減壓塔底泵關(guān)鍵技術(shù)研究

谷偉偉(中國(guó)石化安慶石化分公司 煉油二部，安徽 安慶 246000)

0 引言

“節(jié)能減排”不僅是落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、構(gòu)建和諧社會(huì)的具體實(shí)踐，也是煉油內(nèi)部挖潛，提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的內(nèi)在需求。近年來(lái)，中國(guó)石化股份公司煉油板塊一直堅(jiān)持“優(yōu)化增效、節(jié)能減排”的工作方針，全面深入地開展了“減壓深拔”、“焦化提高操作負(fù)荷”等專項(xiàng)的節(jié)能減排工作，煉油能耗正在按照制定的“十一五”發(fā)展規(guī)劃的要求逐年降低?，F(xiàn)代煉化裝置常減壓蒸餾的操作，實(shí)施減壓深拔，可減少重油的生成。減壓深拔操作可以有效降低渣油收率，提高減壓渣油的殘?zhí)亢兔芏?，充分發(fā)揮裝置的運(yùn)營(yíng)能力，提高輕油收率，降低燃料油收率，提高了高附加值產(chǎn)品收率。500萬(wàn)噸/年常減壓裝置采用減壓深拔技術(shù)，其減壓塔底泵用于高溫、高壓、大流量、高揚(yáng)程、高汽蝕性能、腐蝕和磨蝕的場(chǎng)合，為保證裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行，該臺(tái)位機(jī)泵配備2臺(tái)(一開一備)，并要滿足以下技術(shù)要求：一方面是流量、揚(yáng)程、功率等參數(shù)較大，二是該泵需要的氣蝕余量較小，三是泵的選型要求拆裝簡(jiǎn)單，檢維修方便。苛刻的應(yīng)用環(huán)境對(duì)減底泵的水力、熱變形補(bǔ)償和機(jī)械密封提出了更高的要求[1]。

1 葉輪水力設(shè)計(jì)

對(duì)于500萬(wàn)噸級(jí)減壓塔底泵，由于減壓塔為負(fù)壓操作，在泵的進(jìn)口極易產(chǎn)生氣阻現(xiàn)象，這對(duì)泵的汽蝕性能提出了很高的要求。在提高泵的汽蝕性能的同時(shí)，必然會(huì)犧牲一定的效率，所以在葉輪采用雙吸結(jié)構(gòu)提高抗汽蝕性能的同時(shí)通過(guò)采用高效水力設(shè)計(jì)[2]，彌補(bǔ)效率損失顯得尤為重要。減壓塔底泵結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 減壓塔底泵結(jié)構(gòu)圖

泵設(shè)計(jì)參數(shù)：

流量:正常211 m3/h；揚(yáng)程:208 m；電機(jī)功率：280 kW；吸入溫度: 360～400 ℃；NPSHr:4 m；介質(zhì)：減壓塔底渣油。

采用江蘇大學(xué)PCAD水力設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行A、B兩個(gè)方案的首次級(jí)葉輪、泵體吸入室和排出室水力尺寸的設(shè)計(jì)，利用FLUENT軟件進(jìn)行壓力分析和速度場(chǎng)模擬計(jì)算；在分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，選出1個(gè)水力模型組進(jìn)行模型的內(nèi)、外特性試驗(yàn)。雙吸葉輪三維造型如圖2所示。

圖2 雙吸葉輪三維造型

吸入室和排出室三維造型如圖3所示。利用混合多相流模型、汽蝕模型、RNG k-ε方程，模擬了離心泵葉輪內(nèi)部空化流場(chǎng)，給出了其壓力、速度和空泡體積組分分布規(guī)律，揭示了空化流動(dòng)的內(nèi)部特征，為離心泵在空蝕預(yù)測(cè)及性能提高上提供了一定的參考依據(jù)。進(jìn)口邊界條件采用總壓進(jìn)口，其方向垂直進(jìn)口面 。出口邊界條件采用質(zhì)量流量出流，固壁條件在固體邊壁上，一般取黏性流體無(wú)滑移條件。葉輪和蝸殼內(nèi)流體的耦合采用流體-流體交接面(fluid-fluid interface) ，在本論文所研究的流動(dòng)系統(tǒng)中，葉輪的水體為旋轉(zhuǎn)體，吸入室和蝸殼內(nèi)部的水體為靜止體，用于吸水室和葉輪、葉輪和蝸殼二者之間銜接的交界面分別設(shè)置為stage、Frozen Rotor模式進(jìn)行黏接，該交界面對(duì)于兩部分水體的動(dòng)靜藕合有著重要作用。網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的匹配方式采用GGI模式。

