商品天然氣總硫達(dá)標(biāo)背景下半貧砜胺液泵的適應(yīng)性改造

劉超 林萬洲 吳嬌

（1.中國石油西南油氣田川東北作業(yè)分公司；2.中國石油西南油氣田天然氣凈化總廠）

1 概述

川東北某900×104m3/d高含硫天然氣凈化廠由3列處理量為300×104m3/d的凈化裝置組成，單列裝置尾氣處理單元配備2臺(tái)半貧砜胺液泵（以下簡稱半貧泵），1臺(tái)為蒸汽透平驅(qū)動(dòng)，1臺(tái)為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)[1]，正常情況下運(yùn)行蒸汽透平驅(qū)動(dòng)泵，電動(dòng)機(jī)泵備用，以實(shí)現(xiàn)對裝置廢熱的再利用[2]。半貧泵結(jié)構(gòu)為首級雙吸、臥式中開多級離心泵，BB3型[3]，型號為DB34-D4×8×10.5C，10級，額定流量212m3/h，揚(yáng)程800 m，沖洗方案PLAN 11+53B[4]，半貧泵結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 半貧泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural diagram of semi-lean sulfinol pump

為實(shí)現(xiàn)GB 17820—2018新標(biāo)準(zhǔn)中商品天然氣氣質(zhì)要求和《陸上石油天然氣開采工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[5-7]尾氣排放新要求，工藝流程需做以下調(diào)整優(yōu)化：將原尾氣處理單元由串級SCOT工藝（吸收尾氣中H2S后的半貧砜胺液進(jìn)入到脫硫單元吸收塔第8層再次利用[8]，然后到脫硫單元再生塔進(jìn)行再生）改為常規(guī)SCOT工藝（增加單獨(dú)的溶液再生系統(tǒng)，吸收尾氣中H2S后的半貧砜胺液不再到脫硫單元，直接進(jìn)入新增的SCOT再生塔單獨(dú)再生），改造前后工藝流程見圖2。為保證脫硫單元溶液系統(tǒng)循環(huán)量，原尾氣單元半貧泵將用來輸送貧砜胺液到脫硫單元吸收塔（UFM浮閥塔盤[9]），以保證商品氣中的H2S合格。這將導(dǎo)致現(xiàn)有的半貧泵在工藝中入口端壓力的來源位置將發(fā)生改變，由尾氣單元SCOT吸收塔改為脫硫單元貧砜胺液低壓泵出口，泵入口壓力將從50 kPa增加到1.2～2.0 MPa，這會(huì)導(dǎo)致泵的出口壓力相應(yīng)增加，為保證泵的安全平穩(wěn)運(yùn)行，出口壓力不宜太高，需適當(dāng)降低泵的揚(yáng)程來滿足新工藝要求；入口壓力的增大會(huì)導(dǎo)致泵的密封腔壓力上升，因此還需改造其機(jī)械密封及沖洗系統(tǒng)。

圖2 改造前后工藝流程Fig.2 Process flow diagram before and after transformation

2 方案選擇

2.1 方案對比

多級離心泵降壓一般常用3種方法：電動(dòng)機(jī)加裝變頻調(diào)速、車削葉輪直徑及減少葉輪級數(shù)。

方案一：通過改造變頻電動(dòng)機(jī)，改變泵的工作轉(zhuǎn)速來降低離心泵的出口壓力。離心泵存在以下比例定律：

式中：H、n示泵的揚(yáng)程，m；n為轉(zhuǎn)速，r/min，由公式可以看出泵的轉(zhuǎn)速越高，揚(yáng)程越高，因此可以通過降低泵的轉(zhuǎn)速來降低揚(yáng)程。此方法優(yōu)點(diǎn)：變頻調(diào)速范圍寬，可以得到任一需要的出口壓力，調(diào)節(jié)方便，沒有節(jié)流引起的能量損失，操作簡單。缺點(diǎn)：一是要求原電動(dòng)機(jī)能夠改變轉(zhuǎn)速，否則需要重新購買新電動(dòng)機(jī)；二是為解決低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)散熱問題，需單獨(dú)增加散熱裝置對電動(dòng)機(jī)強(qiáng)制冷卻；三是高壓變頻設(shè)備成本較高[10]。

