反應(yīng)器循環(huán)泵在煤液化技術(shù)上的成功應(yīng)用

李建新，王喜武

（國(guó)家能源集團(tuán)鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209）

0 引言

發(fā)展煤化工是我國(guó)能源安全戰(zhàn)略的重點(diǎn)，世界首套百萬(wàn)噸級(jí)煤直接液化示范工程中的反應(yīng)器循環(huán)泵是其核心設(shè)備，其能否穩(wěn)定運(yùn)行，直接決定著煤直接液化裝置的安穩(wěn)長(zhǎng)滿優(yōu)運(yùn)行。煤液化裝置2臺(tái)反應(yīng)器循環(huán)泵分別懸掛安裝在煤液化裝置2臺(tái)反應(yīng)器底部一側(cè)，泵型為油浸式PR型立式離心泵，主要用于給反應(yīng)器內(nèi)的油煤漿提供動(dòng)力，形成膨脹床，增加反應(yīng)深度。油煤漿在高溫、高壓、臨氫的工況下和催化劑反應(yīng)，反應(yīng)生成油一部分通過(guò)循環(huán)杯進(jìn)入到下一道工序，另一部分通過(guò)循環(huán)杯的溢流管進(jìn)入循環(huán)泵的入口。

由于該泵的操作溫度和壓力與反應(yīng)器完全相同，操作溫度455℃，泵出口壓力為19.388 MPa（G），流量為1641 m3/h，介質(zhì)固含量約45%，且要求轉(zhuǎn)速（流量）可調(diào)的雙變頻器配置，該泵與常規(guī)離心泵在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、軸端密封、設(shè)備潤(rùn)滑以及驅(qū)動(dòng)機(jī)的選型等方面有著本質(zhì)的不同。設(shè)備主要包括泵體部分、浸油式變頻電機(jī)、軸端密封和電機(jī)的冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑沖洗系統(tǒng)，以及變頻控制系統(tǒng)和儀表控制部分。

隨著煤化工行業(yè)的遍布發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)反應(yīng)器循環(huán)泵的需求逐步增多，對(duì)該設(shè)備的研究也在不斷向前發(fā)展。國(guó)外對(duì)該設(shè)備研發(fā)及制造起步早，積累了大量的研發(fā)、使用、維修等寶貴經(jīng)驗(yàn)，處于領(lǐng)跑者的地位。國(guó)內(nèi)對(duì)于該泵型的研發(fā)起步晚，應(yīng)用范圍相對(duì)較小，缺乏嚴(yán)苛工況的模擬手段和測(cè)試條件，與國(guó)外的先進(jìn)水平仍有較大差距。但近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)煉化加氫技術(shù)的飛躍發(fā)展，漿態(tài)床渣油加氫技術(shù)得到快速發(fā)展，該泵的國(guó)產(chǎn)化研究取得突破性進(jìn)展，目前為止，已經(jīng)有國(guó)產(chǎn)化的成型設(shè)計(jì)、制造和模擬實(shí)驗(yàn)。

反應(yīng)器循環(huán)泵在整個(gè)煤直接液化工藝過(guò)程中的地位尤為重要，探索該泵的國(guó)產(chǎn)化之后，可以從根本上提高我國(guó)煤直接液化關(guān)鍵裝備的整體競(jìng)爭(zhēng)能力，對(duì)提升國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的制造水平有著重要的促進(jìn)作用，工程推廣前景十分廣闊，具有突出的社會(huì)效益。

1 沸騰床反應(yīng)器循環(huán)泵的作用

反應(yīng)器循環(huán)泵懸掛安裝在反應(yīng)器底部一側(cè)，泵型為油浸式PR型立式屏蔽泵（圖1）。PR型泵是集充油、電機(jī)驅(qū)動(dòng)為一體的單級(jí)擴(kuò)散器型泵，針對(duì)高溫和高壓條件下循環(huán)油料而設(shè)計(jì)。主要作用是給反應(yīng)器內(nèi)的油煤漿提供動(dòng)力，增加反應(yīng)深度。由于該泵的操作溫度和壓力與反應(yīng)器完全相同，泵的流量大、壓力高、含固體顆粒較多、要求轉(zhuǎn)速變頻器控制。泵端采用單級(jí)葉輪，葉輪直接安裝在電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上，葉輪對(duì)流體施加能量，建立循環(huán)，保持膨脹床液位。

