傳說中的神泵：    福斯Byron Jackson沸騰泵技術(shù)

本文主要介紹了加氫裂化沸騰床反應器循環(huán)泵的工作原理與結(jié)構(gòu)特點，涉及了循環(huán)泵或稱沸騰泵在加氫裂化沸騰床反應器內(nèi)的作用、操作運行及故障的處理。重質(zhì)油品或含固油品的加氫裂化反應工藝條件苛刻，循環(huán)泵或稱沸騰泵的設計充分考慮了加氫裂化沸騰床反應器內(nèi)的高溫高壓、臨氫、油品含固以及催化劑顆粒存在的復雜操作條件，并保證了其可在此復雜環(huán)境中長周期運行。

世界上重油資源非常豐富是常規(guī)原油的2.7倍，并且全球常規(guī)原油變重趨勢日益明顯，而同時隨著發(fā)展中國家經(jīng)濟增速的提高[1]，能源的消耗將出現(xiàn)較大幅度激增，能源的巨大缺口將主要依靠稠油及煤炭(煤炭直接液化技術(shù))等非常規(guī)資源技術(shù)來彌補。基于此對重油及含固油品的加氫裂化沸騰床技術(shù)應運而生，而循環(huán)泵或稱沸騰泵就是這種沸騰床裂化技術(shù)的核心裝備之一(見圖1)。

循環(huán)泵或稱沸騰泵是由美國ByronJackson公司從20世紀60年代起與加氫裂化沸騰床反應器同步開發(fā)出來的。循環(huán)泵被處在沸騰床反應器內(nèi)的壓力，溫度，臨氫及稠油瀝青質(zhì)和催化劑顆粒的氣液固三相物料內(nèi)，利用循環(huán)泵提供的能量控制反應器內(nèi)物料的返混程度以及催化劑床層的膨脹程度。循環(huán)泵是將泵和電機密封在反應器空間內(nèi)，由電線繞組提供旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子帶動葉輪調(diào)節(jié)反應器內(nèi)物相的返混程度。由于加氫裂化沸騰床反應器技術(shù)在稠油和含固油品加工上的優(yōu)越性[3]，目前循環(huán)泵技術(shù)已經(jīng)普遍應用于渣油加氫、煤直接液化技術(shù)中。

1.加氫裂化沸騰床反應器循環(huán)泵的作用

沸騰床加氫裂化工藝是借助于流體流速帶動一定顆粒粒度的催化劑運動，形成氣、液、固三相床層，使油品、氫氣和催化劑充分接觸而完成加氫裂化反應的（圖2）。沸騰床加氫裂化工藝可以處理金屬含量和殘?zhí)恐递^高的原料(如減壓渣油、煤直接液化的煤粉顆粒懸浮液體)，使重油深度轉(zhuǎn)化。但是該工藝的操作溫度及操作壓力較高，一般在400~500°C，11~21MPa。

循環(huán)泵或稱沸騰泵主要作用是給加氫裂化沸騰床反應器內(nèi)的催化劑床層提供膨脹動力，實現(xiàn)反應器內(nèi)物料的高度返混，保持了沸騰床反應器內(nèi)各物料性質(zhì)、操作壓力與溫度的高度均一，使原料油氣與催化劑顆粒充分接觸，提高了加氫裂化反應深度，避免了重質(zhì)油品或者高含量瀝青質(zhì)原料在固定床催化劑表面形成的結(jié)焦及重金屬中毒，堵塞固定床反應器系統(tǒng)，實現(xiàn)了重質(zhì)油品和含固油品的長周期加工。

重質(zhì)油品夾雜著氫氣進入反應器以后，經(jīng)過裂化沸騰床反應器特殊的結(jié)構(gòu)與事先裝在反應器內(nèi)的催化劑混合，在反應器內(nèi)形成氣液固三相沸騰。循環(huán)泵的存在使反應器內(nèi)的物料充分的返混，維持了反應器內(nèi)均一的溫度與反應壓力。歡迎關注泵友圈公眾號。重質(zhì)油品就在均一的高溫、高壓、臨氫、催化劑存在的工況下實現(xiàn)加氫裂化反應，反應生成油一部分通過沸騰床反應器循環(huán)杯進入到氣液分離器，另一部分物料通過沸騰床反應器循環(huán)杯的溢流管進入循環(huán)泵的入口實現(xiàn)反應器內(nèi)物料的循環(huán)返混。循環(huán)泵的液力端是一個單級葉輪，葉輪緊密安裝在電動機轉(zhuǎn)子軸上，旋轉(zhuǎn)的葉輪對流體施加能量，流體經(jīng)擴散器進入泵殼出口，建立反應器內(nèi)流體循環(huán)，膨脹反應器內(nèi)催化劑床層料位，使含固油品或重質(zhì)油品在催化劑上充分接觸實現(xiàn)加氫裂化反應。

