煙氣脫硫循環(huán)漿液泵振動原因分析與治理

方雅欣 余鑫剛 王建業(yè) 楊國安

（1.北京化工大學機電工程學院；2.中國石油烏魯木齊石化分公司煉油廠）

近年來，隨著環(huán)保力度的不斷加大，漿液泵作為核心脫硫設備之一，在電力、石化行業(yè)有著舉足輕重的地位。 區(qū)別于清水泵，漿液泵能夠?qū)幸欢ò俜直鹊墓虘B(tài)顆粒的漿液進行抽排［1］。某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫循環(huán)漿液泵機組及管線存在強烈的振動問題。 其中，漿液泵機組由A、B兩泵并聯(lián)構(gòu)成， 作為煉油廠核心重催煙氣脫硫裝置的重要設備，泵體及葉輪采用具有良好抗腐蝕、 抗磨損性的Cr30A不銹鋼制成。 自2011年投產(chǎn)以來， 該漿液泵及其管線振動劇烈，嚴重超標。 筆者依據(jù)現(xiàn)場振動分析和流場模擬結(jié)果提出了綜合解決方案。

1 漿液泵運行存在的問題

某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫循環(huán)漿液泵是兩端支撐式單級單吸徑向剖分式離心泵，其基本參數(shù)如下：

流量 1 500 m3/h

輸送介質(zhì) 漿液

介質(zhì)密度 980 kg/m3

介質(zhì)溫度 56 ℃

必需汽蝕余量 6 m

揚程 106.7 m

效率 72%

入口壓力 0.1 MPa

出口壓力 1.2 MPa

葉輪直徑 830 mm

電機功率 800 kW

額定轉(zhuǎn)速 990 r/min

該漿液泵的運行介質(zhì)為脫硫漿液，在介質(zhì)的長期沖刷作用下，其葉輪、耐磨板、殼體磨損嚴重，在檢修拆卸后發(fā)現(xiàn)存在葉輪表面汽蝕沖蝕嚴重、葉輪流道減薄的現(xiàn)象（圖1），機組效率嚴重下滑。耐磨板密封腔內(nèi)部臺階處，沖蝕深度達15 mm（總厚度25 mm）， 泵殼沖蝕造成表面分布大小不均的凹坑，最大直徑10 mm左右，出口流道處沖蝕深度最深達10 mm。

圖1 漿液泵配件受損情況

泵進出口管線振動烈度過大，在對現(xiàn)場進行振動分析之后，考慮到葉輪的過度汽蝕和流體長期偏離標準工況的湍流流動，判斷該設備振動問題使泵內(nèi)流體存在不穩(wěn)定的壓力波動［2］。圖2為管道支撐和振動測點圖，表1為測量振動數(shù)據(jù)，測量結(jié)果表明： 入口管道振動烈度水平方向最大為16.5 mm/s，垂直方向最大為14.1 mm/s，出口管道振動烈度水平方向最大為12.5 mm/s，垂直方向最大為11.2 mm/s， 泵體振動數(shù)據(jù)也超過了ISO 10816［3］所規(guī)定的標準，振動烈度嚴重超標。 由現(xiàn)場拆檢情況可知，泵體內(nèi)部出現(xiàn)點形蜂窩坑狀損傷，運行時產(chǎn)生“噼啪”的噪音，符合典型的汽蝕表征現(xiàn)象，初步判定汽蝕是運行故障的主要原因［4］。

圖2 管道支撐及振動測點圖

表1 管道改造前測量振動數(shù)據(jù)

（續(xù)表1）

2 汽蝕機理及故障原因分析

2.1 汽蝕機理

汽蝕現(xiàn)象是指在離心泵進口壓力小于該溫度下流體的汽化壓力時， 流體汽化形成小氣泡，當氣泡流經(jīng)葉輪高壓區(qū)時潰滅導致局部壓力變小形成空穴，周圍液體快速涌向空穴中心，產(chǎn)生高頻高壓的撞擊使得葉輪及泵體形成大小深淺不一的點坑［5］。

