催化加氫裝置沸騰泵的應(yīng)用及國產(chǎn)化

黃紹碩

（中國石化中科（廣東）煉化有限公司，廣東湛江 524076）

0 引言

沸騰床催化加氫裂化轉(zhuǎn)化工藝可以深度處理雜質(zhì)含量高的重質(zhì)渣油，使其輕質(zhì)化，并提高油品質(zhì)量［1］。與加氫裂化沸騰床反應(yīng)器配套的循環(huán)泵，習(xí)慣稱為沸騰泵。其作用是給反應(yīng)器內(nèi)的重質(zhì)渣油、氫氣、催化劑提供流動的動力，使重質(zhì)渣油、氫氣和催化劑在反應(yīng)器內(nèi)呈懸浮液狀態(tài)，形成氣、液、固三相床層，相互之間充分接觸融合從而完成加氫裂化反應(yīng)［2］。沸騰催化劑床層的高度由循環(huán)液體的流量進行控制。沸騰泵的運行，使得反應(yīng)器內(nèi)物料高度返混，有益于反應(yīng)器內(nèi)各處物料溫度的均衡，有益于重質(zhì)渣油、氫氣、催化劑物料的均布，避免重質(zhì)渣油在催化劑表面形成的結(jié)焦及重金屬中毒，提高加氫反應(yīng)深度和效率［3-5］。

沸騰泵工作條件極端苛刻［6-7］：（1）輸送的物料中氣、液、固共存，對泵過流件有沖刷磨損作用。（2）操作溫度高。泵入口物料溫度通常在400～500 ℃，該溫度高于物料的著火溫度。物料一旦泄漏，極易著火，因此，對泵的安全性要求高。（3）操作壓力高。反應(yīng)器內(nèi)壓力，即泵的入口壓力，通常在11～23 MPa，泵軸封解決起來較為棘手?；诖?，國內(nèi)市場上能夠耐受上述極端苛刻工作條件的泵型較少，沸騰泵選型有困難。

本文從API 標準的機械密封離心泵、濕定子電機驅(qū)動的離心泵和屏蔽電機驅(qū)動的離心泵的結(jié)構(gòu)特點著手，分析比較了這3 種泵型用作沸騰泵時的優(yōu)缺點，推薦優(yōu)先選用泵型為濕定子電機驅(qū)動的離心泵或者屏蔽電機驅(qū)動的離心泵。

1 沸騰泵解決方案的探討

1.1 API 標準流程泵

基于沸騰泵主要應(yīng)用于煉油行業(yè)，按標準規(guī)定，首選符合API 610 標準的機械密封離心泵作為沸騰泵。下面以某廠200 萬t/a 液相柴油加氫裝置沸騰泵P102A/B 為例，簡述機械密封離心泵作為沸騰泵的標準配置，以及沸騰泵在裝置上的應(yīng)用情況。沸騰泵P102A/B 的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 沸騰泵P102A/B 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of boiling pump P102A/B

按照操作條件選用API 610 標準BB2 結(jié)構(gòu)離心泵，具體結(jié)構(gòu)特征為臥式、兩端支撐、徑向剖分、雙蝸殼、葉輪雙吸。

考慮泵運行的穩(wěn)定性，減輕催化劑對過流件的磨損，泵轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 485 r/min。

為確保泵軸封的可靠性，采取節(jié)流—泄壓措施，降低密封腔壓力。即在密封腔入口設(shè)置喉部節(jié)流套，將密封腔通過管路連接至裝置的低壓分離器系統(tǒng)，通過回流管使密封腔壓力降低到2.0 MPa。

考慮到安全性，軸封采用有壓雙端面機械密封［8］，并在外側(cè)配固定節(jié)流襯套，其沖洗方案為Plan23+54+62，如圖1 所示。該密封方案在國內(nèi)液相柴油加氫裝置沸騰泵上是首次應(yīng)用。

圖1 沸騰泵P102A/B 軸封結(jié)構(gòu)Fig.1 Shaft seal structure of boiling pump P102A/B

理論上，P102A/B 軸封形式和沖洗方案完全符合API 610 標準的要求，是完善的，沒有瑕疵的。但從該裝置投產(chǎn)后的2 個運行周期來看，應(yīng)用效果并不理想。

