浅谈影响汽轮机真空度的原因及解决措施

A Brief Discussion on the Reasons Affecting the Vacuum Degree of Steam Turbine and the Solutions

摘要: 目前国内乙烯装置压缩机大部分采用抽汽凝液式透平作为驱动设备，其中复水器冷凝系统的真空度高低对汽轮机做功效率有着重要意义。本研究旨在解决国内乙烯装置中抽汽凝液式透平驱动设备在复水器冷凝系统真空度下降的问题。鉴于真空度对汽轮机做功效率的重要性，本文分析了影响复水器真空度的多种因素，包括系统密封情况、冷却水温度和用量、蒸汽品质、机组工况以及抽气系统的运行情况。研究采用系统分析法和实验验证方法，以国内某乙烯装置为研究对象，通过数据收集和分析，确定了各因素对真空度的影响程度。研究结果表明，除了已知的系统密封和冷却水因素外，蒸汽品质和抽气系统运行情况也对真空度有显著影响。基于这些发现，本文提出了更换密封垫圈、采用混合型冷凝器换热以及适当加大喷淋量的改进方案。这些措施的实施有望提高复水器冷凝系统的真空度，从而提升汽轮机的做功效率，对乙烯装置的节能降耗和运行稳定性具有重要意义。

Abstract: At present, most of the domestic ethylene compressors use the extraction condensate turbine as the driving equipment, and the vacuum degree of the condensation system of the rehydration has an important meaning for the work efficiency of the steam turbine. This study aims to solve the problem that vacuum of the turbine driving equipment decreases in the condensation system of the domestic ethylene device. In view of the importance of vacuum on the work efficiency of the turbine, this paper analyzes many factors affecting the vacuum of the rehydration, including system sealing, cooling water temperature and dosage, steam quality, unit condition and operation of the extraction system. Taking a domestic ethylene device as example, the systematic analysis method and experimental verification method were used to determine the influence degree of each factor on the vacuum degree through data collection and analysis. The results show that, in addition to the known system sealing and cooling water factors, the steam quality and the operation of the pumping system also have a significant influence on the vacuum degree. Based on these findings, this paper proposes the improvement scheme of replacing the sealing washer, using the heat exchange with mixed condenser and appropriately increasing the spray amount. The implementation of these measures is expected to improve the vacuum of the condensation system of the rehydration, so as to improve the work efficiency of the turbine, which is of great significance to the energy saving and operation stability of the ethylene device.

1. 引言

乙烯和丙烯作为工业生产中的关键基础原料，对于推动国民经济的发展和提升人类生活水平扮演着不可或缺的角色。这两种原料的产量不仅反映了国家石油化工行业的发展水平，而且标志着国家工业化进程的重要里程碑。因此，乙烯装置在石化工业中的地位至关重要，并将持续发挥其核心作用[1]。然而，尽管乙烯和丙烯的重要性不言而喻，我国在乙烯压缩机、丙烯压缩机、裂解气压缩机以及汽轮机等核心设备的国产化发展上仍面临挑战[2]。这些设备的稳定运行对于乙烯装置的效率和安全至关重要。特别是随着乙烯装置规模的不断扩大，从80万吨到110万吨，对压缩机组的运行稳定性、可靠性和安全性提出了更高的要求。汽轮机，作为大型压缩机的常见机械能提供设备，其真空系统的严密性直接关系到汽轮机的安全运行和热效率，进而影响整个乙烯装置的经济效益[3]。

本文旨在对抽气凝液式汽轮机进行深入探讨，分析影响其真空度的关键因素，并探讨提高真空度的有效方法。通过对现有研究的综述，发现尽管已有一些学者在此领域进行了研究，但仍存在研究空白和不足之处，需要进一步的研究来填补这些空白，提升汽轮机真空系统的性能和效率。研究的目标是明确抽气凝液式汽轮机真空系统的影响因素，提出改进措施，并为汽轮机的安全、稳定运行提供理论依据和实践指导。通过对这些因素的系统分析和讨论，本文期望能够为汽轮机的设计、运行和维护提供有益的参考，进而促进我国乙烯装置的高效、安全生产。

