李毅欣
(中國石化洛陽(廣州)工程有限公司,設(shè)備室機械專業(yè),廣東 廣州 510700)
目前,用于低流量高揚程工況的輸送設(shè)備主要有:往復(fù)泵、高速泵、旋殼泵、多級離心泵和旋渦泵[1]。而在石油化工裝置中,隨著反應(yīng)壓力的不斷升高,裝置建設(shè)大型化,離心式轉(zhuǎn)動設(shè)備的優(yōu)點突顯。在石化加氫單元中,注水泵是典型的低流量高揚程工況。本文主要介紹旋殼泵、高速離心泵和多級離心泵在該工況下的應(yīng)用情況,并對其原理、特點和使用情況進行了比較,可為相關(guān)的工程設(shè)計選型和現(xiàn)場實際操作提供參考。
圖1 旋殼泵的剖面結(jié)構(gòu)圖
旋殼泵由F.W Krogh在1923年申請了發(fā)明專利,由于集流管使用了皮托管的原理,所以旋殼泵也稱作皮托管泵[2]。第一臺旋殼泵在1962年投入生產(chǎn)使用[3]。而在1987年,旋殼泵第一次被引進,并應(yīng)用于炭黑工藝的改造中[4]。
旋殼泵通過轉(zhuǎn)子腔與葉輪組成的轉(zhuǎn)子,使泵送介質(zhì)獲得動能。而靜止不動的集流管(皮托管)則把流體的動能轉(zhuǎn)化為靜壓能輸出。旋殼泵的剖面結(jié)構(gòu)詳見圖1。由于旋殼泵葉輪與轉(zhuǎn)子腔同步旋轉(zhuǎn),幾乎無圓盤摩擦損失[5]。旋殼泵因結(jié)構(gòu)緊湊、易損件少、機封壽命較長、性能曲線平滑而無需回流等優(yōu)勢,逐漸在煉油化工領(lǐng)域推廣和使用。
而旋殼泵缺點在于:對輸送介質(zhì)的清潔度要求較高;不適用于輸送含氣或密度過低易汽化的介質(zhì);入口壓力不能超過25bar;以及在揚程>1000m時的,集液管容易振動[6]。在國內(nèi)某加氫裝置中曾發(fā)生皮托管因彎頭處應(yīng)力消除不足,而發(fā)生疲勞斷裂事故(圖2)。
圖2 旋殼泵皮托管斷裂圖
高速離心泵使用全開式葉輪,葉片程放射型直葉片,由Barske, U.M. 在1960年發(fā)表[7]。高速泵通過極高的速轉(zhuǎn)建立高揚程,單級揚程高是其突出的特點之一,可高達1900 m,在底比轉(zhuǎn)速80以下能發(fā)揮特別高的性能,而且沒有扣環(huán),所以不會產(chǎn)生由于口環(huán)磨損而引起性能下降的現(xiàn)象[8],但也因為高轉(zhuǎn)速使其難以克服噪音較大的缺點。
高速泵主要有臥式和立式兩種,立式的高速泵具有更加緊湊的結(jié)構(gòu)。需要注意的是,在石油化工行業(yè)中入口誘導(dǎo)輪設(shè)計應(yīng)當(dāng)避免使用。高轉(zhuǎn)速還會影響到機械密封的使用壽命。此外,高轉(zhuǎn)速還需強制潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)等,增加設(shè)備使用和維護的難度。在流量特別低的工況下,仍然需要回流,增加能耗的損失。
圖3 高速離心泵結(jié)構(gòu)圖
臥式多級離心泵技術(shù)十分成熟,運行平穩(wěn),對于介質(zhì)的要求比旋殼泵和高速泵低。相比之下的缺點在于:①軸系長,易損件多,需要備件量大;②在流量特別低的工況下需要打回流,以至整體效率下降;③在需要齒輪增速的情況下,其采購成本要遠高于旋殼泵和高速泵。
圖4為各泵廠樣本數(shù)據(jù)綜合后,各泵型的操作范圍圖譜。從圖譜中可以看出:①在流量小于8 m3/h時,旋殼泵具有比較大的優(yōu)勢,而高速泵和多級泵則需要打回流而損失效率;②在揚程高于1200 m時,高速泵具有比較大的優(yōu)勢,旋殼泵已經(jīng)比較難選型,而多級泵則需要考慮增速方案。
圖4 各泵型操作范圍圖譜
某中壓加氫裂化裝置,設(shè)置了反應(yīng)注水泵2臺,是典型的低流量高揚程工況,裝置初建時選用的是旋殼泵。隨后裝置改擴建時,因注水量的增加,新增了一臺高速離心泵。操作參數(shù)與另外兩臺泵一樣,并聯(lián)運行。該裝置第二次改造時,選用臥式多級泵,多級泵的流量較旋殼泵大,替換裝置原有的兩臺旋殼泵,與高速泵并聯(lián)運行。
表1比較了三種泵型的參數(shù),以及現(xiàn)場反饋的使用情況。
表1 各泵型主要性能參數(shù)對比
表1(續(xù))
圖5 各泵型性能曲線對比圖
