含氯廢水池自吸泵技術改造與系統(tǒng)設計注意事項

陳徐榮

(北京沃利帕森工程技術有限公司 上海分公司， 上海 201100)

氯化工廢水不同程度地含有氯離子及鹽酸等危害性物質(zhì)，需要泵送至外部進行集中處理。氯化工地坑泵一般有潛水泵、液下泵和自吸泵3種選擇[1]。一般首選潛水泵，介質(zhì)中強酸及氯離子含量增加時可選擇含襯里的液下泵或自吸泵。液下泵和自吸泵各有優(yōu)缺點，使用條件和設計要求不完全相同。所以，液下泵改自吸泵的過程中，如果不仔細檢查原工況及新的設計要求很容易出錯。文中以某氯化工改造項目為例，介紹了將液下泵改造為自吸泵的技術要點及相關注意事項。

1 含氯廢水池自吸泵改造背景

1.1 液下泵問題

某氯化工項目中，3臺液下泵(歐洲某品牌襯里液下離心泵)的型號為RVKu50/200Y，體積流量30 m3/h,揚程35 m，工作溫度為常溫至60 ℃，額定功率11 kW，介質(zhì)為含氯有機物(有機酸)的廢水及雨水，氯含量約0.11%～1%(質(zhì)量分數(shù))，pH值為2～7。泵軸襯里不同程度地脫落或磨損后，強酸性腐蝕液體進入泵軸內(nèi)腐蝕碳鋼，造成多處及大面積泄漏，無法保證生產(chǎn)正常進行。加之泵的維修在伸入坑內(nèi)的鋼平臺上進行，泄漏的介質(zhì)進一步腐蝕鋼平臺，使之成露空狀態(tài)，嚴重影響安全生產(chǎn)。針對液下泵在操作時啟停頻繁和振動容易造成泵軸襯里脫落和磨損的缺點進行了技術調(diào)研[2-7]，經(jīng)分析對比后，決定采用以自吸泵替代液下泵的改造方案。

1.2 自吸泵問題

與液下泵相比，自吸泵優(yōu)點突出：①襯里離心泵成熟可靠，價格便宜。②前置儲液罐杜絕了振動對泵引起的破壞。③泵移至水平平臺上后維修方便且安全，無需再維護伸入坑內(nèi)的鋼平臺。④液下泵工作點的功率為8.8 kW，自吸泵工作點的功率為5.19 kW，兩者的效率分別是42%和51%，后者的能耗更小[8]。

選用的自吸泵見圖1，為外混式自吸泵，由儲液罐外加1臺襯里離心泵組成[9-11]。

圖1 外混式自吸泵及其安裝示圖

自吸泵投用一段時間后，出現(xiàn)機械密封經(jīng)常干燒甚至燒損的情況。究其水無法吸上的原因，初步的經(jīng)驗判斷為汽蝕，進一步的核算結(jié)果表明，有效汽蝕余量NPSHa遠超必須汽蝕余量NPSHr，完全滿足1 m的安全余量要求[12-13]。

1.3 自吸泵拆檢及分析

1.3.1 底閥失效[14]

液下泵更換為自吸泵時，雖然已經(jīng)有了自吸罐，但還是在泵入口安裝了帶過濾器的底閥。此措施基于2個考慮：①是定型產(chǎn)品，許多地坑泵入口都用。②操作人員認為泵啟動前，吸管內(nèi)有水可保證開泵免灌泵。但實際情況是，底閥單靠一個不銹鋼彈簧來閉合閥門，此種簡單結(jié)構(gòu)在地坑內(nèi)很快就被泄漏出的介質(zhì)腐蝕而失效，所以不僅未起到密封水的作用，反而成為泵工作時的管道阻力和破壞水流穩(wěn)定的一個主要因素。

1.3.2 自吸罐體積偏小

與一般自吸泵(內(nèi)混式)相比，自吸罐的體積很大，因此這是一個不易發(fā)現(xiàn)的問題。當發(fā)現(xiàn)自吸罐水位沒有達標時，才開始對自吸罐的設計尺寸進行分析。文獻[11]中關于類似其他形式的氣液混合自吸泵的論述指出，該自吸泵自吸性能的關鍵取決于儲液罐體積的設計，儲液罐體積需根據(jù)自吸高度和入口管道中的氣體體積確定，應設計使得氣體充分膨脹產(chǎn)生足夠的真空度將液體吸上且入口管流具有一定的速度。儲液罐過小，氣體膨脹不夠充分，產(chǎn)生的真空度不足以吸上液體或吸上液體但液體速度過小等情況均會導致自吸泵斷流，無法完成吸排氣過程轉(zhuǎn)入正常操作狀態(tài)。

