关于提高高压蒸汽吹扫效率的研究

方胜付

(武汉桓创技术服务有限公司,湖北 武汉 430223)

高压过热蒸汽管道吹扫是新建项目透平机组启动前必须要进行的一项十分重要的预试车工作。它是以蒸汽为动力,吹除管道内部在制造、运输、存储和施工过程中产生的尘土、焊渣和氧化皮等杂物,确保进入汽轮机蒸汽的洁净度满足制造厂要求。

1 项目介绍

某新建55万t/a氨醇项目,其高压过热蒸汽用户包括空分空压机,其采用德国曼透平驱动,合成气压缩机采用日本三菱透平驱动,氨压缩机采用国内新锦化机透平驱动,所用高压过热蒸汽(10 MPa,530 ℃)来自园区一墙之隔同步新建的热电厂(新建3套240 t/h循环流化床锅炉,其中1台锅炉已经具备送气吹扫条件)。遵照行业规定[1],从热电厂汽包出来,直到项目各透平用户高压过热蒸汽管道都进行了酸洗,且完成了管道第一层保温。高压热蒸汽系统见图1。

图1 高压过热蒸汽系统

本项目高压蒸汽管网比较简单,只有3个用户(有一路去4.0 MPa减温减压器用户,因管线比较短,这里暂不考虑)。蒸汽管道流量计是长管喷嘴形式,内部结构比较简单。为了避免蒸汽管道吹扫合格后,在安装流量计(需要割管焊接)时造成二次污染,征得仪表厂家同意后,本项目流量计放在吹扫前安装,并且促成热电厂也改为吹扫前安装。

2 吹扫工艺的选择

2.1 吹扫方式的选择

行业内高压蒸汽吹扫有爆破吹扫和稳压吹扫两种方式,因爆破吹扫属于锅炉非正常运行工况,影响锅炉使用寿命,操作难度大,所以本项目选择稳压吹扫方式。从总管出来只有两路分支,根据管径大小选择空分/合成(合成两个用户同时吹扫)轮流切换吹扫方式,即吹扫空分时,关闭去合成用户阀门和沿途导淋,使去合成管线达到降温效果。根据双方商定结果,吹扫期间,早上6∶30开始暖管,8∶00正式吹扫,晚上20∶00停气管道降温,吹扫费用76万元/d。这样选择每3 h切换一次,即可实现每天空分/合成蒸汽管线都能吹扫两次,还能达到轮流升降温的目的,所以本项目的吹扫方式可以定义为“稳压吹扫+升降温吹扫”相结合的方式。

2.2 吹扫流速的选择

根据管路特点,总管管径最大,吹扫空分和吹扫合成管线,计算管道吹扫流速时,只需要考虑总管流速是否达标。根据行业规范要求[2],蒸汽吹扫流速应大于30 m/s,蒸汽吹管系数是蒸汽吹扫动量与正常操作时的动量之比,高压过热蒸汽正常流速范围是40～60 m/s,因此,本项目高压蒸汽吹扫流速按60 m/s左右设计。

2.3 吹管系数的选择

吹管系数(也叫扰动系数)是指吹管时蒸汽的动量与额定负荷时蒸汽的动量之比。吹管系数通常用k表示,计算公式为:

式中,Gc为吹管工况蒸汽的流量,m3/h;Vc为吹管工况蒸汽的比容,m3/kg;Ge为额定工况蒸汽的流量,m3/h;Ve为额定工况蒸汽的比容,m3/kg。

按吹管导则[3]要求,满足吹管质量的前提是,在被吹扫的系统中,各区段的k值必须均大于1。它的物理意义为:吹扫过程中蒸汽在管道中产生的动量必须大于额定工况运行时蒸汽在管道中产生的动量,而且吹管系数越大,吹管质量越高。蒸汽吹管过程是膨胀流动过程,因管道阻力、介质黏度等因素影响,从锅炉汽包开始,蒸汽压力逐渐下降,蒸汽密度降低,比容增大,流速增加,因此,只需要总管(DN400)满足k>1就行。国内行业经验值是1.2≤k≤1.5[4],德国曼透平厂家要求1.2≤k≤1.7,日本三菱厂家要求1.1≤k≤1.5,故本项目将吹管系数选定在1.5。

