一種大功率液相加氫循環(huán)油泵的研發(fā)

，，

(1中海油惠州石化煉油六部，廣東惠州 516086； 2佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，其中油品燃燒產(chǎn)生的污染尤為嚴(yán)重。為了減少這種污染，各國紛紛加大油品品質(zhì)控制的力度。2009年歐盟國家實(shí)施歐Ⅴ排放標(biāo)準(zhǔn)，2010年中國開始實(shí)施國Ⅲ標(biāo)準(zhǔn)(相當(dāng)于歐Ⅲ)，北京、上海實(shí)施地方標(biāo)準(zhǔn)(相當(dāng)于歐Ⅳ)。為了達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，需要對油品進(jìn)行進(jìn)一步精制，而油品精制最重要的工藝是加氫工藝。

1 技術(shù)要求

連續(xù)液相加氫工藝以高溫高壓液相循環(huán)取代了傳統(tǒng)滴流床加氫技術(shù)中的循環(huán)系統(tǒng)。流程中裝設(shè)循環(huán)泵，將一部分反映產(chǎn)物從熱高壓分離器抽送至反應(yīng)器，以維持催化劑床層間的連續(xù)液相環(huán)境和需要的氫分壓。該電泵應(yīng)用于2區(qū)，IIC場所，需要采用防爆結(jié)構(gòu)。其典型參數(shù)為操作溫度347℃～397℃，入口壓力9.8MPa，介質(zhì)是溶解大量的硫化氫(濃度為0.75%)和氫氣(濃度為0.25%)的柴油，揚(yáng)程約100m。由于其入口壓力和溫度都非常高，如選擇普通離心泵，則無法找到機(jī)械密封的解決方案，只有隔爆型高溫高壓屏蔽泵才能滿足要求。

2 技術(shù)分析

屏蔽電泵是一種無泄漏泵，泵的葉輪和電動機(jī)轉(zhuǎn)子直接連接，并在同一密封殼體內(nèi)，不需采用填料函或機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，從根本上消除了被輸送介質(zhì)的外漏。電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子用薄壁非磁性圓筒(稱屏蔽套)與介質(zhì)隔離，稱之為屏蔽電泵也是出于這個(gè)特點(diǎn)，故屏蔽電泵又稱無填料泵、密閉電動泵等。因?yàn)槠渫耆恍孤┑奶攸c(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、石油化工、煤炭化工、醫(yī)藥、紡織、核電站、軍工等行業(yè)。

高壓屏蔽電泵有兩種結(jié)構(gòu)形式：臥式，立式。根據(jù)對裝置使用的調(diào)研，認(rèn)為采用臥式結(jié)構(gòu)更為方便，且國內(nèi)已經(jīng)具備研發(fā)基礎(chǔ)條件。根據(jù)工況分析這種電泵是隔爆型臥式高溫高壓屏蔽電泵，為防止介質(zhì)中腐蝕性成分對電機(jī)造成損壞，在泵的電機(jī)側(cè)設(shè)置一臺計(jì)量泵，向電機(jī)腔注入常溫的清潔柴油，以防止腐蝕性的高溫介質(zhì)進(jìn)入電機(jī)腔。電泵是柴油加氫裝置壓力邊界的組成部分，能保證壓力邊界的結(jié)構(gòu)完整性。電泵的電動機(jī)及配套裝置的電氣設(shè)備制成隔爆型，在環(huán)境氣體含有氫氣時(shí)可以安全的工作。

3 技術(shù)方案

對整機(jī)技術(shù)要求進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)有以下單項(xiàng)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)：有多個(gè)流量不同的工況，且要求電泵結(jié)構(gòu)緊湊，需要專門設(shè)計(jì)水力部件；臥式結(jié)構(gòu)要求軸承能承受較大的徑向載荷，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)速工作，且連續(xù)運(yùn)行時(shí)間要達(dá)到3年以上，軸承結(jié)構(gòu)和材料需要專門研究。要求電動機(jī)體積盡量小，以降低成本，這就需要全新的設(shè)計(jì)電磁方案。

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電泵為屏蔽電動機(jī)驅(qū)動的臥式屏蔽泵機(jī)組，由泵、電動機(jī)、注液裝置、冷卻器、各種監(jiān)控裝置、安全裝置以及連接管路組成，所有組件固定在一個(gè)公共底座上。為減少泵端熱量向電動機(jī)傳導(dǎo)，在泵與電動機(jī)之間設(shè)有縮頸形式的隔熱屏(習(xí)慣上稱為連接體)。連接體法蘭分別與電機(jī)前法蘭和泵法蘭通過密封連接成一個(gè)整體。泵的進(jìn)口為水平軸向，出口為豎直向上，與系統(tǒng)管道采用法蘭連接(八角墊密封)。泵為單級、單吸、離心泵，泵葉輪直接裝在電動機(jī)轉(zhuǎn)子軸端，用流線型葉輪帽緊固。葉輪入口設(shè)有導(dǎo)葉(穩(wěn)流)，為了減少徑向尺寸，葉輪出口設(shè)置導(dǎo)流件(將液流方向由徑向改為軸向)和雙流道螺旋形出口，出口導(dǎo)葉與泵體流道共同組成徑向雙蝸殼流道。機(jī)組的軸向力，通過采取不同直徑的葉輪(前后)密封環(huán)、在葉輪上開平衡孔、設(shè)置軸向力自動平衡裝置結(jié)合選取合理的注液流量實(shí)現(xiàn)，保證電泵在不同流量運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子均處于平衡狀態(tài)(推力軸承不承受軸向力)，并設(shè)置軸向位置傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置。潤滑油加氫屏蔽電泵裝置(見圖1)一致。

