进料泵减震节能改造

重汽油进料泵的减震节能改造

作者:朱立新 文章来源:中石化工股份有限公司荆门石化分公司 点击数:10 发布时间:2019-05-08
因汽油加氢装置技改,工艺参数发生变化,装置的重要设备重汽油进料泵不能适应技改后的工艺要求,震动和故障率均大幅提升,严重影响了装置的安全稳定运行。为方便现场操作,在不改变进出口管线和泵体外形的情况下,通过对叶轮水力的重新设计,使泵在现场既能安全稳定地运行,又能使电流大幅下降,达到减震节能的目的。
进料泵减震节能改造

国内某大型炼化企业的汽油加氢装置因生产需要进行了技改,该装置的重汽油反应进料泵型号为150TAYDS-70X8,API标准的BB5型,输送介质为重汽油。为了适应技改后装置的需求,设备的运行参数发生变化,流量由原来的146 m³/h降低到71 m³/h,介质比重由原来的0.647升高到0.78,但进口压力和出口压力基本没发生变化,工艺参数的变化导致泵的扬程发生变化,由原来的530 m降低到410 m。这样,原设备的设计参数完全不能满足目前的运行工况。

国内某大型炼化企业的汽油加氢装置因生产需要进行了技改,该装置的重汽油反应进料泵型号为150TAYDS-70X8,API标准的BB5型,输送介质为重汽油。

设备长期在小流量运行震动大幅增加,检修频繁。为了保障安全稳定生产,结合现场实际情况,在保证原电机、外筒体、密封冲洗系统和冷却水系统不变,机械密封安装尺寸尽量不变的情况下,将原设备进行节能改造,以达到安全、稳定和节能运行的目的。

图1进料泵剖面图
图1进料泵剖面图

技改后的装置工艺参数中,系统所需流量为71 m³/h,泵入口压力0.15 MPa.A,反应器系统压力2.6 MPa.A,计算管路沿程损失、局部损失及泵中心与反应器相对高度,泵出口压力达3.4(MPa.A)即可满足要求,装置有效汽蚀余量NPSHa=5.5 m。原泵在这个参数下效率大幅降低,只有41%,能耗损失较大。

方案实施的确定

理论依据

图2进料泵水力模型
图2进料泵水力模型

图3 转子系统的谐响应分析

图3 转子系统的谐响应分析

图3 转子系统的谐响应分析

图3 转子系统的谐响应分析

泵的工况点是泵特性曲线与装置特性曲线(管路阻力曲线)的交点,改变工况点有3种途径:(1)改变泵的特性曲线;(2)改变装置的特性曲线;(3)同时改变泵的特性曲线和装置的特性曲线。根据现场泵的运行情况来看,装置的特性曲线已经改变,所以需要改变泵特性曲线来完成泵的改造。因装置处于运行期间,从成本和实施风险综合考虑,最佳的办法就是按照新的参数重新设计和制造一套过流部件,新设计的转子需对应原有的泵体,以保证泵的安装要求,并能大幅降低泵运行电流,起到节能减震的目的。

改造方案

在保证原设备安装尺寸不变的情况下,对原泵进行节能改造,由于额定流量由原来的140 m³/h降低到71 m³/h,原泵过流部件已不能适用,故除了外壳体和底座等固定件留用外,其他所有过流部件都要重新设计制造,包括叶轮、导叶和中段等。同时机械密封的安装尺寸尽量与原泵保证一致,可以保证机械密封冲洗系统及电机现场的使用。新设计叶轮高效区尽量包含设备运行的3个工况点,在结构方面尽量与原设备一致,首级叶轮为双吸形式,叶轮与轴之间采用过盈配合分半卡环定位,叶轮密封环与中段的表面硬度差大于HB50。密封环与叶轮之间,密封环与壳体之间采用过盈配合,推力轴承采用载荷能力比较好的圆锥滚子轴承,径向轴承采用圆柱滚子轴承

水力设计、轴向力的计算

在满足原外形尺寸的前提条件下按照新参数设计首级、次级叶轮,通过调整叶轮进口尺寸及叶片的相关几何参数,来达到提高效率,减小流量、扬程的目的,具体如下:(1)首先计算出合适的叶片数,并适当减小叶轮的进口直径以达到减少流量的目的;(2)计算匹配的叶片的进口冲角和包角;(3)改变叶片流线,适当使叶片进口边前伸并减薄,使叶道加长,减小相对速度扩散;(4)计算匹配的叶轮叶片出口角,控制相邻叶片间流道出口和进口面积之比,以减小流动的扩散损失;(5)适当减小叶轮出口宽度,从而减小压水室中的水力损失;(6)适当减小次级叶轮的叶轮直径,调整叶片流线,使新工况点在新叶轮的高效区。

fluent模拟高效水力模型

用PCAD设计几组水力模型,采用Pro / Engineer软件进行几何建模,并通过FLUENT的前处理软件GAMBIT对其进行网格划分,最后利用网格进行内部流场数值模拟计算,遴选出满足工况的性能需求。模拟不同模型泵内部的流场分布,计算出不同模型的外特性,然后在这些模型中找出一个高效水力模型,选择效率高的模型作为叶轮的最佳方案。将设计好的叶轮绘制成实体图,导入ANSYS软件进行轴向力模拟,经反复修改直到轴向力达到安全运行的范围内。

转子动力学分析

多级泵的转子动力学分析,就是在设计研制阶段对转子系统的动力学特性进行计算分析,内容主要包括轴承动特性分析,系统临界转速和不平衡响应计算,各种激励下的瞬态响应计算以及系统稳定性分析。掌握了转子系统的这些动力学特性,就可以在设计过程中选择合理参数,如轴承跨度、质量分布和轴承特性等。

对转子系统进行刚性支承、弹性支承模态分析,比较轴承单元不同模化方式对计算结果的影响,精确地计算出转子系统的前四阶临界转速和相应振型。

图4 新设计叶轮与泵体流道的匹配性
图4 新设计叶轮与泵体流道的匹配性

基于有限元分析软件ANSYS进行转子系统的谐响应分析,研究工作转速下偏心量位置不同时转子系统系的不平衡响应,以及不同转速下偏心位置不同时转子系统不平衡响应。把分析的结果运用到转子的水力设计上,确保转子在原泵壳内运行时的水力平衡,使改造后的泵安全稳定的运行。

试验和效果

根据计算结果和计算机模拟试验设计的叶轮、导叶和中段等过流部件,制造完成后安装到原泵内,在试验台上进行了全性能试验。通过试验得出的数据,对叶轮进行了二次切割,从新安装后,试验数据满足设计要求。进料泵在装置内已安全运行10个月,数据显示各部位振动值均不超过2.3 mm/s,泵的效率为61%,轴功率降低了1/3,每小时节电约45 kWh,每年可节电380 MWh左右,节能效果显著。而且设备在这段时间内运行稳定,没有出现故障检修,说明泵的改造是成功的。