丙烷脱氢装置汽轮机的在线清洗研究

陆朝阳 田俊凯 范昌海

浙江卫星能源有限公司 （浙江嘉兴 314000）

浙江卫星能源有限公司丙烷脱氢的主要工艺装置是丙烷脱氢制丙烯装置。汽轮机应用于产品的最后一道工序——丙烷丙烯分离塔，是丙烷脱氢装置的关键设备之一。汽轮机推动的热泵压缩机为丙烯塔提供塔底再沸热量，同时为塔顶提供冷凝冷量。本次清洗的汽轮机由杭州汽轮机股份有限公司供货，型号为ENK50/63/25/56，型式为抽凝式。

1 汽轮机运行基本情况

机组从2014 年8 月开工后一直稳定运行，转速为4 300～4 400 r/min，蒸汽压力为4.0 MPa，蒸汽温度为400 ℃，蒸汽用量为100 t/h，抽汽量为40 t/h，轮室压力为2.0 MPa；2019 年3 月起，轮室压力上涨明显，为了维持转速，主汽阀门开度逐渐增大，蒸汽用量增加明显，进入4 月后，主汽阀门开到100%，蒸汽用量增加10 t/h。为了主汽阀门有调节余量，通过降低抽汽量维持运行，数周后轮室压力增加至3.5 MPa，这严重制约装置的正常生产负荷，同时蒸汽消耗的增加影响综合经济效益。此外，转子平衡变差存在安全隐患[1]。因此，必须对汽轮机进行清洗除垢。

2 结垢原因分析

机组采用4.0 MPa 过热蒸汽，其来源是开工锅炉、燃机余热锅炉以及加热炉余热锅炉。分析表明，结垢造成汽轮机轮室压力异常增大，而结垢物质主要成分是蒸汽中夹带的钠盐、二氧化硅等；当汽包加药系统故障，或者因连排、定排故障而未及时排出悬浮物及杂质时，蒸汽品质即难以控制。

经过排查历史蒸汽采样数据，发现有多次钠离子超标现象。因此，汽轮机结垢的直接原因是蒸汽中夹带的钠离子超标，根本原因是加药系统和排污系统故障造成的蒸汽品质下降。

3 结垢清洗方法

经过查阅文献，发现对汽轮机结垢进行清洗的方法主要有以下3 种。

3.1 停车开缸清洗

大唐淮北发电厂报道了开缸清洗的经验[2]：汽轮机转子返厂，通过对叶片进行喷丸处理和人工打磨，使目标恢复金属本色。该方法不仅能去除易溶于水的钠盐，还能清除不易溶于水的硅酸盐等结垢物质。优点是清洗得干净、彻底，缺点是清洗周期长。

3.2 停车不开缸清洗

甘肃刘化（集团）有限责任公司旗下热电厂的两套汽轮机（背压式和抽凝式）采用停车浸泡的方法去除结垢[3]，分两步实施：（1）通过热的脱盐水浸泡去除比较容易溶解的钠盐结垢物；（2）通过添加化学清洗溶剂对难以溶解的结垢物进行清洗，清洗过程保持盘车运行，并利用蒸汽对清洗溶剂进行加热。该清洗方法的优点是比开缸清洗节约时间；缺点是需要停车进行清洗，清洗效果不如开缸清洗效果。

3.3 在线清洗

中国石油化工股份有限公司荆门分公司催化裂化装置于2018 年进行了汽轮机在线清洗[4]。通过湿饱和蒸汽对汽轮机进行清洗，蒸汽温度由400 ℃降低至280 ℃，压力不变，达到去除结垢的目的，且效果明显，汽轮机工况恢复至开车工况。该方法最大的优点是不用停车，减少了停车对装置造成的经济损失，经济且高效；缺点是无法彻底清除结垢，难溶解的硅酸盐及钙、镁离子等无法被清除。

结合装置实际运行需要，经过讨论分析，采用第3 种在线清洗方法。

4 清洗方案实施

通过查阅饱和蒸汽温度-压力曲线，在4.0 MPa的条件下，饱和蒸汽的温度是250 ℃，因此选定蒸汽温度最低降至270 ℃（保证蒸汽过热20 ℃以上），以防止蒸汽携带的液滴造成汽轮机叶轮损伤。

