氯气透平压缩机运维要点与工艺安全技术改进

商书光

(滨化集团股份有限公司,山东 滨州 256600)

随着我国经济的快速发展,特别是在氧化铝、印染、化纤、轻工业等产业发展的带动之下,氯碱产业发展较快,产能从2011年的3 412万t涨至2021年的4 508万t,年增速约为3.59%。氯碱产业发展过程中,一些新工艺新技术得到了大量的推广应用,其中氯气透平压缩机(以下简称透平机)作为离子膜烧碱装置的重要设备之一,承载着离子膜电解氯气的压缩输送任务,逐步取代了液环式压缩机,运行效率得到了很大提升,安全性、稳定性得到了质的变化,单机组可满足30万t/a规模氯碱厂氯气处理能力[1-6]。

透平机的控制系统较为复杂,以西门子4VRZ 151/405/03 G型氯气透平压缩机为例,透平机周围本身设有大量的监测点,而且多与透平机采取连锁停机控制,其中连锁保护点多达35项左右,如油压、轴温、震动、轴向位移、密封气压差、氯气温度、防喘振保护等监控点传输信号多,控制系统复杂,对运维管理工作质量要求非常高。

1 透平机的运行原理

透平机也叫蜗轮式压缩机,通常分为离心式和轴流式两种,其中离心式透平机比较常用,它的工作原理与离心泵基本相似,离心式压缩机是靠叶轮在高速旋转时,通过叶片对通道里的气体作功,在离心力的作用下,使气体的压力提高,同时气体在通过叶轮的通道时,通道的截面逐渐增大,气体前面的流速降低,气体后面就不断涌向前,使流体的一部分动能转变为静压能,也就起到增压的作用。因此,透平机的工作过程是通过叶轮将电动机的机械能转变为气体的静压能和动能的过程。西门子公司4VRZ 151/405/03 G型透平机,外壳采用水平分离式,气体入口和出口连接法兰朝下,采用四级压缩,出口压力可达1.1 MPa,转速11 197 r/min,配套电机额定功率1 270 kW,外壳、固定导叶、填料箱和密封件都采用水平分离式设计。为了调节流量,一级叶轮的前端设有导叶阀,导叶阀由密封着的气动执行机构进行调节,气动执行机构安装在外壳顶部。透平机的各级之间的密封通过特殊的迷宫垫片密封,入口和出口末端的轴密封是三层填料箱,内部填料箱室互相连接,并通过补偿管线连接到透平机进口,填料箱外部空间也有管线连接起来,用干燥的氮气密封填料箱,以防止氯气外漏,氮气-氯气混合气通过填料箱中心部位引入到烧碱装置废气吸收系统。

2 透平机运维要点

2.1 降低氯气中含水

透平机正常工作,要求氯气的含水量不能超过100×10-6,而且含水越低越好,主要因为机体材质为合金钢GS-CK24V,很容易受到湿氯气的腐蚀,造成叶轮及内部精密部件的损坏。当氯中水质量分数小于0.015%时,碳钢的腐蚀速率在0.04 mm/a以下,目前降低含水的策略是“先冷却、后干燥”的工艺流程。实验数据表明:在相同压力下,气体温度每下降10 ℃,湿氯气中的“含湿量”降低约50%。工艺上对于湿氯气的处理,首先是冷却,之后用浓硫酸作为干燥剂进一步降低含水。降温流程采取氯气洗涤塔+两级钛冷却器,将湿氯气冷却至12～18 ℃,实现气水分离,以此除去氯气含水量98.4%以上,再经水雾捕集器后进入干燥流程,干燥流程一般分为三级填料塔串联、一级填料塔+填料泡罩复合塔、二级填料塔+泡罩塔三种。用98%浓硫酸和氯气充分循环接触进行干燥除水,用循环水换热带走硫酸干燥过程中放出的热量,最后经酸雾捕集器后实现干燥目的。

