極易汽化介質(zhì)立式筒袋泵的工程實例剖析

泵友圈法律顧問

北京市京師律師事務所 王璠律師/公司法律顧問

作者：王波 魏宗勝，中國成達工程有限公司

摘要：比較了國內(nèi)外知名泵公司投標的極易汽化介質(zhì)立式筒袋泵的5項工程實例，給出了詳細的工藝系統(tǒng)技術參數(shù)表、泵的外形尺寸圖、不同基準面的NPSHa和首級葉輪入口的NPSHr。對國內(nèi)外立式筒袋泵的三項技術缺陷進行了分析，引用工業(yè)運行情況和工程實例進行了說明。

關鍵詞: 立式筒袋泵；工程實例；工藝系統(tǒng)；技術參數(shù)；技術缺陷。

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前 言

極易汽化介質(zhì)立式筒袋泵的特點是，進口法蘭處的介質(zhì)汽化壓力與泵的進口壓力幾乎相等，將首級葉輪降到地下，相當于首級葉輪進口處的進口壓力增加了，加大了防止汽蝕的有效汽蝕余量NPSHa，這是采用立式筒袋泵的優(yōu)越之處。

但立式筒袋泵存在三項技術缺陷：

其一，機械密封要密封泵的出口壓力；

其二，轉子檢修難度很大，轉子拆裝后，動平衡精度難以重復再現(xiàn)；

其三，大部分用兩極電機，不符合當今世界上流體機械“升轉速、減級數(shù)、提效率、降成本”的技術發(fā)展方向。

對于LNG用的高揚程和超高揚程的立式筒袋泵，上述三大缺陷就更突出。本文針對有代表性的5項工程項目實例進行了分析，有助于全面了解國內(nèi)外知名泵公司極易汽化介質(zhì)立式筒袋泵的技術現(xiàn)狀。

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為什么極易汽化介質(zhì)立式筒袋泵的下部分必須埋在地下

大型石化裝置罐區(qū)數(shù)十臺儲罐容積都在2萬立方米以上，例如乙烯裝置中，液態(tài)乙烯儲罐的容積從2萬m³到10萬m³，只能放在地面上[1]。圖1是液態(tài)乙烯儲罐及乙烯輸送泵布置圖，儲罐外必須有選材和施工質(zhì)量高的保冷層，防止因日照液態(tài)乙烯溫度升高。

圖1. 液態(tài)乙烯儲罐及乙烯輸送泵布置圖

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極易汽化介質(zhì)立式筒袋泵的五項工程實例

2-1 工程實例1：神華煤制油項目罐區(qū)位號P-202A/B乙烯輸送泵。

表1. 新疆神華煤制油項目罐區(qū)P-202A/B乙烯輸送泵，福斯、魯爾、ITT公司技術參數(shù)對比表

(工藝系統(tǒng)條件：溫度-33℃、比重0.448、黏度0.08cP、汽化壓力1.744MPa.A、泵進口壓力1.753MPa.A、額定流量13m³/h、揚程466m)

注：首級葉輪的進口在地下，應將NPSHa的基準面從基礎的頂面，換算到首級葉輪的進口標高處，NPSHa將增加基礎的頂面到首級葉輪的進口的高度，減去液體流經(jīng)泵的外筒與泵殼之間環(huán)形通道的壓力降 (用液柱表示，均按0.1m)。

圖2 新疆神華煤制油項目罐區(qū)P-202A/B乙烯輸送泵福斯、ITT公司的外形尺寸圖, 不同基準面的NPSHa和首級葉輪入口的NPSHr

從表1和圖2可以看出，美國ITT公司的乙烯輸送泵采用徑流葉輪配徑向導葉體，為提高小流量泵效率用28級葉輪。在泵底座的下表面處NPSHa=1.45 m，泵底座的下表面至首級葉輪的進口的高差為3.2m，泵外筒與泵殼之間環(huán)形通道的壓力降Δh=0.1m，首級葉輪的進口標高處的NPSHa增大為NPSHa = 1.45+3.2-0.1 = 4.55 m。

該泵的NPSH3：額定流量時為1.72m，最大流量時為3.24 m。將NPSHa和NPSH3統(tǒng)一到同一基準面 (首級葉輪的進口)后，額定流量下，防汽蝕的富裕量 (NPSHa-NPSH3)=4.55-1.72=2.83 m。比工程設計規(guī)定的富裕量0.6 m大得多，是因為該公司追求泵效率，葉輪級數(shù)多達28級，軸向尺寸太長，造成細長轉子檢修困難。

API 610標準振動限制決定的最小連續(xù)穩(wěn)定流量，ITT公司泵最大，轉子又細長，缺陷明顯。

相比而言，魯爾和福斯采用更大直徑葉輪，泵插入深度降低2米左右，在汽蝕裕量滿足規(guī)范要求的前提下，泵運行穩(wěn)定性大大提高。在工程實踐中，泵運行穩(wěn)定、維修方便，優(yōu)于效率高，我公司和用戶的意見一致，該位號泵選用了福斯公司的泵。

