某透平汽封供汽系统存在的问题及优化

刘翠强

(中石化宁波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

某透平汽封供汽系统存在的问题及优化

刘翠强

(中石化宁波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

针对某装置出现的透平汽封蒸汽不合格问题，应用Pipephase软件分析得出管道系统设置的不合理是汽封供汽系统温降大的主要原因，提出了两种对现有管道系统优化的方案，并指出设计同类管道系统时应注意的问题，为同类系统的设计提供了参考。

透平汽封蒸汽；供汽管道系统；管道系统优化

压缩机是化工生产装置中的重要动设备，其安全运转是装置稳定生产的保障。为提高能效、节约能源，大型压缩机组通常采用蒸汽透平驱动。透平汽封系统是透平机组的重要组成部分，其作用是防止气缸内的蒸汽外泄或不凝气体进入透平缸体、破坏腔体真空度[1]，通常用于汽封的介质是有一定过热度的蒸汽。

某装置压缩机组配套凝汽式蒸汽透平，驱动蒸汽为3.6 MPaA，380 ℃的中压过热蒸汽，透平乏汽压力20 kPaA。根据设计基础数据，蒸汽透平供货商选用0.54 MPaA，195 ℃的低压过热蒸汽作为透平汽封蒸汽。透平试车阶段，通过测温枪测得装置界区处低压过热蒸汽温度值为200 ℃，进汽封系统入口蒸汽温度仅为160 ℃，透平供货商认为蒸汽过热度太低，不满足汽封系统要求。本文将分析低压过热蒸汽温降大的原因，并提出优化方案以解决汽封供汽系统存在的问题，保证压缩机组的安全平稳运行。

1 装置低压过热蒸汽管网设置及其蒸汽温度的影响

1.1 现有低压过热蒸汽管网设置情况

本装置低压蒸汽管路系统结构如图1所示。低压过热蒸汽的用户包括预塔再沸器、透平系统(包括汽封系统和抽真空系统)、透平空冷系统、伴热用户、采暖用户及公用工程软管站。其中，透平系统和预塔再沸器为连续用户，透平系统的总蒸汽用量开车工况为2 t/h，正常工况为1 t/h，汽封系统开车和正常工况用量均为0.315 t/h，预塔再沸器正常用量为60 t/h，透平试车早于预塔。仅冬季开车工况，透平空冷器需补充18 t/h的蒸汽。其余伴热、采暖及软管站用户均为间歇蒸汽用户，且用量较小，所以未在图1中表示。

图1 低压过热蒸汽管路系统图

Fig.1 LP superheated steam piping system

设计基础数据提供的低压过热蒸汽的参数如表1所示：

表1 低压过热蒸汽参数表

由表1可知，低压过热蒸汽进界区的温度是符合设计基础要求的。由图1及以上分析可知，预塔再沸器为低压过热蒸汽的主要用户，且接点靠近界区，下游蒸汽用户较少，蒸汽用量小，但下游主管管径并未相应缩小，仍为DN500。散热面积大，热量补充少，应为蒸汽温降较大的主要原因。

另外，汽封蒸汽管线管径DN25，管内蒸汽流速接近70 m/s，根据文献[2]，0.3 ～ 0.6 MPa的低压过热蒸汽100米压力降不应高于15 kPa，现有管径的压力降远高于此值。管径偏小，形成气阻同时导致管道内介质的扰动强度增强，从而强化了传热效果，造成低压过热蒸汽到达节点二时温降偏大，也应该是汽封供汽不合格的原因之一。

1.2 汽封供汽系统的分析计算

根据项目现场气候及保温设置情况，设定环境温度10℃，风速5m/s，低压过热蒸汽进界区温度195 ℃，压力0.54 MPaA，保温材料热导率0.044 W/(m·℃)，DN500管线保温厚度100mm，DN250管线保温厚度90 mm，DN25管线保温厚度60 mm，通过Pipephase 9.5分别核算压缩机开车工况(工况一)、压缩机正常运转工况(工况二)及压缩机和再沸器均正常运转工况(工况三)汽封供汽系统的蒸汽温度情况见表2。

表2 各工况透平汽封低压蒸汽温度

由表2可知，随着透平系统蒸汽用量的增加，节点一处的温度显著升高：工况一和工况二相比，蒸汽流量增加1倍，温度升高12 ℃；对比工况二和工况三可知，当上游预塔再沸器有用量时，也能提高汽封系统入口处的蒸汽温度，但是效果没有增加下游蒸汽流量明显，可见，再沸器接点下游的主管偏大应为汽封供汽温降大的主要原因。三种工况下，节点二处的蒸汽温度比节点一处低4～6 ℃，对于10 m管长来说，温降偏大，可见，管径偏小带来的温降影响也不容忽视。透平试车工况和工况一相符，现场实测值和模拟值存在的偏差可归结于以下因素：

