高危泵機械密封輔助系統改造

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(中國石油 蘭州石化分公司 煉油廠， 甘肅 蘭州 730060)

蘭州石化分公司煉油廠0.8 Mt/a連續重整裝置及0.4 Mt/a芳烴抽提裝置中高危泵數量眾多，其中0.4 Mt/a芳烴抽提裝置熱載體泵P-601A/B/C，型號250AYⅡS-150，輸送介質為溫度高達231 ℃的熱載體(減壓脫蠟油)。熱載體泵為裝置正常操作提供熱負荷，在生產中至關重要[1]。在熱載體泵實際運行中，機械密封頻繁泄漏，因機械密封泄漏引起熱載體泵檢修的幾率約占81%。近幾年熱載體泵機械密封更換套數見表1。

表1 近幾年熱載體泵機械密封更換套數 套

熱載體泵機械密封使用壽命短，維修費用高昂，致使其維護成本劇增。為了提高熱載體泵運行的可靠性，同時降低其檢修成本，對熱載體泵的機械密封進行了失效分析，并對機械密封輔助系統進行了改造。

1 熱載體泵機械密封使用情況

熱載體泵機械密封系統由主密封、副密封和輔助(沖洗)系統組成。主密封起密封工作介質作用，副密封起輔助密封作用，而輔助(沖洗)系統主要是為主、副密封提供良好的周圍環境并保證主密封在最佳工作條件下運行[2]。熱載體泵機械密封輔助(沖洗)系統參數見表2。

表2 熱載體泵機械密封輔助(沖洗)系統參數

熱載體泵一級密封沖洗方式采用API 682—2004《離心泵和轉子泵用軸封系統》[3]中的PLAN 21沖洗方案(圖1)，介質由泵的出口引出，經冷卻器冷卻后注入密封腔，及時帶走摩擦熱，防止動、靜環結焦，同時沖走密封腔內的雜質及結焦物，從而完成一級密封的沖洗和冷卻[4]。

圖1 API 682中的PLAN 21沖洗方案

熱載體泵機械密封失效時密封腔內環境溫度偏高，沖洗液溫度過高，密封端面液膜有汽化現象，密封面潤滑液量不足，存在干摩擦或熱變形。觀察運行的熱載體泵發現，①一級密封沖洗液冷卻器循環水出、入口溫差大，冷卻器盤管外側積垢嚴重，甚至堵塞。②沖洗液冷卻效果不理想，進入密封腔沖洗液溫度高達200 ℃，冷卻器內有汽化現象。由此可以確定，冷卻器堵塞造成沖洗液溫度過高是機械密封泄漏的重要原因[5-8]。

2 冷卻器堵塞原因分析

2.1 冷卻器結構設計缺陷

2.1.1冷卻器盤管間距過小

熱載體泵機械密封冷卻器采用的是蛇管式熱交換器[9]，盤管中流過的是沖洗液，筒體與盤管組成的空間流過的是冷卻水，從而達到換熱目的。

該冷卻器的盤管間距僅為22 mm。冷卻水的流程只有1個通道，如果某一處出現堵塞，就容易造成整個冷卻器的堵塞。另外，該冷卻器為立式安裝，底部的堵塞更加嚴重。

2.1.2冷卻器筒體與外圈盤管間距過小

冷卻器筒體為?165 mm×5 mm的不銹鋼管，盤管為?14 mm×2.5 mm的碳素鋼管。由筒體和外圈盤管形成的冷卻空間比較小，單側間隙僅有3.5 mm(圖2)。

圖2 蛇管式熱交換器端面圖

2.1.3冷卻器無法清理

當冷卻器運行一段時間之后，筒體外圈盤管之間因結垢及雜物堆積，兩者結為一體，無法將盤管從筒體中抽出進行清洗，只能以破壞的方式打開。當堵塞嚴重時，只有進行整體更換，致使維修成本大幅增加。

