王文姁，李宏福，李金波

(1.中國石化工程建設有限公司，北京 100101；2.杭州汽輪機股份有限公司，浙江 杭州 310022)

乙烯產(chǎn)業(yè)是石油化工行業(yè)的核心，乙烯的生產(chǎn)能力經(jīng)常可被看作一個國家和地區(qū)石化生產(chǎn)水平的標志。近年來隨著乙烯裝置的規(guī)模不斷擴大，從原來的80～100萬t/a逐漸發(fā)展到150萬t/a【1】。面對如此大規(guī)模的乙烯裝置，裂解氣壓縮機及驅動汽輪機的功率也越來越大，對其設計、性能、運行方面的要求也相應提高。此前，國產(chǎn)最大的裂解氣壓縮機驅動汽輪機的功率為69 885 kW，國產(chǎn)工業(yè)驅動汽輪機最大為71 614 kW，均于2017年投入使用。目前150萬t/a乙烯是國內(nèi)已建成的最大規(guī)模裝置，該裝置內(nèi)的裂解氣壓縮機配套用汽輪機機組能力達到了105 MW。以前百萬噸級乙烯裝置的工業(yè)驅動汽輪機生產(chǎn)制造技術為世界上少數(shù)幾家國外廠商所壟斷【1】。依托國內(nèi)150萬t/a乙烯項目，中國石化工程建設有限公司(簡稱SEI)與杭州汽輪機股份有限公司(簡稱杭汽)對于100 MW汽輪機共同開展了國產(chǎn)化研發(fā)，通過一系列技術攻關，順利完成該機組國產(chǎn)化開發(fā)，為項目節(jié)省了投資，縮短了設計周期，更重要的是實現(xiàn)了100 MW規(guī)模工業(yè)驅動汽輪機的全面國產(chǎn)化，在石油化工行業(yè)的發(fā)展中具有重大意義。

1 100 MW工業(yè)驅動汽輪機技術難點

乙烯三機一般指裂解氣壓縮機、丙烯制冷壓縮機、乙烯制冷壓縮機，三機都由汽輪機驅動，其中裂解氣壓縮機操作工況最多，功率也最大【2】。根據(jù)裝置原料及工藝流程，SEI提出該150萬t/a乙烯裝置裂解氣壓縮機配套汽輪機設計條件如表1 所示。

表1 150萬t/a乙烯裝置裂解氣壓縮機相關參數(shù)

該機組要滿足21個典型運行工況，運行工況的最大功率達到89 745 kW，汽輪機的驅動能力要達到105 MW,在工業(yè)驅動壓縮機領域，該功率不僅是國內(nèi)最大，也是世界最大。如此大功率的工業(yè)汽輪機的設計和制造，存在不小的困難和挑戰(zhàn)。

乙烯裝置為下游其余化工裝置的源頭，作為乙烯裝置“心臟”的乙烯三機如果意外停車，會影響乙烯裝置及其下游裝置的運行，甚至會導致全線停車，這將帶來巨大的安全風險和經(jīng)濟損失。同時，裂解氣壓縮機驅動汽輪機的工況復雜，超高壓蒸汽壓力、溫度、抽汽壓力、抽汽流量、工藝負荷及機組轉速會有很大范圍的變化。復雜的工況變化會引起機組的機械應力、熱力條件、材料膨脹、推力大小及方向等參數(shù)發(fā)生劇烈變化，對機組的穩(wěn)定性、可靠性和適應能力的要求都特別高【3】。SEI與杭汽一起，從全局優(yōu)化角度出發(fā)，對汽輪機進行設計，不僅需要考慮正常工況，還需考慮運行環(huán)境突變下的安全性和可靠性；對汽輪機重要部件的設計，符合甚至高于API、IEC、DIN、NEMA等國際通用標準要求。此外，還需對汽輪機的結構進行合理布置，既要節(jié)省占地，又要合理設置檢修空間。

2 100 MW工業(yè)驅動汽輪機技術開發(fā)

150萬t/a乙烯裝置裂解氣壓縮機用汽輪機是目前國內(nèi)最大的工業(yè)驅動汽輪機，該機組型號為EHNK80/112，由SEI進行工程設計，杭汽進行詳細設計并制造，通過多次方案論證及技術攻關，最終完成了新技術的國產(chǎn)化研發(fā)。

汽輪機本體結構主要部件包括轉子,調(diào)節(jié)汽閥前、后支座，外汽缸，內(nèi)汽缸，排汽缸，導葉持環(huán)，前、后軸承座及汽封環(huán)等【4】。汽輪機縱剖面示意見圖1。整體結構采用單缸布置，雙側進汽，單側排汽，具體結構參數(shù)見表2。

圖1 汽輪機縱剖面示意

表2 100 MW工業(yè)驅動汽輪機結構參數(shù)

