煤直接液化裝置減壓塔底泵的改造設(shè)計

王 黎 張 浩 陳德泉

（神華鄂爾多斯煤制油公司）（上海福思特流體機(jī)械有限公司)

神華煤直接液化百萬噸示范項目是世界首套煤直接液化工業(yè)示范項目，對保障我國的能源戰(zhàn)略安全具有十分重要的戰(zhàn)略意義。該項目主要由煤液化裝置、加氫穩(wěn)定裝置、加氫改質(zhì)裝置、煤制氫裝置構(gòu)成[1]。其中，在神華煤直接液化裝置中，用于高溫煤漿輸送的泵全部為進(jìn)口產(chǎn)品。油煤漿混合罐底泵、煤漿催化劑混合罐底泵的作用是將油煤漿初步加壓輸送至煤漿進(jìn)料泵的入口，同時部分油煤漿返回混合罐以保持油煤漿的循環(huán)，防止或減少漿料中固體顆粒的沉積。常壓塔底泵將常壓塔底的煤漿抽出，作為減壓塔進(jìn)料。減壓塔底泵將減壓塔底的含固高溫物料抽出，一部分作為減壓塔底循環(huán)油漿，另一部分送至油渣成型裝置。本文就減壓塔底泵的運行工況和介質(zhì)條件進(jìn)行了分析，并對泵的結(jié)構(gòu)提出了優(yōu)化和改造方案。

1 改造原因

減壓塔底泵，其最高工作溫度為345℃，所輸送的殘渣主要由煤中礦物質(zhì)、催化劑、未反應(yīng)的煤、瀝青烯及少量的中油、重油組成。由于殘渣中煤、鐵系催化劑的存在，介質(zhì)有很高的磨蝕性，而瀝青烯等高黏度物質(zhì)的存在導(dǎo)致殘渣的輸送很困難。

由于減壓塔底泵 （因其工藝編號為103-P-315，故以下簡稱315泵）泵體無夾套，因此備泵的熱備狀態(tài)很難保持。另外由于工藝條件改變，原泵流量已不能滿足要求，故在原315A、315B泵基礎(chǔ)上增加一臺315C泵，315C泵流量放大至200 m3/h，其他參數(shù)與原泵相同。315泵的工況及介質(zhì)條件如表1所示。

表1 315泵概況

2 主要技術(shù)難點

根據(jù)315泵工況及介質(zhì)條件，該泵的設(shè)計主要存在以下幾個難點：

（1）由于泵在高溫下工作，必須考慮泵從低溫到高溫的暖泵及熱備方式。

（2）必須考慮對于高溫高含固量介質(zhì)機(jī)械密封的可靠性。

（3）對于全內(nèi)襯雙殼體泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于泵的體積較大，需考慮泵的拆裝簡便。

（4）提高泵運行的自動化水平，對泵的各項運行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。

（5）高溫對泵配合尺寸的影響。

（6）高溫條件下工作的耐磨材料，其材質(zhì)較脆，在暖泵溫升過程中易受溫差應(yīng)力的影響而開裂。

3 設(shè)計方案

3.1 暖泵方案

原泵采用的暖泵方式是利用外接的高溫導(dǎo)熱油注入泵體，通過控制流量來控制溫升速度，以達(dá)到暖泵的目的。采用該暖泵方式存在一些不足：

（1）由于泵輸送的介質(zhì)含固體，盡管在泵的停車過程中有沖洗程序，但很難保證泵內(nèi)的清潔程度，因此很容易污染導(dǎo)熱油系統(tǒng)，降低導(dǎo)熱油的使用壽命。

（2）溫升速度由手動控制，為減少溫升速度對泵零件的影響，通常暖泵時間長，因而操作強(qiáng)度大。

（3）暖泵時，高溫導(dǎo)熱油直接與脆性耐磨襯里接觸，耐磨襯里很容易受溫差應(yīng)力影響而開裂。

針對以上不足，我們采用一種全新的暖泵方式。具體原理為利用泵的關(guān)死功率，在暖泵時將泵進(jìn)出口閥門關(guān)閉，泵內(nèi)注入柴油或其他熱媒，然后啟動泵，泵的關(guān)死功率直接轉(zhuǎn)換為熱能對泵內(nèi)熱媒加溫，由泵內(nèi)熱媒來提升整個泵體溫度，同時通過控制泵的轉(zhuǎn)速來控制輸入功率，以達(dá)到控制溫升的目的。這種暖泵方式的好處是：（1）整個過程可通過控制系統(tǒng)由程序控制，自動完成。（2）由于泵體熱媒與泵體同步升溫，因而可將溫差應(yīng)力減小至最低，減少對泵零件的傷害。