圖1 油浸式PR型立式屏蔽泵

2 沸騰床反應(yīng)器循環(huán)泵的組成部分

該泵包括電機(jī)外殼組件、密封組件和熱交換器組件。壓力邊界以內(nèi)的離心泵由以下各部分組成：進(jìn)口段連通至葉輪，葉輪對(duì)流體施加能量，并排至擴(kuò)散器，擴(kuò)散器再將流體導(dǎo)入泵殼。葉輪安裝在葉輪軸上，葉輪軸的下端焊接在電機(jī)軸上。泵端是一個(gè)單級(jí)葉輪，葉輪緊密連接在電機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上。葉輪通過(guò)擴(kuò)散器進(jìn)行排出流體，擴(kuò)散器將流體導(dǎo)入外部集流室（泵殼）。蝸殼/擴(kuò)散器的殼體還帶有入口，將流體導(dǎo)入葉輪的吸入口。

電機(jī)由以下部分組成：電機(jī)軸、轉(zhuǎn)子、定子、電機(jī)殼體、上部徑向軸承、下部徑向軸承、止推盤、上部止推軸承和下部止推軸承。止推軸瓦被安裝在電機(jī)軸末端附近，包括安裝在軸上的止推盤和靜止的止推軸承墊。止推盤經(jīng)鍵驅(qū)動(dòng)，用防松螺母和鎖緊墊圈加以固定，并擠壓止推軸承墊。止推軸承墊被固定螺釘和鎖緊墊圈固定于下軸承蓋和止推軸承蓋中，而鎖緊墊圈僅用于下軸承蓋上的螺釘固定。

設(shè)備的密封組件主要包含：泵體和泵殼的Grayloc型密封環(huán)，承受高壓的電機(jī)底部密封環(huán)，承受低壓的密封油冷卻器的水相密封環(huán)和機(jī)械密封等重點(diǎn)密封部位。

內(nèi)部電機(jī)密封油通過(guò)最初灌裝和輔助噴射來(lái)提供，對(duì)電機(jī)軸承進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。止推盤也起到密封油循環(huán)的動(dòng)力葉輪，將密封油循環(huán)至電機(jī)繞組、軸承、機(jī)械密封和再經(jīng)換熱器。在換熱器中，電機(jī)產(chǎn)生的熱量傳給了換熱器盤管中的外供冷卻水。

在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，密封油以固定流量經(jīng)安裝在電機(jī)外殼蓋上的油噴射法蘭和止回閥連續(xù)噴射至電機(jī)中，流經(jīng)密封法蘭組件的降壓室后從泵軸周圍流出。這種從加壓電機(jī)內(nèi)件向外流的方式阻止了磨蝕產(chǎn)物進(jìn)入電機(jī)。

外部注油口，在運(yùn)行過(guò)程中隨時(shí)向裝置注油。密封油通過(guò)迷宮型孔板導(dǎo)入，并排入反應(yīng)器。泵送的液體與泵電機(jī)內(nèi)部通過(guò)機(jī)械密封隔離分開(kāi)，電機(jī)內(nèi)部的密封油在其自身的熱交換器系統(tǒng)中獨(dú)立進(jìn)行冷卻。密封油系統(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)作為主泵的附屬系統(tǒng)同步設(shè)計(jì)、為主泵的可靠穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行保駕護(hù)航。

磁性轉(zhuǎn)速檢測(cè)計(jì)為轉(zhuǎn)速提供信號(hào)，并可提供旋轉(zhuǎn)方向的檢查。在內(nèi)部循環(huán)的密封油溫度，在油流回到熱交換器時(shí)由溫度探頭進(jìn)行監(jiān)控。

