机组需要长周期稳定运行，暂时将滤网取出。为确保良好品质的蒸汽通过喷嘴，防止固态颗粒物进入喷嘴而造成损坏，金新化工要求原设计厂家对喷嘴前蒸汽过滤器滤网重新进行核算，制作符合实际生产所需的滤网，在下一次氮压机组停机后填装新的滤网。

3.3 改进效果

氮压机组汽轮机经排查过程中的消漏等处理以及落实上述改进措施后，于2019年12月20日重启，运行状况良好，汽轮机排汽缸真空度为-0.087 MPa，排汽缸温度约42 ℃，蒸汽消耗降至15.9 t/h，基本上达到设计要求，氮压机组汽轮机排汽缸真空度低等问题得到较好解决。

4 结束语

经过1个月的时间，金新化工对氮压机组汽轮机排汽缸真空度低的原因进行反复排查，对各种可能原因进行多方推理与论证，最终找出了引起汽轮机排汽缸真空度低的主要原因，提出了相应的解决措施，在设计厂家的配合下排汽缸真空度低等问题得到圆满解决，仅减少蒸汽损耗一项，全年可挽回经济损失约10万元。

通过本次汽轮机排汽缸真空度低问题的排查及解决，金新化工对氮压机组有了更深一步的了解。为确保压缩机组的安全、稳定、经济运行，日常生产运行中，机组运行参数的任何微小变化都应引起关注，及时发现问题并予以解决，不断摸索机组运行规律，掌握其最佳运行工况；日常设备管理中，注重从源头上解决压缩机组存在的问题，不放过任何小故障，不消极、不拖延，及时消除隐患或防患于未然。