生产过程中,上述系统如出现问题造成氯中含水超标,会导致透平机及装置稳定运行出现严重问题。运行过程中要通过在线分析仪严格连续监控透平机含水指标,并设有报警和连锁,其次要严格控制好冷却后氯气温度和填料塔浓硫酸吸水后浓度指标≥70%。除此之外,还要注意其他常出现的问题,如因为氯气洗涤塔磁环填料的少量的破碎会造成氯水板式换热器的堵塞,进而造成氯气温度超高,影响降温除水效果,因此氯水板式换热器要在设计上换热面积适当留有余量,一般不要少于20%,并进行定期清理。其次是注意二级钛冷却器和水雾捕集器及氯水管线的保温完善,这两台设备是湿氯气温度最低的单元,特别北方地区冬季气温降低很容易引发氯水结晶堵塞管道问题。冷却过程须注意控制冷却后氯气温度在15 ℃左右,且不低于12 ℃,否则会容易生成氯的水合结晶(当氯气温度在9.6 ℃时,湿氯气中的水蒸气会与氯气生成Cl2·8H2O结晶),堵塞管道和设备,并易使钛管冷却器燃烧。(完全干燥的氯或液氯在常温下几乎不与金属作用,但是与钛则不然,钛与湿氯气不反应,而与干燥的氯则剧烈燃烧。Ti+2Cl2→TiCl4)。

2.2 防止氯气带酸

氯气离开冷却塔、干燥塔时,往往夹带有液相及固相杂质,直接冷却能有效地除去固相杂质,但不能完全除掉水雾。而干燥后氯气带酸对透平机的影响非常大,有的透平机在大修时开盖会发现机体内有酸和大量酸泥,一般都是由于酸雾捕集器运行不好或对酸雾影响透平机的危害认识不够导致,氯气带酸会对轴端密封材料腐蚀厉害,导致轴封氯气渗漏量加大,严重者会造成叶轮腐蚀甚至使整个转子失去动平衡,进而影响透平机正常运行,而酸雾捕集器滤芯的寿命因运行环境和产品质量而定,因此一定要选用质量可靠的滤芯,每次装置大修过程中须做好滤芯的检查确认。

2.3 润滑系统维保

西门子4VRZ 151/405/03 G型透平机,一次填充的润滑油油量大约2 000 L,油脂使用耐压和耐老化的透平油,油质按照DIN51354标准(等同于ISO黏度等级VG46FZG破坏强度等级≥8的油)。运行过程中,建议每3个月分析测定一次润滑油油质,累计运行8 000 h需进行综合检测,当酸值、黏度超标时须换油;当油过滤器压差大于0.1 MPa或者指示黄色区域时,检查更换油滤芯。长期运行,建议每3 a进行一次换油,换油时要对油箱内进行清理检查,关注滤网堵塞情况和沉积的黄褐色杂物清理是否干净。这些杂质来源于润滑油系统的油箱、油冷却器、油过滤器以及所有的连通管道中没有被清除干净的焊渣和泥沙之类的杂质,还有就是机组运行过程中发生的机械磨损所带出来的金属磨屑和被氯气污染的润滑油所产生的氯烃化合物及沥青质、胶纸等。这些杂质积累会导致机组运行过程中轴瓦温度升高,轴瓦磨损,更严重者导致主轴受到不同程度的磨损及损坏。更换新油时不仅要关注油检测质量报告,同时要关注油的颜色是否正常。透平机前油压、前油温检测点要尽量采用“三取二”冗余模式,避免因单点监测点故障(失真)导致的不必要连锁停车。辅助油泵要接有不间断电源,平时启动开关要注意保持在“自动”模式。

