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新聞詳情
極易氣化液泵的創(chuàng)新摘要：指出了當前輸送易氣化VS6泵存在的兩項技術(shù)缺陷，按今年6月授權(quán)的“輸送易氣化液高揚程離心泵的設(shè)計方法”發(fā)明專利，對小、中流量的高揚程VS6泵，采用地下一級VS6泵，與地上一個葉輪的高揚程、高效皮托管泵串聯(lián)；對中、大流量的高揚程VS6泵，采用地下一級VS6泵，與地上高轉(zhuǎn)速BB3泵串聯(lián)。針對茂名石化公司15級VS6乙烯產(chǎn)品泵，提出了地下一級VS6泵與地上高速四級BB3泵串聯(lián)的創(chuàng)新方案，給出了詳細的計算步驟。結(jié)果表明，創(chuàng)新方案的葉輪總級數(shù)減為三分之一，BB3泵轉(zhuǎn)子動平衡后不解體裝入泵內(nèi)，動平衡精度無變化，泵檢查和檢修方便，泵的總功耗僅增加12.4kW (4.1%)。選用1480rpm的VS6泵，汽蝕比轉(zhuǎn)速C=1080 (5.62，m3/s，rpm，m)，抗汽蝕性能優(yōu)秀；BB3泵的C=980，兼顧了泵效率和抗汽蝕性能。 關(guān)鍵詞：立式筒袋泵；技術(shù)缺陷；發(fā)明專利；設(shè)計方法；BB3泵；汽蝕比轉(zhuǎn)速 乙烯是石化工業(yè)最重要的基礎(chǔ)原料之一，乙烯裝置是石化工業(yè)的“龍頭”，生產(chǎn)的液態(tài)乙烯用泵輸送到儲罐儲存，因為儲罐容積數(shù)萬立方米，只能安放在地面上。液化天然氣（LNG）是另一個類極易氣化的介質(zhì)，據(jù)國家發(fā)改委、國家統(tǒng)計局和海關(guān)總署發(fā)布的數(shù)據(jù)，2021年我國天然氣對外依存度高達44.9%，其中LNG進口量占天然氣總進口量的65%，進口的LNG海運到港口的LNG接收站，再轉(zhuǎn)到大型LNG儲罐。 立式筒袋泵（VS6）是這兩個裝置關(guān)鍵的輸送泵，因該泵進口法蘭處的液態(tài)乙烯和LNG已接近氣化狀態(tài)，只能將泵布置到地下，利用液柱的靜壓增加首級葉輪進口壓力，比進液氣化壓力高，保證液體不會氣化，即是增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。 我國的VS6泵大量從國外進口，典型的是蘇爾壽公司TTMC系列立式筒袋泵（圖1），美國荏原國際公司LNG高壓輸送泵（圖2）。
國內(nèi)外VS6泵存在兩項技術(shù)缺陷： 其一，轉(zhuǎn)子檢修難度很大。因為各級葉輪與各級導(dǎo)葉體和各級泵殼交錯布置，轉(zhuǎn)子動平衡前必須全部解體，再將各級葉輪裝在軸上進行動平衡；合格后又要全部解體，各級葉輪才能與各級導(dǎo)葉體和泵殼交錯裝成芯包；再將芯包吊進地下的外筒體內(nèi)?？梢娙绱藦?fù)雜的轉(zhuǎn)子檢修和動平衡程序，對裝配技術(shù)水平要求非常高，泵的檢修必須將泵運到原制造廠進行，才能保證轉(zhuǎn)子動平衡精度和同心度不降低。 其二，大部分用兩極電機，不符合流體機械“升轉(zhuǎn)速、減級數(shù)、提效率、降成本的技術(shù)發(fā)展方向”。 我公司已授權(quán)的發(fā)明專利《輸送易氣化液體高揚程離心泵的設(shè)計方法》CN 113,094,835 B [1]，避免了國內(nèi)外液態(tài)乙烯和LNG現(xiàn)有立式筒袋泵的上述兩項長期存在的技術(shù)缺陷。 