含氯廢水池自吸泵技術(shù)改造與系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

陳徐榮

(北京沃利帕森工程技術(shù)有限公司 上海分公司， 上海 201100)

氯化工廢水不同程度地含有氯離子及鹽酸等危害性物質(zhì)，需要泵送至外部進(jìn)行集中處理。氯化工地坑泵一般有潛水泵、液下泵和自吸泵3種選擇[1]。一般首選潛水泵，介質(zhì)中強(qiáng)酸及氯離子含量增加時(shí)可選擇含襯里的液下泵或自吸泵。液下泵和自吸泵各有優(yōu)缺點(diǎn)，使用條件和設(shè)計(jì)要求不完全相同。所以，液下泵改自吸泵的過程中，如果不仔細(xì)檢查原工況及新的設(shè)計(jì)要求很容易出錯(cuò)。文中以某氯化工改造項(xiàng)目為例，介紹了將液下泵改造為自吸泵的技術(shù)要點(diǎn)及相關(guān)注意事項(xiàng)。

1 含氯廢水池自吸泵改造背景

1.1 液下泵問題

某氯化工項(xiàng)目中，3臺(tái)液下泵(歐洲某品牌襯里液下離心泵)的型號(hào)為RVKu50/200Y，體積流量30 m3/h,揚(yáng)程35 m，工作溫度為常溫至60 ℃，額定功率11 kW，介質(zhì)為含氯有機(jī)物(有機(jī)酸)的廢水及雨水，氯含量約0.11%～1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，pH值為2～7。泵軸襯里不同程度地脫落或磨損后，強(qiáng)酸性腐蝕液體進(jìn)入泵軸內(nèi)腐蝕碳鋼，造成多處及大面積泄漏，無法保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。加之泵的維修在伸入坑內(nèi)的鋼平臺(tái)上進(jìn)行，泄漏的介質(zhì)進(jìn)一步腐蝕鋼平臺(tái)，使之成露空狀態(tài)，嚴(yán)重影響安全生產(chǎn)。針對(duì)液下泵在操作時(shí)啟停頻繁和振動(dòng)容易造成泵軸襯里脫落和磨損的缺點(diǎn)進(jìn)行了技術(shù)調(diào)研[2-7]，經(jīng)分析對(duì)比后，決定采用以自吸泵替代液下泵的改造方案。

1.2 自吸泵問題

與液下泵相比，自吸泵優(yōu)點(diǎn)突出：①襯里離心泵成熟可靠，價(jià)格便宜。②前置儲(chǔ)液罐杜絕了振動(dòng)對(duì)泵引起的破壞。③泵移至水平平臺(tái)上后維修方便且安全，無需再維護(hù)伸入坑內(nèi)的鋼平臺(tái)。④液下泵工作點(diǎn)的功率為8.8 kW，自吸泵工作點(diǎn)的功率為5.19 kW，兩者的效率分別是42%和51%，后者的能耗更小[8]。

選用的自吸泵見圖1，為外混式自吸泵，由儲(chǔ)液罐外加1臺(tái)襯里離心泵組成[9-11]。

圖1 外混式自吸泵及其安裝示圖

自吸泵投用一段時(shí)間后，出現(xiàn)機(jī)械密封經(jīng)常干燒甚至燒損的情況。究其水無法吸上的原因，初步的經(jīng)驗(yàn)判斷為汽蝕，進(jìn)一步的核算結(jié)果表明，有效汽蝕余量NPSHa遠(yuǎn)超必須汽蝕余量NPSHr，完全滿足1 m的安全余量要求[12-13]。

1.3 自吸泵拆檢及分析

1.3.1 底閥失效[14]

液下泵更換為自吸泵時(shí)，雖然已經(jīng)有了自吸罐，但還是在泵入口安裝了帶過濾器的底閥。此措施基于2個(gè)考慮：①是定型產(chǎn)品，許多地坑泵入口都用。②操作人員認(rèn)為泵啟動(dòng)前，吸管內(nèi)有水可保證開泵免灌泵。但實(shí)際情況是，底閥單靠一個(gè)不銹鋼彈簧來閉合閥門，此種簡單結(jié)構(gòu)在地坑內(nèi)很快就被泄漏出的介質(zhì)腐蝕而失效，所以不僅未起到密封水的作用，反而成為泵工作時(shí)的管道阻力和破壞水流穩(wěn)定的一個(gè)主要因素。

1.3.2 自吸罐體積偏小

與一般自吸泵(內(nèi)混式)相比，自吸罐的體積很大，因此這是一個(gè)不易發(fā)現(xiàn)的問題。當(dāng)發(fā)現(xiàn)自吸罐水位沒有達(dá)標(biāo)時(shí)，才開始對(duì)自吸罐的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行分析。文獻(xiàn)[11]中關(guān)于類似其他形式的氣液混合自吸泵的論述指出，該自吸泵自吸性能的關(guān)鍵取決于儲(chǔ)液罐體積的設(shè)計(jì)，儲(chǔ)液罐體積需根據(jù)自吸高度和入口管道中的氣體體積確定，應(yīng)設(shè)計(jì)使得氣體充分膨脹產(chǎn)生足夠的真空度將液體吸上且入口管流具有一定的速度。儲(chǔ)液罐過小，氣體膨脹不夠充分，產(chǎn)生的真空度不足以吸上液體或吸上液體但液體速度過小等情況均會(huì)導(dǎo)致自吸泵斷流，無法完成吸排氣過程轉(zhuǎn)入正常操作狀態(tài)。