2.4 级间冷却器运行管理

透平机各级叶轮压缩做功产生的热量会被循环水换热带走,因此一级压缩后氯气会首先进入一级级间冷却器后再进入二级压缩,以此类推,四级压缩后氯气一部分直接去氯碱下游受氯装置,而分流一部分经过四级后冷却器回流至透平机入口,透平机换热器一般采取卧式列管换热形式,换热器的壳程材质为16MnR,管程材质为20#钢,由于换热管多采用薄壁碳钢管线,特别是循环水水质浑浊或加药处理,长期运行后会对管束内壁造成腐蚀减薄,根据我们拆解后的观察发现,腐蚀多因循环水脏导致部分管束内壁局部沉积物造成的点蚀,贯穿后会造成干氯气与水直接接触,剧烈发生多个反应(氯气与水接触时,氯与铁反应2Fe+3Cl2→2FeCl3;铁在稀盐酸中的反应: Fe+2HCl→FeCl2+H2↑;铁在浓盐酸中的反应:2Fe+6HCl→2FeCl3+3H2↑;三氯化铁能溶于水反应:FeCl3+3H2O→3Fe(OH)3↓+3HCl;三氯化铁在水蒸汽中反应:2 FeCl3+3H2O→Fe2O3+6HCl。因此,金属铁在湿氯气中很快被腐蚀。)从而加速腐蚀,快速扩大泄漏点,如果不能及时发现并果断停机处理,不但会对机体造成损坏,还会引发氯气泄漏事故。当前广泛采取的措施是在各级列管换热器循环回水管线上分别安装氧化还原电子电位差计(ORP),通过ORP示值变化来反映换热器是否内漏,并设有报警,平时控制350 mV以下。为了防止紧急出现内漏宜采取的其他措施:1)透平机运行过程中严格控制壳程内氯气压力高于管程内水的压力;2)尽可能定期清理干净和提升循环水水质;3)借助停机时机会清理管内沉积物,加强管束内壁腐蚀情况的检查,对于不锈钢管束常用涡流探伤就是一种不错的检查方式;4)氯气中含水也是级间冷却器突发渗漏的主要原因,要严格控制尽可能降低氯中含水。

2.5 停机置换与保管措施

透平机需要停机之前,首先用干燥氮气对透平机机体、冷却系统内氯气进行置换干净,关闭氯气干燥装置后进入透平机的氯气阀,适度开启入口充氮阀,关闭透平机出口阀,透平机出口止回阀前去废气吸收的氯气压力自控阀微开3%以上,保持透平机运行状态,直到置换合格后停下透平机。透平机停运后,要关小去废气阀门,保持充氮气储存保护状态,维持透平机出口压力5～10 kPa,确保机体内不受潮。需要注意的是,如果维修透平机(需开盖)还要注意做好密封腔内气体的彻底置换检查,避免死角部位积存氯气,盲目拆卸会造成氯气泄漏至厂房内环境中,造成污染。

2.6 不停机切换操作注意事项

透平机作为气体压缩能量传递设备,在有备机情况下,一旦遇到在运机器需要检修,则会遇到切换备机的情况。作为较为复杂的压缩机组,切换过程中如果细节把控不好极易引发离子膜电解装置连锁停车事故,因此多数厂家因为切换风险太大,往往借助于停车机会进行倒换。经过长期的实验摸索,在走了不少弯路的基础上,建议通过如下操作进行切换。

1)备用透平机首先要用氮气充压至50 kPa以上后开机并试运正常,期间对各运行参数和控制系统做好确认,这是顺利切换的前提。在此基础上再从透平机出口分配台通过临时工装管线向备机入口串入氯气,工装管线一般采用DN25 mm碳钢管线即可,待备用机出口压力上升至与运行透平机出口压力接近时,化验分析备用透平机出口氯气纯度,当氯气纯度≥98%,则置换合格。

