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        煤漿給料泵出口緩沖系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

        2021-12-04 09:09:26劉道文
        氮肥與合成氣 2021年12期
        關(guān)鍵詞:煤漿緩沖器軟管

        劉道文,馮 功

        (陜西未來能源化工有限公司,陜西榆林 719000)

        1 概況

        陜西未來能源化工有限公司煤制油分公司設(shè)計(jì)年產(chǎn)能115萬t油品和化工產(chǎn)品(柴油79萬t、石腦油26萬t、液化石油氣10萬t),年轉(zhuǎn)化利用煤炭500萬t。主要裝置包括:4套空分裝置、8套多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置、3套低溫甲醇洗裝置、1套費(fèi)托合成裝置。2015年7月31日氣化裝置一次性投料試車成功,2015年8月23日打通全流程,生產(chǎn)出合格油品。

        陜西未來能源化工有限公司煤制油分公司采用國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置,單套氣化裝置設(shè)計(jì)投煤質(zhì)量流量為2 000 t/d,共有8套(6開2備)。煤漿給料泵采用德國(guó)菲魯瓦(FULEWA)公司的雙缸雙作用隔膜-軟管-柱塞泵,共16臺(tái)。在氣化裝置中,煤漿給料泵的運(yùn)行效果直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,是氣化裝置最關(guān)鍵的機(jī)泵,被列為廠控關(guān)鍵設(shè)備。該煤漿給料泵的型號(hào)為ZGL 300/250-2K 190-4SM 460 HD(泵外形圖見圖1),每臺(tái)泵設(shè)置4套出口緩沖系統(tǒng),型式為軟管-氣囊緩沖,單套緩沖容積為20 L,氣囊充氣壓力約為泵的正常出口壓力的80%(約3.8 MPa)。每缸(2套軟管-氣囊緩沖系統(tǒng),緩沖容積為40 L)對(duì)應(yīng)1個(gè)燒嘴,主要對(duì)泵的出口煤漿壓力起到“削峰填谷、消減波動(dòng)”的作用,從而實(shí)現(xiàn)出口壓力的相對(duì)穩(wěn)定[1-4]。

        圖1 煤漿給料泵外形圖

        2 改造前運(yùn)行現(xiàn)狀

        2.1 緩沖系統(tǒng)

        改造前緩沖系統(tǒng)采用軟管-氣囊緩沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、易損點(diǎn)多、檢修復(fù)雜、工作量大,具體結(jié)構(gòu)形式見圖2。

        圖2 軟管-氣囊緩沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        軟管內(nèi)部為介質(zhì),軟管與氣囊之間使用液壓油進(jìn)行填充,起到壓力傳遞作用和潤(rùn)滑作用。軟管盤閥和氣囊盤閥主要對(duì)軟管和氣囊起保護(hù)作用,防止因壓力頻繁波動(dòng)造成軟管和氣囊損壞。軟管盤閥和氣囊盤閥使用彈簧來抵消軟管和氣囊對(duì)盤閥的沖擊,保證液壓油傳遞通道的暢通。在停車憋壓狀態(tài)(出口壓力約為7.0 MPa)時(shí),軟管盤閥處于關(guān)閉狀態(tài),氣囊盤閥處于最大開啟狀態(tài);在一般停車狀態(tài)(出口壓力約為0 MPa)時(shí),軟管盤閥處于最大開啟狀態(tài),氣囊盤閥處于關(guān)閉狀態(tài)。無論是軟管盤閥還是氣囊盤閥長(zhǎng)時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)(彈簧處于極限壓縮狀態(tài)而盤閥螺栓處于極限受力狀態(tài))時(shí)都將會(huì)對(duì)其使用壽命造成影響。

        與此同時(shí),在系統(tǒng)開車升壓過程中,當(dāng)泵的出口壓力達(dá)到緩沖臨界壓力(約為氣囊充氣壓力的80%,即2.9 MPa)時(shí),此時(shí)泵的出口壓力+彈簧力=氣囊充氣壓力,軟管盤閥處于開啟狀態(tài),而氣囊盤閥處于臨界開啟狀態(tài)。受升壓速率(要求升壓速率為0.1 MPa/min)和泵出口壓力波動(dòng)的影響,氣囊盤閥在開啟和關(guān)閉狀態(tài)上進(jìn)行頻繁切換,并與罐體進(jìn)行激烈撞擊,造成氣囊盤閥疲勞損傷加劇,最終導(dǎo)致被迫檢修,從而影響了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì),每年因被迫停車檢修次數(shù)約為3次。

