化工裝置高壓鍋爐給水泵技術(shù)評比啟示

鄭永康

（中國成達(dá)工程有限公司，成都 610041）

某5 500 t/a 甲醇裝置有三臺高壓鍋爐給水泵，其中兩臺長周期連續(xù)運(yùn)行的泵采用中壓背壓式汽輪機(jī)驅(qū)動，一臺備用泵采用電機(jī)驅(qū)動。筆者參加了該泵在詢價訂貨過程中與四家國際知名泵廠的技術(shù)澄清和技術(shù)評比后有所啟示，總結(jié)如下，供今后類似項目借鑒和參考。

1 技術(shù)方案評比

簡單來說，這四個廠家的技術(shù)方案分為兩大陣營，一種為汽驅(qū)泵和電動泵均為低轉(zhuǎn)速直連方案，結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊；另一種為汽驅(qū)泵高轉(zhuǎn)速直連、電動泵帶齒輪箱增速方案，節(jié)能高效、電動泵組略為復(fù)雜。以下從幾個方面對這四家技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)對比。

1.1 泵方案

泵方案對比見表1～4，葉輪同向布置BB4 芯包的BB5 雙殼體泵型結(jié)構(gòu)見圖1。通過泵型方案的評比，得出結(jié)論：

（1）四家均采用葉輪同向布置BB4 芯包的BB5雙殼體泵型，結(jié)構(gòu)上差異不大。A、D 廠技術(shù)方案接近，級數(shù)多、額定點效率較高。B、C 廠優(yōu)缺點很突出。其中，B 廠轉(zhuǎn)速最高、葉輪級數(shù)最少/直徑最小、必需汽蝕余量最高但汽蝕裕量仍在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，且單從轉(zhuǎn)速來看，B 廠技術(shù)方案與A、C、D 三家分屬兩大陣營。C 廠額定點效率最低、曲線最陡、葉輪直徑最大但葉輪級數(shù)并沒有減少，在低轉(zhuǎn)速方案的陣營中劣勢明顯。

（2）四家的泵型方案在長周期連續(xù)運(yùn)行的正常點效率差別不大。

1.2 汽輪機(jī)方案

在確定泵選型方案后，四家泵廠均按照項目要求向國際知名的兩家專業(yè)制造API 611 小型工業(yè)驅(qū)動汽輪機(jī)的廠商進(jìn)行了技術(shù)詢價[1-4]，經(jīng)技術(shù)澄清后這兩家汽輪機(jī)廠家的機(jī)型方案（如汽機(jī)轉(zhuǎn)子直徑、軸承結(jié)構(gòu)、汽耗率等）基本相當(dāng)。下面以其中一個汽輪機(jī)廠家針對四家泵廠的選型方案進(jìn)行比較，蒸汽條件（正常情況）為：進(jìn)汽壓力（A）4.1 MPa、排汽壓力（A）0.98 MPa、進(jìn)汽溫度380℃。相關(guān)對比見表5～7。

表1 泵方案對比的詢價參數(shù)Table 1 Inquiry parameters of pump scheme comparison

通過對表5～7 的分析，可以得出汽輪機(jī)方案評比結(jié)論：四家的汽輪機(jī)型號規(guī)格完全相同，在同樣的進(jìn)、排汽條件下，同一臺汽輪機(jī)的工作轉(zhuǎn)速越高，則效率越高、汽耗率越低、蒸汽消耗越少。正是由于泵選型造成的工作轉(zhuǎn)速差異，使得B 廠配套汽輪機(jī)的蒸汽消耗最少。就長周期連續(xù)運(yùn)行的正常點而言，如采用B 廠的方案，每年單臺泵組至少可節(jié)約蒸汽消耗2.5 t/h×8 000 h=20 000 t，相當(dāng)于節(jié)約運(yùn)行成本300 萬元（蒸汽價格按150 元/t 估算），經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

表2 泵技術(shù)對比Table 2 Pumptechnical comparison

表3 泵選型額定點數(shù)據(jù)Table 3 Comparison of rated point data of pump selection

表4 泵長周期連續(xù)運(yùn)行正常點（僅限汽驅(qū)泵）Table 4 Comparison of normal point data of long period continuous operation of pump（steam drive pump only）

圖1 葉輪同向布置BB4 芯包的BB5 雙殼體泵型結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural drawing of BB5 double casing pump with BB4 core package arranged in the same direction of impeller

