劉曼　賴慧堅(jiān)　黃肖華　張軍輝　馬曉飛

摘要：依托某石化單位實(shí)際應(yīng)用汽輪機(jī)的研制開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，介紹了年產(chǎn)150萬(wàn)t乙烯裝置丙烯壓縮機(jī)用汽輪機(jī)的性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及研制過(guò)程中針對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題所采用的新技術(shù)、新方案。該汽輪機(jī)組目前為全球最大的丙烯壓縮機(jī)用工業(yè)汽輪機(jī)，且已成功實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷投產(chǎn)與商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。

關(guān)鍵詞：汽輪機(jī);丙烯壓縮機(jī);乙烯裝置

中圖分類號(hào)：TM311? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）05-0062-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.05.017

引言

乙烯、丙烯等低碳烯烴作為工業(yè)基礎(chǔ)原料，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著強(qiáng)大的支撐作用，同時(shí)乙烯和丙烯的產(chǎn)量也是衡量一個(gè)國(guó)家石化工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，因此乙烯裝置在石化工業(yè)中具有特別重要的地位。長(zhǎng)期以來(lái)，乙烯裝置的絕大部分設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，但核心設(shè)備“三機(jī)”（乙烯壓縮機(jī)、丙烯壓縮機(jī)、裂解氣壓縮機(jī)）以及驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)的國(guó)產(chǎn)化歷程卻非常緩慢，其生產(chǎn)技術(shù)一直為國(guó)外幾大公司所壟斷[1]。目前全球最大的乙烯裝置為2014年廣東惠州120萬(wàn)t/a乙烯裝置，而120萬(wàn)t/a以上乙烯裝置在國(guó)際上尚屬空白[2]。丙烯壓縮機(jī)用汽輪機(jī)處于整個(gè)乙烯裝置工藝流程的上游，由于沒(méi)有備機(jī)，對(duì)機(jī)組的性能要求非常高，機(jī)組必須滿足安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)需求，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，不僅丙烯裝置會(huì)停產(chǎn)，而且以丙烯為原料的下游裝置都將停產(chǎn)。

此次針對(duì)年產(chǎn)150萬(wàn)t乙烯裝置丙烯壓縮機(jī)用汽輪機(jī)的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題[3]，杭州汽輪機(jī)股份有限公司充分吸收了以往上海石化年產(chǎn)70萬(wàn)t乙烯三機(jī)壓縮機(jī)用汽輪機(jī)、茂名石化年產(chǎn)80萬(wàn)t乙烯裂解氣壓縮機(jī)用汽輪機(jī)、天津石化年產(chǎn)100萬(wàn)t乙烯裝置裂解氣壓縮機(jī)用汽輪機(jī)的成功經(jīng)驗(yàn)[4-8]，進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，并嚴(yán)格執(zhí)行API標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。該項(xiàng)目因進(jìn)汽參數(shù)高，進(jìn)汽量大，抽汽壓力高，抽汽壓力變化范圍大，針對(duì)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，專門設(shè)計(jì)了新型調(diào)節(jié)氣閥結(jié)構(gòu)、壓力保護(hù)措施以滿足機(jī)組需求，保證其穩(wěn)定運(yùn)行。

1? ? 性能參數(shù)

該汽輪機(jī)采用常壓抽汽冷凝式結(jié)構(gòu)，其主要的蒸汽參數(shù)如表1所示，功率與轉(zhuǎn)速參數(shù)如表2所示。

2? ? 主要結(jié)構(gòu)方案以及新技術(shù)

該汽輪機(jī)組是目前國(guó)內(nèi)乙烯領(lǐng)域功率最大的丙烯壓縮機(jī)用汽輪機(jī)，汽輪機(jī)型號(hào)為ENK80/3.0，采用全周進(jìn)汽、雙層平臺(tái)布置方式，其結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示。

本文所述汽輪機(jī)整個(gè)汽缸為水平剖分面結(jié)構(gòu)，上下缸用法蘭面和螺栓連接。汽缸分外缸和內(nèi)缸，外缸由鑄造式前汽缸及焊接式排汽缸組成，二者通過(guò)垂直中分面相接;內(nèi)缸由兩半進(jìn)汽室和導(dǎo)葉持環(huán)組成，采用雙層缸結(jié)構(gòu)，可把原單層缸承受的巨大蒸汽壓力分?jǐn)偨o內(nèi)缸和外缸，減少了每層缸的壓差和溫差。轉(zhuǎn)子為整鍛鋼結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)級(jí)是沖動(dòng)式葉片，中間轉(zhuǎn)鼓級(jí)為反動(dòng)式直葉片，低壓級(jí)為扭葉片，均為不調(diào)頻葉片。直葉片葉根、型線部分及圍帶三者由整塊材料銑成，扭葉片頂部節(jié)距大，葉型薄，采用拉筋結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)鼓級(jí)葉根為倒T型，調(diào)節(jié)級(jí)和末級(jí)為叉型。噴嘴安裝在兩半內(nèi)缸內(nèi)，導(dǎo)葉由型材銑制成型，再經(jīng)過(guò)加工而成，導(dǎo)葉葉根為鉤型。導(dǎo)葉成組安裝在導(dǎo)葉持環(huán)上，鉚接圍帶，導(dǎo)葉持環(huán)再安裝在汽缸上。汽輪機(jī)前后徑向軸承為可傾瓦軸承，推力軸承采用自平衡型可傾瓦結(jié)構(gòu)型式。