對比文獻[11]中圖2-25所示的儲液罐結(jié)構(gòu)與實際使用的自吸罐結(jié)構(gòu)，前者進口是從底部進入再向上伸到約橢圓的長軸處，后者則是從儲罐的平底下約100 mm處進入，二者區(qū)別不大。可以根據(jù)自吸高度和入口管道中的氣體體積確定自吸罐的體積， 按照自吸罐的有效體積是自吸管道和自吸罐入口處體容積之和的1.5～2倍的經(jīng)驗方法，復核自吸罐體積。

如圖1所示的自吸罐坑深4 m，泵入口管徑DN65 mm，吸入口管徑DN125 mm。 混凝土基礎高h0=100 mm，自吸罐總高h1=850 mm，罐入口中心距底板高度h2=790 mm，自吸罐底部支撐厚度h3=100 mm，自吸管規(guī)格為?110 mm×4.2 mm，管道水平距離約850 mm，泵入口處管徑由?110 mm變徑至DN65 mm。

需排空的體積為自吸管道上的體積和自吸罐內(nèi)入口處上方的體積，則有 1.5(V1+V2)≤V3。根據(jù)上述參數(shù)可算得V1+V2=34.9 dm3、V3=21 dm3，所以有(V1+V2)>V3，即自吸罐的有效體積小于自吸罐前管道內(nèi)總體積，據(jù)此可以判斷自吸罐的尺寸偏小。此處，V1表示管道中的體積，V2表示自吸罐入口至頂部的體積，V3表示自吸罐入口下方至罐底的體積。

1.3.3 其他問題

自吸泵拆檢過程中還發(fā)現(xiàn)氣體過濾網(wǎng)被堵和管道空氣未排凈問題。過濾網(wǎng)配合底閥使用，同樣存在設計簡單的問題，其間隙大且是條狀，整體過濾面積小，一個小食品塑料包裝袋即可裹住。管道中空氣未排凈為操作不當所致，操作人員熟悉操作即可避免。

2 含氯廢水池自吸泵改造方案

2.1 拆除底閥[11]

對普通離心泵，若吸入液面在葉輪下方，啟動時應預先灌水，很不方便。為了在泵內(nèi)和吸入管中保存液體，會在吸入管道的進口安裝底閥，以保證在下次啟動泵時管道內(nèi)留有一段液體。而自吸泵安裝的底閥在腐蝕性環(huán)境中使用，彈簧受到腐蝕而失效，根本無法實現(xiàn)保留液體的作用，反而成為流體上升的阻力。工廠的生產(chǎn)實踐也證明，拆除底閥對自吸泵的正常運行完全沒有影響。

2.2 重新設計自吸罐

根據(jù)計算結(jié)果，需要置換的體積為34.9 dm3。按設計要求乘以1.5即為新自吸罐的體積要求，自吸泵的有效體積為52.35 dm3。多加0.5 dm3的余量，主要是將空氣的可壓縮性納入考慮，保證有足夠的時間讓水流進入泵內(nèi)且形成穩(wěn)定流。

對于體積偏小的在用自吸罐，如果新?lián)Q自吸罐需要的設計和生產(chǎn)制造周期較長，則可通過調(diào)整廢水坑的高低液位控制自吸泵的工作時間，即通過體積反算出合理的高低液位。不用考慮高液位時，只要控制好低液位，并保證有足夠汽蝕余量即可。