2)现场操作人员将备用透平机出口去氯气分配台手动阀缓慢全开,使得两台透平机出口相通,共同串入到分配台。

3)保持透平机主机入口导叶阀设定值为自动2 kPa左右,备用透平机入口导叶阀切换为手动控制模式。(因为两台都为自动状态很容易引发不稳定,相互干扰)。缓慢开备用透平机入口手动阀,直至全开,使得两透平机入口相通。

4)DCS操作人员通过逐步关小透平机备机的防喘控制阀及开大入口导叶阀,另一名操作人员配合同步关小透平机主机的入口导叶阀及同步开大主机的防喘震控制阀,实现两台透平机间的负荷转移。当透平机主机出口压力开始低于备机出口压力20 kPa以上时,则证明负荷转移基本完成。

5)现场操作人员关闭原主运行透平机去分配台手动阀,然后慢慢关闭原主透平机入口手动阀,出入口手动阀全关后,则证明将原主机已切出系统,然后对其进行泄压置换处理即可。

6)注意透平机系统连锁的投切时机,切不可忘记,否则原主机一旦切完成后人为停机则必造成系统连锁停车事故。系统连锁由原主透平机改切至现透平机的时机,要以透平机实际在切换过程所带负荷的多少而定。

7)切换过程中要关注各级级间冷却器出口氯气温度上升变化,根据透平机所带氯气负荷及时调节,防止氯气超温运行触发连锁,造成停机。

3 氯气透平机工艺安全技术改进

3.1 提高测控系统稳定性,消除“误信号”引发连锁停车

在离子膜电解装置运行过程中,为了保护离子膜和电解槽等核心设备不受到损害,采用ESD或DCS连锁停车的因素比较多。而透平机本身有轴承温度、震动等35个连锁监测点。运行中常见棘手的问题就是透平机本身运行正常,而是因为监测点、检测线或传输信号波动(故障失真)引发透平机不必要连锁停机。

因此透平机的测控系统的稳定性是至关重要的,“精确控制”并防止“信号失真”引发不必要的跳停是安全生产致力于探索研究的方向。下面以轴承温度和震动检测为例进行分析,透平机的轴瓦为钯合金材料,当润滑效果差或杂质存在时会导致温度上升,而温度达到130 ℃即可导致烧坏,进而高转速下会对透平机主轴产生影响,因此为了保护设备当检测温度达到105 ℃即连锁透平机跳停。而实际运行中,只要油品质量和供油压力、温度稳定的情况下,轴承温度一般不会异常,生产实践中导致透平机连锁跳停多为检测点故障或检测线故障。透平机的轴承温度监测点目前大多采用的是机组专用防漏式Pt100铂电阻,包括“测量端”和“连接段”两部分,其中连接段外壁包裹有四氟屏蔽线,热电阻的连接段因引出机体,故设有密封胶圈,防止润滑油沿连接线外渗。目前市场上很难采购三芯的机体专用热阻,而是由一个检测端(含2个独立检测电阻),连接线采用六芯两组(用不同颜色区分),因热阻测量采用“三线制”,所以每个热阻测量点有一路备用,当在线监测点热阻连接段线路故障时,透平机可以不拆盖直接选用备用的另一组,但这样无法实现热阻检测回路出现故障误信号时透平机不跳停。为了解决上述问题,可以尝试将另外一组测量线同样接入DCS或PLC控制器,将单一测量模式组态改为两个测值对比显示,当同时出现波动时,再连锁透平机跳停,最大限度避免“误跳”。至于其他连锁监测点如轴振动、轴位移,测量形式采用线圈固化在树脂内制作成探头,通过变送单元输送给探头大约8 V左右的电压,探头端部一般靠近主轴约1 mm间距,当主轴有震动产生时,涡流线圈磁场会发生变化引发电压变化,然后电压变化转换成4～20 mA信号输出到DCS。透平机的径向轴振动一般在前后轴均有2支探头检测,目前单支震动超过125 μm将导致透平机跳停,而监测点经过长期运行会容易损坏,因此为减少监测点误信号导致的连锁跳停,可考虑采取“冗余”监控模式,并设定报警,既能及时发现指标变化,又能最大限度减少透平机非必要的停车。