方案二：通過車削葉輪直徑來降低離心泵的出口壓力[11]。將離心泵葉輪由直徑D車削為D′時(shí)，存在以下車削定律：

式中：H為離心泵的揚(yáng)程，m；D為離心泵直徑，mm。根據(jù)車削定律，只要已知離心泵葉輪直徑和揚(yáng)程等相關(guān)參數(shù)，就可以根據(jù)管路實(shí)際需要的壓力計(jì)算葉輪車削直徑。顯然，車削后葉輪直徑縮小后，離心泵揚(yáng)程相應(yīng)降低。此方法優(yōu)點(diǎn)：操作簡單，無需購買任何配件，成本低。缺點(diǎn)：葉輪切割后不可恢復(fù)，車削過量會(huì)造成葉輪報(bào)廢。

方案三：通過減少葉輪級數(shù)來降低離心泵的出口壓力。多級離心泵相當(dāng)于多個(gè)單級泵串聯(lián)工作，有H=n×h（n為葉輪級數(shù)，h為每級葉輪的揚(yáng)程），故可以減少葉輪級數(shù)，降低泵的揚(yáng)程，從而降低泵的出口壓力。此方法優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)就地改造，不改變原有結(jié)構(gòu)，節(jié)省成本。缺點(diǎn)：需要重新對轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢查，核算軸向力，否則可能引起運(yùn)行時(shí)機(jī)組振動(dòng)過大，加速軸承部件的磨損。

2.2 方案選定與實(shí)施

按照工藝需求，在保持泵流量212 m3/h基本不變的情況下，揚(yáng)程需由800 m降到702.2 m。方案一降低設(shè)備轉(zhuǎn)速，需重新購買高壓變頻電動(dòng)機(jī)及配套變頻設(shè)備，成本較高；方案二切割葉輪外徑，只需在原有葉輪上進(jìn)行加工，無需購買任何配件；方案三減少葉輪級數(shù)，由于該泵葉輪對稱分布，為保證軸向力平衡，需成對、對稱減少葉輪，則至少需要取掉2級葉輪，而減少2個(gè)葉輪后，按照公式H=n×h，揚(yáng)程將低于702.2 m。通過經(jīng)濟(jì)性、施工難度、周期和方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)綜合考慮，此次改造選用車削葉輪直徑的方案。

值得注意的是，葉輪外徑切割量不大時(shí)，可以認(rèn)為切割前后效率相等，隨著切割量的增加，效率下降值也增加，尤其是高比轉(zhuǎn)速泵（如軸流泵、混流泵葉輪外徑一般不切割），對不同比轉(zhuǎn)速規(guī)定了最大允許切割量，不同比轉(zhuǎn)速最大允許切割量見表1。在切割葉輪時(shí)不應(yīng)超過最大允許切割量，以確保切削定律的準(zhǔn)確性和離心泵水力效率。由比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

表1 不同比轉(zhuǎn)速最大允許切割量Tab.1 Maximum permissible cutting amount at different specific speeds

式中：Q為泵容積流量，雙吸葉輪用Q/2代入，m3/s；H為揚(yáng)程，多級泵用一個(gè)葉輪的揚(yáng)程代入，m；n為泵的轉(zhuǎn)速，r/min。

計(jì)算出該泵比轉(zhuǎn)速為69.8，因此車削量不能超過葉輪直徑的15%，原葉輪直徑為?264.16 mm，即車削后葉輪直徑不能小于?224.54 mm。