3 沸騰床反應(yīng)器循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)泵的獨(dú)特設(shè)計(jì)組成，泵送介質(zhì)由泵體頂部吸入，經(jīng)過(guò)葉輪從泵殼斜上方送出泵體。密封油從接口送入泵體，保持一個(gè)比反應(yīng)器壓力高1～2 bar（0.1～0.2 MPa）的正壓力，為主泵進(jìn)行冷卻，并為軸承提供潤(rùn)滑。

葉輪通過(guò)葉輪鎖母直接固定在電機(jī)軸上。電機(jī)軸底部安裝有徑向軸承和推力軸承，其中推力盤兼做密封油的輔助葉輪，為密封油在泵體內(nèi)循環(huán)冷卻、潤(rùn)滑提供動(dòng)力。機(jī)械密封安裝在電機(jī)與葉輪之間的軸上，有效阻止含固介質(zhì)進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。

該泵具備以下特征：①泵殼體、入口和出口接管均內(nèi)襯有可更換的帶硬化涂層的不銹鋼內(nèi)插件；②介質(zhì)含有固體顆粒，對(duì)于泵體的沖蝕，磨損影響嚴(yán)重，對(duì)泵體的密封系統(tǒng)影響較大；③葉輪和擴(kuò)散器用帶硬化涂層的不銹鋼制成；④所有與介質(zhì)接觸的內(nèi)六角頭螺釘均加以覆蓋；⑤由雙變頻驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，帶有自動(dòng)切換；⑥雙機(jī)油注入泵，帶有自動(dòng)切換；⑦在機(jī)械密封下面沒(méi)有配備軸套，因?yàn)樵跍囟人沧儠r(shí)，材料截面很小的軸套會(huì)以不同于軸的變化率發(fā)生膨脹和收縮，這會(huì)造成密封的不對(duì)中，若軸表面發(fā)生損壞，標(biāo)準(zhǔn)的修理程序是對(duì)損壞的區(qū)域進(jìn)行重新機(jī)加工和表面硬化處理；⑧電機(jī)和泵為一體。

4 沸騰床反應(yīng)器循環(huán)泵的密封油系統(tǒng)

循環(huán)泵部分輸送反應(yīng)的物料，即處于反應(yīng)器壓力和溫度下的含有催化劑微粒的氣、液、固三相高溫、高壓流體。這些條件是按API-610制造的普通油泵所不能達(dá)到的，所以在核電反應(yīng)堆主泵技術(shù)、高溫?zé)捰蛷S用泵技術(shù)和浸沒(méi)式充油電機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了專用的設(shè)計(jì)圖紙，用于生產(chǎn)一種閉合連接無(wú)密封的泵，采用注密封油的方法使液體不會(huì)與電機(jī)接觸，密封油的用量與泵的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。

電機(jī)部分是一臺(tái)開(kāi)式繞組裝置，完全充注有油，繞組、轉(zhuǎn)子和泵電機(jī)裝置的所有部件均浸沒(méi)在注入的油中。油用作設(shè)備的冷卻介質(zhì)，并為軸承提供潤(rùn)滑，通過(guò)裝在止推盤中的輔助葉輪連續(xù)地通過(guò)裝置進(jìn)行循環(huán)。油的循環(huán)是從輔助葉輪的排出端，通過(guò)電機(jī)的氣隙至密封區(qū)，然后再反向向下流回電機(jī)的外部，進(jìn)入熱交換器。油通過(guò)熱交換器時(shí)被冷卻，再返回輔助葉輪。這樣就提供了必要的冷卻，既除去了反應(yīng)器帶來(lái)的熱，也除去了電機(jī)產(chǎn)生的內(nèi)部的熱。在運(yùn)行過(guò)程中和熱備用時(shí)，要求一直從外部向裝置內(nèi)注油。