(1)进界区的蒸汽参数波动；

(2)测量工具存在误差；

(3)低压蒸汽管线阀门、旁路等部位未保温，也造成了一定的温降。

(4)输入参数及软件模拟存在误差。

2 管道系统优化措施的研究

由上文可知，管路系统设计的不合理是造成汽封供汽温度偏低主要原因，所以可以通过优化管道设置提高蒸汽品质。针对低压蒸汽管网存在的问题，可进行以下优化。

2.1 管路系统的优化措施一

将预塔再沸器接点后主管管径修改为DN250，保温厚度90 mm，汽封供汽管管径改为DN40，保温厚度60 mm，进界区蒸汽参数、环境因素，保温材料参数同1.2节(下同)，通过Pipephase 9.5计算出上述三种工况下汽封系统接口处的蒸汽温度见表3。

表3 各工况透平机封低压蒸汽温度

对比表3和表2可知，通过缩小预塔再沸器接点后的低压蒸汽管径，到达节点一处的蒸汽温度升高了2～4 ℃，温度的变化并不明显。通过计算可以知道，即使是流量较大的工况一，DN250主管蒸汽流速低于5 m/s，流速仍相对较低，不利于低压蒸汽温度的维持；扩大汽封蒸汽管线管径至DN40后，各工况节点二处的蒸汽温度升高了约5～6 ℃，从节点一到节点二的温度降减小到了2 ℃，可见汽封管线管径偏小带来的温降影响还是很明显的。

2.2 管路系统的优化措施二

由于间歇用户透平空冷器的用量偏大，限制了预塔再沸器后主管管径的进一步缩径，也拉低了汽封蒸汽的供汽温度，为避免这一问题，可将透平系统蒸汽接点移至图1虚线所示靠近界区阀处，设置总管管径DN100，保温厚度80 mm，配管长度以150 m计，汽封供汽接管管径仍为DN40，保温厚度60 mm，通过Pipephase 9.5模拟出的节点二的蒸汽温度见表4。

表4 各工况透平机封低压蒸汽温度

对比表2和表4可知，通过调整透平系统接管位置，进汽封系统的蒸汽温度工况一提高8 ℃，工况二提高14 ℃，在界区低压蒸汽满足设计要求时，低压蒸汽的过热度达到了24℃；核算流速可知，修改后的透平系统主管蒸汽流速工况一为26 m/s，工况二为13 m/s，比优化措施一提高很多；且相对优化措施一，优化措施二管道修改量少，所以，如果通过优化管道设计解决目前存在的问题，优化措施二是相对较好的优化方案。

通过以上的分析还可以知道，大用量的间歇用户对共用主管的其他用户的供汽品质影响很大，所以蒸汽品质敏感用户应避免与用量较大的间歇用户共用主管，其接管宜单独接出，且接出点宜设在大流量、连续蒸汽用户接出管点前。

3 结论

汽封供汽的安全和稳定性是透平及连带压缩机安全运转的充分必要条件之一，由于本装置的汽封供汽管道系统的设置存在一定的问题，导致界区进汽满足设计要求时，低压过热蒸汽到达汽封系统接口处的温度偏低。可以通过改变汽封蒸汽管线接点缓解这一问题。为避免此类问题出现，在设计蒸汽品质敏感用户的管道系统时，应做到以下几点：

(1)综合各种工况，预先计算抵达蒸汽用户接口处的蒸汽温度，避免此类问题发生；

(2)蒸汽品质敏感用户宜单独供汽，避免与用量较大的间歇用户共用主管；

(3)蒸汽品质敏感用户宜从大流量、连续用户接点上游接出。

同时我们应该注意到，低压蒸汽的主要用户是换热器、伴热、采暖等对蒸汽品质要求不高的热用户，蒸汽用量起伏较大。在节能要求趋于严格的当下，产汽源一般为废热锅炉等废热回收装置，产汽点较多，汽源情况复杂，蒸汽品质难以保持稳定。一般的透平系统的试车和运转早于其他系统，此时低压蒸汽管网蒸汽品质容易未达到设计要求，所以应避免以低压蒸汽作为汽封蒸汽。根据相关规范[1]，宜选用透平动力蒸汽或抽出汽作为汽封汽源，必须使用低压蒸汽时，应设有防止蒸汽过热度不足的预热等保障措施。

[1] The American Petroleum Institute .API 612-2014 Petroleum, petrochemical, and natural gas industries-steam turbines-special-purpose aApplications[S]. WASHINGTON: The American Petroleum Institute,2014.

[2] 张德江,王怀义, 丘 平. 石油化工装置工艺管道安装设计手册[M].5版.北京：中国石化出版社，2015.

(本文文献格式：刘翠强.某透平汽封供汽系统存在的问题及优化[J].山东化工，2017，46(06)：105-106.113.)

The Problem and Optimization of Turbine Seal Steam Supplying System

LiuCuiqiang

(Shanghai Branch, SINOPEC Ningbo Engineering Company Ltd., Shanghai 200030, China)

It is lower than designed that the temperature of related turbine's seal steam. To solve the problem, steam condition in the seal steam supplying pipes is simulated by pipephase. Main cause of temperature drop is found, and methods of piping optimization is proposed, it can guide the design of the turbine's seal steam supplying system.

turbine seal steam；steam piping system; piping optimization

2017-02-17

刘翠强(1984—)，湖北邢台人，硕士，主要从事化工工艺设计工作。

TQ055.8

B

1008-021X(2017)06-0105-02