經(jīng)過車削定律計(jì)算后，計(jì)算出D′的理論值為?247.49 mm。然而從大量的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榍懈钋昂蟮娜~輪出口寬度、面積、葉片出口角都可能發(fā)生較大變化，最大的變化約為10%，這樣就降低了葉輪切割定律的計(jì)算精度。在實(shí)際應(yīng)用中為了確保不發(fā)生車削過量造成葉輪報(bào)廢，往往進(jìn)行保守切割，增加切割次數(shù)來確認(rèn)要求的性能參數(shù)。結(jié)合泵廠家給出的水力模型核算結(jié)果，最終葉輪通過2次切割，直徑由264.16 mm車削到了254.25 mm，葉輪切割量為原直徑的3.75%，在允許切割范圍內(nèi)。

為保證6臺(tái)泵的轉(zhuǎn)子都可以進(jìn)行互換，并盡可能減少備件，透平驅(qū)動(dòng)泵和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵的葉輪進(jìn)行了相同的修整，使透平驅(qū)動(dòng)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)速恢復(fù)至與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵相同的2 980 r/min。葉輪切割后需對單個(gè)葉輪做靜平衡，轉(zhuǎn)子整體做動(dòng)平衡處理，以避免機(jī)組振動(dòng)過大。改造后泵殼需按17.2 MPa進(jìn)行水壓試驗(yàn)。改造完成葉輪切削后，泵的揚(yáng)程降低，電動(dòng)機(jī)做功減小，實(shí)際運(yùn)行功率降低，不影響電動(dòng)機(jī)使用，因此無需對電動(dòng)機(jī)改造，直接利舊。

3 機(jī)械密封改造

由于半貧泵入口壓力由20～60 kPa增加至1.2～2.0 MPa，泵的密封腔壓力也將隨之增加，因此需對機(jī)械密封進(jìn)行改造。原機(jī)械密封結(jié)構(gòu)形式為串聯(lián)式雙端面，沖洗方案為PLAN 11+53B，現(xiàn)改為了T-48VBB型背靠背雙端面結(jié)構(gòu)形式，沖洗方案不變，改造后機(jī)械密封裝配見圖3。

圖3 改造后機(jī)械密封裝配Fig.3 Assembly of mechanical seal after transformation

該型號機(jī)封為O型圈推進(jìn)式雙封加壓密封，內(nèi)部集成沖洗孔、螺旋狀泵效環(huán)；內(nèi)密封特殊設(shè)計(jì)，防止靜態(tài)反壓；優(yōu)化彈簧座設(shè)計(jì)，避免卡滯導(dǎo)致密封失效；背靠背設(shè)計(jì)，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)采用相同設(shè)計(jì)樣式，降低使用成本和零件庫存儲(chǔ)備。機(jī)封改造時(shí)，由于件21的軸向位置發(fā)生變化，需重新在軸表面鉆8個(gè)均布沉孔，以保證螺釘鎖死，防止軸套彈出。由于工作壓力改變，機(jī)封外部沖洗系統(tǒng)風(fēng)冷換熱器、管線、閥門、壓力表等相應(yīng)升級更換，囊式蓄能器、壓力變送器和隔離液加注泵利舊。

4 配套設(shè)施及參數(shù)優(yōu)化

1）更換半貧泵入口壓力表量程至2.5 MPa，以適應(yīng)較高的入口壓力。

2）半貧泵介質(zhì)出口設(shè)置有2個(gè)壓力變送器：PT-070972和PT-070918，并設(shè)有壓力高聯(lián)鎖，聯(lián)鎖值10.5 MPa。改造完成后，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵在試運(yùn)行時(shí)，當(dāng)處于小回流狀態(tài)時(shí)，出口壓力達(dá)到11.0 MPa，易觸發(fā)聯(lián)鎖，遂將聯(lián)鎖值修改為11.5 MPa，小于管道設(shè)計(jì)壓力13.0 MPa。

3）調(diào)整機(jī)封隔離液壓力變送器DCS量程，修改壓力低聯(lián)鎖值為1.44 MPa；蓄能器氮?dú)忸A(yù)充壓力1.2 MPa；控制隔離液壓力約為1.9 MPa。