圖3 吸入室和排出室三維造型

如圖4所示，可以看出，葉輪汽蝕主要發(fā)生在葉片背面，在葉片背面進(jìn)口稍后處(靠近前蓋板)最先有空泡產(chǎn)生。隨著進(jìn)口壓力的降低，葉片背面根部(靠近輪轂)這一區(qū)域汽泡密度很大，隨著液流內(nèi)部壓力的升高空泡逐漸潰滅，到葉輪出口處空泡消失。通過(guò)對(duì)比A、B方案在25 ℃下，Q=211 m3/h和Q=300 m3/h時(shí)的汽泡體積分布，發(fā)現(xiàn)A方案在葉片進(jìn)口處的體積分布明顯小于B方案，而在泵的出口處A、B方案汽泡體積分布基本相同，這說(shuō)明B方案在葉片進(jìn)口處汽泡破裂的數(shù)量要多于A方案，對(duì)葉輪的損傷也更大[3]。

圖4 首級(jí)葉輪A、B方案的葉輪內(nèi)部氣泡分布

由空泡體積組份分布還可看出，大流量工況下的汽蝕發(fā)生的區(qū)域和密度都要大于額定流量工況，這進(jìn)一步說(shuō)明離心泵在相同吸上真空度的條件下，大流量工況時(shí)更容易發(fā)生汽蝕，而且汽蝕面積也最大[4]。這也證明了本文塔底泵首級(jí)雙吸葉輪設(shè)計(jì)方法的正確性。

如圖5所示?？梢钥闯龇桨窤在額定點(diǎn)Q=211 m3/h時(shí)，NPSHr為3.5 m,方案B為3.8 m，都能夠滿足設(shè)計(jì)要求，但是方案A的汽蝕性能要優(yōu)于方案B的汽蝕性能。

圖5 模擬計(jì)算出的汽蝕曲線

2 熱變形補(bǔ)償結(jié)構(gòu)措施

由于使用場(chǎng)合在輸送360～4 000 ℃的高溫介質(zhì)，冷熱兩種狀態(tài)都要經(jīng)歷，管路設(shè)計(jì)上有必要的支撐、吊簧、頂柱，但對(duì)泵的力也仍然存在，并且是不確定的，所以，對(duì)泵的管口提出的要求都是API 610標(biāo)準(zhǔn)的兩倍；為適應(yīng)苛刻的使用條件，泵體、底座的設(shè)計(jì)有足夠的強(qiáng)度和剛度。除外力的作用，泵本身的熱變形也很大，所以在軸系結(jié)構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)間隙、材料搭配上應(yīng)充分考慮[5]。另外，在托架、端蓋、底座設(shè)置冷卻水沖洗Plan B系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，如圖6所示，以降低泵的溫度，防止由于熱變形過(guò)大，影響泵的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6 冷卻水沖洗Plan B

3 提高機(jī)械密封的可靠性

由于介質(zhì)溫度較高，本泵使用的機(jī)械密封，設(shè)計(jì)遵循API 682之相關(guān)規(guī)定，并針對(duì)減壓塔底泵的實(shí)際使用工況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

采用Plan32+Plan62密封沖洗輔助系統(tǒng)，Plan32密封沖洗系統(tǒng)使用沖洗液為4～6 L/min、溫度為100～1 200 ℃的蠟油，以改善密封摩擦副表面的使用環(huán)境[1]；Plan 62急冷輔助系統(tǒng)使用低壓蒸汽作為常冷介質(zhì)，常冷介質(zhì)用量0.8～1.2 L/min、溫度為120～1 500 ℃，防止減底渣油積聚在密封的大氣側(cè)，如圖7、8所示。

圖7 機(jī)械密封沖洗系統(tǒng)Plan 32

圖8 機(jī)械密封沖洗輔助系統(tǒng)和系統(tǒng)冷卻示意圖

煉化裝置中的高溫?zé)嵊捅茫鐪p底泵、常底泵、催化油漿泵等，該類泵的特點(diǎn)是介質(zhì)溫度高(370～400 ℃)、塔底有雜質(zhì)。實(shí)際生產(chǎn)中，泵如發(fā)生機(jī)械密封突然失效泄漏，輕則影響設(shè)備正常運(yùn)行，重則發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)著火事故。

4 結(jié)語(yǔ)

文章通過(guò)水力、熱補(bǔ)償和機(jī)械密封的設(shè)計(jì)與分析，保證了設(shè)備及裝置的“安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)”運(yùn)行。隨著現(xiàn)代煉化裝置產(chǎn)能的逐步擴(kuò)張，其單套裝置產(chǎn)能越來(lái)越大，與之配套的單泵負(fù)荷進(jìn)一步增加，開發(fā)更大型的高溫?zé)嵊捅卯a(chǎn)品已經(jīng)勢(shì)在必行。