①從對比圖中可見,旋殼泵在小流量區(qū)域有比較平滑,并穩(wěn)定連續(xù)上升的曲線,因此在可操作流量范圍內(nèi),可以平穩(wěn)的運行。
②由于高速離心泵的葉輪是針對每個額定工況特殊設(shè)計的,其可操作范圍比較窄,性能曲線比較陡,曲線在額定點至關(guān)死點容易出現(xiàn)駝峰。超過額定流量時,高速離心泵所提供的揚程和效率會集聚下降。
③多級離心泵曲線平緩,可操作區(qū)域廣,在可操作區(qū)域內(nèi)效率較高。但是由于最小流量的限制,在極小流量區(qū)域操作需要回流,以至于效率的損失較大。
2.3.1 旋殼泵與高速離心泵并聯(lián)
在第一次改造時,增設(shè)了高速離心泵,與旋殼并聯(lián)運行。雖然額定流量點參數(shù)完全一致,但由于高速離心泵的曲線較陡,因此隨著流量減小,高速泵的揚程上升較旋殼泵快,并超過旋殼泵關(guān)死點揚程,導(dǎo)致旋殼泵出口憋壓,旋殼泵的流量迅速進入最小流量區(qū)域,這也是用戶反映旋殼泵振動過大的原因之一。
從對比圖中可以看出,出口總流量小于30 m3/h就會造成旋殼泵憋壓振動??梢姡僭俚谝淮胃脑旌?,并聯(lián)操作的穩(wěn)定區(qū)域在30~40 m3/h之間,工藝所需的正常操作流量為36.3 m3/h,設(shè)備可在此區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定的運行。②而20~30 m3/h為該并聯(lián)系統(tǒng)的不穩(wěn)定操作區(qū)域,需要通過旁路進行調(diào)節(jié)。③當(dāng)所需流量小于20 m3/h時,可考慮關(guān)停高速離心泵,僅使用旋殼泵進行操作。
2.3.2 多級離心泵與高速泵并聯(lián)運行
在第二次改造時,兩臺多級離心泵替換了原來的兩臺旋殼泵,與高速離心泵并聯(lián)運行。多級離心泵的額定流量點較高速泵額定流量大,其性能曲線完全在高速離心泵之外,沒有交點,因此在流量減少時,容易對高速離心泵造成憋壓,使高速離心泵進入最小流量區(qū)域,造成振動。
從對比圖中可以看出:①改造后,35~53 m3/h為新的并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定操作區(qū)域,工藝所需的正常操作流量為48 m3/h,設(shè)備可在此區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運行。②而0~35 m3/h均為該并聯(lián)系統(tǒng)的不穩(wěn)定操作區(qū)域,低于該流量時,均需要對高速離心泵和多級離心泵設(shè)置旁路,以避免離心泵進入最小流量區(qū)域操作,而此時系統(tǒng)效率會降低。
①流量0~30 m3/h,揚程小于1400 m時,旋殼泵具有良好的適用性。特別是流量小于流量0~8 m3/h,揚程小于800 m時,旋殼泵的效率具有明顯優(yōu)勢,揚程在800~1400 m的旋殼泵仍以引進為主[6]。②流量10~70 m3/h,揚程高于1400 m時,高速離心泵能夠提供更高的揚程,最高可達2100 m。但在石油化工行業(yè),揚程高于1400 m的工況相當(dāng)罕見。③流量30~110 m3/h,揚程小于1400 m時,多級離心泵具有更高的效率和更好的操作穩(wěn)定性,但是離心泵的一次投入費用較高。當(dāng)揚程高于1400 m時,多級離心泵將要考慮齒輪增速的方案,并且或許增設(shè)油站,因此會進一步增加投資費用、配套復(fù)雜的潤滑油系統(tǒng),設(shè)備易損件增多,增加檢修的困難等。
不同的離心泵并聯(lián)操作,都會出現(xiàn)操作不穩(wěn)定區(qū)域,揚程較低的泵在該區(qū)域操作將會出現(xiàn)振動。因此,在設(shè)計并聯(lián)系統(tǒng)時,應(yīng)了解不同離心泵性能曲線的特點,以及工藝操作點應(yīng)當(dāng)落在并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定操作區(qū)域之內(nèi)。在并聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)當(dāng)考慮對離心泵設(shè)置最小流量返回線。雖然會造成效率的損失,但是對設(shè)備的保護是必須的。