2.2 冷卻水質特殊

冷卻器用水要求為軟化水，而實際生產中使用的是循環水。根據對2016-06-01～2017-05-31循環水幾項指標的統計分析，循環水中鈣、鎂等陽離子質量濃度和硬度較高(表3)，當循環水接觸到溫度較高的盤管外表面時，易在盤管外表面結垢。隨著運行周期的延長，污垢急劇增加，導致換熱效果下降[10]。另外，在夏季補給水用量較大時，水處理的效果明顯降低，冷卻水中的含沙量及其它顆粒物增加，導致進入冷卻器的顆粒物增加，從而造成通流面堵塞，換熱效果下降。

3 熱載體泵機械密封輔助系統改造

3.1 冷、熱流體物性參數確定

冷卻器中熱載體沖洗液壓力p1=1.12 MPa(G)、入口溫度t1′=231 ℃、出口溫度t2′=100 ℃、體積流量qV1=10 L/min。冷卻水壓力p2=0.35 MPa(G)、入口溫度t1=28 ℃、出口溫度t2=38 ℃[11]。

冷、熱流體定性溫度可取流體進、出口溫度的平均值[12]，則沖洗液的定性溫度t′= (t1′+t2′)/2=165.5 ℃，冷卻水的定性溫度t=(t1+t2)/2=33 ℃。

根據定性溫度，分別查取沖洗液和冷卻水的有關物性參數[13]。沖洗液在165.5 ℃、1.12 MPa(G)下的密度ρ1=750 kg/m3、動力黏度μ1=0.41×10-3Pa·s、熱導率λ1=0.137 W/(m·℃)、定壓比熱cp1=2.0 kJ/(kg·℃)、普朗特常數Pr1=0.153；冷卻水在33 ℃、0.35 MPa(G)下的密度ρ2=994 kg/m3、動力黏度μ2=0.725×10-3Pa·s、熱導率λ2=0.626 W/(m·℃)、普朗特常數Pr2=4.725、定壓比熱cp2=4.08 kJ/(kg·℃)。

表3 循環水中各項指標數值

3.2 參數計算

3.2.1熱負荷[14]

沖洗液質量流量qms1=qV1ρ1=0.125 kg/s，傳熱量Q0=cp1qms1(t1′-t2′)=32.75 kJ/s。考慮換熱裕量1.1及換熱效率0.9，計算得到實際傳熱量Q=1.1Q0/0.9=40.02 kJ/s。

3.2.2平均傳熱溫差[15]

沖洗液入口與冷卻水出口溫差Δt2=t1′-t2=193 ℃，沖洗液出口與冷卻水入口溫差Δt2=t2′-t1=72 ℃，則對數平均溫差Δtm=(Δt2-Δt1)/ln(Δt2/Δt1)=122 ℃。

3.2.3總傳熱系數[16]

冷卻器換熱管內流通面積Ai=πdi2/4=6.36×10-5m2(di為換熱管內徑)、流速u1=qms1/(ρ1Ai)=2.62 m/s，雷諾數Re1=u1diρ1/μ1=43 134.1、努塞爾數Nui=0.023Re10.8Pr10.3=66.83，則有管內傳熱系數αi=Nuiλ1/di=1 017.3 W/(m2·℃)，同理有管外傳熱系數αo=0.023Re20.3Pr20.3λ2/dm=1 038.2 W/(m2·℃)(dm為換熱管平均直徑)。

查文獻[17]可以知道，碳素鋼的熱導率λ=48.6 W/(m·℃)，管內污垢熱阻Ri=0.000 176 m2·℃/W，管外污垢熱阻Ro=0.000 352 m2·℃/W。將各數據帶入式(1)，得總傳熱系數K=314.5 W。

(1)

式中，do為換熱管外徑，b為換熱管壁厚，mm。

3.3 冷卻器結構改造

3.3.1增大冷卻器換熱面積

換熱面積A計算公式為：

(2)

