煤直接液化裝置減壓塔底泵的改造設計

王 黎 張 浩 陳德泉

（神華鄂爾多斯煤制油公司）（上海福思特流體機械有限公司)

神華煤直接液化百萬噸示范項目是世界首套煤直接液化工業示范項目，對保障我國的能源戰略安全具有十分重要的戰略意義。該項目主要由煤液化裝置、加氫穩定裝置、加氫改質裝置、煤制氫裝置構成[1]。其中，在神華煤直接液化裝置中，用于高溫煤漿輸送的泵全部為進口產品。油煤漿混合罐底泵、煤漿催化劑混合罐底泵的作用是將油煤漿初步加壓輸送至煤漿進料泵的入口，同時部分油煤漿返回混合罐以保持油煤漿的循環，防止或減少漿料中固體顆粒的沉積。常壓塔底泵將常壓塔底的煤漿抽出，作為減壓塔進料。減壓塔底泵將減壓塔底的含固高溫物料抽出，一部分作為減壓塔底循環油漿，另一部分送至油渣成型裝置。本文就減壓塔底泵的運行工況和介質條件進行了分析，并對泵的結構提出了優化和改造方案。

1 改造原因

減壓塔底泵，其最高工作溫度為345℃，所輸送的殘渣主要由煤中礦物質、催化劑、未反應的煤、瀝青烯及少量的中油、重油組成。由于殘渣中煤、鐵系催化劑的存在，介質有很高的磨蝕性，而瀝青烯等高黏度物質的存在導致殘渣的輸送很困難。

由于減壓塔底泵 （因其工藝編號為103-P-315，故以下簡稱315泵）泵體無夾套，因此備泵的熱備狀態很難保持。另外由于工藝條件改變，原泵流量已不能滿足要求，故在原315A、315B泵基礎上增加一臺315C泵，315C泵流量放大至200 m3/h，其他參數與原泵相同。315泵的工況及介質條件如表1所示。

表1 315泵概況

2 主要技術難點

根據315泵工況及介質條件，該泵的設計主要存在以下幾個難點：

（1）由于泵在高溫下工作，必須考慮泵從低溫到高溫的暖泵及熱備方式。

（2）必須考慮對于高溫高含固量介質機械密封的可靠性。

（3）對于全內襯雙殼體泵的結構設計，由于泵的體積較大，需考慮泵的拆裝簡便。

（4）提高泵運行的自動化水平，對泵的各項運行參數進行監控。

（5）高溫對泵配合尺寸的影響。

（6）高溫條件下工作的耐磨材料，其材質較脆，在暖泵溫升過程中易受溫差應力的影響而開裂。

3 設計方案

3.1 暖泵方案

原泵采用的暖泵方式是利用外接的高溫導熱油注入泵體，通過控制流量來控制溫升速度，以達到暖泵的目的。采用該暖泵方式存在一些不足：

（1）由于泵輸送的介質含固體，盡管在泵的停車過程中有沖洗程序，但很難保證泵內的清潔程度，因此很容易污染導熱油系統，降低導熱油的使用壽命。

（2）溫升速度由手動控制，為減少溫升速度對泵零件的影響，通常暖泵時間長，因而操作強度大。

（3）暖泵時，高溫導熱油直接與脆性耐磨襯里接觸，耐磨襯里很容易受溫差應力影響而開裂。

針對以上不足，我們采用一種全新的暖泵方式。具體原理為利用泵的關死功率，在暖泵時將泵進出口閥門關閉，泵內注入柴油或其他熱媒，然后啟動泵，泵的關死功率直接轉換為熱能對泵內熱媒加溫，由泵內熱媒來提升整個泵體溫度，同時通過控制泵的轉速來控制輸入功率，以達到控制溫升的目的。這種暖泵方式的好處是：（1）整個過程可通過控制系統由程序控制，自動完成。（2）由于泵體熱媒與泵體同步升溫，因而可將溫差應力減小至最低，減少對泵零件的傷害。