        在實(shí)際運(yùn)行過程中采取2個(gè)措施:(1)提高升壓速率,減少氣囊盤閥在臨界開啟狀態(tài)的停留時(shí)間;(2)停車后對(duì)氣囊盤閥和軟管盤閥進(jìn)行檢查更換。但是此時(shí)又產(chǎn)生了其他問題:首先,升壓速率過快會(huì)對(duì)壓力容器的使用壽命產(chǎn)生影響;其次,備件的頻繁更換增大了生產(chǎn)成本;最后,大量復(fù)雜的檢修量造成了檢修任務(wù)的繁重,形成了人力資源的浪費(fèi)。

        2.2 系統(tǒng)運(yùn)行狀況

        系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),泵出口壓力主要受氣化爐爐膛壓力影響,壓力讀數(shù)以軟管-氣囊緩沖系統(tǒng)就地壓力表波動(dòng)的中間值為準(zhǔn),正常運(yùn)行時(shí)壓力讀數(shù)在5.0~5.4 MPa,即波動(dòng)振幅為0.20 MPa,單缸出口體積流量控制在25~31 m3/h。

        3 改造方案

        3.1 改造要求

        對(duì)原緩沖系統(tǒng)進(jìn)行更換,更換新的球形氣囊式緩沖器,并要求緩沖器滿足以下條件:

        (1)考慮系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性,要求降低氣囊緩沖系統(tǒng)就地壓力表波動(dòng)在0.20 MPa以內(nèi),即波動(dòng)振幅不大于±0.10 MPa。系統(tǒng)壓力大幅度變化時(shí),要求改造后的緩沖系統(tǒng)能夠運(yùn)行可靠、平穩(wěn)。

        (2)考慮公司實(shí)際生產(chǎn)情況,改造系統(tǒng)需要盡快進(jìn)入備車狀態(tài)。因此,要求在滿足額定流量的要求下,改造工作量小、成本低、周期短。

        (3)考慮輸送介質(zhì)具有磨損、腐蝕、高壓等特性,要求保證產(chǎn)品強(qiáng)度。外殼采用壓力鑄造的方法進(jìn)行制造,且內(nèi)壁光滑,進(jìn)行10.0 MPa壓力試驗(yàn)。底部接管要求采用耐磨材質(zhì)。

        (4)考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝空間及操作、維修的方便性,要求盡可能減輕質(zhì)量,并配有吊扣。

        3.2 改造參數(shù)

        煤漿給料泵的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。煤漿給料泵的輸送介質(zhì)為水煤漿,其參數(shù)見表2。緩沖系統(tǒng)出口采用DN125管道,管道壁厚為12.5 mm,材質(zhì)為20號(hào)鋼,符合GB 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》要求。

        表1 煤漿給料泵設(shè)計(jì)參數(shù)

        表2 水煤漿參數(shù)

        3.3 改造內(nèi)容

        每臺(tái)煤漿給料泵配置2個(gè)球形氣囊式緩沖器,兩側(cè)煤漿出口管道配置各1個(gè),原軟管-氣囊緩沖系統(tǒng)進(jìn)行隔離退出。

        緩沖器采用球形本體內(nèi)置橡膠囊結(jié)構(gòu)形式。

        緩沖器表面顏色與目前煤漿泵顏色一致,防腐涂層工藝采用烤漆工藝。

        遷移實(shí)驗(yàn):將3×104個(gè)細(xì)胞置于上室中(孔徑8 μm),下室填充無血清培養(yǎng)基,細(xì)胞在Transwell小室中培養(yǎng)48 h后用于遷移測(cè)定,遷移的細(xì)胞被1%的結(jié)晶紫染色,隨機(jī)選擇5個(gè)視野,在倒置顯微鏡下計(jì)數(shù)遷移到下側(cè)的細(xì)胞數(shù)。侵襲實(shí)驗(yàn):將基質(zhì)膠在4℃條件下過夜融化,并與3倍體積的無血清培養(yǎng)基混合均勻后加入24孔Transwell小室(每孔50 μL),其余實(shí)驗(yàn)步驟及方法同遷移實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

        煤漿給料泵出口水平管道長(zhǎng)度為3 000 mm,緩沖器放置在該段管道原出口閥門處。

        水平管道上的泵出口閥門后移至豎直管道上安裝。

        改造后的緩沖系統(tǒng)見圖3。

        圖3 改造后的緩沖系統(tǒng)

        3.4 改造氣囊容積的選擇

        用于吸收煤漿給料泵出口壓力脈動(dòng)的氣囊式緩沖器,其容積為:

