高、中速高壓氨泵的性能對比

張昊彧，王 斌

(河南能源化工集團中原大化公司 河南濮陽 457000)

河南能源化工集團中原大化公司的尿素生產裝置采用從意大利引進的氨汽提工藝，設計生產能力為1 760 t/d，于1990年5月5日投產。該尿素裝置原始開車時所采用的高壓氨泵為HMP-5112型高速離心式雙級泵(以下簡稱高速泵)，其特點是高轉速、高揚程，采用串聯式機械密封，水平布置，端面吸入。2016—2017年度尿素裝置檢修期間，將其中1臺高速高壓氨泵更換為HTDB150-100-10stg型中速高壓氨泵(以下簡稱中速泵)，原高速高壓氨泵的電動機和油系統實現修舊利廢。

1 工作原理

(1)高速泵由電動機驅動，通過聯軸節帶動低速軸，然后由安裝在低速軸上的大齒輪與高速軸上的小齒輪嚙合帶動高速軸，高速軸再以20 445 r/min的速度帶動安裝在兩側的一級和二級葉輪高速旋轉。來自氨升壓泵的液氨從一級葉輪的端面被吸入，在葉輪產生的離心力的作用下沿葉輪圓周切線方向進入擴壓器，液氨從葉輪獲得動能；隨著擴壓器截面的增大，液氨的部分動能轉化為靜壓能，液氨被提壓至9.8 MPa(表壓)，然后通過連通管進入二級葉輪，被二級葉輪繼續升壓至22.3 MPa(表壓)排出泵體。通過對一、二級葉輪改造，目前該泵出口液氨壓力能達到25.0 MPa(表壓)[1]。

(2)中速泵同樣由電動機驅動，通過聯軸節帶動低速軸，然后由齒輪箱帶動中速軸，中速軸再以7 500 r/min的速度帶動安裝在主軸上的10級葉輪旋轉。來自氨升壓泵的液氨從一級葉輪的端面被吸入，在葉輪產生的離心力的作用下沿葉輪圓周切線方向進入擴壓器，液氨從葉輪獲得動能；隨著擴壓器截面的增大，液氨的部分動能轉化為靜壓能，提壓后的液氨進入二級葉輪，被二級葉輪繼續升壓后進入三級葉輪……；經10級葉輪升壓后，液氨最終被升壓至23.0 MPa(表壓)排出泵體。

2 主要性能參數

高速泵和中速泵的主要性能參數見表1。

表1 高速泵和中速泵的主要性能參數

實際運行情況表明，中速泵與高速泵相比，具有以下優點：

(1)中速泵的轉速為高速泵的1/3，因轉速下降，泵的運行穩定性有了明顯提高。

(2)現場測量結果表明，中速泵的噪聲比高速泵低約20 dB。

(3)中速泵的流量調節范圍大，抗氣蝕能力強，在開停車過程中對于中壓系統的壓力及氨升壓泵的要求低，操作彈性大。

(4)中速泵在電耗、水耗、檢修消耗等方面優于高速泵。

3 能耗對比

3.1 電耗

高速泵運行時的電流控制在150 A左右，而中速泵運行時的電流控制在125 A左右，中速泵相比于高速泵節電為232.5 kW，電耗下降20%，低負荷工況下的節電量將更高。以電價0.55元/(kW·h)、全年運行300 d計，中速泵每年可節省電費約92.07萬元。

3.2 脫鹽水消耗

高速泵的一、二級密封均為串聯式機械密封，密封液分別采用液氨和脫鹽水。脫鹽水經過濾器過濾后進入沖洗水泵，升壓至8.00 MPa(表壓)后經限流孔板分為兩部分，一部分進入二級機械密封(孔板前后壓差必須大于1.19 MPa，此值為開車時的聯鎖條件，如果達不到此值，則說明機械密封泄漏量大或孔板被堵塞)；另一部分進入一級機械密封，經限流孔板控制流量和壓力。正常運行期間，經過一、二級機械密封的機封水排至密閉回收槽，不再循環利用，每小時脫鹽水的沖注量為0.9 m3。