3.2 级间冷却器改造

由于进口透平机价格昂贵,部分企业为节约投资,透平机级间冷却器多采用国产设备,就比较而言,受加工精度和循环水质共同影响,特别是换热器列管内表面防腐技术的差距较大,一般情况下国产级间冷却器运行3 a以上,容易发生内漏,而级间冷却器一旦发生内漏,容易诱发氯气泄漏事故,并伴随设备的腐蚀损坏,必须立即停车处理。经过尝试对双管板换热器进行了改造,列管材质由20#钢改为S30408不锈钢材质,最早改造的一台已连续稳定运行近5 a,较改造之前相比,发生内漏的几率大大降低。

3.3 防止氯气带酸进行的改进措施

透平机级间密封一般采用特殊材质,但带酸很容易造成腐蚀损坏,因此加强干燥系统运行管理非常重要。必须保持酸雾捕集器的安全稳定运行,否则对于透平机的长周期安全运行来讲是得不到保障的。一般运行条件下,建议采用质量过关的滤芯,一般除雾器由短陶瓷纤维桶和不锈钢网构成。泡罩塔干燥后氯气通过“玻璃纤维床层时”直径大于3 μm的“雾滴”被立即分离,最终净化率达到99%以上。在生产过程中,由于氯气前后压差的作用,加上浓硫酸的浸泡,使骨架瘫痪,陶瓷纤维皱瘪不起,失去了除雾的作用,过滤器与原件顶部密封挡板漏气,致使氯气带酸。鉴于压力降较小,为了更好地降低氯气带酸的风险,最好采用“两级”酸雾捕集工艺,能够更好地保证透平机的“酸腐蚀”最大限度保护透平机安全运行。

4 结果分析与讨论

某司在2002年8月份一期6万t/a离子膜烧碱装置开始投产运行至今,在生产中不断总结出现的问题,特别是在引进西门子透平机运行管理方面,不断地探索与改进,在降低氯气含水、防止氯气带酸、维保管理、级间冷却器防内漏、测控系统及连锁保护可靠性提升以及关键操作等方面进行了改进和尝试。目前氯中含水指标≤10×10-6;2020年、2022年分别开机检查运行了10 a以上的透平机,发现机体内非常干净,没有沉积酸泥现象。目前该司在运行的国产级间冷却器已全部改造为S30408材质,最长的已连续运行近5 a,较为稳定;在切换透平机操作中最初也遇到过挫折,过程中造成透平机入口不稳定引发离子膜装置跳停,但经过改进切换模式之后,自2015年至今,已切换10余次,成功率100%。

至于本文提到的透平机轴承温度测量、轴承震动、各级压缩出口氯气温度测量,由于机体原设计为单点连锁,在生产中我们曾遇到过因为温度测量线长期运行发生接触不良(断芯)造成检测数据失真引发透平机连锁停机事故,因此所有各级压缩出口氯气温度均换成“三芯”,采取“冗余”模式,安全可靠性得到大大提高。至于轴承振动和轴承温度为透平机机体内部安装设计,受引进西门子透平机机体内测量点“单一”设计影响,较难实现“三取二”模式,因此,以后各型透平机设计可予以考虑,以此在长期运行中提高透平机轴承测控的可靠性。

5 结语

引进西门子透平机运行效率高,单机负荷高,配套烧碱产能大,投资回报率比较高,正在为国内氯碱企业所大量应用。由于加工精度高,价格昂贵,引进大型设备日常维修不方便,因此提高透平机的维保管理水平,对于氯碱企业安全生产管理意义深远,通过在维保、测控、工艺改进、操作管理等各方面总结提升,提高了透平机的运行管理水平,减少了透平机故障率和计划外停机次数,提高了氯碱装置的安全稳定运行质量。