高危泵機械密封輔助系統(tǒng)改造

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(中國石油 蘭州石化分公司 煉油廠， 甘肅 蘭州 730060)

蘭州石化分公司煉油廠0.8 Mt/a連續(xù)重整裝置及0.4 Mt/a芳烴抽提裝置中高危泵數量眾多，其中0.4 Mt/a芳烴抽提裝置熱載體泵P-601A/B/C，型號250AYⅡS-150，輸送介質為溫度高達231 ℃的熱載體(減壓脫蠟油)。熱載體泵為裝置正常操作提供熱負荷，在生產中至關重要[1]。在熱載體泵實際運行中，機械密封頻繁泄漏，因機械密封泄漏引起熱載體泵檢修的幾率約占81%。近幾年熱載體泵機械密封更換套數見表1。

表1 近幾年熱載體泵機械密封更換套數 套

熱載體泵機械密封使用壽命短，維修費用高昂，致使其維護成本劇增。為了提高熱載體泵運行的可靠性，同時降低其檢修成本，對熱載體泵的機械密封進行了失效分析，并對機械密封輔助系統(tǒng)進行了改造。

1 熱載體泵機械密封使用情況

熱載體泵機械密封系統(tǒng)由主密封、副密封和輔助(沖洗)系統(tǒng)組成。主密封起密封工作介質作用，副密封起輔助密封作用，而輔助(沖洗)系統(tǒng)主要是為主、副密封提供良好的周圍環(huán)境并保證主密封在最佳工作條件下運行[2]。熱載體泵機械密封輔助(沖洗)系統(tǒng)參數見表2。

表2 熱載體泵機械密封輔助(沖洗)系統(tǒng)參數

熱載體泵一級密封沖洗方式采用API 682—2004《離心泵和轉子泵用軸封系統(tǒng)》[3]中的PLAN 21沖洗方案(圖1)，介質由泵的出口引出，經冷卻器冷卻后注入密封腔，及時帶走摩擦熱，防止動、靜環(huán)結焦，同時沖走密封腔內的雜質及結焦物，從而完成一級密封的沖洗和冷卻[4]。

圖1 API 682中的PLAN 21沖洗方案

熱載體泵機械密封失效時密封腔內環(huán)境溫度偏高，沖洗液溫度過高，密封端面液膜有汽化現象，密封面潤滑液量不足，存在干摩擦或熱變形。觀察運行的熱載體泵發(fā)現，①一級密封沖洗液冷卻器循環(huán)水出、入口溫差大，冷卻器盤管外側積垢嚴重，甚至堵塞。②沖洗液冷卻效果不理想，進入密封腔沖洗液溫度高達200 ℃，冷卻器內有汽化現象。由此可以確定，冷卻器堵塞造成沖洗液溫度過高是機械密封泄漏的重要原因[5-8]。

2 冷卻器堵塞原因分析

2.1 冷卻器結構設計缺陷

2.1.1冷卻器盤管間距過小

熱載體泵機械密封冷卻器采用的是蛇管式熱交換器[9]，盤管中流過的是沖洗液，筒體與盤管組成的空間流過的是冷卻水，從而達到換熱目的。

該冷卻器的盤管間距僅為22 mm。冷卻水的流程只有1個通道，如果某一處出現堵塞，就容易造成整個冷卻器的堵塞。另外，該冷卻器為立式安裝，底部的堵塞更加嚴重。

2.1.2冷卻器筒體與外圈盤管間距過小

冷卻器筒體為?165 mm×5 mm的不銹鋼管，盤管為?14 mm×2.5 mm的碳素鋼管。由筒體和外圈盤管形成的冷卻空間比較小，單側間隙僅有3.5 mm(圖2)。

圖2 蛇管式熱交換器端面圖

2.1.3冷卻器無法清理

當冷卻器運行一段時間之后，筒體外圈盤管之間因結垢及雜物堆積，兩者結為一體，無法將盤管從筒體中抽出進行清洗，只能以破壞的方式打開。當堵塞嚴重時，只有進行整體更換，致使維修成本大幅增加。