清洗过程中，严格监控汽轮机的轴振动，若轴振动波动大于5 mm，立即停止蒸汽降温，待轴振动稳定后再实施蒸汽降温操作。

为防止蒸汽带液严重给设备造成损伤，除了设定最低蒸汽温度为270 ℃，还要严格控制蒸汽降温速率不大于30 ℃/h，并且分多次降温，每次降温幅度不大于60 ℃。观察清洗效果，如果轮室压力未见明显变化，进一步降温，直至清洗完成。

清洗期间监控蒸汽凝液中Na+和汽轮机轮室压力随蒸汽温度的变化，记录并分析。

4.1 340 ℃恒温

第一阶段，通过锅炉出口减温减压器对蒸汽温度进行调整，缓慢降低蒸汽温度至340 ℃，凝水中Na+质量浓度最高可测到4 000 μg/L，轮室压力基本没有变化，在3.5 MPa 左右。Na+含量及蒸汽温度的变化趋势见图1。

图1 汽轮机在线清洗蒸汽温度与Na+质量浓度变化情况

由图1 可以看出：随着蒸汽温度下降，凝液中Na+的质量浓度逐渐升高，在340 ℃时达到最高，为4 000 μg/L；凝液中Na+质量浓度出现峰值后很快降低，说明清洗部位是低压缸侧，随着温度降低逐渐向高压缸侧清洗；340 ℃下，轮室压力未明显降低，说明高压入口侧的Na+没有被清洗下来。综上分析，蒸汽温度为340 ℃时清洗效果不佳，需进一步降温。

4.2 295 ℃恒温

第二阶段，蒸汽温度降至295 ℃，凝水中最高Na+质量浓度达到6 220 μg/L，轮室压力从3.7 MPa降到3.6 MPa，下降幅度不明显；Na+、轮室压力、轴位移与蒸汽温度变化趋势分别见图2，图3，图4。

图2 汽轮机在线清洗蒸汽温度与Na+质量浓度变化情况

图3 汽轮机在线清洗蒸汽温度与轮室压力变化情况

图4 汽轮机在线清洗蒸汽温度与轴位移变化情况

由图2～4 可以看出，随着蒸汽温度下降：凝液中Na+的质量浓度逐渐升高，在295 ℃时最高，为6 220 μg/L；轮室压力下降0.1 MPa，清洗效果不明显；汽轮机轴位移下降0.04 mm，说明高压缸侧只有少许Na+被清洗下来。综上分析，蒸汽温度下降至295 ℃不足以完全清洗Na+，还需进一步降温。

4.3 270 ℃恒温

第三阶段：目标蒸汽温度最低降到270 ℃，实际蒸汽温度降至271 ℃，凝水中最高Na+质量浓度达到66 600 μg/L，轮室压力从3.6 MPa 降到2.0 MPa，轴位移下降0.15 mm。各指标趋势见图5，图6，图7。

图5 汽轮机在线清洗蒸汽温度与钠离子质量浓度变化情况

图6 汽轮机在线清洗蒸汽温度与轮室压力变化情况

由图5～7 可以看出，随着蒸汽温度下降：凝液中Na+的质量浓度逐渐升高，在271 ℃时最高可以分析到66 600 μg/L；轮室压力从3.6 MPa 下降1.7 MPa，后维持在2.0 MPa 左右，清洗效果较好；汽轮机轴位移下降0.15 mm，说明高压缸入口侧的Na+基本清洗完成，基本恢复结垢前的状态。

清洗后，主汽阀开度从100%下降至70%，蒸汽耗用量恢复至原始开工水平（90 t/h）。

图7 汽轮机在线清洗蒸汽温度与轴位移变化情况

5 结论

本次清洗最低蒸汽温度为271 ℃，过热度为21℃，清洗过程全程监控轴系各参数，未见明显异常；水蒸汽溶解Na+效果较好、效率高，280 ℃以下停留80 min 即可清除结垢；蒸汽温度到271 ℃时，结垢瞬间脱除，造成汽轮机轴位移有明显波动。如果有下次清洗，蒸汽温度可以稍高（275～280 ℃），时间稍长（2 h 左右），若未见明显效果再进一步降低温度。结垢清除后，汽轮机侧的轴位移下降明显，压缩机侧的轴位移并没有明显变化，说明在线清洗对压缩机运行没有任何干扰。避免汽轮机结垢要从根本上解决蒸汽品质问题，增加蒸汽采样频次，严格控制指标。