對(duì)比文獻(xiàn)[11]中圖2-25所示的儲(chǔ)液罐結(jié)構(gòu)與實(shí)際使用的自吸罐結(jié)構(gòu)，前者進(jìn)口是從底部進(jìn)入再向上伸到約橢圓的長軸處，后者則是從儲(chǔ)罐的平底下約100 mm處進(jìn)入，二者區(qū)別不大?？梢愿鶕?jù)自吸高度和入口管道中的氣體體積確定自吸罐的體積， 按照自吸罐的有效體積是自吸管道和自吸罐入口處體容積之和的1.5～2倍的經(jīng)驗(yàn)方法，復(fù)核自吸罐體積。

如圖1所示的自吸罐坑深4 m，泵入口管徑DN65 mm，吸入口管徑DN125 mm。 混凝土基礎(chǔ)高h(yuǎn)0=100 mm，自吸罐總高h(yuǎn)1=850 mm，罐入口中心距底板高度h2=790 mm，自吸罐底部支撐厚度h3=100 mm，自吸管規(guī)格為?110 mm×4.2 mm，管道水平距離約850 mm，泵入口處管徑由?110 mm變徑至DN65 mm。

需排空的體積為自吸管道上的體積和自吸罐內(nèi)入口處上方的體積，則有 1.5(V1+V2)≤V3。根據(jù)上述參數(shù)可算得V1+V2=34.9 dm3、V3=21 dm3，所以有(V1+V2)>V3，即自吸罐的有效體積小于自吸罐前管道內(nèi)總體積，據(jù)此可以判斷自吸罐的尺寸偏小。此處，V1表示管道中的體積，V2表示自吸罐入口至頂部的體積，V3表示自吸罐入口下方至罐底的體積。

1.3.3 其他問題

自吸泵拆檢過程中還發(fā)現(xiàn)氣體過濾網(wǎng)被堵和管道空氣未排凈問題。過濾網(wǎng)配合底閥使用，同樣存在設(shè)計(jì)簡單的問題，其間隙大且是條狀，整體過濾面積小，一個(gè)小食品塑料包裝袋即可裹住。管道中空氣未排凈為操作不當(dāng)所致，操作人員熟悉操作即可避免。

2 含氯廢水池自吸泵改造方案

2.1 拆除底閥[11]

對(duì)普通離心泵，若吸入液面在葉輪下方，啟動(dòng)時(shí)應(yīng)預(yù)先灌水，很不方便。為了在泵內(nèi)和吸入管中保存液體，會(huì)在吸入管道的進(jìn)口安裝底閥，以保證在下次啟動(dòng)泵時(shí)管道內(nèi)留有一段液體。而自吸泵安裝的底閥在腐蝕性環(huán)境中使用，彈簧受到腐蝕而失效，根本無法實(shí)現(xiàn)保留液體的作用，反而成為流體上升的阻力。工廠的生產(chǎn)實(shí)踐也證明，拆除底閥對(duì)自吸泵的正常運(yùn)行完全沒有影響。

2.2 重新設(shè)計(jì)自吸罐

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，需要置換的體積為34.9 dm3。按設(shè)計(jì)要求乘以1.5即為新自吸罐的體積要求，自吸泵的有效體積為52.35 dm3。多加0.5 dm3的余量，主要是將空氣的可壓縮性納入考慮，保證有足夠的時(shí)間讓水流進(jìn)入泵內(nèi)且形成穩(wěn)定流。

對(duì)于體積偏小的在用自吸罐，如果新?lián)Q自吸罐需要的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造周期較長，則可通過調(diào)整廢水坑的高低液位控制自吸泵的工作時(shí)間，即通過體積反算出合理的高低液位。不用考慮高液位時(shí)，只要控制好低液位，并保證有足夠汽蝕余量即可。

2.3 重新設(shè)計(jì)過濾器

地坑中收集多種來源的水，例如裝置中的溢流水、維修時(shí)的沖洗水、意外發(fā)生時(shí)的工藝水以及雨水等，成分復(fù)雜且含量變化大。此外，由于地處海邊，風(fēng)雨頻繁，常有雜物隨之進(jìn)入地坑中，加之自吸泵為DCS遠(yuǎn)程控制開停，無專人值守查看和清理。為了確保自吸泵的地坑不被堵塞，以一個(gè)25 kg包裝袋的面積，即0.35 m2為過濾下限，重新設(shè)計(jì)地坑過濾器。過濾器的開孔尺寸與泵有關(guān)，由于采用襯里離心泵，當(dāng)時(shí)泵的數(shù)據(jù)表給的開孔參數(shù)只有0.4 mm，后經(jīng)詢問廠家可以開孔到1 mm，更大的開孔尺寸將不能保證過濾性能?？紤]到在PVC材質(zhì)上開1 mm圓孔的實(shí)際加工困難并結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，決定把圓孔改成邊長6 mm的方孔。