圖1泰州潤滑油加氫裝置

3.2 水力部件設(shè)計(jì)

葉輪選用成熟水力模型，進(jìn)行換算設(shè)計(jì)，并對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行CFD分析和優(yōu)化。分析得到的流量-效率曲線見圖2，流量-揚(yáng)程曲線見圖3，通過數(shù)值模擬分析優(yōu)化后方案效率80.8%，揚(yáng)程128.1m，因此滿足需求。

圖2流量-效率曲線圖

圖3流量-揚(yáng)程曲線

3.3 電磁設(shè)計(jì)

我公司生產(chǎn)過的屏蔽電動機(jī)最大功率為210kW-2極，本次產(chǎn)品設(shè)計(jì)為335 kW-2極，三圓φ410/φ195.2/φ85；槽配合36/28；鐵心長650；機(jī)械間隙2，采用定子散嵌繞組、疊片轉(zhuǎn)子技術(shù)方案。本產(chǎn)品運(yùn)行中存在四個(gè)不同工況(即四種不同負(fù)載)，采用我公司專用的屏蔽電機(jī)電磁計(jì)算軟件對不同工況下電動機(jī)的電磁參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，相關(guān)結(jié)果見表1。還用有限元法對滿載運(yùn)行工況和空載運(yùn)行工況進(jìn)行了電磁場分析。

表1 電動機(jī)電磁基本參數(shù)

3.4 軸承設(shè)計(jì)

經(jīng)初步計(jì)算，本機(jī)組單個(gè)軸承載荷超過130kgf，超過我公司曾經(jīng)生產(chǎn)過的所有臥式產(chǎn)品，且本機(jī)組要求軸承設(shè)計(jì)壽命盡量長，軸承材質(zhì)選取新型SiC，對磨副推力盤為奧氏體不銹鋼321SS噴涂碳化鎢。

選用的新型SiC軸承材質(zhì)是一種含石墨碳化硅陶瓷，在碳化硅基體中含有大量細(xì)小的石墨，使碳化硅的自潤滑性能大幅度提高、降低摩擦系數(shù)、使用壽命長，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗干摩擦能力。軸承性能指標(biāo)見表2。

表2 SiC-30軸承性能指標(biāo)

雖然此種軸承在行業(yè)上有成功應(yīng)用實(shí)例，但是為了進(jìn)一步了解此種軸承的運(yùn)行性能和可靠性，預(yù)先進(jìn)行了軸承性能和可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置采用一件尺寸和重量與循環(huán)油泵轉(zhuǎn)子相同的屏蔽電動機(jī)轉(zhuǎn)子加載，變頻電動機(jī)作為陪試機(jī)拖動試驗(yàn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

4 工業(yè)運(yùn)行情況

2017年9月，在用戶現(xiàn)場進(jìn)行泵組冷態(tài)試驗(yàn)。由于工業(yè)管路按熱態(tài)設(shè)計(jì)，現(xiàn)場無法準(zhǔn)確讀出冷態(tài)下系統(tǒng)流量，因此水力性能采用關(guān)死點(diǎn)進(jìn)行校核，溫度以規(guī)定的最大使用電流490A進(jìn)行較驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)溫度120℃(此溫度下柴油密度為800kg/m3)，電機(jī)變頻運(yùn)行在40Hz，運(yùn)行情況良好，未發(fā)現(xiàn)異常情況。關(guān)死點(diǎn)水力性能數(shù)據(jù)記錄見表3，溫度校驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表3 關(guān)死點(diǎn)水力性能數(shù)據(jù)

表4 定子溫度校核試驗(yàn)

5 結(jié)語

液相加氫隔爆型高溫高壓屏蔽電泵研制生產(chǎn)成功，將使我國大功率液相加氫循環(huán)油泵的地位得到提升，進(jìn)一步推進(jìn)國內(nèi)隔爆型高溫高壓屏蔽電泵發(fā)展，填補(bǔ)國內(nèi)空白。同時(shí)為我國大型防爆高溫高壓屏蔽電泵的設(shè)計(jì)制造積累大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為今后大屏蔽泵的設(shè)計(jì)生產(chǎn)、大型設(shè)備國產(chǎn)化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] GB 3836.2—2010，爆炸性環(huán)境 第2部分：由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備[S].

[2] GB 3836.3—2010，爆炸性環(huán)境 第3部分：由增安型“e”保護(hù)的設(shè)備[S].

[3] 張玉大.防爆電氣設(shè)備的安全運(yùn)行[J].防爆電機(jī)，2014.2.

[4] 黃明.碳化硅軸承在屏蔽電泵上的應(yīng)用[J].防爆電機(jī)，2007.6.