2 臺機械密封離心泵存在以下兩個問題：（1）軸封可靠性差。泵開停車時的升降溫過程或運行參數(shù)發(fā)生波動時，泵軸封極易發(fā)生泄漏，引發(fā)著火的安全事故（有多次著火的案例）。（2）節(jié)流襯套泄漏量過大，造成裝置能耗偏高，分餾系統(tǒng)熱量平衡困難。當(dāng)節(jié)流襯套間隙為0.9 mm 時，泄漏量高達75 t/h；當(dāng)節(jié)流襯套間隙為0.6 mm 時，泄漏量為25 t/h。

節(jié)流襯套間隙大小對保證機械密封腔壓力至關(guān)重要，但精準控制間隙較為困難。因為節(jié)流襯套間隙過小，會使備用泵盤車卡澀，甚至?xí)霈F(xiàn)盤不動車的情況。另一方面，泵長期運行，節(jié)流襯套磨損間隙會增大。

綜上所述，雖然機械密封離心泵理論上安全可靠，但在實踐上存在較大的安全隱患，其安全性、可靠性有待進一步提高。

1.2 濕定子電機驅(qū)動離心泵

針對沸騰泵苛刻的工作條件，特別是高溫高壓的情況，如果采用機械密封離心泵，其軸封安全性差。選用濕定子電機驅(qū)動的離心泵或屏蔽電機驅(qū)動的離心泵可以克服這種情況。因為該類型泵對外只有靜密封、無動密封，可以做到對外界無泄漏，能承受高溫高壓，安全性較機械密封離心泵高。

圖2 示出的沸騰泵是一種適用于輕料漿（含少量固體顆粒）輸送、電機轉(zhuǎn)子和泵葉輪共軸、立式的濕定子電機驅(qū)動離心泵［9］。該泵主要由泵頭、隔熱屏、濕定子電機、軸封、電機內(nèi)腔注油循環(huán)冷卻系統(tǒng)、電機外冷卻系統(tǒng)、監(jiān)控儀表等組成。

圖2 濕定子電機驅(qū)動的沸騰泵Fig.2 Boiling pump driven by wet stator motor

安裝時，上泵下電機，泵入口與反應(yīng)器底部相連接，出口通過管路插入到反應(yīng)器中部的柵格部位。當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)充滿物料，泵腔中就自動灌滿物料。泵運行時，葉輪在電機的驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，使得物料在反應(yīng)器內(nèi)流動，物料中氫氣、催化劑與重質(zhì)渣油充分混合、反應(yīng)。

該類型泵設(shè)計上有下述特點：

（1）考慮介質(zhì)高溫高壓，泵殼設(shè)計成球形，電機相對細長，使其承壓能力強，熱變形均勻。

（2）考慮泵送物料溫度高，熱量對電機有影響，泵和電機之間設(shè)置隔熱屏，減少泵側(cè)熱量向電機的直接傳遞。

（3）考慮濕定子電機使用的是導(dǎo)軸承，且電機線圈絕緣層不耐沖刷磨損，不允許物料中的固體顆粒（催化劑粉末）進入電機腔，故在泵腔和電機腔之間設(shè)置密封，使兩腔體分開獨立運行。

（4）為保證電機工作溫度在60 ℃左右，電機需要充分冷卻。在電機端部配置換熱器，與電機腔等構(gòu)成封閉回路。通過外置密封油泵從外部注入的方式，向該回路中注滿潔凈的柴油，通過電機軸端自帶的副葉輪循環(huán)作用，注入的柴油對電機定轉(zhuǎn)子進行冷卻，同時對導(dǎo)軸承進行潤滑冷卻。工藝上控制操作壓力，允許注入的柴油從電機腔向泵腔泄漏，不允許物料從泵腔泄漏到電機腔。

（5）水力上采用離心葉輪與徑向正導(dǎo)葉的組合，結(jié)構(gòu)簡單，泵效高。

濕定子電機的定子線圈有兩種：漆包線和交聯(lián)聚乙烯套管線纜。使用漆包線制作定子時，需要注意：泵的出廠試驗只能用油做試驗介質(zhì)，不可用水做試驗介質(zhì)。原因是漆包線遇水，絕緣性能下降。使用交聯(lián)聚乙烯套管線纜制作定子則不存在該缺點，出廠試驗用油或水均可。