此外，在泵體前后蓋板上設保溫夾套，通過注入高溫導熱油保持泵體溫度，同時泵體外部覆蓋微孔硅酸鈣等保溫材料，以維持泵的熱備狀態。

該暖泵方式已獲發明專利授權。

3.2 機械密封

泵的機械密封系統參照API682標準的plan13、plan32和plan53結構設置。其中plan13的結構是將泵吸入口與密封腔連通，通過定期短時開啟防止密封腔介質結焦。plan32為外接沖洗油系統，通過導向裝置直接對介質端密封端面進行沖洗，以保護機封。plan53為雙端面機械密封隔離液系統。為保證機封正常運行溫度，除了系統熱虹吸罐自帶冷卻外，還增加了外接油水換熱器，并在系統管路配置強制循環泵，保證機封冷卻效果。

在機械密封結構方面，采用雙端面背靠背設置，摩擦副采用硬質合金與碳化鎢硬對硬，外接沖洗油注入后經過導向套對介質端密封端面進行沖洗。機封設兩處螺紋泵，一處用于隔離液強制循環，另一處用于將對介質端密封端面進行沖洗的沖洗油送入密封腔，保證沖洗油的沖洗及隔離效果。機械密封結構如圖1所示。

3.3 前后開門結構

雙殼體全內襯泵內部結構復雜，并且機封系統管路較多。對于傳統的后開門結構型式，開泵檢修時需拆卸機封系統諸多管路及中間聯軸器，將泵轉子整體吊出后再檢修維護，在現場空間狹小、管路走向復雜的條件下有諸多不便。為此對泵的結構進行調整，保留傳統的后拆方式，增設前開門結構，這樣只需拆除進口短接管即可更換除軸承外的所有易損零件。

3.4 自動化控制

根據泵自動化運行及暖泵程序要求，泵自動控制系統配置PLC，再通過通訊與用戶DCS系統連接，系統PLC完成暖泵及自動運行所需的大部分工作，用戶DCS只需處理PLC發送的報警信號。

圖1 機械密封結構

3.5 有限元分析

針對前述的技術難點 (5)和 (6)，利用計算機軟件對部分零件進行有限元分析。為避免溫差應力對泵體零件的影響，對部分零件進行分析，確定安全溫升速度，同時根據分析結果，修改零件的固定方式即約束條件，將應力產生的影響降到最小。溫差應力對零件的影響如圖2所示。

圖2 溫差應力對零件的影響

由于熱膨脹導致泵內間隙變化，對泵的穩定運行有很大的影響，一方面通過對零件的有限元分析，確定零件的最大位移尺寸，在設計時就予以預留；另一方面設置泵轉子的軸向竄動調整裝置，以方便調節主軸的軸向間隙，同時補償葉輪磨損，提高葉輪使用壽命及泵效率。高溫對零件配合的影響如圖3所示。

圖3 高溫對零件配合的影響

4 改造結果

根據以上方案對泵進行改造，由上海福思特流體機械有限公司研制的MJ200-110型高溫煤漿泵已在神華鄂爾多斯煤制油分公司第一條生產線上作為減壓塔底泵使用，該泵的結構如圖4所示。

圖4 MJ200-110型泵結構

該泵從2009年8月22日起使用至今已運行了12000 h，且運行狀況良好，完全可替代進口產品。由于減壓塔底泵 （系高溫耐磨離心泵，工藝編號為103-P-315）在煤制油裝置中操作條件最為苛刻，所以該泵的改造成功意味著其他泵，例如常壓塔底泵、油煤漿混合罐底泵等耐磨離心泵，完全可以實現國產化。

[1] 茍榮恒,胡聰.神華煤直接液化加氫改質裝置能耗分析及優化 [J].化學工業與工程技術,2011,32(4)：55-57.

[2] 陳德泉,周邵萍，邢改蘭，等.鍋爐油渣泵溫度場分析[J].流體機械，2010，38 （9）： 43-46.