泵內(nèi)汽蝕發(fā)生與否取決于兩個重要參數(shù)：有效汽蝕余量NPSHa和必需汽蝕余量NPSHr。其中有效汽蝕余量定義為單位質(zhì)量流體經(jīng)從管路入口至泵入口處超出飽和蒸汽壓的富裕能量［6］，計算表達式為：

式中 p1——吸入液面壓力，Pa；

pv——輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓，Pa；

ρ——輸送液體密度，kg/m3；

Hg——幾何安裝高度，m；

hw——吸入管路損失。

由式（1）知，有效汽蝕余量與吸入壓力、吸入管道流動阻力、安裝高度有關。 且有效汽蝕余量越大，流體能量流經(jīng)吸入管路損失越少，離心泵越不容易發(fā)生汽蝕，由于流體從吸入管路入口流過葉輪時流速不斷增加， 壓力必然二次下降，通常將葉輪壓力最低處設為K， 把單位重量的液體從泵吸入口流至葉片進口壓力最低處K點的壓力降，稱為必需汽蝕余量，其表達式為：

式中 v1——葉片進口前絕對速度，m/s；

w1——葉片進口前相對速度m/s；

λ——葉片進口壓降系數(shù)。

由式（2）知，必需汽蝕余量與吸入室的結(jié)構(gòu)、液體在葉輪進口處的流速等因素有關，且必需汽蝕余量越小，泵越不容易發(fā)生汽蝕。

為了更好地說明有效汽蝕余量NPSHa、 必需汽蝕余量NPSHr與泵內(nèi)汽蝕間的關系， 列出汽蝕余量與汽蝕區(qū)的關系（圖3）［7］。 由圖3可知，NPSHa＝NPSHr為發(fā)生汽蝕臨界界限， 若要提高泵的抗汽蝕性能一方面可以提高NPSHa， 一方面可以減小NPSHr。

圖3 汽蝕余量與汽蝕區(qū)關系

2.2 故障原因分析

已知漿液泵吸入液面壓力p1=0.2 MPa， 輸送介質(zhì)密度ρ=980 kg/m3， 輸送液體溫度為56 ℃，查表得輸送溫度下液體的飽和蒸氣壓pv=17 kPa，由廠家提供的參數(shù)知該漿液泵的必需汽蝕余量NPSHr=6 m， 若要滿足有效汽蝕余量比必需汽蝕余量大0.5 m以上，即NPSHa≥NPSHr+0.5 m［8］的要求，在忽略吸入管路損失的情況下，將以上參數(shù)代入式（1），可得漿液泵幾何安裝高度：

由現(xiàn)場實地勘察情況可知，漿液泵的幾何安裝高度滿足設計要求，故不做出調(diào)整。 結(jié)合現(xiàn)場拆檢及振動測試數(shù)據(jù)，引起振動的原因可能是漿液泵入口壓力過小及蝸殼內(nèi)壁粗糙度導致的汽蝕現(xiàn)象和管路布置不合理，因此在后續(xù)改造措施中對上述問題做出優(yōu)化。

3 振動優(yōu)化措施

3.1 漿液泵優(yōu)化措施

3.1.1 漿液泵入口改造

參考汽蝕機理，本次優(yōu)化首先對漿液泵在額定入口壓力（p=0.1 MPa）進行全流場空化數(shù)值模擬校核與壓力分析，其結(jié)果如圖4a所示，分析認為入口過濾器濾網(wǎng)目數(shù)偏高，使得過濾器壓降損失過大，考慮到漿液組分和現(xiàn)場實際情況，決定減小濾網(wǎng)目數(shù)以減小過濾器壓降損失，提高泵體入口壓力改善吸入情況［9］。 圖4b、c分別為該型離心泵在額定工況下加壓0.025 0、0.037 5 MPa的汽蝕云圖，從數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，泵入口壓力升高之后，泵內(nèi)氣相分布明顯減少。 因此對泵前過濾器進行改造，增大過濾器的孔徑，使得漿液流經(jīng)過濾器時阻力損失大幅降低， 相較改進前，過濾器兩側(cè)壓差變小， 漿液泵入口壓力變大，汽蝕情況好轉(zhuǎn)，大幅改善了泵體吸入性能［10］。