4）半貧泵出口回流管線上設(shè)置有多級限流孔板（6級），設(shè)計(jì)正常流量75 m3/h，高于改造后泵的最小連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行流量65.1 m3/h。因此，未對回流管線和孔板作出整改。

5 改造效果

5.1 參數(shù)變化

半貧泵改造前后參數(shù)對比見表2。改造后委托第三方進(jìn)行性能測試，試驗(yàn)按驗(yàn)收等級1B進(jìn)行驗(yàn)收，測試結(jié)果顯示流量、揚(yáng)程、效率均達(dá)到預(yù)期效果，性能測試曲線見圖4，在允許誤差范圍內(nèi)?，F(xiàn)場對泵進(jìn)行了72 h連續(xù)運(yùn)行測試，泵前后端軸承溫度及振動(dòng)均在正常范圍內(nèi)，半貧泵改造后狀態(tài)參數(shù)見表3，各工藝參數(shù)穩(wěn)定，設(shè)備運(yùn)行正常。

圖4 性能測試曲線Fig.4 Performance test curve

表2 半貧泵改造前后參數(shù)對比Tab.2 Parameters comparison of semi-lean sulfinol pump before and after transformation

表3 半貧泵改造后狀態(tài)參數(shù)Tab.3 State parameters of semi-lean sulfinol pump after transformation

5.2 工況改善

相比改造前，泵入口壓力提升較大，有利于灌泵、排氣操作；該泵原來用于輸送來自SCOT吸收塔的半貧砜胺液，含有大量固體雜質(zhì)，而泵入口管線上有一U型彎，易存積固體污物，不易被清洗除凈，管道存在設(shè)計(jì)不合理，總硫改造后泵用于輸送貧砜胺液，介質(zhì)較干凈，泵的耐磨環(huán)、節(jié)流襯套和中間軸套[16]等部件使用工況更佳，能有效避免因介質(zhì)臟堵而致使泵抱死的故障出現(xiàn)。

5.3 經(jīng)濟(jì)效益

半貧泵改造后，由于軸功率減小，透平驅(qū)動(dòng)泵蒸汽用量由16 000 kg/h左右降低到了14 000 kg/h左右，單臺(tái)泵可節(jié)約中壓蒸汽2 000 kg/h；電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵電流由41 A降低到35 A，電流降低6 A，單臺(tái)泵1 h大約可節(jié)約電量93.5 kWh，一年按330 d生產(chǎn)，電價(jià)按0.6元/kWh計(jì)算，單臺(tái)泵年累計(jì)節(jié)電74×104kWh，可節(jié)約成本44.4萬元，若全年使用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泵三列裝置可節(jié)約成本133.3萬元，改造前后能耗對比見表4。

表4 改造前后能耗對比Tab.4 Comparison of energy consumption before and after transformation

6 結(jié)語

在面對日益嚴(yán)苛的商品天然氣標(biāo)準(zhǔn)和尾氣排放要求下，天然氣凈化廠的裝置和設(shè)備需做出適當(dāng)?shù)母脑旌蛢?yōu)化，方能滿足生產(chǎn)需求。通過闡述在該背景下，對半貧泵葉輪進(jìn)行切削來降低其揚(yáng)程；改造機(jī)械密封及其沖洗系統(tǒng)和附件，以滿足新工藝需求。以較低的成本和改造周期，實(shí)現(xiàn)了對原6臺(tái)進(jìn)口設(shè)備潛力的再挖掘和利用。改造后的半貧泵工況改善，運(yùn)行平穩(wěn)，故障率較低，蒸汽耗量和電耗均有所下降，每年可節(jié)約電費(fèi)133.3萬元。此改造方法操作簡單，無需增設(shè)其他裝置或設(shè)備，在改造的同時(shí)降低了能耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本，為其他天然氣凈化裝置的改造提供了一定的借鑒意義。