此外，在泵體前后蓋板上設(shè)保溫夾套，通過注入高溫導(dǎo)熱油保持泵體溫度，同時泵體外部覆蓋微孔硅酸鈣等保溫材料，以維持泵的熱備狀態(tài)。

該暖泵方式已獲發(fā)明專利授權(quán)。

3.2 機(jī)械密封

泵的機(jī)械密封系統(tǒng)參照API682標(biāo)準(zhǔn)的plan13、plan32和plan53結(jié)構(gòu)設(shè)置。其中plan13的結(jié)構(gòu)是將泵吸入口與密封腔連通，通過定期短時開啟防止密封腔介質(zhì)結(jié)焦。plan32為外接沖洗油系統(tǒng)，通過導(dǎo)向裝置直接對介質(zhì)端密封端面進(jìn)行沖洗，以保護(hù)機(jī)封。plan53為雙端面機(jī)械密封隔離液系統(tǒng)。為保證機(jī)封正常運行溫度，除了系統(tǒng)熱虹吸罐自帶冷卻外，還增加了外接油水換熱器，并在系統(tǒng)管路配置強(qiáng)制循環(huán)泵，保證機(jī)封冷卻效果。

在機(jī)械密封結(jié)構(gòu)方面，采用雙端面背靠背設(shè)置，摩擦副采用硬質(zhì)合金與碳化鎢硬對硬，外接沖洗油注入后經(jīng)過導(dǎo)向套對介質(zhì)端密封端面進(jìn)行沖洗。機(jī)封設(shè)兩處螺紋泵，一處用于隔離液強(qiáng)制循環(huán)，另一處用于將對介質(zhì)端密封端面進(jìn)行沖洗的沖洗油送入密封腔，保證沖洗油的沖洗及隔離效果。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3 前后開門結(jié)構(gòu)

雙殼體全內(nèi)襯泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且機(jī)封系統(tǒng)管路較多。對于傳統(tǒng)的后開門結(jié)構(gòu)型式，開泵檢修時需拆卸機(jī)封系統(tǒng)諸多管路及中間聯(lián)軸器，將泵轉(zhuǎn)子整體吊出后再檢修維護(hù)，在現(xiàn)場空間狹小、管路走向復(fù)雜的條件下有諸多不便。為此對泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，保留傳統(tǒng)的后拆方式，增設(shè)前開門結(jié)構(gòu)，這樣只需拆除進(jìn)口短接管即可更換除軸承外的所有易損零件。

3.4 自動化控制

根據(jù)泵自動化運行及暖泵程序要求，泵自動控制系統(tǒng)配置PLC，再通過通訊與用戶DCS系統(tǒng)連接，系統(tǒng)PLC完成暖泵及自動運行所需的大部分工作，用戶DCS只需處理PLC發(fā)送的報警信號。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

3.5 有限元分析

針對前述的技術(shù)難點 (5)和 (6)，利用計算機(jī)軟件對部分零件進(jìn)行有限元分析。為避免溫差應(yīng)力對泵體零件的影響，對部分零件進(jìn)行分析，確定安全溫升速度，同時根據(jù)分析結(jié)果，修改零件的固定方式即約束條件，將應(yīng)力產(chǎn)生的影響降到最小。溫差應(yīng)力對零件的影響如圖2所示。

圖2 溫差應(yīng)力對零件的影響

由于熱膨脹導(dǎo)致泵內(nèi)間隙變化，對泵的穩(wěn)定運行有很大的影響，一方面通過對零件的有限元分析，確定零件的最大位移尺寸，在設(shè)計時就予以預(yù)留；另一方面設(shè)置泵轉(zhuǎn)子的軸向竄動調(diào)整裝置，以方便調(diào)節(jié)主軸的軸向間隙，同時補(bǔ)償葉輪磨損，提高葉輪使用壽命及泵效率。高溫對零件配合的影響如圖3所示。

圖3 高溫對零件配合的影響

4 改造結(jié)果

根據(jù)以上方案對泵進(jìn)行改造，由上海福思特流體機(jī)械有限公司研制的MJ200-110型高溫煤漿泵已在神華鄂爾多斯煤制油分公司第一條生產(chǎn)線上作為減壓塔底泵使用，該泵的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 MJ200-110型泵結(jié)構(gòu)

該泵從2009年8月22日起使用至今已運行了12000 h，且運行狀況良好，完全可替代進(jìn)口產(chǎn)品。由于減壓塔底泵 （系高溫耐磨離心泵，工藝編號為103-P-315）在煤制油裝置中操作條件最為苛刻，所以該泵的改造成功意味著其他泵，例如常壓塔底泵、油煤漿混合罐底泵等耐磨離心泵，完全可以實現(xiàn)國產(chǎn)化。

[1] 茍榮恒,胡聰.神華煤直接液化加氫改質(zhì)裝置能耗分析及優(yōu)化 [J].化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù),2011,32(4)：55-57.

[2] 陳德泉,周邵萍，邢改蘭，等.鍋爐油渣泵溫度場分析[J].流體機(jī)械，2010，38 （9）： 43-46.