煤漿給料泵出口緩沖系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

劉道文，馮 功

(陜西未來(lái)能源化工有限公司，陜西榆林 719000)

1 概況

陜西未來(lái)能源化工有限公司煤制油分公司設(shè)計(jì)年產(chǎn)能115萬(wàn)t油品和化工產(chǎn)品(柴油79萬(wàn)t、石腦油26萬(wàn)t、液化石油氣10萬(wàn)t)，年轉(zhuǎn)化利用煤炭500萬(wàn)t。主要裝置包括：4套空分裝置、8套多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置、3套低溫甲醇洗裝置、1套費(fèi)托合成裝置。2015年7月31日氣化裝置一次性投料試車(chē)成功，2015年8月23日打通全流程，生產(chǎn)出合格油品。

陜西未來(lái)能源化工有限公司煤制油分公司采用國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多噴嘴對(duì)置式水煤漿加壓氣化裝置，單套氣化裝置設(shè)計(jì)投煤質(zhì)量流量為2 000 t/d，共有8套(6開(kāi)2備)。煤漿給料泵采用德國(guó)菲魯瓦(FULEWA)公司的雙缸雙作用隔膜-軟管-柱塞泵，共16臺(tái)。在氣化裝置中，煤漿給料泵的運(yùn)行效果直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，是氣化裝置最關(guān)鍵的機(jī)泵，被列為廠控關(guān)鍵設(shè)備。該煤漿給料泵的型號(hào)為ZGL 300/250-2K 190-4SM 460 HD(泵外形圖見(jiàn)圖1)，每臺(tái)泵設(shè)置4套出口緩沖系統(tǒng)，型式為軟管-氣囊緩沖，單套緩沖容積為20 L，氣囊充氣壓力約為泵的正常出口壓力的80%(約3.8 MPa)。每缸(2套軟管-氣囊緩沖系統(tǒng)，緩沖容積為40 L)對(duì)應(yīng)1個(gè)燒嘴，主要對(duì)泵的出口煤漿壓力起到“削峰填谷、消減波動(dòng)”的作用，從而實(shí)現(xiàn)出口壓力的相對(duì)穩(wěn)定[1-4]。

圖1 煤漿給料泵外形圖

2 改造前運(yùn)行現(xiàn)狀

2.1 緩沖系統(tǒng)

改造前緩沖系統(tǒng)采用軟管-氣囊緩沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、易損點(diǎn)多、檢修復(fù)雜、工作量大，具體結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖2。

圖2 軟管-氣囊緩沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

軟管內(nèi)部為介質(zhì)，軟管與氣囊之間使用液壓油進(jìn)行填充，起到壓力傳遞作用和潤(rùn)滑作用。軟管盤(pán)閥和氣囊盤(pán)閥主要對(duì)軟管和氣囊起保護(hù)作用，防止因壓力頻繁波動(dòng)造成軟管和氣囊損壞。軟管盤(pán)閥和氣囊盤(pán)閥使用彈簧來(lái)抵消軟管和氣囊對(duì)盤(pán)閥的沖擊，保證液壓油傳遞通道的暢通。在停車(chē)憋壓狀態(tài)(出口壓力約為7.0 MPa)時(shí)，軟管盤(pán)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氣囊盤(pán)閥處于最大開(kāi)啟狀態(tài)；在一般停車(chē)狀態(tài)(出口壓力約為0 MPa)時(shí)，軟管盤(pán)閥處于最大開(kāi)啟狀態(tài)，氣囊盤(pán)閥處于關(guān)閉狀態(tài)。無(wú)論是軟管盤(pán)閥還是氣囊盤(pán)閥長(zhǎng)時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)(彈簧處于極限壓縮狀態(tài)而盤(pán)閥螺栓處于極限受力狀態(tài))時(shí)都將會(huì)對(duì)其使用壽命造成影響。