2.4 管泵及電機(jī)電流保護(hù)[15]

泵維修后首次開泵時(shí)必須人工操作灌泵，并且要做到緩慢排氣。利用電機(jī)電流進(jìn)行防干燒保護(hù)，因?yàn)樘蓟璧哪Σ粮痹诟赡ミ\(yùn)轉(zhuǎn)下5 s后就可以達(dá)到400 ℃，雖然電機(jī)啟動(dòng)時(shí)并不對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，但一旦超過啟動(dòng)時(shí)間電流仍舊過大時(shí)就應(yīng)該進(jìn)行切斷。可以設(shè)定，如果電流大于額定電流時(shí)間超過3 s， MCC(Motor Control Center)就自動(dòng)斷電。按照上述要求改造完畢后，自吸泵無需每次啟動(dòng)都要灌泵，運(yùn)行一直很穩(wěn)定，再未出現(xiàn)吸不上水導(dǎo)致機(jī)械密封損壞的情況。

3 含氯廢水池自吸泵設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)

3.1 工藝條件

大氣壓和密度對(duì)泵的設(shè)計(jì)尤其重要，一定要提醒廠商根據(jù)使用地的大氣壓(尤其是高原地區(qū))和介質(zhì)密度核算泵的自吸高度。地坑池自吸泵通常在常溫下使用，如用于非常溫條件也應(yīng)向廠家澄清并在采購后復(fù)算。

3.2 管路影響

①吸入管徑的直徑要合理。管徑增大，需要的自吸時(shí)間隨之增加。直徑太小，阻力降隨之變大，會(huì)使裝置NPSHa變小，不利于泵的選擇。②管路布置時(shí)應(yīng)盡量減小管道長度，減少彎頭和附件的使用數(shù)量。當(dāng)泵的位置距離水池較遠(yuǎn)時(shí)，應(yīng)該將管路布置示意圖發(fā)給廠家，并且在示意圖上標(biāo)注管徑，至少是公稱管徑。③泵的管路應(yīng)當(dāng)有專用支架，以保證管路施加在泵上的力和力矩在許可范圍內(nèi)。④吸入管路嚴(yán)禁漏氣，排出管路應(yīng)設(shè)有止回閥。關(guān)于吸入管口距離池底地面的距離，文獻(xiàn)[1]提出一般不小于500 mm，作者認(rèn)為這個(gè)距離與管徑大小有關(guān)，建議可設(shè)置為不小于1.5倍的管徑為宜。⑤設(shè)置入口過濾器時(shí)，應(yīng)考慮便于清洗和更換。

此外需要一提的是專業(yè)協(xié)調(diào)。一般自吸泵設(shè)計(jì)時(shí)由機(jī)泵專業(yè)負(fù)責(zé)設(shè)備的技術(shù)澄清，但入口管道的設(shè)計(jì)卻劃歸管道專業(yè)負(fù)責(zé)。管道專業(yè)為了便于獲取經(jīng)濟(jì)流速，會(huì)在泵的進(jìn)、出口進(jìn)行變徑。但對(duì)于自吸泵入口管路來講，入口管徑與泵入口的法蘭管徑一致才更為有利，因?yàn)閷?duì)于這種氣液分離完全在自吸泵外部完成的自吸罐，管徑的變化對(duì)其影響較小。在配管時(shí)，機(jī)泵專業(yè)需要提醒相關(guān)專業(yè)的工程師予以注意。

3.3 其他

設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的影響因素除了工藝條件和管路外，還包括，①標(biāo)準(zhǔn)系列的儲(chǔ)罐。對(duì)此種外混式自吸泵，一般供應(yīng)商會(huì)配一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系列的儲(chǔ)罐，泵用戶的機(jī)泵工程師需要復(fù)檢一下自吸罐的體積是否滿足設(shè)計(jì)需要。②設(shè)置過濾網(wǎng)。過濾網(wǎng)的流通面積不得小于與之相連接的管道入口面積，以免減小流量，必要時(shí)可進(jìn)行非標(biāo)設(shè)計(jì)。③技術(shù)要求。如果泵在夏日陽光暴曬下長期閑置，則需要補(bǔ)充液體以彌補(bǔ)蒸發(fā)損失，設(shè)計(jì)就應(yīng)該在泵總裝圖上以技術(shù)要求說明。

4 結(jié)語

自從2012年發(fā)生的液下泵事故后，中石化對(duì)液下泵的選用態(tài)度已經(jīng)相當(dāng)謹(jǐn)慎。隨著技術(shù)的進(jìn)步，泵自吸高度在不斷提高，最高可達(dá)8 m，因此自吸泵的應(yīng)用正在逐步推廣。機(jī)泵設(shè)計(jì)人員不應(yīng)該滿足泵本身的技術(shù)校核，還應(yīng)該對(duì)泵的前后關(guān)聯(lián)及整個(gè)系統(tǒng)有深入的理解[16]。