高溫熱水泵運行問題分析及優化改進

孔德升，馬小剛

［新能鳳凰（滕州）能源有限公司，山東滕州 277527］

0 引 言

新能鳳凰（滕州）能源有限公司（簡稱新能鳳凰）2×360kt／a甲醇項目（3套）氣化裝置采用華東理工大學與兗礦集團共同研發的具有自主知識產權的多噴嘴對置式水煤漿氣化工藝（3臺氣化爐，兩開一備）。在多噴嘴水煤漿氣化工藝中，高溫熱水泵是系統水循環中的核心機泵之一，其在水系統中的作用如下：①是連接低壓系統與高壓系統的橋梁，入口連接高溫熱水儲罐，用以對回收熱量后的高溫熱水加壓，正常運行時分別作為水洗塔塔盤補水、水洗塔液位補水和鎖斗充壓用水的輸送機泵，其送水量占水洗塔總補水量的70%；②當黑水循環泵雙泵故障時，高溫熱水泵用于激冷水事故補水，起到保護激冷環和下降管的作用；③當緊急停車泄壓速率過快時，高溫熱水泵提供黑水循環泵入口降溫用水，避免黑水循環泵汽蝕損壞和激冷水中斷。

新能鳳凰多噴嘴對置式水煤漿氣化裝置運行初期，水系統關鍵設備之一的高溫熱水泵打量過低，限制了激冷水流量的提高，導致水煤氣帶灰嚴重，嚴重制約了氣化爐負荷的提高；同時，高溫熱水泵軸瓦頻繁損壞，多次造成氣化裝置緊急停車，嚴重制約了裝置的安、穩、長、滿、優運行，給企業造成了巨大的經濟損失。為此，新能鳳凰采取了一系列的措施對高溫熱水泵進行優化改造，最終實現了氣化裝置的長周期、穩定運行。以下對高溫熱水泵運行問題及其優化改進作一梳理與總結。

1 高溫熱水泵存在的問題及原因分析

1.1 高溫熱水泵打量低

新能鳳凰氣化裝置高溫熱水泵為大連深藍泵業有限公司制造，共6臺，分別對應3套氣化裝置，每套裝置的2臺高溫熱水泵一開一備。高溫熱水泵設計揚程760m，額定流量245m3／h，正常工況下出口壓力控制在7.5MPa；備用泵設計有壓力自啟動聯鎖，備用時泵進、出口閥全開，當運行泵故障——出口壓力降至7.0MPa時，備用泵聯鎖啟動，保證水洗塔供水的穩定，并避免水洗塔內的高壓水煤氣反竄入蒸發熱水塔而引發事故，高溫熱水泵出口單向閥旁路設有限流孔板，加壓后的高溫熱水通過限流孔板回流，使備用泵始終保持熱備狀態。

投產初期，高溫熱水泵出口流量僅能維持在180m3／h左右，水洗塔塔盤補水不足，激冷水流量不能提高，曾一度制約氣化爐運行負荷的提高；同時，變換高溫冷凝液泵頻繁出現打量降低問題，拆檢其入口過濾器發現細灰堵塞嚴重，嚴重時每2d就需要倒泵清理1次入口濾網。

通過對高溫熱水泵的運行數據進行分析發現，蒸發熱水塔壓力受氣化爐負荷影響控制在0.60MPa，在運高溫熱水泵入口壓力低，僅有0.70MPa，高溫熱水泵入口壓頭不足導致其打量不足，并且備用泵備用時泵體有較大沖擊聲響，大量的高溫熱水經備用泵出口單向閥旁路孔板回流至在運泵入口，也降低了在運泵的做功效率。簡言之，入口壓頭不足和備用泵熱備時的高溫熱水回流應是高溫熱水泵打量低的主要原因。

1.2 高溫熱水泵頻繁燒瓦

1.2.1 高溫熱水泵汽蝕

高溫熱水泵頻繁燒瓦后，對泵進行拆檢，發現其葉輪表面存在凹坑；對高溫熱水泵的設計參數進行檢查，發現泵汽蝕余量不足，NPSHa僅有4m，抗汽蝕能力差。當閃蒸系統工況波動或高溫熱水泵入口濾網堵塞時，高溫熱水泵入口壓力突然降低，而進入葉輪的水溫仍較高，當葉輪吸入口處的壓力小于水溫下的飽和蒸汽壓時，泵就會發生汽蝕。簡言之，汽蝕應該是造成高溫熱水泵頻繁燒瓦的主要原因之一。