2.2 冷卻水質特殊

冷卻器用水要求為軟化水，而實際生產中使用的是循環(huán)水。根據對2016-06-01～2017-05-31循環(huán)水幾項指標的統(tǒng)計分析，循環(huán)水中鈣、鎂等陽離子質量濃度和硬度較高(表3)，當循環(huán)水接觸到溫度較高的盤管外表面時，易在盤管外表面結垢。隨著運行周期的延長，污垢急劇增加，導致?lián)Q熱效果下降[10]。另外，在夏季補給水用量較大時，水處理的效果明顯降低，冷卻水中的含沙量及其它顆粒物增加，導致進入冷卻器的顆粒物增加，從而造成通流面堵塞，換熱效果下降。

3 熱載體泵機械密封輔助系統(tǒng)改造

3.1 冷、熱流體物性參數確定

冷卻器中熱載體沖洗液壓力p1=1.12 MPa(G)、入口溫度t1′=231 ℃、出口溫度t2′=100 ℃、體積流量qV1=10 L/min。冷卻水壓力p2=0.35 MPa(G)、入口溫度t1=28 ℃、出口溫度t2=38 ℃[11]。

冷、熱流體定性溫度可取流體進、出口溫度的平均值[12]，則沖洗液的定性溫度t′= (t1′+t2′)/2=165.5 ℃，冷卻水的定性溫度t=(t1+t2)/2=33 ℃。

根據定性溫度，分別查取沖洗液和冷卻水的有關物性參數[13]。沖洗液在165.5 ℃、1.12 MPa(G)下的密度ρ1=750 kg/m3、動力黏度μ1=0.41×10-3Pa·s、熱導率λ1=0.137 W/(m·℃)、定壓比熱cp1=2.0 kJ/(kg·℃)、普朗特常數Pr1=0.153；冷卻水在33 ℃、0.35 MPa(G)下的密度ρ2=994 kg/m3、動力黏度μ2=0.725×10-3Pa·s、熱導率λ2=0.626 W/(m·℃)、普朗特常數Pr2=4.725、定壓比熱cp2=4.08 kJ/(kg·℃)。

表3 循環(huán)水中各項指標數值

3.2 參數計算

3.2.1熱負荷[14]

沖洗液質量流量qms1=qV1ρ1=0.125 kg/s，傳熱量Q0=cp1qms1(t1′-t2′)=32.75 kJ/s?？紤]換熱裕量1.1及換熱效率0.9，計算得到實際傳熱量Q=1.1Q0/0.9=40.02 kJ/s。

3.2.2平均傳熱溫差[15]

沖洗液入口與冷卻水出口溫差Δt2=t1′-t2=193 ℃，沖洗液出口與冷卻水入口溫差Δt2=t2′-t1=72 ℃，則對數平均溫差Δtm=(Δt2-Δt1)/ln(Δt2/Δt1)=122 ℃。

3.2.3總傳熱系數[16]

冷卻器換熱管內流通面積Ai=πdi2/4=6.36×10-5m2(di為換熱管內徑)、流速u1=qms1/(ρ1Ai)=2.62 m/s，雷諾數Re1=u1diρ1/μ1=43 134.1、努塞爾數Nui=0.023Re10.8Pr10.3=66.83，則有管內傳熱系數αi=Nuiλ1/di=1 017.3 W/(m2·℃)，同理有管外傳熱系數αo=0.023Re20.3Pr20.3λ2/dm=1 038.2 W/(m2·℃)(dm為換熱管平均直徑)。

查文獻[17]可以知道，碳素鋼的熱導率λ=48.6 W/(m·℃)，管內污垢熱阻Ri=0.000 176 m2·℃/W，管外污垢熱阻Ro=0.000 352 m2·℃/W。將各數據帶入式(1)，得總傳熱系數K=314.5 W。

(1)

式中，do為換熱管外徑，b為換熱管壁厚，mm。

3.3 冷卻器結構改造

3.3.1增大冷卻器換熱面積

換熱面積A計算公式為：

(2)