2.3 重新設計過濾器

地坑中收集多種來源的水，例如裝置中的溢流水、維修時的沖洗水、意外發(fā)生時的工藝水以及雨水等，成分復雜且含量變化大。此外，由于地處海邊，風雨頻繁，常有雜物隨之進入地坑中，加之自吸泵為DCS遠程控制開停，無專人值守查看和清理。為了確保自吸泵的地坑不被堵塞，以一個25 kg包裝袋的面積，即0.35 m2為過濾下限，重新設計地坑過濾器。過濾器的開孔尺寸與泵有關，由于采用襯里離心泵，當時泵的數(shù)據(jù)表給的開孔參數(shù)只有0.4 mm，后經(jīng)詢問廠家可以開孔到1 mm，更大的開孔尺寸將不能保證過濾性能。考慮到在PVC材質(zhì)上開1 mm圓孔的實際加工困難并結(jié)合生產(chǎn)運行經(jīng)驗，決定把圓孔改成邊長6 mm的方孔。

2.4 管泵及電機電流保護[15]

泵維修后首次開泵時必須人工操作灌泵，并且要做到緩慢排氣。利用電機電流進行防干燒保護，因為碳化硅的摩擦副在干磨運轉(zhuǎn)下5 s后就可以達到400 ℃，雖然電機啟動時并不對其進行保護，但一旦超過啟動時間電流仍舊過大時就應該進行切斷。可以設定，如果電流大于額定電流時間超過3 s， MCC(Motor Control Center)就自動斷電。按照上述要求改造完畢后，自吸泵無需每次啟動都要灌泵，運行一直很穩(wěn)定，再未出現(xiàn)吸不上水導致機械密封損壞的情況。

3 含氯廢水池自吸泵設計考慮事項

3.1 工藝條件

大氣壓和密度對泵的設計尤其重要，一定要提醒廠商根據(jù)使用地的大氣壓(尤其是高原地區(qū))和介質(zhì)密度核算泵的自吸高度。地坑池自吸泵通常在常溫下使用，如用于非常溫條件也應向廠家澄清并在采購后復算。

3.2 管路影響

①吸入管徑的直徑要合理。管徑增大，需要的自吸時間隨之增加。直徑太小，阻力降隨之變大，會使裝置NPSHa變小，不利于泵的選擇。②管路布置時應盡量減小管道長度，減少彎頭和附件的使用數(shù)量。當泵的位置距離水池較遠時，應該將管路布置示意圖發(fā)給廠家，并且在示意圖上標注管徑，至少是公稱管徑。③泵的管路應當有專用支架，以保證管路施加在泵上的力和力矩在許可范圍內(nèi)。④吸入管路嚴禁漏氣，排出管路應設有止回閥。關于吸入管口距離池底地面的距離，文獻[1]提出一般不小于500 mm，作者認為這個距離與管徑大小有關，建議可設置為不小于1.5倍的管徑為宜。⑤設置入口過濾器時，應考慮便于清洗和更換。

此外需要一提的是專業(yè)協(xié)調(diào)。一般自吸泵設計時由機泵專業(yè)負責設備的技術澄清，但入口管道的設計卻劃歸管道專業(yè)負責。管道專業(yè)為了便于獲取經(jīng)濟流速，會在泵的進、出口進行變徑。但對于自吸泵入口管路來講，入口管徑與泵入口的法蘭管徑一致才更為有利，因為對于這種氣液分離完全在自吸泵外部完成的自吸罐，管徑的變化對其影響較小。在配管時，機泵專業(yè)需要提醒相關專業(yè)的工程師予以注意。

3.3 其他

設計時要考慮的影響因素除了工藝條件和管路外，還包括，①標準系列的儲罐。對此種外混式自吸泵，一般供應商會配一個標準系列的儲罐，泵用戶的機泵工程師需要復檢一下自吸罐的體積是否滿足設計需要。②設置過濾網(wǎng)。過濾網(wǎng)的流通面積不得小于與之相連接的管道入口面積，以免減小流量，必要時可進行非標設計。③技術要求。如果泵在夏日陽光暴曬下長期閑置，則需要補充液體以彌補蒸發(fā)損失，設計就應該在泵總裝圖上以技術要求說明。

4 結(jié)語

自從2012年發(fā)生的液下泵事故后，中石化對液下泵的選用態(tài)度已經(jīng)相當謹慎。隨著技術的進步，泵自吸高度在不斷提高，最高可達8 m，因此自吸泵的應用正在逐步推廣。機泵設計人員不應該滿足泵本身的技術校核，還應該對泵的前后關聯(lián)及整個系統(tǒng)有深入的理解[16]。