1.2.2 高溫熱水泵軸向受力不平衡

高溫熱水泵為臥式多級離心泵，共有8級9個葉輪；其中，第一級有2個葉輪對稱安裝，每4級葉輪為1組，2組對稱安裝，用以平衡葉輪和泵軸的軸向推力。拆檢高溫熱水泵發現，第四級與末級軸套內有灰渣進入，并有明顯磨損痕跡。分析認為，高溫熱水泵第四級出口壓力僅3.0MPa，末級出口壓力7.5MPa，高壓差下灰水會從泵出口經軸套回流至第四級葉輪，其沖擊力破壞了原有的平衡作用力，會使泵軸因軸向受力不平衡而發生軸向位移。簡言之，軸向受力不平衡是造成高溫熱水泵頻繁燒瓦的原因之一。

1.2.3 高溫熱水泵軸承與軸瓦的頂間隙偏小

高溫熱水泵軸瓦由上瓦和下瓦組成，軸承包裹于其中，高溫熱水泵啟動后，高速旋轉的泵軸存在一定的位移，當泵軸與軸瓦的頂間隙偏小時，轉動的泵軸容易與軸瓦摩擦，從而擦傷軸瓦。檢查高溫熱水泵安裝對中數據和單體試車記錄，未見異常，6臺高溫熱水泵單體試車時均未出現軸瓦超溫現象，因此可以認為高溫熱水泵軸承與軸瓦的頂間隙不存在大的問題，應該不是其頻繁燒瓦的原因之一。

1.2.4 閃蒸系統工況波動大

高溫熱水泵頻繁燒瓦時，氣化爐運行負荷控制在75%，由于氣化用原料煤灰分高、灰熔點高、黏溫特性差，導致氣化爐長期在高溫工況下操作，系統熱負荷大，系統水平衡和熱量平衡嚴重失調，氣化爐黑水排量不穩定，閃蒸系統工況波動大：激冷水在氣化爐激冷室內較大比例地轉變成水蒸氣，氣化爐排出的黑水流量低，黑水閃蒸產生的蒸汽量小，經熱水室出蒸發熱水塔的閃蒸氣溫度設計為172℃，實際僅有90℃，閃蒸氣冷凝后幾乎沒有酸性氣和冷凝液；蒸發熱水塔壓力低，調節閥長期處于關閉狀態；氣化爐、水洗塔和旋風分離器的液位調節閥每4h切換一次，當閥門切換時，進蒸發熱水塔的黑水流量瞬間減小，閃蒸系統壓力的波動引起高溫熱水泵入口壓力大幅波動，其葉輪受力失去平衡，繼而導致高溫熱水泵泵軸發生軸向位移。簡言之，閃蒸系統工況波動大是造成高溫熱水泵頻繁燒瓦的主要原因之一。

1.2.5 泵體及進出口管道應力

高溫熱水泵單體試車與正常運行時的工況差別較大，單體試車是在常壓下進行的，輸送的是25℃的低溫水，而正常運行時閃蒸系統壓力控制在0.6MPa以上，高溫熱水溫度達到160℃，泵體和進出口管道均會因熱脹冷縮而產生應力，氣化爐投料后，系統水溫逐漸升高，泵體和進出口管道經升溫承壓后產生的應力會打破原有靜態時的力平衡，使軸承箱與進出口管道對中出現偏差，嚴重時會導致高溫熱水泵燒瓦。

