高、中速高壓氨泵的性能對(duì)比

張昊彧，王 斌

(河南能源化工集團(tuán)中原大化公司 河南濮陽 457000)

河南能源化工集團(tuán)中原大化公司的尿素生產(chǎn)裝置采用從意大利引進(jìn)的氨汽提工藝，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1 760 t/d，于1990年5月5日投產(chǎn)。該尿素裝置原始開車時(shí)所采用的高壓氨泵為HMP-5112型高速離心式雙級(jí)泵(以下簡稱高速泵)，其特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、高揚(yáng)程，采用串聯(lián)式機(jī)械密封，水平布置，端面吸入。2016—2017年度尿素裝置檢修期間，將其中1臺(tái)高速高壓氨泵更換為HTDB150-100-10stg型中速高壓氨泵(以下簡稱中速泵)，原高速高壓氨泵的電動(dòng)機(jī)和油系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)修舊利廢。

1 工作原理

(1)高速泵由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)低速軸，然后由安裝在低速軸上的大齒輪與高速軸上的小齒輪嚙合帶動(dòng)高速軸，高速軸再以20 445 r/min的速度帶動(dòng)安裝在兩側(cè)的一級(jí)和二級(jí)葉輪高速旋轉(zhuǎn)。來自氨升壓泵的液氨從一級(jí)葉輪的端面被吸入，在葉輪產(chǎn)生的離心力的作用下沿葉輪圓周切線方向進(jìn)入擴(kuò)壓器，液氨從葉輪獲得動(dòng)能；隨著擴(kuò)壓器截面的增大，液氨的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，液氨被提壓至9.8 MPa(表壓)，然后通過連通管進(jìn)入二級(jí)葉輪，被二級(jí)葉輪繼續(xù)升壓至22.3 MPa(表壓)排出泵體。通過對(duì)一、二級(jí)葉輪改造，目前該泵出口液氨壓力能達(dá)到25.0 MPa(表壓)[1]。

(2)中速泵同樣由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過聯(lián)軸節(jié)帶動(dòng)低速軸，然后由齒輪箱帶動(dòng)中速軸，中速軸再以7 500 r/min的速度帶動(dòng)安裝在主軸上的10級(jí)葉輪旋轉(zhuǎn)。來自氨升壓泵的液氨從一級(jí)葉輪的端面被吸入，在葉輪產(chǎn)生的離心力的作用下沿葉輪圓周切線方向進(jìn)入擴(kuò)壓器，液氨從葉輪獲得動(dòng)能；隨著擴(kuò)壓器截面的增大，液氨的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為靜壓能，提壓后的液氨進(jìn)入二級(jí)葉輪，被二級(jí)葉輪繼續(xù)升壓后進(jìn)入三級(jí)葉輪……；經(jīng)10級(jí)葉輪升壓后，液氨最終被升壓至23.0 MPa(表壓)排出泵體。

2 主要性能參數(shù)

高速泵和中速泵的主要性能參數(shù)見表1。

表1 高速泵和中速泵的主要性能參數(shù)

實(shí)際運(yùn)行情況表明，中速泵與高速泵相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)中速泵的轉(zhuǎn)速為高速泵的1/3，因轉(zhuǎn)速下降，泵的運(yùn)行穩(wěn)定性有了明顯提高。

(2)現(xiàn)場測(cè)量結(jié)果表明，中速泵的噪聲比高速泵低約20 dB。

(3)中速泵的流量調(diào)節(jié)范圍大，抗氣蝕能力強(qiáng)，在開停車過程中對(duì)于中壓系統(tǒng)的壓力及氨升壓泵的要求低，操作彈性大。

(4)中速泵在電耗、水耗、檢修消耗等方面優(yōu)于高速泵。

3 能耗對(duì)比

3.1 電耗

高速泵運(yùn)行時(shí)的電流控制在150 A左右，而中速泵運(yùn)行時(shí)的電流控制在125 A左右，中速泵相比于高速泵節(jié)電為232.5 kW，電耗下降20%，低負(fù)荷工況下的節(jié)電量將更高。以電價(jià)0.55元/(kW·h)、全年運(yùn)行300 d計(jì)，中速泵每年可節(jié)省電費(fèi)約92.07萬元。

3.2 脫鹽水消耗

高速泵的一、二級(jí)密封均為串聯(lián)式機(jī)械密封，密封液分別采用液氨和脫鹽水。脫鹽水經(jīng)過濾器過濾后進(jìn)入沖洗水泵，升壓至8.00 MPa(表壓)后經(jīng)限流孔板分為兩部分，一部分進(jìn)入二級(jí)機(jī)械密封(孔板前后壓差必須大于1.19 MPa，此值為開車時(shí)的聯(lián)鎖條件，如果達(dá)不到此值，則說明機(jī)械密封泄漏量大或孔板被堵塞)；另一部分進(jìn)入一級(jí)機(jī)械密封，經(jīng)限流孔板控制流量和壓力。正常運(yùn)行期間，經(jīng)過一、二級(jí)機(jī)械密封的機(jī)封水排至密閉回收槽，不再循環(huán)利用，每小時(shí)脫鹽水的沖注量為0.9 m3。