將各參數帶入式(2)，得A=1.04 m2。原冷卻器的換熱面積只有0.8 m2，要滿足換熱要求，須將換熱面積增加到1.04 m2。

3.3.2增大內、外圈盤管間距和盤管間距

蛇管總長度L=A/(πdo)=23.66 m，考慮到蛇管總長度較長，將蛇管做成2組螺旋圓柱盤管組，每組長度為11.83 m。蛇管式熱交換器盤管圖見圖3。圖3中D1為盤管內圈中心圓直徑，H為蛇管高度，h為盤管間距。

圖3 蛇管式熱交換器盤管圖

若有數組同心圓柱形盤管沉浸于筒體中時，盤管內圈與外圈間距T一般取2～3do，此處取T=3do=42 mm(原冷卻器T=26 mm)。同組中盤管間距h一般取1.5～2do，此處取h=2do=28 mm(原冷卻器h=22 mm)[18]。

3.3.3增大冷卻器筒體直徑

盤管內圈中心圓直徑D1=82 mm，則盤管外圈中心圓直徑D2=D1+2T=166 mm。筒體直徑D0=D2+(100～300)mm，取D0=300 mm(原冷卻器D0=165 mm)。

改造前后冷卻器結構參數對比見表4。

表4 改造前后冷卻器結構參數對比

3.4 冷卻器沖洗液入口管路增設限流孔板

通過增設限流孔板，來保證進入冷卻器的沖洗液體積流量為10 L/min。限流流孔板孔徑dX計算公式如下[19]：

(3)

式中，qVd為沖洗液體積流量，L/min；C0為孔流量系數；p為孔板壓降，MPa。

將qVd=10 L/min、C0=0.17、p=0.02 MPa帶入式(3)，計算得dx=4.15 mm，可選擇安裝直徑為4 mm的孔板。

3.5 冷卻器冷卻水入口管路加裝過濾器

為了清除冷卻水中的雜質顆粒，在冷卻水入口加裝2臺并聯使用的過濾器，并定期清理過濾器，從而有效避免了冷卻水中的泥沙等顆粒物進入冷卻器。

4 改造效果及效益

4.1 使用效果

按上述方案對機械密封輔助系統改造，重新投用后，在環境溫度為30 ℃的情況下，沖洗液經冷卻器冷卻后溫度約90 ℃，而改造前此溫度約170 ℃，沖洗液溫度明顯下降。由于進入冷卻器沖洗液溫度大幅下降，故冷卻器內結垢速率明顯降低。隨著密封腔內介質溫度降低，密封面發生介質汽化的幾率也越來越小，機械密封壽命得到延長。熱載體泵機械密封輔助系統改造后不僅可以降低熱載體泄漏著火的風險，而且將極大減少檢修頻率，達到安全和環保的效果。

改造前后冷卻器的換熱效果對比見表5。

表5 冷卻器結構改造前后換熱效果對比

4.2 經濟效益

通常情況下熱載體泵是2臺運行，1臺備用。實際使用中熱載體泵機械密封平均壽命6 550 h，即3 a需更換機械密封16套。改造后熱載體泵機械密封設計壽命為25 000 h，即3 a只需更換機械密封4套。按每套機械密封價格為2萬元計算，再考慮檢修費用，每年節約更換、檢修機械密封的成本約為10萬元。機械密封沖洗液冷卻器的壽命為2個月，即每2個月需更換冷卻器4臺。按冷卻器價格為0.6萬元/臺計算，改造后僅更換冷卻器一項每年可節約14.4萬元。

5 結語

按文中措施對熱載體泵機械密封輔助系統進行改造并投運，使用效果良好，經濟效益顯著。煉油廠高危泵數量眾多，如常(減)壓渣油泵、催化裂化高溫油漿泵等，熱載體泵機械密封冷卻系統改造的經驗為高危泵的運行維護提供了思路。