天然氣凈化裝置蒸汽透平投用率提升技術(shù)研究

李長春，曹振濤，李卓彥，李凱

（1.中石化廣元天然氣凈化有限公司，四川 廣元 628400；2.四川中澤油田技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

高硫天然氣凈化裝置的硫磺回收及尾氣處理單元工序涉及到高溫傳熱反應(yīng)，通過克勞斯?fàn)t、尾氣焚燒爐的傳熱，通常能夠產(chǎn)出大量的高壓蒸汽。為盡可能地節(jié)約含硫天然氣凈化裝置的運(yùn)行能耗，越來越多的裝置選用了蒸汽透平設(shè)備，將蒸汽的熱能直接轉(zhuǎn)換成透平轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，從而節(jié)約裝置耗電量。分析蒸汽透平的運(yùn)行問題，研究提升其投用時(shí)間的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)企業(yè)節(jié)約能源、提高經(jīng)濟(jì)效益有重要意義。

1 蒸汽透平運(yùn)行現(xiàn)狀

1.1 蒸汽透平介紹

某凈化裝置克勞斯風(fēng)機(jī)（K-301A）為離心式鼓風(fēng)機(jī)機(jī)組，是輸送氣體的機(jī)械，主要用于向Claus反應(yīng)爐提供所需的燃料空氣；該機(jī)組為蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，主要包括風(fēng)機(jī)、齒輪箱和蒸汽輪機(jī)；機(jī)械部分主要包括離心式鼓風(fēng)機(jī)、蒸汽透平及潤滑油站等。汽輪機(jī)為中壓背壓式汽輪機(jī)，型號(hào)為505T，汽輪機(jī)機(jī)組采用WOODWARD 505數(shù)字電子調(diào)節(jié)器；體積流量額定值為22149.7Nm3/h，蒸汽透平消耗高壓過熱蒸汽流量最大值為13.5t/h，最低驅(qū)動(dòng)流量為高壓過熱蒸汽流量需達(dá)到8t/h，投用期間每小時(shí)節(jié)約能耗為460KW.h。

1.2 運(yùn)行存在問題

（1）裝置蒸汽透平的投用必須在一定原料氣負(fù)荷下有足夠的富余蒸汽產(chǎn)量后才能投用，蒸汽富裕產(chǎn)量與裝置負(fù)荷的匹配關(guān)系不明確，造成負(fù)荷波動(dòng)時(shí)電驅(qū)備機(jī)頻繁啟動(dòng)造成能耗增加。

（2）進(jìn)出口管線熱膨脹，導(dǎo)致透平位移、振動(dòng)值異常升高。試車及運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)2臺(tái)蒸汽透平K-301A均存在同一點(diǎn)的非驅(qū)動(dòng)端振動(dòng)問題，對(duì)蒸汽透平K-301A出口管線反復(fù)試車中發(fā)現(xiàn)，熱對(duì)中時(shí)水平偏差0.5mm，在機(jī)組冷卻到40℃時(shí)，再次復(fù)核對(duì)中，水平偏差0.18mm；且汽輪機(jī)出口管線U型管處易積水，在汽輪機(jī)背壓暖管時(shí)，汽輪機(jī)輪室有積水風(fēng)險(xiǎn)，且跳車后，有低壓蒸汽倒灌風(fēng)險(xiǎn)

2 蒸汽透平投用率提升技術(shù)

2.1 蒸汽透平投用與裝置負(fù)荷匹配調(diào)控技術(shù)

蒸汽透平的穩(wěn)定運(yùn)行需要至少8t/h的高壓過熱蒸汽，該蒸汽來源主要依靠裝置的自身富裕蒸汽產(chǎn)量提供，裝置蒸汽主要產(chǎn)蒸汽及耗蒸汽設(shè)備見表1所示。為方便統(tǒng)計(jì)，用Eci符號(hào)表示各設(shè)備的蒸汽產(chǎn)出，Ehi符號(hào)表示消耗，t/h，下標(biāo)i表示設(shè)備的序號(hào)，統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 設(shè)備代號(hào)統(tǒng)計(jì)

蒸汽量平衡公式如下：

以上公式中要求Eh4的最小值大于8t/h，實(shí)際運(yùn)行中S-701無實(shí)際指標(biāo)要求，但為防止管線積水引發(fā)水擊，過熱蒸汽管網(wǎng)至S-701段的管線一般應(yīng)最低保障蒸汽流量在 3t/h以上，界區(qū)外輸蒸汽量最小消耗量為0t/h，熱損失量為0.5t/h，即：

化簡后：

令E富裕＝（Ec1＋Ec2）—（Eh1＋Eh2＋Eh3）

記錄裝置各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)做曲線如圖1所示。

圖1 原料氣量與富裕蒸汽量的關(guān)系

通過線性回歸得到經(jīng)驗(yàn)公式：

反推計(jì)算可得出，當(dāng)E富裕＞11.5t/h時(shí)，原料氣的處理量Q應(yīng)大于：

故投用透平的最低負(fù)荷應(yīng)為6.24萬方/小時(shí)，考慮到運(yùn)行穩(wěn)定性及波動(dòng)性，通常規(guī)定原料氣流量高于7萬方時(shí)，應(yīng)該穩(wěn)定投運(yùn)蒸汽透平。

2.2 蒸汽透平進(jìn)口管線改造

（1）在透平出口U型彎管線處增加導(dǎo)淋防止U型管積水，并未防止積水及低壓蒸汽在跳車后進(jìn)行倒灌提出在U型管前增加出口單項(xiàng)閥和出口閘閥，雙重保險(xiǎn)，保證設(shè)備安全。

（2）蒸汽透平入口增加溫度計(jì)，及時(shí)監(jiān)測(cè)蒸汽入口溫度，將尾爐過熱段出口現(xiàn)場手動(dòng)放空閥改為電動(dòng)閥內(nèi)操控制，一旦尾爐過熱段溫度異常下降，內(nèi)操可及時(shí)放空，防止尾氣焚燒爐異常運(yùn)行狀況下蒸汽溫度壓力變化導(dǎo)致的蒸汽透平跳車。

（3）測(cè)算不同溫差下對(duì)中的差異情況，對(duì)管線進(jìn)行走向改造，減少熱膨脹管線長度，同時(shí)增設(shè)管線支架，以自然補(bǔ)償與補(bǔ)償器相結(jié)合的方式減小剩余應(yīng)力，減緩應(yīng)力造成管道位移和振動(dòng)。

3 結(jié)語

蒸汽透平的投用率主要取決于設(shè)備自身完好性及裝置處理負(fù)荷兩方面。某含硫氣田凈化裝置通過研究優(yōu)化，克勞斯風(fēng)機(jī)蒸汽透平投運(yùn)率由76%提升至了85%，設(shè)備因管線應(yīng)力引發(fā)振動(dòng)跳車的次數(shù)降低至了1次/年以下，同時(shí)確定了7萬方以下負(fù)荷才需啟動(dòng)電驅(qū)風(fēng)機(jī)的操作原則，大幅降低了裝置能耗，為同類型企業(yè)提升蒸汽透平的投用時(shí)間提供借鑒與參考。