1.3 其他配置

其他配置方面，四家均采用單端面機(jī)械密封配plan23 沖洗方案、均采用帶中間加長段的彈性膜片聯(lián)軸器、每臺泵組均自帶強(qiáng)制潤滑油站、軸系均配置了軸承溫度/軸振動/軸位移檢測。另外，B 廠家的電動泵帶增速齒輪箱，A、C、D 廠的電動泵為電機(jī)直連。

1.4 評比總結(jié)

表5 汽輪機(jī)選型對比Table 5 Comparison of turbine selection

在選用相同規(guī)格型號汽輪機(jī)的情況下，B 廠采用了高轉(zhuǎn)速直連的汽輪機(jī)+泵方案，使得在軸功率接近的正常工況點，其汽輪機(jī)的蒸汽消耗明顯低于另外三家的常規(guī)轉(zhuǎn)速方案，節(jié)能顯著，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。簡言之，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速越高、汽耗率越低、經(jīng)濟(jì)性越好[5-7]。

表6 汽輪機(jī)選型額定點數(shù)據(jù)對比Table 6 Comparison of rated point data of steam turbine selection

表7 汽輪機(jī)長周期連續(xù)運(yùn)行正常點數(shù)據(jù)對比Table 7 Comparison of normal point data of long period continuous operation of steam turbine

2 可行性探討

綜合以上對比情況，可以看出B 廠的方案運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性顯著、有極強(qiáng)的競爭力，值得優(yōu)先考慮?？赡苡腥藭岢鲆蓡枺築 廠的泵和汽輪機(jī)選型是否安全可靠，方案是否成熟可行？下面我們就從抗汽蝕性能、機(jī)械強(qiáng)度、應(yīng)用業(yè)績、購置成本這四個方面對B 廠的方案可行性進(jìn)行探討。

2.1 抗汽蝕性能

鍋爐給水泵入口側(cè)的除氧器為飽和狀態(tài)操作，泵的裝置有效汽蝕余量NPSHa =除氧器最低工作液位與泵葉輪中心線的高度差值-管道阻力值。除氧器與泵的布置如圖2 所示。

圖2 除氧器與泵布置圖Fig.2 Deaerator and pump layout

經(jīng)計算，泵在額定流量點的NPSHa 為15.2 m，在正常流量點的NPSHa ＞15.2 m（高差不變，因流量變小，管路阻力損失降低），B 廠在額定工況點的NPSHr 為10.7 m、正常工況點的NPSHr 為7.5 m（選型性能曲線如圖3），同時滿足NPSHa ≥1.25 NPSHr和NPSHa - NPSHr ≥1 m 的兩項選型要求。汽蝕比轉(zhuǎn)速S 可根據(jù)下式求得。

式中 N——泵每分鐘轉(zhuǎn)速，r/min；

圖3 B 廠選型性能曲線Fig.3 Selection performance curve of B Company

Q—— 葉輪每側(cè)進(jìn)口的流量，對單吸葉輪為總流量，對雙吸葉輪為總流量的一半，m3/h；

NPSHr——泵的必須汽蝕余量，m。

B 廠在額定工況點的汽蝕比轉(zhuǎn)速為11 230，正常工況點的汽蝕比轉(zhuǎn)速為11 339，均小于SH/T 3139 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的汽蝕比轉(zhuǎn)速限值12 780。由此可見，B 廠的泵選型沒有汽蝕風(fēng)險。

2.2 機(jī)械強(qiáng)度

B 廠的泵配置流體動壓徑向和推力軸承，額定轉(zhuǎn)速、最大連續(xù)轉(zhuǎn)速、跳閘轉(zhuǎn)速分別為4 400 r/min、4 820 r/min、5 082 r/min，這對于采用油站強(qiáng)制潤滑的泵、汽輪機(jī)以及齒輪箱機(jī)組來說都屬于常規(guī)轉(zhuǎn)速。而在跳閘轉(zhuǎn)速下泵的最大葉輪頂端速度=跳閘轉(zhuǎn)速（r/s）×π×最大葉輪直徑（m）=（5 082/60）×3.14×0.281=74.8 m/s。泵葉輪材質(zhì)為12% Cr，等同ZG1Cr13。可以把離心泵葉輪蓋板簡化為旋轉(zhuǎn)圓盤，圓周方向的應(yīng)力是最主要的，葉輪的圓周速度（即葉頂速度）與圓周方向的應(yīng)力σ（MPa）計算公式為[2-3]：