本發(fā)明的權(quán)利要求書提出了兩種方案： （一）對小、中流量的高揚程VS6泵，采用地下一級VS6泵，與地上一個葉輪的高揚程、高效皮托管泵串聯(lián)，兩泵相互支持，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，消除各自的缺陷。既克服了國內(nèi)外現(xiàn)有的高揚程VS6泵的兩大缺陷，又因為有前置VS6泵提高了皮托管泵的進口壓力，克服了中、大流量皮托管泵抗汽蝕性能很差的缺陷，發(fā)揮皮托管泵的優(yōu)勢：機械密封僅密封泵的進口低壓力，即一個葉輪VS6泵的出口低壓；皮托管泵的出口高壓，是用靜止的O形密封圈來密封，可靠性顯著提高。
（二）對中、大流量的高揚程VS6泵，采用地下一級VS6泵，與地上的高轉(zhuǎn)速BB3泵串聯(lián)，BB3泵的泵殼是水平軸向剖分，進出口接管在下泵殼，吊開上泵殼，不拆進出口接管，就可檢查檢查或檢修轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子動平衡后不解體就裝入下泵殼內(nèi)，動平衡精度無變化；兩段葉輪對稱布置，軸向力大部分平衡。 我公司中海油湛江海上平臺采油注水泵用BB3泵（水汽化壓力0.0594barA、流量100 m3/h、揚程1480m），因為泵殼與流道組成框架結(jié)構(gòu)，剛度高，軸向剖分面精磨的密封可靠壓力已超出API 610對出口壓力100bar.G的限制。 注水泵中開面采用龍門數(shù)控加工中心精銑，平面度≤0.04mm，表面粗糙度Ra≤3.2μm，滾花是徑向不通的螺旋狀淺汶。密封墊采用低壓縮率、高回彈性能的進口壓縮纖維墊片（牌號Flexitallic），壓縮率~8%，回彈率50~55%，因為有前置泵，進口壓力35bar.A，泵的設(shè)計不考慮汽蝕，泵的轉(zhuǎn)速3300rpm，首級用單吸葉輪。該泵出口壓力179bar.G，已超過API 610標準對BB3泵限制100 bar.G的79%，已成功運行了7年。 我公司針對福斯公司設(shè)計制造的茂名石化公司乙烯產(chǎn)品泵，研究的改進方案如下： 工藝條件：液態(tài)乙烯溫度-36.3 ℃、氣化壓力16.3 bar.A、比重0.454，流量143 m3/h、揚程1058m。 泵結(jié)構(gòu)：按圖5該泵的安裝圖。
圖5 茂名石化公司15級VS6型乙烯產(chǎn)品泵安裝圖 泵性能：流量143 m3/h、揚程1058m、轉(zhuǎn)速2980 rpm、泵進口接管中心線處的壓力16.34 bar.A、效率64.9%、額定軸功率288.2kW、電機額定功率355kW、首級葉輪進口處的必需汽蝕余量NPSHr=2.5m。 泵結(jié)構(gòu)：葉輪15級，泵外筒體內(nèi)徑711 mm、深度1965 mm、泵加電機總高5883 mm、泵接管法蘭：進口8"，300RF, 出口6"，900RF、泵進口接管中心到泵外筒體法蘭上表面高度516 mm。 創(chuàng)新方案：地下一級VS6泵與地上高速四級BB3泵串聯(lián)。 為防止高速 BB3 泵汽蝕，提高進口壓力，一級 VS6 選用我公司成熟產(chǎn)品，型號:TTVC100-260-1，轉(zhuǎn)速1480 rpm，葉輪外徑 236mm，揚程 16m，NPSHr=2.5m，效率 81%，見圖 6 一級 VS6 性能曲線圖。
