急冷油循环泵国产化可行性分析

作者:王业臣 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:152 发布时间:2016-10-28
急冷油循环泵是裂解装置重压设备——由于急冷油介质粘度大,并含有大量硬质焦粉颗粒,急冷油循环泵的壳体及叶轮会产生严重的磨损腐蚀,严重影响泵的使用寿命。这类泵的性能要求已远远超过了国产普通BB2泵的性能范围,基本由国外知名品牌泵制造公司生产。本文通过对急冷油粘度大、含硬质焦粉颗粒和泵密封运行寿命低等关键性制约国产化进程的因素进行分析,提出了国产化的可行性分析,为我国急冷油循环泵国产化研究提供参考。
急冷油循环泵国产化可行性分析

图1急冷油循环泵整体结构示意图
注:1 轴承部件,2 托架,3 密封部件,4 密封环冲洗管,5 重心调整快,6 泵体,7左泵盖,8 右泵盖,9 耐磨板,10 叶轮密封环,12  轴套,13 泵轴,14 轴承部件,15轴承

急冷油循环泵是裂解装置的重要设备,主要有两方面的作用,一是将循环急冷油注入到油急冷器中,与来自废热锅炉的裂解气直接混合,使裂解气迅速降温,减少裂解气的二次聚合。二是将循环油在稀释蒸汽发生器中与工艺水进行换热,发生稀释蒸汽,进行热量回收。目前我国各大乙烯裂解装置单台急冷油循环泵流量为2 000 m3/h左右,使用温度为200~210℃,介质粘度达200~500 mm2/s,扬程达140 m,其结构形式如图1所示。由于急冷油介质粘度大,并含有大量硬质焦粉颗粒,急冷油循环泵的壳体及叶轮会产生严重的磨损腐蚀,严重影响泵的使用寿命。急冷油循环泵的壳体和叶轮需采用特殊的材料和结构,来达到耐磨要求,这类泵性能要求已远远超过了国产普通BB2泵的性能范围,基本由SULZE、FLOWSEVE、EBARA及GOULDS等国外知名品牌泵公司生产。因此,开展急冷油循环泵国产化研究对促进我国泵行业制造水平具有重要意义。

密封环冲洗工作示意图

影响急冷油循环泵国产化因素

急冷油粘度变化大

由于原料中芳烃增加等原因使得粘度变大,影响泵的性能,扬程低,流量不足,反过来,又因急冷油循环量不足,造成急冷油粘度变大,急冷油循环泵运行不稳定,故障多等,形成恶性循环。

急冷油中含有大量焦粉,去除焦粉措施不力

在天津和镇海百万吨/年乙烯之前,裂解工艺包急冷油中焦粉设计的去除采用循环泵入口加粗滤器、出口加气动或电动驱动的旋转式刮刷除焦过滤器,以减少急冷油中焦粉的积累,因循环量等因素的限制,其过滤精度设计为只能过滤掉2.5 mm以上的焦粉颗粒,2.5 mm以下的小直径颗粒焦粉无法去除,仍然滞留于急冷油中,随着装置运行周期加长,在系统中越积越多,严重影响急冷油循环泵的安全运行;在天津和镇海百万吨/年乙烯及武汉80万t/a乙烯工艺包中对急冷油过滤器配置进行了改进,在急冷油循环泵出口采用旋液分离器来去除急冷油中的焦粉,0.5 mm以上直径焦粉颗粒去除率达99%以上,50 μm以上直径焦粉颗粒去除率达95%,大大改善了急冷油泵的运行环境,为急冷油循环泵安全长周期运行带来有利条件。

密封设计不合理

急冷油泵冲洗油量不足,密封腔内有急冷油,使得密封副降温效果变差,或由于存有急冷油,则有焦粉存在,对波纹管密封弹性及压缩量有影响,使其密封效果变差。各乙烯装置根据自身装置的运行情况,对密封结构及机械密封冲洗方式进行改造,采用PLAN32+62,改为PLAN32+53A、PLAN32+74,都取得了一定成效。

图2为密封环冲洗工作示意图。密封环冲洗管将外供高压清洁冲洗液由泵盖引入,对叶轮密封环与壳体密封环之间进行冲洗,避免了急冷油结焦等带有硬质颗粒物通过密封环时造成的密封环磨损,延长密封环的使用周期和装置的稳定运行周期。通过重心调整块作用,安装时泵盖可以竖直的进入到泵体内,避免了止口倾斜造成的破坏,方便循环泵的拆装。