2.循環(huán)泵的工作原理

循環(huán)泵本質(zhì)是一種立式、油浸式離心泵。電機轉(zhuǎn)子和泵的葉輪固定在同一根軸上，轉(zhuǎn)子在潤滑密封油介質(zhì)中運轉(zhuǎn)，其動力通過定子磁場傳給轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子帶動葉輪旋轉(zhuǎn)[2]。循環(huán)泵泵體部分出入口直接與反應器底部相連接(如圖3)，循環(huán)泵啟動前泵殼內(nèi)灌滿反應器內(nèi)的液體介質(zhì)，啟動后葉輪由軸帶動高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，液體由葉輪中心被拋向葉輪外緣獲得能量，進入泵的殼體。液體由于流道逐漸擴大而減速，又將部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)殪o壓能，最后以較高的壓力排放至出口管道。循環(huán)泵通過變頻驅(qū)動裝置使電動機的電流頻率變化調(diào)整泵出口流量的大小。

3.循環(huán)泵系統(tǒng)的組成與循環(huán)泵的結(jié)構(gòu)

加氫沸騰床循環(huán)泵主要包括泵體部分、浸油式變頻電機、軸端密封、電動機冷卻系統(tǒng)、潤滑沖洗系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)與儀表控制7部分。泵體處設有排污口。通過泵體部分實現(xiàn)離心泵的泵送介質(zhì)功用，采用屏蔽式離心泵結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)泵體介質(zhì)的完全無外泄漏，其中潤滑沖洗系統(tǒng)一方面將電機內(nèi)的部分潤滑油通過軸端密封間隙注入泵體部分，防止了泵體介質(zhì)串入電動機內(nèi)，另一方面潤滑油在轉(zhuǎn)子輔助葉輪的帶動下在電機內(nèi)循環(huán)流動實現(xiàn)了冷卻與潤滑的作用，變頻器的配置實現(xiàn)了電機的轉(zhuǎn)速控制，從而完善了循環(huán)泵的出口流量的調(diào)節(jié)。

3.1 循環(huán)泵液力端的結(jié)構(gòu)

循環(huán)泵是帶有入口擴散器并且內(nèi)部充滿介質(zhì)集成了電機的單級油浸式離心泵。該泵需運行在高溫高壓下。循環(huán)泵液力端的結(jié)構(gòu)見圖4。

循環(huán)泵的電機布置在與泵的同一條垂直軸的下面，頂部是泵的吸入口，斜45°位置是循環(huán)泵的排出口。循環(huán)泵的頂端是一個單級葉輪(圖5)，葉輪與電機緊密連接，直接安裝在電動機的轉(zhuǎn)子軸上，葉輪對流體介質(zhì)施加能量，并排至擴散器，擴散器再將流體導入泵殼，經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)打入泵殼出口，建立循環(huán)，為沸騰催化劑床層和維持反應器內(nèi)物料反應環(huán)境均一提供動力。

3.2 循環(huán)泵的潤滑油系統(tǒng)

潤滑油用于對整個電動機的冷卻，軸承的潤滑，阻止反應器內(nèi)流體的串入。通過往復式計量泵提供循環(huán)泵所需的潤滑油量。

潤滑油通過裝在止推盤中的輔助葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)潤滑油在電動機內(nèi)的循環(huán)。潤滑油的循環(huán)(圖6)是從輔助葉輪的排出端，通過電動機的腔隙內(nèi)至密封區(qū)，然后再反向向下流回電動機的外部，進入熱交換器，油通過熱交換器時被冷卻，再返回輔助葉輪。這樣就提供了必要的冷卻(去除了反應器帶來的熱，去除了電動機產(chǎn)生的熱量)。

所以在循環(huán)泵運行過程中或者備用時，要一直從外部向電動機內(nèi)注入潤滑油，電動機腔體內(nèi)的壓力應當高于反應器的壓力，以防止反應器介質(zhì)返流入電動機。潤滑油的作用是還給電動機腔體升壓、潤滑軸承和沖洗機械密封。部分潤滑油通過迷宮型孔板流入泵體，進入反應器內(nèi)。