1.3 屏蔽電機驅(qū)動離心泵（屏蔽泵）

如將上述泵型中的濕定子電機換成屏蔽電機，即將濕定子電機的定子線圈和轉(zhuǎn)子鐵芯均用薄的金屬包覆，則成為屏蔽電機驅(qū)動的離心泵。實踐上，為解決屏蔽電機的承壓問題，還需要在電機定子中灌注樹脂，以增強電機屏蔽套的承壓能力。

為解決屏蔽電機定子溫升的問題，電機定子外殼設(shè)置水冷夾套，通水冷卻定子。與濕定子電機驅(qū)動離心泵一樣，屏蔽電機還需要通過外置密封油泵從外部注入的方式，向該回路中注滿潔凈的柴油，通過電機軸端自帶的副葉輪循環(huán)作用，注入的柴油對電機定轉(zhuǎn)子進行冷卻，同時對導(dǎo)軸承進行潤滑冷卻。

除電機外，屏蔽泵的其他部分，如結(jié)構(gòu)及工作原理，與濕定子電機驅(qū)動離心泵一致。

屏蔽泵的劣勢是效率略低于濕定子電機驅(qū)動泵，優(yōu)勢是定子線圈不與液體接觸，泵能耐輕微腐蝕性物料，適應(yīng)物料的能力強。

綜上所述，濕定子電機驅(qū)動泵由于無對外的動密封，安全性高，能夠承受高溫高壓，且泵效相對較高，用作沸騰泵是最優(yōu)的選擇。

2 濕定子電機驅(qū)動離心泵的國產(chǎn)化實踐

基于上述情況，為保證裝置安全運行，長期以來，沸騰泵依賴于進口，屬于國外專利產(chǎn)品，價格極高，交貨期長。如沸騰泵發(fā)生故障，還需返廠處理，維修極為不便［5］。沸騰泵一直是煉油行業(yè)“卡脖子”設(shè)備。

為徹底打破國外技術(shù)壟斷，某石化企業(yè)聯(lián)合系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計單位、地方煉廠及國內(nèi)泵廠共同對沸騰泵開展研制工作，決定在液相加氫工藝裝置中沸騰泵P102A/B 工位試用，積累使用經(jīng)驗、核實使用效果，為在沸騰床渣油加氫工藝裝置中大范圍推廣使用打下基礎(chǔ)。

為確保裝置的正常開車運行、防止沸騰泵國產(chǎn)化驗證試驗影響正常的生產(chǎn)，2020 年10 月，我們在裝置上增設(shè)了備泵P102C，即將國產(chǎn)的濕定子電機驅(qū)動離心泵安裝在此位置進行試驗運轉(zhuǎn)。

2.1 運行情況

2020 年11 月該泵投入工業(yè)化連續(xù)運行考核，投用后發(fā)現(xiàn)：該泵電機運行電流偏大；流量偏小，僅為500 m3/h 左右，與設(shè)計值835 m3/h 偏差較大。鑒于泵其他運行參數(shù)正常，流量勉強能滿足生產(chǎn)需求，決定繼續(xù)進行試運行考核。

運行6 個月后，該泵突然跳閘停車。經(jīng)現(xiàn)場檢測確定跳閘停車的原因是電機匝間短路，需要拆泵返廠進行整體檢修。

2.2 故障表象

返廠解體拆檢發(fā)現(xiàn)：（1）電機定子繞組最上部（靠近泵頭部分）線圈絕緣層破損，如圖3所示；（2）定子繞組內(nèi)部有較多的金屬顆粒淤積，如圖4 所示；（3）葉輪平衡肋板有比較嚴重的磨損痕跡，電機軸瓦、推力瓦磨痕較明顯，如圖5 所示。

圖3 電機線圈絕緣層破損情況Fig.3 Damage to the insulation layer of the motor coil

圖4 電機定子繞組內(nèi)部金屬顆粒累積情況Fig.4 Accumulation of metal particles inside the stator winding of motor