注油速率為0.5～3 gpm（2.3～13.6 L/min），在正常運(yùn)行期間，所需的注油速率僅是確保注油系統(tǒng)工作和滿足注油泵最小流量要求所需的流量。當(dāng)失去電源或冷卻水時(shí)，需要以最大流量3 gpm（13.6 L/min）為裝置提供冷卻，直至公用設(shè)施重新恢復(fù)為止。對(duì)于密封油的要求也是極為苛刻的，需要達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：API重度，25～35；傾點(diǎn)，建議低于21℃；按ASTM測(cè)試的介電強(qiáng)度，理想電壓25 000 V，最小電壓10 000 V；37.8℃下的黏度，150 sus；93.3℃下的黏度，最小38 sus；硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，0.35%；銅條試驗(yàn)，1 A。

5 沸騰床反應(yīng)器循環(huán)泵的安裝與拆卸

設(shè)備的安裝位置是垂直的，泵體和泵殼通過(guò)Grayloc型密封環(huán)擠壓密封，使泵體部分（包括吸入段、擴(kuò)散器、葉輪、機(jī)械密封和電機(jī)）位于泵殼中。接線盒組裝在電機(jī)外殼上。

Grayloc型密封環(huán)通過(guò)超級(jí)螺栓預(yù)緊器緊固（圖2）。超級(jí)螺栓預(yù)緊器中的主螺紋，用于將預(yù)緊器安置在螺柱上，貼靠硬質(zhì)墊圈及承載面。一旦安置到位，可通過(guò)簡(jiǎn)單的手動(dòng)工具擰緊環(huán)繞主螺紋一圈的頂推螺釘，來(lái)實(shí)現(xiàn)螺柱的實(shí)際張緊。頂推螺釘均勻地傳遞預(yù)緊力到主螺紋上，從而也傳遞到連接件上，主螺紋被純張緊力鎖緊。

圖2 超級(jí)螺栓預(yù)緊器

超級(jí)螺栓預(yù)緊器具備以下特征：①通過(guò)擰緊頂推螺釘產(chǎn)生強(qiáng)大的頂推力，直接作用在硬化墊圈上，頂推螺釘摩擦直徑小，可以用相對(duì)小的力矩來(lái)實(shí)現(xiàn)高的頂推力；②負(fù)載被傳遞到已經(jīng)手動(dòng)安裝到主螺紋上的螺母主體上；③硬質(zhì)墊圈用來(lái)傳遞推力，同時(shí)保護(hù)法蘭面；④多個(gè)頂推螺釘?shù)捻斖屏椭髀菟ǖ姆聪蜃饔昧σ黄鹪诒皿w和泵殼上產(chǎn)生強(qiáng)大的夾緊力；⑤頂推螺釘?shù)捻斖屏υ谥髀菟ㄉ袭a(chǎn)生一個(gè)相同大小的力。泵體法蘭面和泵殼任何情況下都不能接觸。泵體法蘭面和泵殼之間必須始終保持一定間隙，防止Grayloc型密封環(huán)失效。

反應(yīng)器循環(huán)泵特殊的安裝方位，以及泵體自重十余噸，導(dǎo)致每次檢修拆卸過(guò)程相對(duì)困難。為了安全高效地進(jìn)行拆裝，在泵體圓周上均布的4處吊耳上各掛1條10 t的手動(dòng)葫蘆進(jìn)行起重作業(yè)。因泵體和泵殼之間通過(guò)Grayloc型密封環(huán)密封，運(yùn)行期間介質(zhì)在密封環(huán)附近產(chǎn)生結(jié)焦物，光靠泵體自重?zé)o法脫開(kāi)，只能通過(guò)斜鐵將泵體與泵殼撐開(kāi)。在泵體正下方直立放置專用的泵體支座，泵體支座放置在地面專用的鐵軌上，通過(guò)鐵軌將泵體移至鋼結(jié)構(gòu)框架之外。隨后需要兩臺(tái)吊車同時(shí)配合將直立放置的泵體放倒，放置在專用的設(shè)備水平放置托架之上，進(jìn)行葉輪、導(dǎo)葉、葉輪鎖母等易磨損部位檢查或更換。安裝過(guò)程與拆卸過(guò)程相反，重點(diǎn)關(guān)注部位是Grayloc型密封環(huán)密封余量的測(cè)量、超級(jí)螺母緊固時(shí)直徑方向?qū)蔷o固，防止密封環(huán)壓偏，根據(jù)隨機(jī)給定的緊固力矩進(jìn)行緊固，確保緊固螺栓受力均勻。