圖3 美國福斯公司P-202A/B乙烯輸送泵性能曲線圖

此位號泵額定流量與最高效率點流量20.5m³/h的比例為63.4%，符合API 610標準優(yōu)選工作區(qū)為BEP流量的70~120%的規(guī)定。最大直徑葉輪的揚程為516m與額定揚程466m之比為1.107，大于API 610標準規(guī)定的至少5%。NPSHr=1.3m。

圖4 美國ITT公司P-202A/B乙烯輸送泵性能曲線圖

此位號泵額定流量與最高效率點流量16m³/h的比例為81.3%，最大直徑葉輪的揚程為500m與額定揚程466m之比為1.07，NPSHr=1.72m。API 610標準振動限制決定的最小連續(xù)穩(wěn)定流量為5.5m³/h，是三家公司泵中最大的，是缺陷。

圖5 德國魯爾公司P-202A/B乙烯輸送泵性能曲線圖

此位號泵額定流量與最高效率點流量22m³/h的比例為59%，不符合API 610標準優(yōu)選工作區(qū)為BEP流量的70~120%的規(guī)定。

2-2 工程實例2：南京誠志永清科技公司年產(chǎn)60萬噸MTO項目罐區(qū)，位號P-0320C乙烯產(chǎn)品輸送泵

表2 南京誠志公司MTO項目罐區(qū)P-0320C乙烯產(chǎn)品輸送泵技術參數(shù)表(大連深藍泵業(yè)公司)

(溫度-32.6℃、比重0.445、黏度0.074cP、汽化壓力1.845MPa.A、泵進口壓力1.85MPa.A)

圖6 大連深藍公司P-0320C乙烯輸送泵性能曲線圖

2-3工程實例3：中石化中原石化公司乙烯項目，位號GA-821CN

乙烯液體輸送泵蘇爾壽TTMC 80-230(B)×13，比重0.449，Q100，H977，68%

表3 中原石化公司乙烯項目GA-821CN乙烯液體輸送泵技術參數(shù)表(蘇爾壽公司)

(溫度-35℃、比重0.449、汽化壓力1.69MPa.A、黏度0.077cP、泵進口壓力1.694MPa.A)

圖7中原石化公司乙烯液體輸送泵性能曲線圖

圖8中原石化公司乙烯液體輸送泵外形尺寸圖, 不同基準面的NPSHa和首級葉輪入口的NPSHr

2-4工程實例4：中海油寧波公司LNG項目位號P-0401A~E，美國JC Carter公司LNG高壓輸出泵

表4 中海油寧波公司LNG項目位號P-0401A~E, LNG高壓輸出泵技術參數(shù)表(美國JC Carter公司)

(溫度-165℃、比重0.39、汽化壓力0.76MPa.A、泵進口壓力0.765MPa.A)

2-5工程實例5，中海油福建公司LNG項目位號P-0401A~D, 美國荏原國際公司LNG高壓輸出泵

表5 中海油福建公司LNG項目位號P-0401A~D，LNG高壓輸出泵技術參數(shù)表(美國荏原國際公司)

(溫度-156℃、比重0.426、汽化壓力0.601MPa.A、泵進口壓力0.607MPa.A)

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國內(nèi)外立式筒袋泵的三項技術缺陷

3-1 機械密封要密封泵的出口壓力

機械密封及其輔助系統(tǒng)是VS6泵極其重要的部件，因為選型和使用不當引起的機封泄漏，占泵故障的首位。國外知名泵公司投標的VS6泵的機封沖洗方案普遍采用PLAN 13+52+62(N2)，立式筒袋泵的機械密封要密封泵的出口壓力，加之易汽化質(zhì)的黏度很低（例如液態(tài)乙烯，溫度-30℃的黏度0.0697cP，0℃的黏度僅0.043cP）潤滑性很差，機封動靜環(huán)的摩擦熱使液膜的溫度升高，黏度再降低。

如果機封腔壓力與液體汽化壓力的裕度不夠, 將造成機封動靜環(huán)端面之間的液膜汽化，出現(xiàn)干摩擦，將使機封迅速失效，機封沖洗系統(tǒng)中的節(jié)流孔板堵塞，也是機封故障的常見原因。

中海殼牌石化公司二期年產(chǎn)120 萬噸乙烯裝置，大連深藍公司制造的乙烯產(chǎn)品泵(揚程102m，額定流量360m³/h)和福斯公司制造的乙烯外送泵(揚程56m，額定流量155m³/h)，盡管屬于低/中揚程的VS6泵，機械密封也頻繁失效，后經(jīng)該公司工藝與維修團隊密切配合，對機械密封解體研究失效機理，分析根本原因，并進行相應改造，才解決了機封頻繁失效的問題，提高了機泵的使用壽命[2]。