2. 汽轮机冷凝器系统概述

抽汽冷凝式汽轮机是乙烯装置中常用的驱动设备，是一种将内能转化为机械功的热机，一般由高压气缸和低压气缸组成，设有真空喷射泵、大气安全阀、复水泵、密封蒸汽喷射泵等附件[4]。以中韩(武汉)石化乙烯装置驱动汽轮机为例，以超高压蒸汽作汽源，根据透平所需的功率调节蒸汽的进气量，一部分超高压蒸汽进入高压缸做功后以下一等级蒸汽即高压蒸汽排出回收利用，另一部分蒸汽进入低压缸，做功后多余蒸汽进入复水系统冷凝，已被作为蒸汽原料回收再循环。其110万吨乙烯装置裂解气压缩机运行的相关参数所示(见表1)：

Table 1. The parameters of cracking gas compressor of 1.1 million ton ethylene unit

表1. 110万吨乙烯装置裂解气压缩机相关参数

名称	最小值	正常值	最大值
进气压力/Mpa	10.5	11.5	12
进气温度/℃	495	515	525
抽气压力/Mpa	3.2	3.9	4.2
排气压力/Mpa	0.03	0.028	0.07
进气量/t∙h^−^1	495	514	525
抽起量/t∙h^−^1	180	280	300
转速/rpm	3672	3900	4982
功率/w	29,500	42,224	44,000

复水器作为汽轮机的一个重要设备，其真空度关系着装置运行的能耗，它使汽轮机排出的蒸汽通过循环水冷凝，形成真空，在负压下产生更多的动力。其运行状况直接影响到整个机组的安全、能耗。保持复水器良好的运行状态，使其匹配最佳的真空度，是压缩机节能的重要指标之一。

3. 影响汽轮机真空度的因素

构成真空的方式有两种，一是通过抽真空系统抽去其中的不凝汽，该系统由2台2级抽气器和1台开工抽气器组成，在汽轮机开车阶段，系统启动开工抽建立真空，正常运行时，停用开工抽，切断与系统的连通阀，启动一台2级主射汽抽气器维持体系的真空度，另一台备用；二是通过复水器，将蒸汽凝结成水，通过相变形成真空。真空度减小，不仅会降低汽轮机工作效率还会增大能耗，造成经济损失，严重时影响机组的安全运行，以及蒸汽和循环水之间的传热系数，且若汽轮机的密封性差还会让不凝气进入机组，导致排气压力和温度上升，甚至让水中的溶氧度上升，造成设备腐蚀[5]。

3.1. 蒸汽品质

压缩机主要靠蒸汽驱动，在汽轮机正常运行时，饱和蒸汽温度决定相应的排气压力，而饱和蒸汽温度与冷却介质的传热效果有关。在复水器中，排出的蒸汽通过循环水冷凝成水，从而体积变小发生相变，在相变过程中，循环水使整个传热表面保持饱和温度，从而提高汽轮机的做功效率。通过探究单位时间内蒸汽温度和排汽压力之间的关系可以发现，蒸汽温度越高，真空度越高(见图1)。

3.2. 机组工况

不同工况下得到的复水器最佳真空度值不同，实际工业生产中机组设备运行时工况经常会受环境以及经济形势而发生变化，长期运行的机组设备容易发生老化或质量问题，从而造成复水器真空度偏离最佳值，导致运行功率下降[6]。目前中韩石化针对原油价格的大幅上涨，对整体负荷进行了大幅调整，从之前400 t/h进料量调整至300 t/h，进料负荷与排汽压力没有显著的线性关系(见图2)，这是因为在低负荷工况下，裂解气压缩机转速、吸入压力、段间流量、蒸汽压力、蒸汽温度、排气温度、排气压力等主要运行参数变化均会对机组运行及能耗状态产生重要影响。

Figure 1. Relationship between steam temperature and exhaust pressure of cracking gas compressor