中速泵采用雙端面集裝式機械密封，密封液為脫鹽水。脫鹽水通過雙聯過濾器后進入水箱的上部，由水箱上部的液位調節閥控制水箱的液位；水箱內的脫鹽水通過沖洗泵提壓至2.80 MPa(表壓)，經水冷器進入雙聯水過濾器，然后由調節閥控制壓力，再分別通過2只止回閥進入左右兩端密封系統。水系統密封水與泵體氨系統壓差是影響開車的因素之一，開車允許的壓差為大于30 kPa(表壓)，若無壓差、負壓或者壓差低都不允許開車，應檢查密封水情況或水系統是否存在故障或泄漏。出密封系統的脫鹽水經回水總管后返回水箱，實現脫鹽水的循環使用。

通過上述對比可知，在正常運行工況下，中速泵不消耗脫鹽水，而高速泵每小時消耗0.9 m3脫鹽水。由于高速泵的密封水最終進入密閉回收槽，如果機械密封出現泄漏，含氨的脫鹽水送至密閉回收槽后需進行解析處理，其每小時消耗增壓蒸汽為0.2 t。如果按脫鹽水價格3.8元/t、增壓蒸汽75.0元/t、全年運行300 d計，則高速泵每年消耗的脫鹽水費用約為13.26萬元。

4 檢修費用對比

4.1 檢修頻次

高速泵自原始開車以來，由于轉速較高，運行很不穩定，正常情況下最長運行周期為3個月。高速泵在運行過程中出現的問題主要包括機械密封損壞，潤滑油進水造成軸瓦燒壞及軸斷裂，副線調節閥開度大幅波動造成泵氣蝕而引發振動位移大，泵本身的機械損壞等。每年的檢修頻次平均為6次左右，最長檢修時間可達3 d(此情況嚴重影響尿素裝置的正常運行，曾經多次出現因2臺高速泵同時故障造成尿素裝置停車)。

中速泵于2017年2月投入運行，一直至冬季大修，實現了全年零檢修。為了保證中速泵的穩定運行，在2017—2018年冬季大修期間對該泵的機械密封及軸承瓦塊進行了解體檢查。從檢查結果來看，該泵運行1年基本未出現大的問題，存在的幾個小問題在大修期間已全部得到解決。

4.2 檢修耗材

高速泵進行檢修主要是因為機械密封泄漏，每次更換機械密封的費用加上人工費用為3萬元左右，按每年6次的檢修頻次，年檢修費用為18萬元左右。由于高速泵的泵軸轉速較高，每年都會出現軸、軸承、軸瓦損壞等情況，其年檢修費用為100萬元左右。

中速泵投運以來，沒有出現因機械密封泄漏所致的檢修。2018年上半年運行期間對泵的檢修只產生了人工費用，沒有更換設備備件所產生的費用。

5 高壓氨泵改造后存在的問題

(1)高速泵改造成中速泵后，振值位移偏大是比較突出的問題。在2017年運行期間，雖然中速泵運行比較穩定，但由于裝置停車次數較多，而每次開停中速泵后其振值位移都有上升趨勢。2017年大修期間，全部更新中速泵的止推瓦和軸承瓦，振值位移偏大的問題得到了解決。

(2)從泵的構造上來看，中速泵中間的層級較多，如果制造工藝無法滿足要求，很容易出現內流道封板破裂、內缸體中分面密封不嚴、級間密封偏大而使介質回流等一系列問題，從而影響中速泵的出口壓力及流量。如果中速泵出口液氨壓力低于22.0 MPa(表壓)，將嚴重影響高壓系統噴射泵的噴射效率，使裝置后系統回收的甲銨液送高壓系統時受到限制，造成整個系統的負荷受限。

6 結語

從高速泵和中速泵的運行效果來看，中速泵的運行比高速泵穩定，如果系統出現波動時，中速泵受到的干擾比高速泵小。由于中速泵中間的級數較多，其抗氣蝕能力較強，當系統出現大幅波動或者晃電造成氨升壓泵跳車后，中速泵不易跳車。在能耗方面，中速泵的消耗明顯低于高速泵的。從檢修方面看，中速泵屬于國產設備，備件比高速泵便宜，更便于維修。