中速泵采用雙端面集裝式機(jī)械密封，密封液為脫鹽水。脫鹽水通過雙聯(lián)過濾器后進(jìn)入水箱的上部，由水箱上部的液位調(diào)節(jié)閥控制水箱的液位；水箱內(nèi)的脫鹽水通過沖洗泵提壓至2.80 MPa(表壓)，經(jīng)水冷器進(jìn)入雙聯(lián)水過濾器，然后由調(diào)節(jié)閥控制壓力，再分別通過2只止回閥進(jìn)入左右兩端密封系統(tǒng)。水系統(tǒng)密封水與泵體氨系統(tǒng)壓差是影響開車的因素之一，開車允許的壓差為大于30 kPa(表壓)，若無壓差、負(fù)壓或者壓差低都不允許開車，應(yīng)檢查密封水情況或水系統(tǒng)是否存在故障或泄漏。出密封系統(tǒng)的脫鹽水經(jīng)回水總管后返回水箱，實(shí)現(xiàn)脫鹽水的循環(huán)使用。

通過上述對(duì)比可知，在正常運(yùn)行工況下，中速泵不消耗脫鹽水，而高速泵每小時(shí)消耗0.9 m3脫鹽水。由于高速泵的密封水最終進(jìn)入密閉回收槽，如果機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏，含氨的脫鹽水送至密閉回收槽后需進(jìn)行解析處理，其每小時(shí)消耗增壓蒸汽為0.2 t。如果按脫鹽水價(jià)格3.8元/t、增壓蒸汽75.0元/t、全年運(yùn)行300 d計(jì)，則高速泵每年消耗的脫鹽水費(fèi)用約為13.26萬元。

4 檢修費(fèi)用對(duì)比

4.1 檢修頻次

高速泵自原始開車以來，由于轉(zhuǎn)速較高，運(yùn)行很不穩(wěn)定，正常情況下最長運(yùn)行周期為3個(gè)月。高速泵在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題主要包括機(jī)械密封損壞，潤滑油進(jìn)水造成軸瓦燒壞及軸斷裂，副線調(diào)節(jié)閥開度大幅波動(dòng)造成泵氣蝕而引發(fā)振動(dòng)位移大，泵本身的機(jī)械損壞等。每年的檢修頻次平均為6次左右，最長檢修時(shí)間可達(dá)3 d(此情況嚴(yán)重影響尿素裝置的正常運(yùn)行，曾經(jīng)多次出現(xiàn)因2臺(tái)高速泵同時(shí)故障造成尿素裝置停車)。

中速泵于2017年2月投入運(yùn)行，一直至冬季大修，實(shí)現(xiàn)了全年零檢修。為了保證中速泵的穩(wěn)定運(yùn)行，在2017—2018年冬季大修期間對(duì)該泵的機(jī)械密封及軸承瓦塊進(jìn)行了解體檢查。從檢查結(jié)果來看，該泵運(yùn)行1年基本未出現(xiàn)大的問題，存在的幾個(gè)小問題在大修期間已全部得到解決。

4.2 檢修耗材

高速泵進(jìn)行檢修主要是因?yàn)闄C(jī)械密封泄漏，每次更換機(jī)械密封的費(fèi)用加上人工費(fèi)用為3萬元左右，按每年6次的檢修頻次，年檢修費(fèi)用為18萬元左右。由于高速泵的泵軸轉(zhuǎn)速較高，每年都會(huì)出現(xiàn)軸、軸承、軸瓦損壞等情況，其年檢修費(fèi)用為100萬元左右。

中速泵投運(yùn)以來，沒有出現(xiàn)因機(jī)械密封泄漏所致的檢修。2018年上半年運(yùn)行期間對(duì)泵的檢修只產(chǎn)生了人工費(fèi)用，沒有更換設(shè)備備件所產(chǎn)生的費(fèi)用。

5 高壓氨泵改造后存在的問題

(1)高速泵改造成中速泵后，振值位移偏大是比較突出的問題。在2017年運(yùn)行期間，雖然中速泵運(yùn)行比較穩(wěn)定，但由于裝置停車次數(shù)較多，而每次開停中速泵后其振值位移都有上升趨勢(shì)。2017年大修期間，全部更新中速泵的止推瓦和軸承瓦，振值位移偏大的問題得到了解決。

(2)從泵的構(gòu)造上來看，中速泵中間的層級(jí)較多，如果制造工藝無法滿足要求，很容易出現(xiàn)內(nèi)流道封板破裂、內(nèi)缸體中分面密封不嚴(yán)、級(jí)間密封偏大而使介質(zhì)回流等一系列問題，從而影響中速泵的出口壓力及流量。如果中速泵出口液氨壓力低于22.0 MPa(表壓)，將嚴(yán)重影響高壓系統(tǒng)噴射泵的噴射效率，使裝置后系統(tǒng)回收的甲銨液送高壓系統(tǒng)時(shí)受到限制，造成整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷受限。

6 結(jié)語

從高速泵和中速泵的運(yùn)行效果來看，中速泵的運(yùn)行比高速泵穩(wěn)定，如果系統(tǒng)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，中速泵受到的干擾比高速泵小。由于中速泵中間的級(jí)數(shù)較多，其抗氣蝕能力較強(qiáng)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)大幅波動(dòng)或者晃電造成氨升壓泵跳車后，中速泵不易跳車。在能耗方面，中速泵的消耗明顯低于高速泵的。從檢修方面看，中速泵屬于國產(chǎn)設(shè)備，備件比高速泵便宜，更便于維修。