图1. 裂解气压缩机蒸汽温度和排汽压力的关系

Figure 2. Relationship between feed load and exhaust pressure of cracking gas compressor

图2. 裂解气压缩机进料负荷和排汽压力的关系

3.3. 主射汽抽气器故障

当抽气器管道由于结垢或杂物堵塞时，抽气器的动力蒸汽受阻而无法将不凝气抽出，从而难以维持真空系统，这就需要快速清理以保证后续动力蒸汽顺利进入；若是换热器堵塞，则会影响蒸汽排出，从而影响抽真空效果；若是换热器的一、二级疏水阀堵塞，抽气器冷却器中冷凝水将不能快速排出，从而导致冷却器满水，进而影响抽真空效果。另一方面若抽气器动力蒸汽不足，例如蒸汽品质不好蒸或管网堵塞，也会出现真空度下降的现象[4]。

综上所述，影响凝汽器真空的因素主要是抽真空系统运行情况以及冷却水温度和用量大小，还有凝汽器管线结垢、循环水管线内漏、复水器液位高、循环水量不足、循环水温过高、真空泵或抽气器运行卡涩等都会造成真空下降，尤其是在环境温度上升时真空度相对更难控制[7]。在汽轮机工作中，复水器真空度的大小会直接影响到汽轮机的负荷，进而影响压缩机做功情况，因此需要结合实际情况进行分析，查找真空降低的直接原因，并制定相应的解决方法。

4. 提高汽轮机真空度的方法

提高真空度的方法主要有抽去复水器中的不凝气，以及提高循环水温度，让蒸汽在复水器中迅速冷凝。以中韩石化为例，由于气温上升，机组负荷发生变化，真空度由78 kPa降至75 kPa，先通过运行备用2级抽气器，启动开工抽气，以让不凝汽排出但不仅增加动力源中压蒸汽成本，且真空度没有明显提升。其次投用格兰冷凝器水封仍无改善，最后提高冷却水量的方法，加速冷凝速率，但真空度都没有得到提高。在此基础上，就真空度下降的问题，提出以下方案。

4.1. 提高密封性

在决定汽轮机复水器真空度的若干因素中，密封性至关重要，除了消除漏点，检查压力系统的阀门是否有松动，定期检查和清洗喷嘴，并根据负荷变化，调整汽轮机轴密封，以确保其排气效率外。泄漏至大气的总量主要取决于密封片结构，为了密封透平转子和定子之间的运动部件，常采用迷宫和蜂窝垫圈[2]。在不同热力学状态下透平的启动方法不同，即冷启动、热启动、热启动和涡轮过热，由于膨胀拉伸作用，透平转子和定子之间密封接头的结构设计中必须保证充足的距离。透平转子和定子的固定和运动部分之间的密封膨胀指数越大，透平的热力学灵活性就越高，膨胀指数越高，汽轮机从初始状态启动速率越快[7]。

根据汽轮机真空附件系统流程及原理，列举可能存在的漏点(见表2)，进行检查，并采取缠胶带的方式加强密封。经过排查排汽压力无明显变化说明真空系统不存在泄漏情况，排汽压力无明显下降，收效甚微。

4.2. 提高循环水用量或降低温度

由于散热量的增加从而进一步降低了透平复水器的蒸汽凝结温度，使真空度的显著增加[8]。通过提高冷却水量，进一步增加透平冷凝系统的热量排放，在真空度较高的条件下，从透平排出的蒸汽能在较低温度下凝结。冷却温度越低，冷却水从冷凝器中排出的热量就越多。研究表明，如果水温下降5℃，冷凝器真空可增加1%。如果水量过大，无法达到预期效果，水量过少，就会影响冷水的分布和冷却效果，且降低冷凝器的入口水温比提高循环水量更有效地改善真空度[9] [10]。

下面是操作数据计算说明：

透平排出蒸汽量为72 t/h，温度为68℃，复水器中的水温为60℃，真空度为78 kPa，若要提高真空度，则需降低复水器水温为50℃，温差为18℃，那么，使40 t/h、68℃蒸汽变为50℃水，每小时需要吸收的冷量为：