對于任何新技術的應用，保證其運行的穩(wěn)定性和可靠性是重中之重。以此為目標，SEI與杭汽進行了以下主要技術研究和創(chuàng)新。

2.1 轉子結構設計

轉子是工業(yè)汽輪機的重要轉動部件，在設計時除了要兼顧考慮強度、通流效率等因素以外，其振動特性和推力狀態(tài)水平是特別關鍵的技術指標。

機組的設計環(huán)境與實際運行環(huán)境之間，往往存在著一定差異，尤其是當外部系統(tǒng)出現(xiàn)偏差較大或者有故障的情況時，轉子系統(tǒng)應有極好的抗衡能力。對汽輪機轉子系統(tǒng)進行了分解式研究，經(jīng)過多種方案優(yōu)化，最終設計出的轉子在多種支撐系統(tǒng)下振動性能優(yōu)良，具備抗衡軸承進油壓力大幅波動、支撐剛度大范圍變化、系統(tǒng)沖擊等外部干擾的能力，同時還提高了轉子系統(tǒng)抗衡制造流程風險的能力。

轉子結構及系統(tǒng)配置，充分考慮支撐對臨界轉速變化的影響【5】，并結合了影響轉子模態(tài)振型、響應以及穩(wěn)定性等各方面因素，選取了油膜穩(wěn)定性更佳的進口可傾瓦軸承。按照API 612標準進行臨界轉速、響應及穩(wěn)定敏感性等詳細的轉子動力學分析，并且對軸承的多項參數(shù)進行了反復優(yōu)化，保證汽輪機的轉子動力學特性達到最優(yōu)。其轉子特征和振動設計結果如表3和表4所示。

表3 100 MW工業(yè)驅動汽輪機轉子特征

表4 100 MW工業(yè)驅動汽輪機轉子振動設計結果

2.2 汽輪機效率優(yōu)化

建立了進汽流道優(yōu)化經(jīng)驗模型,構建了多物理場耦合仿真可視化平臺，完成了數(shù)字樣機構建，并建立了一套完整的低壓級與排缸聯(lián)動優(yōu)化分析方法, 開發(fā)出適用于大型乙烯裝置的高效系列低壓級組；采用基于三維CFD方法和優(yōu)化理論相結合的三維葉柵優(yōu)化方法【6】以及高效葉型開發(fā)及程序化聯(lián)動設計進行轉鼓級葉型氣動性能的優(yōu)化，并將優(yōu)化葉型參數(shù)程序化，再采用模塊設計程序進行方案優(yōu)化，解決了100 MW 等級工業(yè)汽輪機變轉速變工況抽汽機組的氣動效率問題。經(jīng)過反復優(yōu)化后，汽輪機整機效率比國外不同廠家的同類機組效率高0.3%～1.5%，說明機組氣動性能水平達到了國際先進水平。

2.3 高效排汽區(qū)段的研發(fā)

由于100 MW裂解氣壓縮機汽輪機的高參數(shù)需求，需要研發(fā)高氣動效率的汽輪機排汽區(qū)段，其中包括低壓扭葉級組開發(fā)及配套的焊接排汽缸的一體化研究。

2.3.1 低壓扭葉級組開發(fā)

低壓扭葉級組是在原SK葉片基礎上，為提升整個機組通流性能而開發(fā)設計的具有良好的熱力性能和強度性能的工業(yè)汽輪機低壓級組末級葉片，型號為SK112低壓扭曲葉級組(如圖2所示)，其最大質量流量約為560 t/h，排汽面積約為2.8 m2，最高連續(xù)轉速為4 000 r/min。

圖2 SK112葉片示意

圖3和圖4分別為設計工況下相對葉高為50%截面的壓力分布和子午面壓力分布云圖。由圖3和圖4可以看出，SK112低壓級葉片通流部分整體上壓力分布均勻，氣流流動沒有產(chǎn)生渦旋和分離，氣動性能良好，滿足設計要求。

圖3 SK112低壓級組設計工況下50%葉高截面壓力分布云圖

圖4 SK112低壓級組設計工況下子午面壓力分布云圖

2.3.2 焊接排汽缸開發(fā)

排汽缸氣動性能直接影響到末級葉柵出口背壓和凝汽器入口汽流的均勻程度,進而影響到整個汽輪機組的熱效率。為配套SK112低壓級組，研發(fā)設計了K112焊接排汽缸，其結構如圖5所示。

圖5 SK112導葉、導葉持環(huán)、K112排缸裝配模型

將開發(fā)的SK112低壓級組末級葉片與配套的K112焊接排汽缸進行聯(lián)合計算，優(yōu)化設計了低壓級組和排汽缸的氣動性能。聯(lián)合計算得到排汽缸的靜壓恢復系數(shù)為0.42。在聯(lián)合計算的基礎上對排汽缸進行三維性能優(yōu)化,優(yōu)化后排汽缸靜壓恢復系數(shù)為0.52。其計算結果如圖6和圖7所示。

圖6 低壓級組聯(lián)合排汽缸氣動計算模型

圖7 葉根開始的三維流線分布

2.4 下半汽缸溫度補償裝置和變形控制技術開發(fā)