        V0=q×i÷(d×k)

        (1)

        式中:V0為緩沖器容積,L;q為煤漿給料泵每回轉(zhuǎn)一次單缸的排量,L/r;i為排量變化率,取固定值0.51;d為氣囊充氣壓力與泵的排出壓力的比值;k為脈動(dòng)變化率=脈動(dòng)壓力振幅/泵的排出壓力。

        煤漿給料泵每分鐘回轉(zhuǎn)次數(shù)取最大值58 r/min;煤漿給料泵的最大體積流量為71.7 m3/h,則每缸出口體積流量最大值為35.85 m3/h,煤漿給料泵每回轉(zhuǎn)一次單缸的排量約為10.30 L/r。

        氣囊的充氣壓力一般為煤漿給料泵排出壓力的50%~80%,考慮泵在運(yùn)行過程中氣囊各接口可能存在泄漏現(xiàn)象,因此計(jì)算時(shí)按照50%計(jì)算,實(shí)際運(yùn)行過程中可按照70%~80%進(jìn)行充壓。

        將上述數(shù)據(jù)代入式(1),可計(jì)算得到改造氣囊容積約為74.5 L。因此,在改造時(shí)氣囊式緩沖器容積選取了75 L。

        4 運(yùn)行效果

        在系統(tǒng)開車升壓過程中,當(dāng)煤漿給料泵的出口壓力低于4.0 MPa時(shí),出口緩沖氣囊不起作用;當(dāng)煤漿給料泵的出口壓力達(dá)到4.0 MPa時(shí),氣囊開始工作。煤漿給料泵的出口壓力波動(dòng)幅度減小,此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)緩沖罐由于去掉了盤閥等部件,現(xiàn)場(chǎng)沒有異響和振動(dòng),所以系統(tǒng)的升壓過程也比較平緩。

        系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),運(yùn)行效果可以通過系統(tǒng)壓力曲線趨勢(shì)(見圖4)進(jìn)行比較,每10 min取值1次,時(shí)限2 h。

        圖4 改造前后系統(tǒng)壓力趨勢(shì)對(duì)比圖

        由圖4可以看出:改造前正常運(yùn)行時(shí)壓力為4.96~5.34 MPa,就地壓力表波動(dòng)范圍為0~0.38 MPa,即波動(dòng)振幅為±0.18 MPa;改造后正常運(yùn)行時(shí)壓力為5.05~5.24 MPa,就地壓力表波動(dòng)范圍為0~0.19 MPa,即波動(dòng)振幅為±0.095 MPa,波動(dòng)幅度較改造前有了明顯改善。

        5 效益分析

        5.1 經(jīng)濟(jì)效益

        (1)穩(wěn)定煤漿給料泵的運(yùn)行,避免因緩沖系統(tǒng)損壞導(dǎo)致的被迫停車;每次開停車的氣體排放浪費(fèi)及檢修材料的消耗等按100萬元計(jì)算,每年至少節(jié)約300萬元。

        (2)降低檢修費(fèi)用。改造前每次停車需要對(duì)緩沖系統(tǒng)進(jìn)行檢查并更換部分零部件,改造成球型緩沖罐后易損件的使用壽命預(yù)計(jì)可以達(dá)到5 a,每年可節(jié)約因緩沖罐零部件損壞形成的備件費(fèi)用約50萬元。

        5.2 社會(huì)效益

        (1)降低在系統(tǒng)開車升壓階段及停車泄壓階段對(duì)煤漿給料泵出口緩沖罐沖擊導(dǎo)致的易損件損壞的風(fēng)險(xiǎn),降低設(shè)備的故障率,提高單系統(tǒng)運(yùn)行周期,穩(wěn)定運(yùn)行能力,提高氣化裝置的運(yùn)行效率,有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn),具有良好的社會(huì)效益。

        (2)減小檢修難度,有效提高檢修進(jìn)度,縮短檢修時(shí)間,保證系統(tǒng)的正常備車,同時(shí)可以節(jié)省勞動(dòng)力。

        6 結(jié)語

        通過對(duì)煤漿給料泵出口緩沖系統(tǒng)的研究與應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了消除設(shè)備故障和減小煤漿壓力波動(dòng)的預(yù)期目的。自2019年3月2套系統(tǒng)煤漿給料泵改造完成,并經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用驗(yàn)證后,2020年3月—4月完成了剩余6套系統(tǒng)煤漿給料泵的改造,總體運(yùn)行平穩(wěn),改造效果良好。

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