圖6 一級VS6（1480rpm）性能曲線圖 因為后置泵的進口壓力用揚程16m的前置泵增壓，選用轉(zhuǎn)速4800rpm的 BB3泵不會汽蝕，泵可以用易檢修的BB3型泵，級數(shù)只需四級，轉(zhuǎn)速高，能提高泵效率。 為穩(wěn)妥，轉(zhuǎn)速比蘇爾壽公司為孟加拉供貨的高壓鍋爐給水泵(流量 221 m3/h、揚程 1607m、轉(zhuǎn)速 4900 rpm)的轉(zhuǎn)速略低，將首級葉輪由蘇爾壽上述泵 用雙吸葉輪，改進成單吸葉輪，泵體結(jié)構(gòu)大為簡化，降低泵體的鑄造成本，用戶只需一種葉輪備件。
圖7 四級BB3泵剖面圖 圖中件號的名稱：1-聯(lián)軸器、2-風扇、3-提油環(huán)、4-軸承隔離器、5-低壓端機封部件、6-低壓端節(jié)流環(huán)、7-泵體密封環(huán)、8-中間軸套、9-上泵蓋、10-高壓端軸套、11-高壓端節(jié)流環(huán)、12-高壓端機封部件、13-角接觸球軸承、14-軸承隔離器、15-轉(zhuǎn)子部件(泵軸、葉輪等)、16-高壓端節(jié)流環(huán)Ⅱ、17-泵體密封環(huán)Ⅱ、18-中間節(jié)流環(huán)、19-下泵體、20-平衡管、21-圓柱滾子軸承。
圖 8 KDY 80-300×4 (BB3) 性能曲線圖 1. BB3泵流量=143m3/h，揚程=1058-16=1042m，平均一級的揚程=1042÷4=260.5m； 2. 將上述參數(shù)的工況點，標注在該泵的性能曲線圖上，得到葉輪外徑280mm、最大葉輪外徑305mm、NPSHr= 6.85 m、效率0.62； 3. 為減小VS6泵的地下深度，外筒直徑一定時，按筒體外流道的橫截面積是內(nèi)流道橫截面積的4倍設(shè)計，筒體外流道的流速按0.15~0.2 m/s設(shè)計，因為VS6泵的內(nèi)外筒體為機加工，壁面較光滑，外流道的水力損失按 0.015 m。筒體內(nèi)流道的流速是外流道的4倍，按以下公式計算其水力損失。 4. BB3泵轉(zhuǎn)速升至4800 rpm后，NPSHr的計算按下圖右側(cè)的分析。
圖9 泵轉(zhuǎn)速對NPSHr的影響 5. 對VS6泵和BB3泵性能曲線圖上的汽蝕比轉(zhuǎn)速說明： 汽蝕比轉(zhuǎn)速是石化行業(yè)離心泵設(shè)計和選型的重要指標，汽蝕比轉(zhuǎn)速高表示必須汽蝕余量NPSHr小，但泵的效率將降低，汽蝕比轉(zhuǎn)速超過了有關(guān)標準規(guī)定的極值，振動超標，運轉(zhuǎn)可靠性降低。
(一)、VS6 泵進口接管中心線到葉輪進口的深度 h1 按下式計算:
(二)、用提高 BB3 泵進口壓力防止其汽蝕，用公式(2)計算 VS6 泵的揚程 H1。
(三)、計算 BB3 泵的揚程 H2:
(四)、計算兩泵的功耗
創(chuàng)新技術(shù)方案與茂名石化公司公司乙烯液體輸送泵的比較表 (相同設(shè)計條件:液態(tài)乙烯比重 0.454、流量 143 m3/h、揚程 1058m、 泵進口壓力 16.34 bar.A、出口壓力 63.43 bar.A)
參考文獻 [1] 何備荒，羅志.輸送易氣化液體高揚程離心泵的設(shè)計方法：中國專利CN 113,094,835 B[P]，2022.6.14. [2] 好川紀博.化工泵[M].北京, 機械工業(yè)出版社, 1978, 111-113. [3] 關(guān)醒凡.現(xiàn)代泵理論與設(shè)計[M].北京,中國宇航出版社，2011，83-84. [4] 蘇爾壽公司.Suler Centrifugal Pump Handbook，Third edition，2010.
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