一種大功率液相加氫循環油泵的研發

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(1中海油惠州石化煉油六部，廣東惠州 516086； 2佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

隨著經濟的發展，環境污染問題日益嚴重，其中油品燃燒產生的污染尤為嚴重。為了減少這種污染，各國紛紛加大油品品質控制的力度。2009年歐盟國家實施歐Ⅴ排放標準，2010年中國開始實施國Ⅲ標準(相當于歐Ⅲ)，北京、上海實施地方標準(相當于歐Ⅳ)。為了達到這些標準，需要對油品進行進一步精制，而油品精制最重要的工藝是加氫工藝。

1 技術要求

連續液相加氫工藝以高溫高壓液相循環取代了傳統滴流床加氫技術中的循環系統。流程中裝設循環泵，將一部分反映產物從熱高壓分離器抽送至反應器，以維持催化劑床層間的連續液相環境和需要的氫分壓。該電泵應用于2區，IIC場所，需要采用防爆結構。其典型參數為操作溫度347℃～397℃，入口壓力9.8MPa，介質是溶解大量的硫化氫(濃度為0.75%)和氫氣(濃度為0.25%)的柴油，揚程約100m。由于其入口壓力和溫度都非常高，如選擇普通離心泵，則無法找到機械密封的解決方案，只有隔爆型高溫高壓屏蔽泵才能滿足要求。

2 技術分析

屏蔽電泵是一種無泄漏泵，泵的葉輪和電動機轉子直接連接，并在同一密封殼體內，不需采用填料函或機械密封結構，從根本上消除了被輸送介質的外漏。電機的定子和轉子用薄壁非磁性圓筒(稱屏蔽套)與介質隔離，稱之為屏蔽電泵也是出于這個特點，故屏蔽電泵又稱無填料泵、密閉電動泵等。因為其完全不泄漏的特點，廣泛應用于化工、石油化工、煤炭化工、醫藥、紡織、核電站、軍工等行業。

高壓屏蔽電泵有兩種結構形式：臥式，立式。根據對裝置使用的調研，認為采用臥式結構更為方便，且國內已經具備研發基礎條件。根據工況分析這種電泵是隔爆型臥式高溫高壓屏蔽電泵，為防止介質中腐蝕性成分對電機造成損壞，在泵的電機側設置一臺計量泵，向電機腔注入常溫的清潔柴油，以防止腐蝕性的高溫介質進入電機腔。電泵是柴油加氫裝置壓力邊界的組成部分，能保證壓力邊界的結構完整性。電泵的電動機及配套裝置的電氣設備制成隔爆型，在環境氣體含有氫氣時可以安全的工作。

3 技術方案

對整機技術要求進行分析后，發現有以下單項技術關鍵點：有多個流量不同的工況，且要求電泵結構緊湊，需要專門設計水力部件；臥式結構要求軸承能承受較大的徑向載荷，能在一定的轉速范圍內調速工作，且連續運行時間要達到3年以上，軸承結構和材料需要專門研究。要求電動機體積盡量小，以降低成本，這就需要全新的設計電磁方案。

3.1 總體結構設計

電泵為屏蔽電動機驅動的臥式屏蔽泵機組，由泵、電動機、注液裝置、冷卻器、各種監控裝置、安全裝置以及連接管路組成，所有組件固定在一個公共底座上。為減少泵端熱量向電動機傳導，在泵與電動機之間設有縮頸形式的隔熱屏(習慣上稱為連接體)。連接體法蘭分別與電機前法蘭和泵法蘭通過密封連接成一個整體。泵的進口為水平軸向，出口為豎直向上，與系統管道采用法蘭連接(八角墊密封)。泵為單級、單吸、離心泵，泵葉輪直接裝在電動機轉子軸端，用流線型葉輪帽緊固。葉輪入口設有導葉(穩流)，為了減少徑向尺寸，葉輪出口設置導流件(將液流方向由徑向改為軸向)和雙流道螺旋形出口，出口導葉與泵體流道共同組成徑向雙蝸殼流道。機組的軸向力，通過采取不同直徑的葉輪(前后)密封環、在葉輪上開平衡孔、設置軸向力自動平衡裝置結合選取合理的注液流量實現，保證電泵在不同流量運轉時轉子均處于平衡狀態(推力軸承不承受軸向力)，并設置軸向位置傳感器監測轉子位置。潤滑油加氫屏蔽電泵裝置(見圖1)一致。