Q = Q₁ + Q₂ (1)

(Q₁：68℃的蒸汽变为68℃的水需要吸收的冷量；Q₂：68℃的水变成50℃的水吸收的冷量)

Table 2. Leak check and confirmation list of vacuum system auxiliary accessories of cracking gas compressor

表2. 裂解气压缩机真空系统辅机附件查漏确认清单

序号	位置	是否 泄漏	处理方法	序号	位置	是否 泄漏	处理方法
1	大气安全阀(东侧)	正常	/	26	脱盐水手阀及法兰	正常	缠胶带
2	大气安全阀(西侧)	泪眼流水偏少	开大上 水量	27	复水器远传液位计上下手阀	正常	缠胶带
3	复水泵入口阀	正常	缠胶带	28	复水器就地液位计上下手阀	正常	缠胶带
4	复水泵入口管线与泵体连接法兰	正常	缠胶带	29	复水器底部就地温度表	正常	缠胶带
5	复水泵出口阀	正常	缠胶带	30	复水器各导淋、盲头	正常	缠胶带
6	复水泵出口管线与泵体连接法兰	正常	缠胶带	31	复水器上部就地温度表	正常	缠胶带
7	复水泵出口压力表	正常	缠胶带	32	复水器上部就地压力表	正常	缠胶带
8	复水泵出口单向阀及旁路阀	正常	缠胶带	33	复水器去开工抽手阀及法兰	正常	缠胶带
9	复水泵筒体就地排放	正常	缠胶带	34	开工抽气器就地压力表	正常	缠胶带
10	复水泵去E-271排气线	正常	缠胶带	35	复水器去备用两级抽汽器 手阀及法兰	正常	缠胶带
11	复水泵机械密封进水回水	正常	缠胶带	36	两级抽汽器安全阀	正常	缠胶带
12	复水泵入口过滤器	正常	缠胶带	37	两级抽汽器就地压力表	正常	缠胶带
13	复水泵就地排放导淋	正常	缠胶带	38	中间冷却器就地压力表	正常	缠胶带
14	复水泵入口阀	正常	缠胶带	39	中间冷却器就地排放口	正常	缠胶带
15	复水泵入口管线与泵体连接法兰	正常	缠胶带	40	中间冷却器疏水器手阀，导淋	正常	缠胶带
16	复水泵出口阀	正常	缠胶带	41	复水器去轴封冷却器手阀及法兰	正常	缠胶带
17	密封蒸汽排凝线手阀及法兰	正常	缠胶带	42	复水器去轴封冷却器就地压力表	正常	缠胶带
18	抽汽单向阀前排凝线手阀及法兰	正常	缠胶带	43	复水器去轴封冷却器就地温度表	正常	缠胶带
19	平衡管排凝手阀及法兰	正常	缠胶带	44	轴封冷却器水封	正常	缠胶带
20	大气安全阀排凝手阀及法兰	正常	缠胶带	45	缸体喷淋阀前法兰， 前手阀及法兰	正常	缠胶带
21	TTV阀排凝线手阀及法兰	正常	缠胶带	46	汽轮机低压缸就地压力表	正常	缠胶带
22	低压缸排凝线手阀及法兰	正常	缠胶带	47	汽轮机低压缸就地温度表	正常	缠胶带
23	中冷器去集合管法兰	正常	缠胶带	48	汽轮机低压缸缸壁温度远传表	正常	缠胶带
24	后冷器去集合管法兰	正常	缠胶带	49	汽轮机低压缸排出温度就地表	正常	缠胶带
25	复水器去集合管法兰	正常	缠胶带	50	汽轮机低压缸排气压力远传表	正常	缠胶带

Q₁ = 72 × 10³ × 556.8 = 4.0 × 10⁷ kcal/h

Q₂ = 72 × 10³ × (68 − 50) × 1 = 0.13 × 10⁷ kcal/h

Q = Q₁ + Q₂ = 4.1 × 10⁷ kcal/h

复水器每小时换热量计算如下：

$Q^{\prime }=\alpha A\left(T_W-T\right)$ (2)