與此同時(shí)，在系統(tǒng)開(kāi)車(chē)升壓過(guò)程中，當(dāng)泵的出口壓力達(dá)到緩沖臨界壓力(約為氣囊充氣壓力的80%，即2.9 MPa)時(shí)，此時(shí)泵的出口壓力+彈簧力=氣囊充氣壓力，軟管盤(pán)閥處于開(kāi)啟狀態(tài)，而氣囊盤(pán)閥處于臨界開(kāi)啟狀態(tài)。受升壓速率(要求升壓速率為0.1 MPa/min)和泵出口壓力波動(dòng)的影響，氣囊盤(pán)閥在開(kāi)啟和關(guān)閉狀態(tài)上進(jìn)行頻繁切換，并與罐體進(jìn)行激烈撞擊，造成氣囊盤(pán)閥疲勞損傷加劇，最終導(dǎo)致被迫檢修，從而影響了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因被迫停車(chē)檢修次數(shù)約為3次。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中采取2個(gè)措施：(1)提高升壓速率，減少氣囊盤(pán)閥在臨界開(kāi)啟狀態(tài)的停留時(shí)間；(2)停車(chē)后對(duì)氣囊盤(pán)閥和軟管盤(pán)閥進(jìn)行檢查更換。但是此時(shí)又產(chǎn)生了其他問(wèn)題：首先，升壓速率過(guò)快會(huì)對(duì)壓力容器的使用壽命產(chǎn)生影響；其次，備件的頻繁更換增大了生產(chǎn)成本；最后，大量復(fù)雜的檢修量造成了檢修任務(wù)的繁重，形成了人力資源的浪費(fèi)。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行狀況

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，泵出口壓力主要受氣化爐爐膛壓力影響，壓力讀數(shù)以軟管-氣囊緩沖系統(tǒng)就地壓力表波動(dòng)的中間值為準(zhǔn)，正常運(yùn)行時(shí)壓力讀數(shù)在5.0～5.4 MPa，即波動(dòng)振幅為0.20 MPa，單缸出口體積流量控制在25～31 m3/h。

3 改造方案

3.1 改造要求

對(duì)原緩沖系統(tǒng)進(jìn)行更換，更換新的球形氣囊式緩沖器，并要求緩沖器滿(mǎn)足以下條件：

(1)考慮系統(tǒng)操作的穩(wěn)定性，要求降低氣囊緩沖系統(tǒng)就地壓力表波動(dòng)在0.20 MPa以?xún)?nèi)，即波動(dòng)振幅不大于±0.10 MPa。系統(tǒng)壓力大幅度變化時(shí)，要求改造后的緩沖系統(tǒng)能夠運(yùn)行可靠、平穩(wěn)。

(2)考慮公司實(shí)際生產(chǎn)情況，改造系統(tǒng)需要盡快進(jìn)入備車(chē)狀態(tài)。因此，要求在滿(mǎn)足額定流量的要求下,改造工作量小、成本低、周期短。

(3)考慮輸送介質(zhì)具有磨損、腐蝕、高壓等特性，要求保證產(chǎn)品強(qiáng)度。外殼采用壓力鑄造的方法進(jìn)行制造，且內(nèi)壁光滑，進(jìn)行10.0 MPa壓力試驗(yàn)。底部接管要求采用耐磨材質(zhì)。

(4)考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝空間及操作、維修的方便性，要求盡可能減輕質(zhì)量，并配有吊扣。

3.2 改造參數(shù)

煤漿給料泵的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。煤漿給料泵的輸送介質(zhì)為水煤漿，其參數(shù)見(jiàn)表2。緩沖系統(tǒng)出口采用DN125管道，管道壁厚為12.5 mm，材質(zhì)為20號(hào)鋼，符合GB 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》要求。

表1 煤漿給料泵設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 水煤漿參數(shù)

3.3 改造內(nèi)容

每臺(tái)煤漿給料泵配置2個(gè)球形氣囊式緩沖器，兩側(cè)煤漿出口管道配置各1個(gè)，原軟管-氣囊緩沖系統(tǒng)進(jìn)行隔離退出。

緩沖器采用球形本體內(nèi)置橡膠囊結(jié)構(gòu)形式。

緩沖器表面顏色與目前煤漿泵顏色一致，防腐涂層工藝采用烤漆工藝。

遷移實(shí)驗(yàn):將3×104個(gè)細(xì)胞置于上室中(孔徑8 μm)，下室填充無(wú)血清培養(yǎng)基，細(xì)胞在Transwell小室中培養(yǎng)48 h后用于遷移測(cè)定，遷移的細(xì)胞被1%的結(jié)晶紫染色，隨機(jī)選擇5個(gè)視野，在倒置顯微鏡下計(jì)數(shù)遷移到下側(cè)的細(xì)胞數(shù)。侵襲實(shí)驗(yàn):將基質(zhì)膠在4℃條件下過(guò)夜融化，并與3倍體積的無(wú)血清培養(yǎng)基混合均勻后加入24孔Transwell小室(每孔50 μL)，其余實(shí)驗(yàn)步驟及方法同遷移實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

煤漿給料泵出口水平管道長(zhǎng)度為3 000 mm，緩沖器放置在該段管道原出口閥門(mén)處。

水平管道上的泵出口閥門(mén)后移至豎直管道上安裝。

改造后的緩沖系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

圖3 改造后的緩沖系統(tǒng)