与国外先进技术存在差距

与国外先进石化泵制造企业相比,我国的石化泵制造水平还存在一定的差距。

在系列产品的统筹规划方面,国外先进泵的系统性非常强,技术资料非常详细完善。如全系列的性能曲线、结构变化种类、可选用的材料、配套的密封、轴承、临界转速、润滑系统、轴承寿命、最高许用转速以及材料的温度-压力曲线等都非常详细,这些资料的获得是依靠大量的实验得到的。而国内自己开发的产品往往仅有图纸和工艺文件等,缺乏系统性和实验验证。

在制造精度方面,进口先进泵在制造方面非常细致,特别是在叶轮、导叶和壳体等的流道的表面处理方面,可以说做到了精雕细刻,如日本荏原公司石化泵的过流部件表面通过手工打磨抛光,质量上和汽轮机叶片表面的粗糙度相似,近于镜面,国内企业很少能达到如此水平。

在产品可靠性方面,国内企业对产品的可靠性往往自己也说不清楚,如泵的寿命到底是多长时间,密封和轴承寿命是多少个小时,安全性到底如何,有什么证据等。因为我们往往只有理论计算,没有实验验证,所以一旦技术交流涉及此类问题时气不壮,理不直。

在材料和配套件质量方面,由于我国基础材料相对薄弱,使得原材料的质量和配套件的质量总体上达不到国际先进水平,如铸件、阀门、密封和监测仪表等。

在产品设计理念上存在一定的差距,如在产品设计中很少考虑经济性和系统性,重设计轻规划等。

国产化进展缓慢

虽然国家一直倡导石化重大装备国产化,但实际进程缓慢,国产化进程落后于石化工业的发展速度。由于原来很多泵行业国有企业的改制和合资等原因,我国大型石化泵装备的国产化工作受到很大的影响,这部分市场迅速被国外公司占领,如日本EBARA、瑞士SULZER和美国FLOW-SERVE等公司。虽然这些关键泵国内企业也能制造,甚至是使用国外公司的引进技术,但还是不能令人放心,在选用上还存在一定的顾虑,再加上进口的设备运行也存在或多或少的问题,特别是对于首台首套设备(指没有实际使用业绩的第一台设备)宁可多花钱,关键设备也要进口。因此,国内急冷油循环泵国产化前景广阔。

急冷油循环泵国产化可行性

从工艺上将急冷油焦粉彻底清除

从源头入手彻底铲除急冷油中焦粉的来源,急冷油中的焦粉主要来自裂解炉烧焦焦粉在裂解气切换阀门前的累积,少部分来自裂解炉运行时的异常跳车。由于乙烯装置裂解炉采用在线烧焦工艺,裂解气管线阀门与烧焦气管线接口有一定距离,当裂解炉在烧焦时,烧焦气和焦粉将在裂解气管线阀门前进行累积,运行时,随着裂解气阀门的打开,跟随裂解气及急冷油流入急冷油塔,再随急冷油循环到急冷油的各个系统,周而复始,愈积愈多。焦粉颗粒的硬度与裂解炉的与裂解炉的运行周期有关,裂解炉运行周期越长,其焦粉颗粒也就越硬,曾测得焦粉硬度达HRC60。

消除焦粉积聚可采取如下措施:

在裂解气切换阀前加吹扫和造压设施,防止裂解炉在烧焦时由于裂解气阀门与烧焦管线之间焦粉随烧焦气的夹带在此处停滞累积,减少焦粉进入急冷油系统。

将裂解气与烧焦气管线位置对调也可避免裂解炉在烧焦时在此处积累焦粉,但存在运行时烧焦管线阀门前会积累急冷油,在烧焦时如果烧焦气是直接排放大气的,会有急冷油排放到大气中,影响环境,烧焦气采用炉膛排放,就没有问题了。

