減壓塔底泵關鍵技術研究

谷偉偉(中國石化安慶石化分公司 煉油二部，安徽 安慶 246000)

0 引言

“節能減排”不僅是落實科學發展觀、構建和諧社會的具體實踐，也是煉油內部挖潛，提升國際競爭能力的內在需求。近年來，中國石化股份公司煉油板塊一直堅持“優化增效、節能減排”的工作方針，全面深入地開展了“減壓深拔”、“焦化提高操作負荷”等專項的節能減排工作，煉油能耗正在按照制定的“十一五”發展規劃的要求逐年降低。現代煉化裝置常減壓蒸餾的操作，實施減壓深拔，可減少重油的生成。減壓深拔操作可以有效降低渣油收率，提高減壓渣油的殘炭和密度，充分發揮裝置的運營能力，提高輕油收率，降低燃料油收率，提高了高附加值產品收率。500萬噸/年常減壓裝置采用減壓深拔技術，其減壓塔底泵用于高溫、高壓、大流量、高揚程、高汽蝕性能、腐蝕和磨蝕的場合，為保證裝置安全平穩運行，該臺位機泵配備2臺(一開一備)，并要滿足以下技術要求：一方面是流量、揚程、功率等參數較大，二是該泵需要的氣蝕余量較小，三是泵的選型要求拆裝簡單，檢維修方便。苛刻的應用環境對減底泵的水力、熱變形補償和機械密封提出了更高的要求[1]。

1 葉輪水力設計

對于500萬噸級減壓塔底泵，由于減壓塔為負壓操作，在泵的進口極易產生氣阻現象，這對泵的汽蝕性能提出了很高的要求。在提高泵的汽蝕性能的同時，必然會犧牲一定的效率，所以在葉輪采用雙吸結構提高抗汽蝕性能的同時通過采用高效水力設計[2]，彌補效率損失顯得尤為重要。減壓塔底泵結構圖如圖1所示。

圖1 減壓塔底泵結構圖

泵設計參數：

流量:正常211 m3/h；揚程:208 m；電機功率：280 kW；吸入溫度: 360～400 ℃；NPSHr:4 m；介質：減壓塔底渣油。

采用江蘇大學PCAD水力設計軟件進行A、B兩個方案的首次級葉輪、泵體吸入室和排出室水力尺寸的設計，利用FLUENT軟件進行壓力分析和速度場模擬計算；在分析計算的基礎上，選出1個水力模型組進行模型的內、外特性試驗。雙吸葉輪三維造型如圖2所示。

圖2 雙吸葉輪三維造型

吸入室和排出室三維造型如圖3所示。利用混合多相流模型、汽蝕模型、RNG k-ε方程，模擬了離心泵葉輪內部空化流場，給出了其壓力、速度和空泡體積組分分布規律，揭示了空化流動的內部特征，為離心泵在空蝕預測及性能提高上提供了一定的參考依據。進口邊界條件采用總壓進口，其方向垂直進口面 。出口邊界條件采用質量流量出流，固壁條件在固體邊壁上，一般取黏性流體無滑移條件。葉輪和蝸殼內流體的耦合采用流體-流體交接面(fluid-fluid interface) ，在本論文所研究的流動系統中，葉輪的水體為旋轉體，吸入室和蝸殼內部的水體為靜止體，用于吸水室和葉輪、葉輪和蝸殼二者之間銜接的交界面分別設置為stage、Frozen Rotor模式進行黏接，該交界面對于兩部分水體的動靜藕合有著重要作用。網格結點的匹配方式采用GGI模式。

圖3 吸入室和排出室三維造型

如圖4所示，可以看出，葉輪汽蝕主要發生在葉片背面，在葉片背面進口稍后處(靠近前蓋板)最先有空泡產生。隨著進口壓力的降低，葉片背面根部(靠近輪轂)這一區域汽泡密度很大，隨著液流內部壓力的升高空泡逐漸潰滅，到葉輪出口處空泡消失。通過對比A、B方案在25 ℃下，Q=211 m3/h和Q=300 m3/h時的汽泡體積分布，發現A方案在葉片進口處的體積分布明顯小于B方案，而在泵的出口處A、B方案汽泡體積分布基本相同，這說明B方案在葉片進口處汽泡破裂的數量要多于A方案，對葉輪的損傷也更大[3]。

圖4 首級葉輪A、B方案的葉輪內部氣泡分布

由空泡體積組份分布還可看出，大流量工況下的汽蝕發生的區域和密度都要大于額定流量工況，這進一步說明離心泵在相同吸上真空度的條件下，大流量工況時更容易發生汽蝕，而且汽蝕面積也最大[4]。這也證明了本文塔底泵首級雙吸葉輪設計方法的正確性。

如圖5所示。可以看出方案A在額定點Q=211 m3/h時，NPSHr為3.5 m,方案B為3.8 m，都能夠滿足設計要求，但是方案A的汽蝕性能要優于方案B的汽蝕性能。

圖5 模擬計算出的汽蝕曲線

2 熱變形補償結構措施

由于使用場合在輸送360～4 000 ℃的高溫介質，冷熱兩種狀態都要經歷，管路設計上有必要的支撐、吊簧、頂柱，但對泵的力也仍然存在，并且是不確定的，所以，對泵的管口提出的要求都是API 610標準的兩倍；為適應苛刻的使用條件，泵體、底座的設計有足夠的強度和剛度。除外力的作用，泵本身的熱變形也很大，所以在軸系結構、運轉間隙、材料搭配上應充分考慮[5]。另外，在托架、端蓋、底座設置冷卻水沖洗Plan B系統進行冷卻，如圖6所示，以降低泵的溫度，防止由于熱變形過大，影響泵的穩定性和可靠性。

圖6 冷卻水沖洗Plan B

3 提高機械密封的可靠性

由于介質溫度較高，本泵使用的機械密封，設計遵循API 682之相關規定，并針對減壓塔底泵的實際使用工況進行優化設計。

采用Plan32+Plan62密封沖洗輔助系統，Plan32密封沖洗系統使用沖洗液為4～6 L/min、溫度為100～1 200 ℃的蠟油，以改善密封摩擦副表面的使用環境[1]；Plan 62急冷輔助系統使用低壓蒸汽作為常冷介質，常冷介質用量0.8～1.2 L/min、溫度為120～1 500 ℃，防止減底渣油積聚在密封的大氣側，如圖7、8所示。

圖7 機械密封沖洗系統Plan 32

圖8 機械密封沖洗輔助系統和系統冷卻示意圖

煉化裝置中的高溫熱油泵，如減底泵、常底泵、催化油漿泵等，該類泵的特點是介質溫度高(370～400 ℃)、塔底有雜質。實際生產中，泵如發生機械密封突然失效泄漏，輕則影響設備正常運行，重則發生現場著火事故。

4 結語

文章通過水力、熱補償和機械密封的設計與分析，保證了設備及裝置的“安、穩、長、滿、優”運行。隨著現代煉化裝置產能的逐步擴張，其單套裝置產能越來越大，與之配套的單泵負荷進一步增加，開發更大型的高溫熱油泵產品已經勢在必行。