在煤制油上的重點(diǎn)應(yīng)用主要在于高溫、高壓、高穩(wěn)定性、含固磨損等方面的應(yīng)用，該泵針對(duì)煤制油特有工況專屬設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性高、運(yùn)行周期長(zhǎng)。在長(zhǎng)達(dá)十多年的裝置運(yùn)行過(guò)程中，油浸式電機(jī)、軸瓦、機(jī)械密封、電纜接線端子等部分一直處于良好狀態(tài)。該泵每次檢修期間都會(huì)存在的問(wèn)題包括：①葉輪、導(dǎo)葉等介質(zhì)過(guò)流部件出現(xiàn)不同程度的磨損；②泵體與泵殼間的Grayloc型密封環(huán)和密封環(huán)對(duì)應(yīng)的密封面存在不同程度的損傷；③葉輪鎖母脫落等問(wèn)題。隨著進(jìn)口備件國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，葉輪、導(dǎo)葉等備件目前實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化修復(fù)，從根本上解決了過(guò)流部件磨損的問(wèn)題；密封環(huán)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)，并且密封面上的損傷可以通過(guò)微調(diào)國(guó)產(chǎn)化的密封環(huán)尺寸進(jìn)行有效補(bǔ)償；葉輪鎖母原設(shè)計(jì)是緊固螺釘緊固，自從出現(xiàn)過(guò)脫落故障后，以后葉輪鎖母全部采用滿焊形式固定。檢修期間的維修只是停留在局部故障部位的小修，整泵大修還力求原廠維修，確保維修質(zhì)量。

6 沸騰床反應(yīng)器循環(huán)泵運(yùn)行中的問(wèn)題及改進(jìn)措施

在煤直接液化裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行的十幾年中，只有在每次裝置停工檢修期間下線進(jìn)行小修檢測(cè)、檢查磨損狀況。該泵輸送介質(zhì)含固量高，過(guò)流部件的磨蝕是這臺(tái)設(shè)備的主要問(wèn)題，其中葉輪、導(dǎo)葉、葉輪底部襯板等部件磨蝕相對(duì)較重（圖3）；泵體與泵殼之間的密封墊為Grayloc型密封環(huán)，歷經(jīng)每次檢修的頻繁拆檢，造成泵體與泵殼之間的密封面損傷，致使近幾個(gè)運(yùn)行周期該密封面偶爾出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象（圖4）。

圖3 葉輪磨蝕

圖4 泵體密封面損傷

裝置運(yùn)行初期，磨蝕部件進(jìn)行更換，維修及備件費(fèi)用居高不下，進(jìn)口備件價(jià)格高、供貨周期長(zhǎng)，隨著進(jìn)口備件國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，首先嘗試國(guó)產(chǎn)化修復(fù)，經(jīng)過(guò)對(duì)過(guò)流部件材料分析研究，同時(shí)尋求國(guó)內(nèi)修復(fù)技術(shù)較好的廠家共同探索，最終找到相對(duì)完美的修復(fù)方案，經(jīng)過(guò)使用測(cè)試，能夠達(dá)到預(yù)期的使用效果。Grayloc型密封環(huán)已經(jīng)成功進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)化密封墊較進(jìn)口密封墊單件費(fèi)用節(jié)約近70萬(wàn)元；葉輪、導(dǎo)葉等部件的成功修復(fù)，比起采購(gòu)進(jìn)口備件單次可節(jié)約250余萬(wàn)元，節(jié)約的費(fèi)用相當(dāng)可觀。