圖5 電機軸瓦、推力瓦磨損情況Fig.5 Wear of motor bearings and thrust pads

2.3 故障原因分析

經(jīng)返廠解體檢修，總結(jié)出沸騰泵跳閘停車的原因有以下兩點：

（1）電機定子繞組線圈絕緣層破損，導(dǎo)致電機匝間短路。對造成此情況的原因進行了排查：①電機定子繞組線圈絕緣層僅出現(xiàn)一處短路燒損，其他地方保持較為完好，也未出現(xiàn)大量老化開裂情況，可以排除定子繞組線圈絕緣層材料不合格的情況。②考慮到定子繞組線圈遇水后，其絕緣性能會下降，對注入電機的柴油含水情況也進行了排查，排除了此項可能。③在繞組線圈上發(fā)現(xiàn)較多的固體粉末，經(jīng)過采樣分析后確定是電機軸瓦及葉輪平衡肋板磨損產(chǎn)生的。這些固體粉末在冷卻柴油的帶動下不斷循環(huán)，對電機的繞組線圈絕緣層存在一定的沖刷損壞。綜上分析，認為電機軸瓦及葉輪平衡肋板磨損產(chǎn)生的粉末，在柴油的帶動下沖刷定子繞組線圈絕緣層薄弱處（生產(chǎn)制造時碰擦損傷絕緣層）導(dǎo)致了定子繞組線圈絕緣層破損，造成電機匝間短路。

（2）對造成軸瓦、推力瓦磨損的原因進行了排查：①對注油系統(tǒng)的過濾器濾芯進行檢查，排除了注入的柴油不干凈的原因。②電機下推力瓦及葉輪平衡肋板出現(xiàn)明顯磨損，說明泵的軸向力向下，與設(shè)計計算的方向相反。因此，認為泵設(shè)計計算的軸向力不準確，運行中電機推力瓦受力過大，導(dǎo)致了該泵投用后電流偏大，泵出口流量偏小，長期運行后軸瓦磨損。

2.4 改進措施

對沸騰泵進行如下改進：

拆除電機定子繞組線圈，更新定子繞組線圈，改進定子繞組的VPI 浸漆工藝，提高漆膜強度。

補裝1 臺柴油聚結(jié)器，用于注油脫水，避免水進入電機，要求柴油含水濃度不超出2×10-4；將注油管路中過濾器的精度提高到10 μm，提高注油品質(zhì)。

對注入柴油進行采樣并測定其準確密度，重新核算泵的軸向力。根據(jù)核算結(jié)果調(diào)整葉輪背葉片數(shù)量，保證殘余軸向力方向指向泵進口（向上），大小在2 000～3 000 N。改進后軸向力測試結(jié)果見表2。

表2 軸向力測試數(shù)據(jù)Tab.2 Axial force test data

對泵的葉輪背葉片安裝間隙、上下導(dǎo)軸承間隙、推力軸承總間隙等進行優(yōu)化，從易于油膜形成、有益于潤滑冷卻效果等環(huán)節(jié)改善沸騰泵的運行環(huán)境，提高運行可靠性。調(diào)整后的數(shù)據(jù)見表3。

表3 沸騰泵安裝間隙調(diào)整情況Tab.3 Adjustment of installation clearance of boiling pump mm

2.5 改進后的效果

2021 年12 月改進后的沸騰泵在液相柴油加氫裝置重新安裝試運行，開機后在相同流量下P102C 的電流數(shù)值比檢修前小了20 A 左右，揚程達到設(shè)計指標，各項運行參數(shù)正常，連續(xù)平穩(wěn)無故障運行至今共5 040 h。

3 結(jié)論

（1）濕定子電機驅(qū)動泵由于無對外的動密封，安全性高，能夠承受高溫高壓，用作沸騰泵是最優(yōu)的選擇。

（2）屏蔽電機驅(qū)動泵與濕定子電機驅(qū)動泵有相似的技術(shù)優(yōu)勢，也可用作催化加氫裝置沸騰泵。

（3）國產(chǎn)化的濕定子電機驅(qū)動離心泵用作沸騰泵能夠平穩(wěn)運行5 000 h 以上，可為國內(nèi)自主沸騰床、漿態(tài)床工藝提供支撐。