3.4 改造氣囊容積的選擇

用于吸收煤漿給料泵出口壓力脈動(dòng)的氣囊式緩沖器，其容積為：

V0=q×i÷(d×k)

(1)

式中：V0為緩沖器容積，L；q為煤漿給料泵每回轉(zhuǎn)一次單缸的排量，L/r；i為排量變化率，取固定值0.51；d為氣囊充氣壓力與泵的排出壓力的比值；k為脈動(dòng)變化率=脈動(dòng)壓力振幅/泵的排出壓力。

煤漿給料泵每分鐘回轉(zhuǎn)次數(shù)取最大值58 r/min;煤漿給料泵的最大體積流量為71.7 m3/h，則每缸出口體積流量最大值為35.85 m3/h，煤漿給料泵每回轉(zhuǎn)一次單缸的排量約為10.30 L/r。

氣囊的充氣壓力一般為煤漿給料泵排出壓力的50%～80%，考慮泵在運(yùn)行過(guò)程中氣囊各接口可能存在泄漏現(xiàn)象，因此計(jì)算時(shí)按照50%計(jì)算，實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可按照70%～80%進(jìn)行充壓。

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)，可計(jì)算得到改造氣囊容積約為74.5 L。因此，在改造時(shí)氣囊式緩沖器容積選取了75 L。

4 運(yùn)行效果

在系統(tǒng)開(kāi)車(chē)升壓過(guò)程中，當(dāng)煤漿給料泵的出口壓力低于4.0 MPa時(shí)，出口緩沖氣囊不起作用；當(dāng)煤漿給料泵的出口壓力達(dá)到4.0 MPa時(shí)，氣囊開(kāi)始工作。煤漿給料泵的出口壓力波動(dòng)幅度減小，此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)緩沖罐由于去掉了盤(pán)閥等部件，現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有異響和振動(dòng)，所以系統(tǒng)的升壓過(guò)程也比較平緩。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行效果可以通過(guò)系統(tǒng)壓力曲線(xiàn)趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)進(jìn)行比較，每10 min取值1次，時(shí)限2 h。

圖4 改造前后系統(tǒng)壓力趨勢(shì)對(duì)比圖

由圖4可以看出：改造前正常運(yùn)行時(shí)壓力為4.96～5.34 MPa，就地壓力表波動(dòng)范圍為0～0.38 MPa，即波動(dòng)振幅為±0.18 MPa；改造后正常運(yùn)行時(shí)壓力為5.05～5.24 MPa，就地壓力表波動(dòng)范圍為0～0.19 MPa，即波動(dòng)振幅為±0.095 MPa，波動(dòng)幅度較改造前有了明顯改善。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

(1)穩(wěn)定煤漿給料泵的運(yùn)行，避免因緩沖系統(tǒng)損壞導(dǎo)致的被迫停車(chē)；每次開(kāi)停車(chē)的氣體排放浪費(fèi)及檢修材料的消耗等按100萬(wàn)元計(jì)算，每年至少節(jié)約300萬(wàn)元。

(2)降低檢修費(fèi)用。改造前每次停車(chē)需要對(duì)緩沖系統(tǒng)進(jìn)行檢查并更換部分零部件，改造成球型緩沖罐后易損件的使用壽命預(yù)計(jì)可以達(dá)到5 a，每年可節(jié)約因緩沖罐零部件損壞形成的備件費(fèi)用約50萬(wàn)元。

5.2 社會(huì)效益

(1)降低在系統(tǒng)開(kāi)車(chē)升壓階段及停車(chē)泄壓階段對(duì)煤漿給料泵出口緩沖罐沖擊導(dǎo)致的易損件損壞的風(fēng)險(xiǎn)，降低設(shè)備的故障率，提高單系統(tǒng)運(yùn)行周期，穩(wěn)定運(yùn)行能力，提高氣化裝置的運(yùn)行效率，有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定生產(chǎn)，具有良好的社會(huì)效益。

(2)減小檢修難度，有效提高檢修進(jìn)度，縮短檢修時(shí)間，保證系統(tǒng)的正常備車(chē)，同時(shí)可以節(jié)省勞動(dòng)力。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤漿給料泵出口緩沖系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了消除設(shè)備故障和減小煤漿壓力波動(dòng)的預(yù)期目的。自2019年3月2套系統(tǒng)煤漿給料泵改造完成，并經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行應(yīng)用驗(yàn)證后，2020年3月—4月完成了剩余6套系統(tǒng)煤漿給料泵的改造，總體運(yùn)行平穩(wěn)，改造效果良好。