不断完善急冷循环系统去除焦粉措施,使急冷油系统含焦粉量尽可能减少,以改善急冷油循环泵运行环境。

调整急冷油粘度

通过调整重质燃料油和轻质燃料油的采出量适时,调整急冷油的粘度,确保急冷油粘度在设计使用范围内。

选择合理的急冷器,确定合适的泵扬程

急冷油在油急冷器中与裂解气混合,对裂解气进行快速降温是急冷油循环泵的重要作用之一,只有选择合理的油急冷器才能确定急冷油循环泵的扬程。目前普遍使用的油急冷器有两种,一种是采用溢油式急冷器,特点是结构简单,混合效果差,降温慢,流程长,消耗急冷油量多,需用急冷油循环泵扬程低。另一种是喷油式,采用多个喷嘴,将急冷油喷入裂解气管线。这种方式与裂解气接触充分,裂解气降温速度快,消耗急冷油量相对较少,但需要急冷油泵扬程较高。另外,由于该结构流道较小,容易堵塞,影响降温效果。急冷油循环泵扬程高还会带来另一不利因素,如果稀释蒸汽发生器发生内漏,由于急冷油侧压力高于工艺水压力,急冷油将漏到工艺水侧,污染工艺水,稀释蒸汽系统,给裂解炉运行带来不利因素。在选择急冷器时,可将两种特点进行结合,取其有利一面,消除不利因素,从而取得更好效果。

选择合适的驱动方式

由于近些年供电系统高速发展,电网采用双路供电、电网快切、低电压设备采用自启动措施,使得供电系统可靠性大为提高,在急冷油循环泵驱动方式上应采用电动机直接驱动,改变以往的传统思维,采用汽轮机加减速机方式驱动。

国产化部件

部分备件已实现国产化,特别是机械密封已实现国产化多年,且也对出现的问题进行了整改与改造,已能满足生产需要。

高铬抗磨材料分析

我国开发的高铬抗磨材料已经达到国外同类产品水平,铁衬板寿命已达4年以上,抗磨性取决于它的硬度和韧性的综合匹配。其整体硬度取决于金属基体和碳化物数量及其显微硬度,其韧性取决于基体的显微组织和碳化物的形态、数量和分布。为提高其综合性能,扩大应用范围,近年来国内在上述几个方面的研究基础上,针对不同工况条件寻求其高硬度与高韧性的最佳配合,开发应用了一些新的工艺技术,取得许多新的成就。

同类型设备国产化情况

渣浆泵被广泛用于煤炭、矿山、电力冶金和水利等重要行业。作为渣浆泵重要部件之一的叶轮,要承受砂石磨损、卵石冲击、污水腐蚀和气蚀等共同作用,工况条件恶劣,零件的磨损十分严重,再加上零件缺陷的影响,其磨损过程相当复杂。为了提高叶轮的使用寿命,人们不断寻求高性能的抗磨材料,如美国一家公司推出了创新的陶瓷金属复合材料,日本西蒙一沃曼公司研发了陶瓷叶轮,澳大利亚沃曼公司开发出A61(硬度59-61 HRC)和A217(硬度约64 HRC)等。

目前,一些国内生产企业在高合金高硬度抗磨铸铁(GSM)材料的研制方面取得了成功,在生产应用中效果明显。GKM 材料的硬度高,脆性大,叶轮存在间断切削面,高速切削时难度较大。很难保证切削质量。为解决该难题,研发人员研究出了聚晶立方氮化硼刀片,具有较高的硬度、较好的耐磨性,优良的高温红硬性和高的抗冲击能力,可以达到较好的加工质量,能够满足渣浆泵叶轮加工的技术要求。同时1 000万t/a炼油相继已有多套装置投产,在蒸馏装置中,初馏塔循环泵和常压塔底循环泵水力模型基本相同,该种类型泵已有多台国产化运行业绩。

结语

随着炼油行业的迅猛发展,国内泵业获得了较大的发展空间,泵产品的研发取得了一些新的进展,主要表现在流程泵的品种和规格的增多。一些依靠引进技术生产的流程泵多已系列化,部分老产品也在吸收引进技术的基础上有所改进。小流量高扬程泵、耐腐蚀泵以及无密封泵均扩大了供货的空间。特别是关键的流程泵和大型水泵,如石化行业用的加氢进料泵、辐射炉进料泵、立式和卧式高速泵以及低温泵等高端泵,经过制造厂和用户的不懈努力都相继研制成功并应用,取得了可观的国产业绩。此外,有些泵制造厂可根据用户要求提供自动监测和控制技术,以保证关键部位泵能够安全且可靠地在高效区运行。因此,通过不断改善急冷油循环泵运行环境,完全可实现急冷油循环泵国产化,并能安全可靠运行,从而打破国外公司在该领域对大型乙烯装备技术的垄断。

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