圖4 離心泵氣體分布云圖

3.1.2 漿液泵蝸殼改造

對于蝸殼內(nèi)壁的改造，先前是通過在內(nèi)表面噴涂抗沖蝕材料， 但涂層表面粗糙且噴涂不均勻，部分區(qū)域高矮不一。 為驗證蝸殼內(nèi)壁粗糙度對汽蝕的影響，設計了粗糙度從3.2～1 600 μm的8組數(shù)值模擬，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同蝸殼內(nèi)壁粗糙度下離心泵氣體分布云圖

分析圖5所示結(jié)果得出， 隨著蝸殼內(nèi)壁粗糙度不斷增大， 泵殼內(nèi)氣體分布區(qū)域不斷增大，在粗糙度大于100 μm后，泵內(nèi)氣體分布面積幾乎布滿整個葉輪區(qū)域，氣體密度也不斷增大，汽蝕現(xiàn)象越嚴重。 在實際工程應用中，由于氣泡數(shù)量的增多，致使泵殼內(nèi)不平衡低壓區(qū)激增，氣泡破裂時形成的沖擊坑也越來越多，直接導致泵內(nèi)粗糙度增加，又加重汽蝕現(xiàn)象，惡性循環(huán)使得離心泵不斷偏離安全運行工況。 故在二次改造時，蝸殼采用其他表面強化措施使得表面光潔度提高、內(nèi)壁粗糙度減小，水力損失大幅降低，汽蝕區(qū)域明顯減小。

3.2 漿液泵管路優(yōu)化措施

3.2.1 入口管線改造

為了降低漿液泵的管道振動，對入口管道進行如圖6所示的調(diào)整。 在塔底豎直管段下彎頭處設置一段較粗的橫管，該橫管能對入口管道內(nèi)的流體激振起到緩沖作用；在橫管側(cè)面分別焊接向下傾斜5°和向下傾斜8°的A泵和B泵入口管道，利于氣體的回流；石油化工金屬管道布置設計規(guī)范中規(guī)定， 當管道輸送含有固體介質(zhì)或漿液時，水平管段上的偏心異徑管應底平安裝，因此本次改造將原有入口管道的同心異徑管更換為偏心異徑管； 石油化工金屬管道布置設計規(guī)范中規(guī)定，對于水平吸入的離心泵， 當進口管有變徑時，偏心異徑管與泵的進口間宜設置一段直管段［11］，因此本次改造在原來的偏心異徑管后增加一段直管段然后進泵。

圖6 入口管道改造前后對比

3.2.2 出口管線改造

出口管道的改造如圖7所示。 將貼于地面布置的水平管段整體抬高并將泵的兩出口管道直接以45°水平斜接入該水平管道，消除管道的下U形結(jié)構(gòu)， 防止氣體在下U形結(jié)構(gòu)的上部產(chǎn)生積聚。 由于出口管道配管方式發(fā)生改變，因此需要為管道重新設置支撐，所有支撐的位置如圖7b所示。

圖7 出口管道改造前后對比

4 整改效果

為了檢驗改造效果， 重新測量了改造后的出、入口管道振動測點，測量結(jié)果見表2。 由圖8可見，改造后管道水平、垂直方向振動明顯減小。 整改后機組開機運行，減振效果明顯，達到廠方要求，且至今運行良好。

圖8 管道改造前后振動數(shù)據(jù)對比

表2 管道改造后測量振動數(shù)據(jù)

（續(xù)表2）

5 結(jié)束語

結(jié)合現(xiàn)場拆檢和振動測試診斷可知，造成某石化公司重油催化裝置煙氣脫硫循環(huán)漿液泵振動的原因為漿液泵汽蝕和管道布置不合理。 通過增大該漿液泵泵前過濾器孔徑、提高蝸殼內(nèi)表面平整度、 對進出口管路及管線布局進行改進，有效抑制了漿液泵管道的噪音與振動，該設備至今運行良好，這次改進不僅解決了石化現(xiàn)場存在的問題，而且對于解決其他同類漿液泵機組振動較大問題也有著重要的指導作用。