圖1泰州潤滑油加氫裝置

3.2 水力部件設計

葉輪選用成熟水力模型，進行換算設計，并對設計結果進行CFD分析和優化。分析得到的流量-效率曲線見圖2，流量-揚程曲線見圖3，通過數值模擬分析優化后方案效率80.8%，揚程128.1m，因此滿足需求。

圖2流量-效率曲線圖

圖3流量-揚程曲線

3.3 電磁設計

我公司生產過的屏蔽電動機最大功率為210kW-2極，本次產品設計為335 kW-2極，三圓φ410/φ195.2/φ85；槽配合36/28；鐵心長650；機械間隙2，采用定子散嵌繞組、疊片轉子技術方案。本產品運行中存在四個不同工況(即四種不同負載)，采用我公司專用的屏蔽電機電磁計算軟件對不同工況下電動機的電磁參數進行了計算，相關結果見表1。還用有限元法對滿載運行工況和空載運行工況進行了電磁場分析。

表1 電動機電磁基本參數

3.4 軸承設計

經初步計算，本機組單個軸承載荷超過130kgf，超過我公司曾經生產過的所有臥式產品，且本機組要求軸承設計壽命盡量長，軸承材質選取新型SiC，對磨副推力盤為奧氏體不銹鋼321SS噴涂碳化鎢。

選用的新型SiC軸承材質是一種含石墨碳化硅陶瓷，在碳化硅基體中含有大量細小的石墨，使碳化硅的自潤滑性能大幅度提高、降低摩擦系數、使用壽命長，同時具有較強的抗干摩擦能力。軸承性能指標見表2。

表2 SiC-30軸承性能指標

雖然此種軸承在行業上有成功應用實例，但是為了進一步了解此種軸承的運行性能和可靠性，預先進行了軸承性能和可靠性試驗，試驗裝置采用一件尺寸和重量與循環油泵轉子相同的屏蔽電動機轉子加載，變頻電動機作為陪試機拖動試驗裝置運轉。試驗裝置結構見圖4。

圖4試驗裝置結構圖

4 工業運行情況

2017年9月，在用戶現場進行泵組冷態試驗。由于工業管路按熱態設計，現場無法準確讀出冷態下系統流量，因此水力性能采用關死點進行校核，溫度以規定的最大使用電流490A進行較驗。試驗時系統溫度120℃(此溫度下柴油密度為800kg/m3)，電機變頻運行在40Hz，運行情況良好，未發現異常情況。關死點水力性能數據記錄見表3，溫度校驗數據見表4。

表3 關死點水力性能數據

表4 定子溫度校核試驗

5 結語

液相加氫隔爆型高溫高壓屏蔽電泵研制生產成功，將使我國大功率液相加氫循環油泵的地位得到提升，進一步推進國內隔爆型高溫高壓屏蔽電泵發展，填補國內空白。同時為我國大型防爆高溫高壓屏蔽電泵的設計制造積累大量寶貴的經驗，為今后大屏蔽泵的設計生產、大型設備國產化打下了堅實的基礎。

[1] GB 3836.2—2010，爆炸性環境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護的設備[S].

[2] GB 3836.3—2010，爆炸性環境 第3部分：由增安型“e”保護的設備[S].

[3] 張玉大.防爆電氣設備的安全運行[J].防爆電機，2014.2.

[4] 黃明.碳化硅軸承在屏蔽電泵上的應用[J].防爆電機，2007.6.