2.1? ? 汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

直拉式汽輪機(jī)調(diào)閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，開(kāi)啟閥碟，需要提供能夠克服閥碟前后壓差的提升力。圖2所示閥碟前壓力為新蒸汽壓力3.5 MPa，閥后壓力在汽機(jī)未開(kāi)啟時(shí)幾乎為零，提升力相當(dāng)于蒸汽作用在閥碟及閥座接觸面上的壓力。對(duì)于該機(jī)組，由于蒸汽流量大，閥碟直徑較大，閥碟接觸面直徑約為197 mm，所需提升力F=P×S≈106 000 N，直拉式油動(dòng)機(jī)在杠桿比最大的情況下仍然難以拉動(dòng)。

為此，該汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用卸載閥形式，如圖3所示，閥桿2前端帶有一個(gè)預(yù)啟閥。啟動(dòng)時(shí)，閥桿2提升，會(huì)先開(kāi)啟預(yù)啟閥，再開(kāi)啟閥碟1。預(yù)啟閥上蒸汽由閥套4和閥碟1之間的間隙泄漏而來(lái)，其壓力低于新蒸汽壓力，預(yù)啟閥后壓力在汽機(jī)未開(kāi)啟時(shí)幾乎為零。預(yù)啟閥的接觸直徑為50 mm，因此按新蒸汽壓力計(jì)算所需提升力F=P×S≈6 869 N，常規(guī)油動(dòng)機(jī)即可滿足。預(yù)啟閥開(kāi)啟后，卸載腔與閥座3通道連接，由于預(yù)啟閥上卸載孔的通流面積大于閥套4和閥碟1之間的間隙面積，閥碟上部蒸汽壓力立即降到與閥后基本相等，此時(shí)再開(kāi)啟閥碟，則所需提升力較小[11]。

2.2? ? 壓差保護(hù)裝置改進(jìn)

常規(guī)的壓力保護(hù)只對(duì)單點(diǎn)的壓力值進(jìn)行限定，存在一定的不足，為保證汽輪機(jī)在較寬的壓力范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行，現(xiàn)對(duì)壓力保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)，采用壓差保護(hù)措施。在危險(xiǎn)級(jí)組（內(nèi)缸與溢流閥）后設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)PR、PE1，如圖4所示，利用壓差變化范圍，即ΔP（PR-PE1）限定機(jī)組的報(bào)警值、跳機(jī)值，并繪制壓差保護(hù)曲線，如圖5所示。壓差保護(hù)裝置可避免由于單點(diǎn)壓力值超出范圍而引起的報(bào)警甚至跳機(jī)，亦可避免一條管線上有多臺(tái)汽輪機(jī)時(shí)，一臺(tái)故障跳機(jī)、抽汽量變化范圍大而引起其他機(jī)組聯(lián)鎖跳機(jī)的情況。

相較于常規(guī)的壓力保護(hù)措施，壓差保護(hù)可以大大降低機(jī)組跳機(jī)的概率，擴(kuò)大機(jī)組的運(yùn)行范圍，保證此丙烯壓縮機(jī)組能夠長(zhǎng)周期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

某石化化工150萬(wàn)t/a乙烯裝置為目前全球范圍內(nèi)最大單線乙烯裝置，同時(shí)驅(qū)動(dòng)丙烯壓縮機(jī)用汽輪機(jī)是有史以來(lái)全球功率最大的乙烯裝置丙烯壓縮機(jī)用工業(yè)汽輪機(jī)。丙烯壓縮機(jī)用汽輪機(jī)作為整個(gè)乙烯裝置流程中的核心動(dòng)力設(shè)備，是我國(guó)大型乙烯裝備國(guó)產(chǎn)化的又一次重大技術(shù)突破，填補(bǔ)了超大型乙烯裝置動(dòng)力設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的空白。本文針對(duì)該汽輪機(jī)研制過(guò)程中基于機(jī)組進(jìn)汽參數(shù)高，進(jìn)汽量大，抽汽壓力高，抽汽壓力變化范圍大等特點(diǎn)采用的一系列新方案、新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總結(jié)，比如采用卸載閥形式的調(diào)節(jié)汽閥、壓差保護(hù)措施等。這一系列改進(jìn)和創(chuàng)新，減少了非機(jī)組安全問(wèn)題導(dǎo)致的停機(jī)情況，保證了丙烯壓縮機(jī)能夠長(zhǎng)周期穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

綜上所述，該項(xiàng)目的成功研制，不僅實(shí)現(xiàn)了首臺(tái)年產(chǎn)150萬(wàn)t級(jí)乙烯裝置丙烯壓縮機(jī)用汽輪機(jī)的研制目標(biāo)，還積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)研制工業(yè)應(yīng)用中更大規(guī)模等級(jí)的乙烯裝置用汽輪機(jī)奠定了基礎(chǔ)。

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收稿日期：2021-12-20

作者簡(jiǎn)介：劉曼（1991—），女，湖南衡陽(yáng)人，工程師，從事汽輪機(jī)本體設(shè)計(jì)工作。