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        減壓塔底泵關(guān)鍵技術(shù)研究

        2021-12-23 06:28:20谷偉偉中國(guó)石化安慶石化分公司煉油二部安徽安慶246000
        化工管理 2021年33期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        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(guān)、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(kāi)展了“減壓深拔”、“焦化提高操作負(fù)荷”等專(zhuān)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(kāi)一備),并要滿(mǎn)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??量痰膽?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。可以看出方案A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(mǎn)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(xiàn)

        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?,如減底泵、常底泵、催化油漿泵等,該類(lèi)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(mǎn)、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(kāi)發(fā)更大型的高溫?zé)嵊捅卯a(chǎn)品已經(jīng)勢(shì)在必行。

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