2 優化改進措施

2.1 針對打量低的優化改進

（1）將蒸發熱水塔操作壓力由0.60MPa提升至0.75MPa，以增大高溫熱水泵入口壓頭，使高溫熱水泵入口壓力不低于0.80MPa。

（2）改造高溫熱水泵出口單向閥旁路限流孔板——縮小限流孔板尺寸，以減少備用泵熱備時高溫熱水的回流量，從而減少在運高溫熱水泵的流量損失。

2.2 針對頻繁燒瓦的優化改進

2.2.1 改進高溫熱水泵入口濾網尺寸

將高溫熱水泵入口濾網由原來的40目更換為6目，降低入口壓力損失，以提高高溫熱水泵的抗汽蝕性能。

2.2.2 高溫熱水泵增加級間沖洗水

經與設備廠家交流，對高溫熱水泵進行改造——增設級間沖洗水，即采用9.0MPa、104℃的脫鹽水作為第四級葉輪與末級葉輪、第七級葉輪與末級葉輪的軸套沖洗水，以均衡高溫熱水泵泵軸的軸向推力。

2.2.3 調整軸承與軸瓦的頂間隙

雖然檢查高溫熱水泵安裝記錄和對中數據未發現異常，且高溫熱水泵單體試車時運行正常，但系統運行時閃蒸系統工況存在波動，為增強設備抵御異常工況的能力，對其軸瓦進行了刮研處理，適當增大了軸承與軸瓦的頂間隙。

2.2.4 優化系統工況

（1）改善煤種。新能鳳凰氣化裝置使用的原料煤為高灰熔點煤，氣化爐長期高溫操作，不僅破壞水系統的熱量平衡，頻繁造成氣化爐渣口堵塞以及氣化爐爐壁竄氣超溫而被迫停車，而且縮短工藝燒嘴和耐火磚的使用壽命，制約氣化裝置的長周期、安全、穩定運行。為此，新能鳳凰更換原料煤為優質煤種，并制定了氣化用煤選購標準，將灰熔點＜1230℃、灰分＜8%、內水＜7%、發熱量＞6200kcal／kg作為氣化用煤的關鍵控制指標。

（2）提升系統負荷。將氣化裝置生產負荷提升至90%以上，并同比例調整系統的水循環量，嚴禁生產負荷與系統水循環量不匹配；當2套以上氣化裝置同時運行時，平均分配變換高溫冷凝液、變換低溫冷凝液和脫氧水補入量，保證水系統的熱量平衡。

（3）優化改進氣化爐激冷室液位調節閥。氣化爐黑水排量不穩定的又一因素是激冷室液位調節閥選型存在缺陷，閥門CV值過大，長期在20%以下閥位運行，在高壓差下控制不穩定，250℃、6.5MPa的黑水經角閥進入0.7MPa的低壓環境，黑水大量汽化、酸性氣解吸形成氣液固共存流體，造成閥體振動加劇，閥門定位器頻繁脫落，甚至失去調節能力。通過與閥門廠家進行技術交流，對氣化爐激冷室液位調節閥的閥芯和閥座尺寸進行了調整，降低自調閥CV值，并加粗了閥桿，從而增強了氣化爐激冷室液位調節閥的調節能力和穩定性；另外，在角閥筒體下增設了彈性支撐，以減輕運行時閥體的振動。

2.2.5 進行對中補償處理

在高溫熱水泵軸承箱和進出口管道法蘭處安裝百分表，對比氣化爐開車前后百分表示數的變化，據位移量在靜態對中安裝時進行補償。

3 優化改進效果

（1）對高溫熱水泵出口單向閥旁路限流孔板尺寸進行改造及提高蒸發熱水塔操作壓力后，現高溫熱水泵送入水洗塔的流量已達230m3／h，滿足了系統高負荷運行的需要，且變換高溫冷凝液泵也再未因細灰堵塞入口濾網而倒泵檢修。

（2）對氣化爐激冷室液位調節閥進行優化改進后，氣化爐黑水排量穩定，水系統的熱量平衡得到改善，閃蒸系統的工況得以穩定，蒸發熱水塔壓力波動小于0.03MPa，高溫熱水泵再未出現汽蝕現象，檢修時拆檢發現其葉輪完好。

（3）調整高溫熱水泵軸承與軸瓦的頂間隙、靜態安裝時對軸承箱和進出口管道對中進行補償以及增設9.0MPa軸套沖洗水等措施落實后，運行中高溫熱水泵再未出現燒瓦事故，氣化裝置實現了110%負荷常態化穩定運行。