中石油獨山子石化公司乙烯廠輕質(zhì)烴類泵，蘭州石化公司乙烯廠的乙烯泵和丙烯泵，也因機封頻繁失效，給裝置安全、平穩(wěn)生產(chǎn)帶來極大的安全隱患[3、4]。新疆獨山子煉油廠罐區(qū)的立式筒袋泵檢修的主要原因是因為振動嚴重超標引起的[5]，中海油湛江分公司海洋石油平臺用的原油外輸泵，為13級立式筒袋式泵，盡管揚程不高為417m，轉速又低，為1450rpm，機封平均每3個月更換一次，平衡鼓、平衡鼓套、口環(huán)等件磨損，整泵只能送陸上的大修廠，在專用檢修平臺上，按嚴格完整的檢修規(guī)程進行拆檢，精心進行轉子動平衡[6]。

LNG(液化天然氣)接收站高壓輸出泵，揚程接近2000m，主要有兩種泵型，一種是傳統(tǒng)的立式筒袋泵，配裝機械密封，另一種是目前的主流泵型，立式罐內(nèi)潛液泵，整個VS6泵和電機都安裝在罐內(nèi)的液液中，取消了機械密封，避免了機械密封失效帶來的諸多問題[7]。但又增加了立式筒袋泵檢修，尤其是轉子動平衡難度更大的新問題。

3-2 轉子檢修難度很大，轉子拆裝后，動平衡精度難以重復再現(xiàn)

(A) 傳統(tǒng)的立式筒袋泵

圖9 蘇爾壽公司TTMC型立式筒袋泵剖面圖

如圖9所示，立式筒袋泵大修時，芯包要從埋地下的泵外筒體內(nèi)吊上來，因為各級葉輪與導葉體交錯布置，泵轉子動平衡前，必須全部解體，再將14級葉輪、鍵、定位卡環(huán)裝在軸上，進行動平衡，合格后各級葉輪又要從軸上拆下來，才能與導葉體交錯裝配成芯包。再將芯包吊進地下的泵外筒體內(nèi)。可見如此復雜的轉子檢修和動平衡程序，對裝配技術水平要求非常高，通常由高級裝配師傅承擔此項工作，才能保證轉子動平衡精度和同心度不降低。

(B) 立式罐內(nèi)潛液泵

圖10美國J.C Carter公司LNG高壓輸送泵剖面圖

       圖11   美國Ebara國際公司LNG高壓輸送泵剖面圖

如圖10和圖11所示，潛液式低溫泵在檢修時，因為各級葉輪與導葉體交錯布置，需要逐步拆下誘導輪、第一級葉輪、第一級導葉體，……直至拆下全部的葉輪及導葉體。在修復完受損零件，并檢測合格后，需要在電機轉子和泵轉子的共用軸上，安裝誘導輪、鍵、各級葉輪、定位卡環(huán)等轉動零件 (不含導葉體等非轉動零件)，再進行一體式轉子的動平衡檢驗。因為電機轉子的軸與筒袋泵的軸連為一體，用戶無法進行轉子動平衡，只能送原制造廠進行，上述兩公司對如何進行轉子動平衡檢驗避而不談，也未提供任何書面資料。                     

3-3 大部分用兩極電機，不符合當今世界上流體機械“升轉速、減級數(shù)、提效率、降成本”的技術發(fā)展方向。

成達公司一批化工、石化項目中，使用了蘇爾壽公司和福斯公司的立式筒袋泵，合同技術附件中有這兩家公司國內(nèi)外VS6泵業(yè)績表。因為立式筒袋泵檢修困難，為提高運行可靠性，絕大部分用兩極電機，少數(shù)用四極電機，國外少數(shù)VS6泵的轉速達到4000rpm。蘇爾壽立式筒袋泵國內(nèi)業(yè)績表共948臺, 絕大部分用兩極電機，福斯VS6泵1993~2013年在中國的部分業(yè)績表247臺泵也大部分用兩極電機。

工程實例：日本荏原公司高速型高壓甲銨泵在尿素裝置中處于壟斷地位

表7 加前置泵解決汽蝕問題用高速型6級背對背BB4泵，明顯優(yōu)于GE-新比隆公司的中速12級BB5泵

詢價條件：輸送介質(zhì)為氨基甲酸銨溶液，Q=45 m3/h，t= 72.5℃，γ=1.216，Ps=4.52bar.A，Pd=169.52bar.A，△P=165bar，H=1382.4m，Pv=3.3bar.A，NPSHa=9.48m

由于氨基甲酸銨溶液的蒸汽壓較高，GE-新比隆公司的方案是采用2980rpm轉速的BB5型泵，12級葉輪，葉輪外徑300 mm。

日本荏原公司采用8457r/min高速BB4泵方案，葉輪僅3+3級，全部為單吸葉輪，背靠背布置平衡軸向力，葉輪外徑198mm，增加了一臺前置增壓泵，用450kW-2P電機一拖二。前置增壓泵耗電11.7kW，NPSH3=2.6m，主泵的進口壓力提高到10.49 bar.A，NPSHa=60m，無汽蝕問題，總軸功率比中速泵方案少16.3kW。高速方案的最大優(yōu)勢還在于，制造成本預計為中速方案的一半以下。因此，荏原公司的高壓甲銨泵在尿素裝置中一直處于壟斷地位，至今已有200多套高壓甲銨泵在全球運行。

參考文獻

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