由于汽缸的大型化，上、下汽缸的結構更加復雜，其熱變形問題給機組啟動和停機過程帶來了很大困難，為此開發(fā)了適用于大型高壓進汽抽凝式工業(yè)驅動用汽輪機下缸溫度補償裝置和變形控制技術。通過設置下半汽缸溫度補償裝置對汽缸下半進行全方位加熱，可有效消除汽缸上、下半缸的溫差，提高操控性，避免大型機組在啟動過程中動、靜擦碰風險。

機組啟動時，由于部分進汽原因，汽缸內(nèi)部流場不均勻，上、下缸溫差較大，會引起一定的熱變形。在汽輪機運行過程中，調(diào)節(jié)汽閥開啟的先后順序、抽汽的投入與解除也會帶來汽缸溫差,進而引起相對較大的汽缸變形。通過設置汽缸內(nèi)、外表面適當?shù)臏囟群蛯α飨禂?shù)，得到兩種進汽順序的極端汽缸溫度場，并將得到的溫度場導入結構計算中，再對模型進行配合約束、設置摩擦以及對螺栓進行預緊加載，進而分析整個汽缸高度方向上的變形結果。根據(jù)分析的結果設置溫度補償裝置，同時根據(jù)汽缸上、下半的溫差信號以及下半缸的溫度信號進行有效的閉環(huán)控制，將汽缸上、下半的溫差信號反饋給溫控模塊，并由調(diào)節(jié)模塊控制加熱單元，從而有效控制溫差，實現(xiàn)控制變形的目的。

2.5 提高運行穩(wěn)定性

乙烯三機的的非計劃停機中，大部分是由于油路系統(tǒng)、汽路系統(tǒng)、信號系統(tǒng)的故障導致的，設計過程中需要解決內(nèi)因導致的不穩(wěn)定性，同時兼顧外因導致的不穩(wěn)定性。

從整個裝置考慮，汽輪機的設計不能僅僅局限在正常的設計環(huán)境下，還需要考慮運行環(huán)境突情況變下的安全性和可靠性。乙烯裝置實際運行中，由于裝置負荷降低、裝置發(fā)生可在線維修的小故障以及下游工藝故障等原因，很有可能出現(xiàn)抽汽壓力波動范圍超出設計值的情況。一般的生產(chǎn)裝置會采取抽汽壓力單點保護措施，此時會觸發(fā)保護使機組停機。但乙烯裝置是“龍頭”裝置，應避免裝置停車，因此，汽輪機研發(fā)設計時考慮了此種情況，通過優(yōu)化設計，將機組運行時抽汽壓力操作范圍控制在3.4～3.8 MPa(絕)、機組抽汽壓力的設計裕度擴大為2.0～4.5 MPa(絕),解決了抽汽壓力大幅波動對裝置系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

機組在不同工藝工況下運行，抽汽壓力及流量的大范圍變化，使得全范圍工況內(nèi)可能會出現(xiàn)推力方向的變化。而推力方向的變化會導致轉子出現(xiàn)軸向竄動，進而可能導致軸位移信號的失真。因此，在進行機組的推力設計時，通過變換通流布置及平衡方式、分析每段的推力影響系數(shù)，實現(xiàn)了參數(shù)變動的情況下推力的平緩變化，使得正常操作范圍內(nèi)不會出現(xiàn)推力的方向變化，避免了在運行過程中轉子的軸向竄動。

汽輪機啟動過程中，不同部位金屬材料的膨脹情況不同，為防止冷熱態(tài)立鍵間隙變化，開發(fā)了新型立鍵結構及前支座，避免了因缸體對中引發(fā)的故障，提高了設備的可靠性和裝置的穩(wěn)定性。

采用高壓調(diào)閥卸載技術，降低了提升力，將4個油動機減為1個，減少了用油量，并縮小了油站尺寸，在穩(wěn)壓設備相同的情況下，很大程度上提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 機組現(xiàn)場運行情況

2020年1月，100 MW裂解氣壓縮機組投入運行，從安裝調(diào)試到開車投料，用時不到半年時間。運行一年多以來，振動等各項參數(shù)都優(yōu)于設計值，表明其運行良好，性能穩(wěn)定，各個系統(tǒng)均達到乙烯裝置設計與生產(chǎn)要求，且符合乙烯裝置安全和環(huán)保要求，同時，也滿足了國產(chǎn)化攻關提出的一系列技術要求。

4 結語

近年來，隨著世界格局不斷變化，掌握核心生產(chǎn)力、攻克“卡脖子”技術越來越得到各方重視。未來幾年，國內(nèi)仍有多套大型乙烯裝置在建設或籌備階段。達到國際先進水平的100 MW工業(yè)驅動汽輪機的國產(chǎn)化，不僅可為用戶降低投資成本及維修費用，還可縮減項目設計及安裝周期，更為以后更大規(guī)模乙烯裝置的設計及建設提供了堅實的技術保障。