(α：对流传热系数换热器的换热效率；A：传热面积；T：流体的主体温度；T_w：和流体接触侧的壁温)

因此可知，要想让Q'大于Q，需在现有的基础上提高换热效果，如加大复水器喷淋，使排出的蒸汽温度降低。既能降低复水器负荷，又能减小不凝气量从而提高真空度。

循环水温度和排气压力基本上成正相关，凝汽器内冷凝水温度越高，排汽压力越高，即真空度越低(见图3)。但是冷凝水温度还受环境、负荷等影响，无法精准控制，且效果甚微，乙烯装置目前使用的凝汽器为利旧换热器，长周期运行时间长，可能出现结垢，换热面积不足，换热效果变差等原因，导致真空度下降。

Figure 3. Relationship between cracking gas compression and exhaust pressure and temperature of circulating water

图3. 裂解气压缩及排汽压力与循环水温度的关系

4.3. 降低冷凝器热负荷或提高传热系数

目前，大多数汽轮机冷凝器，由于存在热阻现象，循环水温度总是低于复水器中的温度，且蒸汽排放量越大，释放的热量就会越多，冷凝过程中换热介质释放的热量也越多，但循环水流量、温度以及传热面积均受到生产成本的限制。为了降低冷凝器的热负荷，提高发电机组的热效率，研究发现，通过在冷凝器的入口管线处安装一套雾化喷嘴，并添加脱盐水形成混合型冷凝器，利用接触式传热，可吸收系统的部分冷凝热，降低冷凝器的热负荷，从而提高真空度[11]。

当提高换热效果时，必须在一定程度上提高传热系数。由于冷凝后管壁两侧的热阻相对较小，因此不容忽视。抗污性有时会成为传热过程中的主要热阻。一般情况下，管壁两侧传热对流热阻低于2 × 10⁴ m² ℃/w时，冷却水处理的水污可达2 × 10⁴ m²℃/w [12]。可通过安排合理的清洗周期，采用干洗、酸洗两步法进行清洗，从而提高传热效率，进一步提高真空度。

4.4. 更换真空抽

针对改造后裂解气压缩机透平复水真空度高，机组耗汽量居高不下，抽气效率低等问题，我们先后启用开工抽、调整隔兰冷凝器等一系列措施，效果甚微。经过反复和设计方、制造方沟通协商，决定对该系统真空抽进行在线升级改造，经过两天时间的在线调试后正常投用，待机组稳定运行后，超高压蒸汽进气量由原有的392 t/h下降至376 t/h，排气压力由32 kPa下降26 kPa，排气温度由69.7℃下降至65.6℃。排气压力的降低使真空度提高了6 kPa，每小时节省超高压蒸汽16 t，在节能优化工作中取得了显著的效果。

5. 总结

本研究围绕抽气凝液式汽轮机真空系统的性能优化展开，旨在为我国正在建设或扩建的大型乙烯装置提供技术支持，特别是在掌握核心生产力和攻克关键技术方面。通过对抽气系统运行状态、真空系统密封性以及循环水温度和用量等因素的深入分析，我们发现这些因素均对复水器的真空度产生显著影响。

本研究的结果表明，通过降低冷凝器传热面的蒸汽负荷、降低循环水的温度、提高循环水量、保持换热器的清洁度以及保持真空系统的严密性，可以有效降低排气压力，从而提高真空度，更换真空抽效果最为显著。这一发现不仅验证了我们的研究假设，而且为提高汽轮机的做功效率提供了实际可行的操作建议，为扩大乙烯产量提供了坚实的技术保障。

通过对抽气凝液式汽轮机真空系统的综合优化，可以显著提升乙烯装置的生产效率和安全性。然而，本研究也存在一定的局限性，例如在实验条件上可能未能完全模拟实际工业环境，未来研究可以在更广泛的工况下验证和优化论证。