將各參數帶入式(2)，得A=1.04 m2。原冷卻器的換熱面積只有0.8 m2，要滿足換熱要求，須將換熱面積增加到1.04 m2。

3.3.2增大內、外圈盤管間距和盤管間距

蛇管總長度L=A/(πdo)=23.66 m，考慮到蛇管總長度較長，將蛇管做成2組螺旋圓柱盤管組，每組長度為11.83 m。蛇管式熱交換器盤管圖見圖3。圖3中D1為盤管內圈中心圓直徑，H為蛇管高度，h為盤管間距。

圖3 蛇管式熱交換器盤管圖

若有數組同心圓柱形盤管沉浸于筒體中時，盤管內圈與外圈間距T一般取2～3do，此處取T=3do=42 mm(原冷卻器T=26 mm)。同組中盤管間距h一般取1.5～2do，此處取h=2do=28 mm(原冷卻器h=22 mm)[18]。

3.3.3增大冷卻器筒體直徑

盤管內圈中心圓直徑D1=82 mm，則盤管外圈中心圓直徑D2=D1+2T=166 mm。筒體直徑D0=D2+(100～300)mm，取D0=300 mm(原冷卻器D0=165 mm)。

改造前后冷卻器結構參數對比見表4。

表4 改造前后冷卻器結構參數對比

3.4 冷卻器沖洗液入口管路增設限流孔板

通過增設限流孔板，來保證進入冷卻器的沖洗液體積流量為10 L/min。限流流孔板孔徑dX計算公式如下[19]：

(3)

式中，qVd為沖洗液體積流量，L/min；C0為孔流量系數；p為孔板壓降，MPa。

將qVd=10 L/min、C0=0.17、p=0.02 MPa帶入式(3)，計算得dx=4.15 mm，可選擇安裝直徑為4 mm的孔板。

3.5 冷卻器冷卻水入口管路加裝過濾器

為了清除冷卻水中的雜質顆粒，在冷卻水入口加裝2臺并聯(lián)使用的過濾器，并定期清理過濾器，從而有效避免了冷卻水中的泥沙等顆粒物進入冷卻器。

4 改造效果及效益

4.1 使用效果

按上述方案對機械密封輔助系統(tǒng)改造，重新投用后，在環(huán)境溫度為30 ℃的情況下，沖洗液經冷卻器冷卻后溫度約90 ℃，而改造前此溫度約170 ℃，沖洗液溫度明顯下降。由于進入冷卻器沖洗液溫度大幅下降，故冷卻器內結垢速率明顯降低。隨著密封腔內介質溫度降低，密封面發(fā)生介質汽化的幾率也越來越小，機械密封壽命得到延長。熱載體泵機械密封輔助系統(tǒng)改造后不僅可以降低熱載體泄漏著火的風險，而且將極大減少檢修頻率，達到安全和環(huán)保的效果。

改造前后冷卻器的換熱效果對比見表5。

表5 冷卻器結構改造前后換熱效果對比

4.2 經濟效益

通常情況下熱載體泵是2臺運行，1臺備用。實際使用中熱載體泵機械密封平均壽命6 550 h，即3 a需更換機械密封16套。改造后熱載體泵機械密封設計壽命為25 000 h，即3 a只需更換機械密封4套。按每套機械密封價格為2萬元計算，再考慮檢修費用，每年節(jié)約更換、檢修機械密封的成本約為10萬元。機械密封沖洗液冷卻器的壽命為2個月，即每2個月需更換冷卻器4臺。按冷卻器價格為0.6萬元/臺計算，改造后僅更換冷卻器一項每年可節(jié)約14.4萬元。

5 結語

按文中措施對熱載體泵機械密封輔助系統(tǒng)進行改造并投運，使用效果良好，經濟效益顯著。煉油廠高危泵數量眾多，如常(減)壓渣油泵、催化裂化高溫油漿泵等，熱載體泵機械密封冷卻系統(tǒng)改造的經驗為高危泵的運行維護提供了思路。