循環(huán)泵以最低轉(zhuǎn)速運行時循環(huán)泵電機由于處于反應器環(huán)境中，電機本體溫升較快，如果電機長時間維持較高運行溫度，很容易損壞循環(huán)泵的電機系統(tǒng)，所以當循環(huán)泵以最低轉(zhuǎn)速運行時候應當將密封油的注入量調(diào)節(jié)至最大量，以便輔助葉輪可以循環(huán)大量密封油把電機中的熱量帶走，從而保證循環(huán)泵的安全運行。當循環(huán)泵轉(zhuǎn)速高于最低轉(zhuǎn)速運行時候可根據(jù)操作要求將密封油的注入量降至最低。

3.3 循環(huán)泵的電動機

電動機(圖7)由電動機軸、轉(zhuǎn)子、定子、電動機殼體、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組成。繞組、轉(zhuǎn)子和泵電動機裝置的所有部件均浸沒在注入的潤滑油中。

3.4 循環(huán)泵的冷卻水系統(tǒng)

除了循環(huán)泵內(nèi)部的潤滑油密封冷卻外，電機基座表面采用循環(huán)水冷卻。

3.5 循環(huán)泵的變頻控制系統(tǒng)(VFD)

由循環(huán)泵電機的轉(zhuǎn)速傳感器測出循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，并將此信號轉(zhuǎn)換成與之相對應的4~20mA標準電信號[4]，送到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與工藝所需的控制指標進行比較，得出偏差。其偏差值由調(diào)節(jié)器按預先規(guī)定的調(diào)節(jié)規(guī)律進行運算得出調(diào)節(jié)信號，該信號直接送到變頻調(diào)速器，從而使變頻器將輸入為固定的交流電變成輸出為連續(xù)變化的可調(diào)電壓與頻率的交流電，直接控制循環(huán)泵的電機轉(zhuǎn)速來調(diào)整反應器物料的膨脹和返混程度。

4.加氫沸騰床反應器循環(huán)泵操作的故障處理

在事故狀態(tài)，反應器循環(huán)泵停止后，會引起反應器內(nèi)物料的快速沉降，氣體在反應器內(nèi)分配不均，必然導致局部放熱量失控，從而使反應器內(nèi)局部(熱偶、溢流管、升氣管，支撐和泡罩)以及反應器壁的結(jié)焦。因此循環(huán)泵故障時候應要嚴格重視，以下為2種常見事故情況:

4.1反應氫氣中斷

反應氫氣中斷后反應器內(nèi)氣體快速與液固態(tài)介質(zhì)分離，使反應器內(nèi)懸浮液的料位迅速降低至循環(huán)杯以下，短時間可能造成循環(huán)泵的抽空，一旦發(fā)生反應器內(nèi)脫氣，應以最大速率提供油品進料，使油品迅速充滿反應器，重新建立反應器內(nèi)的物料循環(huán)。

4.2循環(huán)泵密封油中斷

密封油的連續(xù)注入有助于冷卻、潤滑、沖洗循環(huán)泵的內(nèi)件。如果密封油中斷我們首先需檢查DCS報警表，確定事故的原因范圍:

（1）密封油過濾器堵塞，立即切換過濾器或者改走過濾器的付線，清洗堵塞過濾器。

（2）密封油控制閥事故關，立即切除控制閥改走副線控制維修。

（3）泵入口安全閥事故開，短時間可切除安全閥維修。

（4）密封油供給出現(xiàn)問題，聯(lián)系密封油供給裝置，確保公用工程裝置輸出正常。

5. 結(jié)論

綜上所述，循環(huán)泵本質(zhì)上是一種立式、屏蔽式、配置了變頻控制系統(tǒng)的特殊離心泵，它的工作環(huán)境苛刻(高溫、高壓)，工作介質(zhì)(氣液固三相介質(zhì))復雜，并且身處加氫裂化反應發(fā)生的環(huán)境中，循環(huán)泵技術(shù)完善了油品的加氫工藝，它是重(渣)油加氫裂化沸騰床技術(shù)中的核心裝備，它為重質(zhì)油品的加氫反應提供了均一的發(fā)生環(huán)境、為催化劑床層的沸騰提供了動力，很大的提高油品的轉(zhuǎn)化效率，避免了固定床反應器被重質(zhì)油品、瀝青質(zhì)原料反應時堵塞造成的停車事故，實現(xiàn)了重質(zhì)油品以及含固油品的長周期加工。隨著國家對節(jié)能減排降耗的要求，越來越多的煉廠開始采用沸騰床加氫工藝。

參考文獻