2.4 吹扫流量的选择

由吹管系数计算公式可以看出,吹管系数与吹管蒸汽的流量的平方成正比,所以增大吹扫蒸汽流量是提高吹扫动量的有效方法,但增大吹扫流量会造成不必要的浪费,同时还需考虑锅炉能力。按吹管导则[3]要求,稳压吹扫时,锅炉蒸发量宜选择在锅炉额定工况下连续最大蒸发量的45%及以上,所以本项目将吹扫流量选择在100～140 t/h。

2.5 吹扫温度的选择

由吹管系数计算公式可以看出,吹管系数与吹管蒸汽的比容成正比。蒸汽的比容是指单位质量的体积,它是密度的倒数。过热蒸汽比容的经验计算公式是:

式中,v为蒸汽的比容,m3/kg;t为温度,℃;p为压力(绝压),kg/cm2。

由蒸汽的比容计算公式可以看出,蒸汽的比容取决于蒸汽的压力和温度。当吹扫压力一定时,提高蒸汽温度,比容增加,流速增加,在保证相同吹扫动量条件下,可以降低吹扫蒸汽流量。按照吹扫要求,吹扫蒸汽温度应该达到或接近于设计的正常操作温度(530 ℃)。因为,按照现场去消音器临时管道使用的是20#钢,管道等级A5B,最高耐热温度425 ℃,最高承受压力2.0 MPa。所以,本项目将吹扫蒸汽温度选择在400±5 ℃。

2.6 吹扫压力的选择

由吹管系数计算公式可以看出,吹管系数与吹扫蒸汽的比容成正比。蒸汽的比容与蒸汽的压力成反比,所以降低吹扫蒸汽压力,可提高吹管系数。但吹扫蒸汽压力也不是越低越好,过低的吹扫压力达不到管道高温下对压力的要求,就会导致吹扫动量降低,达不到吹管的效果。按照吹扫经验,吹扫压力一般控制在设计压力的50%～75%,且不得低于设计压力的25%。结合吹扫流程临时管特性,本项目将总管吹扫蒸汽压力选择在2.0～3.0 MPa。

2.7 吹扫参数的确定

按照以上各参数确定的范围,选择压力2MPa、3MPa,温度350 ℃、400 ℃、420 ℃分别通过蒸汽吹扫计算软件计算进厂主管吹扫参数,其结果见表1。

表1 通过吹扫软件计算进厂主管吹扫参数

由上表可以看出,吹扫工况压力2 MPa、温度400 ℃是最适合本项目的吹扫参数。吹扫参数确定后,组织热电厂和业主方参与蒸汽吹扫所有管理人员、操作人员进行安全技术交底,然后启动全厂高压蒸汽管道吹扫工作。经过3天连续吹扫后,停锅炉2天安装进厂总管及去空压机、合成气压缩机压机、氨压缩机蒸汽管线流量计、温度计和压力表等(曼透平和三菱透平厂家要求打靶时提供打靶蒸汽流量、温度、压力曲线),再连续吹扫2天。根据蒸汽管线导淋排水取样分析和室外放空消音器排汽的透明程度,于第8天、第9天进行打靶验收(曼透平和三菱透平厂家要求打冷靶,即打靶前被吹扫管道温度要降低到常温),结果连续三次打靶都顺利通过了厂家验收,实现了全厂高压蒸汽管道在较短时间内吹扫完成的目标,得到了项目各参与方高度评价。曼透平靶片要求见图2。

图2 曼透平靶片要求

3 结语

综上所述,在进行高压蒸汽管道吹扫时,满足各区段的k值大于1是保证吹管质量的前提条件,实现这一条件的有效办法是通过提高吹扫蒸汽流量和蒸汽温度,而不是通过提高吹扫蒸汽压力。提高吹扫蒸汽流量和温度也需要考虑实际情况,并不是越高越好。只有这样,才能做到既节省吹扫蒸汽用量,又缩短吹管时间,实现蒸汽管道高效吹扫。