减压塔底泵关键技术研究

谷伟伟(中国石化安庆石化分公司 炼油二部，安徽 安庆 246000)

0 引言

“节能减排”不仅是落实科学发展观、构建和谐社会的具体实践，也是炼油内部挖潜，提升国际竞争能力的内在需求。近年来，中国石化股份公司炼油板块一直坚持“优化增效、节能减排”的工作方针，全面深入地开展了“减压深拔”、“焦化提高操作负荷”等专项的节能减排工作，炼油能耗正在按照制定的“十一五”发展规划的要求逐年降低。现代炼化装置常减压蒸馏的操作，实施减压深拔，可减少重油的生成。减压深拔操作可以有效降低渣油收率，提高减压渣油的残炭和密度，充分发挥装置的运营能力，提高轻油收率，降低燃料油收率，提高了高附加值产品收率。500万吨/年常减压装置采用减压深拔技术，其减压塔底泵用于高温、高压、大流量、高扬程、高汽蚀性能、腐蚀和磨蚀的场合，为保证装置安全平稳运行，该台位机泵配备2台(一开一备)，并要满足以下技术要求：一方面是流量、扬程、功率等参数较大，二是该泵需要的气蚀余量较小，三是泵的选型要求拆装简单，检维修方便。苛刻的应用环境对减底泵的水力、热变形补偿和机械密封提出了更高的要求[1]。

1 叶轮水力设计

对于500万吨级减压塔底泵，由于减压塔为负压操作，在泵的进口极易产生气阻现象，这对泵的汽蚀性能提出了很高的要求。在提高泵的汽蚀性能的同时，必然会牺牲一定的效率，所以在叶轮采用双吸结构提高抗汽蚀性能的同时通过采用高效水力设计[2]，弥补效率损失显得尤为重要。减压塔底泵结构图如图1所示。

图1 减压塔底泵结构图

泵设计参数：

流量:正常211 m3/h；扬程:208 m；电机功率：280 kW；吸入温度: 360～400 ℃；NPSHr:4 m；介质：减压塔底渣油。

采用江苏大学PCAD水力设计软件进行A、B两个方案的首次级叶轮、泵体吸入室和排出室水力尺寸的设计，利用FLUENT软件进行压力分析和速度场模拟计算；在分析计算的基础上，选出1个水力模型组进行模型的内、外特性试验。双吸叶轮三维造型如图2所示。

图2 双吸叶轮三维造型

吸入室和排出室三维造型如图3所示。利用混合多相流模型、汽蚀模型、RNG k-ε方程，模拟了离心泵叶轮内部空化流场，给出了其压力、速度和空泡体积组分分布规律，揭示了空化流动的内部特征，为离心泵在空蚀预测及性能提高上提供了一定的参考依据。进口边界条件采用总压进口，其方向垂直进口面 。出口边界条件采用质量流量出流，固壁条件在固体边壁上，一般取黏性流体无滑移条件。叶轮和蜗壳内流体的耦合采用流体-流体交接面(fluid-fluid interface) ，在本论文所研究的流动系统中，叶轮的水体为旋转体，吸入室和蜗壳内部的水体为静止体，用于吸水室和叶轮、叶轮和蜗壳二者之间衔接的交界面分别设置为stage、Frozen Rotor模式进行黏接，该交界面对于两部分水体的动静藕合有着重要作用。网格结点的匹配方式采用GGI模式。

图3 吸入室和排出室三维造型

如图4所示，可以看出，叶轮汽蚀主要发生在叶片背面，在叶片背面进口稍后处(靠近前盖板)最先有空泡产生。随着进口压力的降低，叶片背面根部(靠近轮毂)这一区域汽泡密度很大，随着液流内部压力的升高空泡逐渐溃灭，到叶轮出口处空泡消失。通过对比A、B方案在25 ℃下，Q=211 m3/h和Q=300 m3/h时的汽泡体积分布，发现A方案在叶片进口处的体积分布明显小于B方案，而在泵的出口处A、B方案汽泡体积分布基本相同，这说明B方案在叶片进口处汽泡破裂的数量要多于A方案，对叶轮的损伤也更大[3]。

图4 首级叶轮A、B方案的叶轮内部气泡分布

由空泡体积组份分布还可看出，大流量工况下的汽蚀发生的区域和密度都要大于额定流量工况，这进一步说明离心泵在相同吸上真空度的条件下，大流量工况时更容易发生汽蚀，而且汽蚀面积也最大[4]。这也证明了本文塔底泵首级双吸叶轮设计方法的正确性。

如图5所示。可以看出方案A在额定点Q=211 m3/h时，NPSHr为3.5 m,方案B为3.8 m，都能够满足设计要求，但是方案A的汽蚀性能要优于方案B的汽蚀性能。

图5 模拟计算出的汽蚀曲线

2 热变形补偿结构措施

由于使用场合在输送360～4 000 ℃的高温介质，冷热两种状态都要经历，管路设计上有必要的支撑、吊簧、顶柱，但对泵的力也仍然存在，并且是不确定的，所以，对泵的管口提出的要求都是API 610标准的两倍；为适应苛刻的使用条件，泵体、底座的设计有足够的强度和刚度。除外力的作用，泵本身的热变形也很大，所以在轴系结构、运转间隙、材料搭配上应充分考虑[5]。另外，在托架、端盖、底座设置冷却水冲洗Plan B系统进行冷却，如图6所示，以降低泵的温度，防止由于热变形过大，影响泵的稳定性和可靠性。

图6 冷却水冲洗Plan B

3 提高机械密封的可靠性

由于介质温度较高，本泵使用的机械密封，设计遵循API 682之相关规定，并针对减压塔底泵的实际使用工况进行优化设计。

采用Plan32+Plan62密封冲洗辅助系统，Plan32密封冲洗系统使用冲洗液为4～6 L/min、温度为100～1 200 ℃的蜡油，以改善密封摩擦副表面的使用环境[1]；Plan 62急冷辅助系统使用低压蒸汽作为常冷介质，常冷介质用量0.8～1.2 L/min、温度为120～1 500 ℃，防止减底渣油积聚在密封的大气侧，如图7、8所示。

图7 机械密封冲洗系统Plan 32

图8 机械密封冲洗辅助系统和系统冷却示意图

炼化装置中的高温热油泵，如减底泵、常底泵、催化油浆泵等，该类泵的特点是介质温度高(370～400 ℃)、塔底有杂质。实际生产中，泵如发生机械密封突然失效泄漏，轻则影响设备正常运行，重则发生现场着火事故。

4 结语

文章通过水力、热补偿和机械密封的设计与分析，保证了设备及装置的“安、稳、长、满、优”运行。随着现代炼化装置产能的逐步扩张，其单套装置产能越来越大，与之配套的单泵负荷进一步增加，开发更大型的高温热油泵产品已经势在必行。