式中 ρ—— 材 料 密 度，kg/m3，ZG1Cr13 密 度 為7 750 kg/m3；

υ——葉輪圓周速度，m/s。

經(jīng)計算應(yīng)力σ 為43.6 MPa，遠(yuǎn)小于表8 所列的許用應(yīng)力[σ]值90～100 MPa。

表8 離心泵葉輪材料的許用應(yīng)力Table 8 Allowable stress of impeller material of centrifugal pump

因此，B 廠泵葉輪的機(jī)械強(qiáng)度是足夠的。

2.3 應(yīng)用業(yè)績

B 廠提供了業(yè)績表，這種高轉(zhuǎn)速的BB5 泵型產(chǎn)品在全世界很多項目上有應(yīng)用[8]，流量更大、揚(yáng)程更高、功率更大、轉(zhuǎn)速更高的應(yīng)用業(yè)績也很多。其它項目其它廠家采用高轉(zhuǎn)速汽輪機(jī)驅(qū)動鍋爐給水泵組的配置方案在化工、電站等工程項目中也有大量成功應(yīng)用的案例。以筆者公司參與的一些項目為例：新疆某化肥項目合成氨裝置的高壓鍋爐給水泵[9]（額定流量383 m3/h、額定揚(yáng)程1 513 m、BB5 泵型）采用額定轉(zhuǎn)速11 882 r/min 的汽輪機(jī)配減速齒輪箱驅(qū)動；孟加拉某化肥項目合成氨裝置的高壓鍋爐給水泵（額定流量221 m3/h、額定揚(yáng)程1 604 m、BB3 泵型）采用額定轉(zhuǎn)速4 900 r/min 的汽輪機(jī)直接驅(qū)動。而國內(nèi)外很多電站項目也都普遍采用3 000～6 000 r/min 轉(zhuǎn)速的鍋爐給水泵方案，通過汽輪機(jī)直接驅(qū)動或電機(jī)配增速調(diào)速型液力偶合器驅(qū)動。如果拋開鍋爐給水的用途，BB5 的泵型在尿素裝置的高壓氨泵、高壓甲銨泵也都有大量高轉(zhuǎn)速方案的應(yīng)用[10-11]，如鄂爾多斯某化肥項目尿素裝置的高壓氨泵（額定流量128 m3/h、額定揚(yáng)程2 550 m、BB5 泵型）采用電機(jī)配增速齒輪箱驅(qū)動，泵額定轉(zhuǎn)速6 892 r/min。

至于汽輪機(jī)，本項目的進(jìn)、排汽參數(shù)以及B 廠的轉(zhuǎn)速、功率參數(shù)等均遠(yuǎn)小于所選的DYRH 型汽輪機(jī)的最大能力（如圖4），類似參數(shù)的汽輪機(jī)應(yīng)用業(yè)績非常多。

圖4 DYRH 型汽輪機(jī)的基本參數(shù)Fig.4 Basic parameters of DYRH type steam turbine

2.4 購置成本

B 廠的方案雖然在備用電動泵上增加了齒輪箱的投入，但類似轉(zhuǎn)速和功率的齒輪箱應(yīng)用很廣泛，無論國產(chǎn)還是進(jìn)口，其價格都不高。而B 廠三臺泵頭的葉輪級數(shù)更少、轉(zhuǎn)子長度更短、成本相應(yīng)降低。因此，三套泵組總的購置成本并不會比其它廠商增加多少，而相對于每年節(jié)省的蒸汽運(yùn)行費(fèi)用來說，高出的設(shè)備價格更是幾乎可以忽略不計。

3 結(jié)束語

隨著原材料質(zhì)量、機(jī)加工水平以及產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)的不斷提升，離心泵、離心壓縮機(jī)等轉(zhuǎn)動設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)速度也在不斷提高，總體發(fā)展趨勢是升轉(zhuǎn)速、減級數(shù)、提效率，從而使得設(shè)備體積變小，節(jié)省原材料、降低成本，同時達(dá)到增產(chǎn)增效、節(jié)能降耗的目的。工程項目執(zhí)行過程中應(yīng)在充分論證、安全可靠的前提下，鼓勵采用這些新型高轉(zhuǎn)速高效率的機(jī)組配置方案，從而推動行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，并為用戶創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)價值。