7 沸騰床反應(yīng)器循環(huán)泵的維護(hù)保養(yǎng)

2019年公司對(duì)該泵進(jìn)行了首次返廠大檢修，對(duì)該泵進(jìn)徹底解體清理、檢查、維修。

（1）泵體與泵殼間密封面修復(fù)。泵體密封面有全面均勻的壓痕，該處損傷面已經(jīng)存續(xù)多年，通過(guò)密封墊尺寸上的補(bǔ)償，幾乎不影響使用，本次檢修對(duì)泵體密封面進(jìn)行了修復(fù)加工。經(jīng)過(guò)十多年的運(yùn)行和檢修期間的多次拆卸，其他幾臺(tái)泵體和泵殼密封面的壓痕損傷已經(jīng)列入了重點(diǎn)維修計(jì)劃，需要在線加工處理。

（2）密封油冷卻器檢測(cè)。密封油水冷器部分通過(guò)PT監(jiān)測(cè)未見(jiàn)異常，只是因?yàn)槔鋮s水水質(zhì)較差，管束表面及水冷器殼體內(nèi)部出現(xiàn)銹蝕。需要清理、刷防銹漆，殼體外表面噴漆等，歷年檢修期間也自行處理過(guò)，液體靜壓測(cè)試合格后回裝。

（3）電機(jī)定子部分清理。電機(jī)抽轉(zhuǎn)子前后定子線圈對(duì)比來(lái)看，泵體始終處于密封油充裝狀態(tài)，待轉(zhuǎn)子抽出后，線圈表面存有黑色結(jié)焦物，廠家對(duì)其進(jìn)行清理，經(jīng)多方面測(cè)試未見(jiàn)異常（圖5）。

圖5 電機(jī)定子

（4）泵軸及軸瓦檢查檢測(cè)。泵軸部分經(jīng)檢測(cè)未見(jiàn)明顯刮痕，泵軸跳動(dòng)全部合格。軸瓦外觀檢查中未見(jiàn)磨損劃傷痕跡，但是間隙偏大，均在標(biāo)準(zhǔn)范圍的上限值，利用檢修期間全部更換新件（圖6）。上、下推力瓦，上、下徑向軸瓦型號(hào)相同，互換性較好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便安裝，推力盤柱面的鍵槽用于測(cè)速，徑向通孔便于密封油加壓注入。

圖6 泵體軸承

（5）機(jī)械密封檢查。拆檢機(jī)械密封后發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜環(huán)有明顯的磨損痕跡，動(dòng)環(huán)上有約2 mm寬的摩擦痕跡，靜環(huán)內(nèi)圓面上也有明顯的磨損痕跡。本次機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)座做了升級(jí)改造，集成度有所提高，但是新泵上應(yīng)用密封形式也在逐步改進(jìn)，改為迷宮式密封，通過(guò)可靠的外部沖洗，確保電機(jī)部分運(yùn)行更為可靠。

8 結(jié)束語(yǔ)

沸騰床反應(yīng)器循環(huán)泵在煤直接液化技術(shù)上得到成功應(yīng)用。該泵從裝置初始應(yīng)用時(shí)的經(jīng)驗(yàn)摸索，到目前為止的成熟應(yīng)用，中間發(fā)現(xiàn)了諸多缺陷，如密封面滲漏、變頻器故障跳車、密封油注入中斷、過(guò)流部件磨蝕等，同時(shí)也積累了諸多寶貴的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。隨著運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累、裝置停工后拆裝檢查、近期的返廠大修，為該泵的更長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)進(jìn)口備件的國(guó)產(chǎn)化修復(fù)應(yīng)用，乃至整泵的國(guó)產(chǎn)化研究都有指導(dǎo)性意義。