煤漿給料泵出口緩沖系統的研究與應用

劉道文，馮 功

(陜西未來能源化工有限公司，陜西榆林 719000)

1 概況

陜西未來能源化工有限公司煤制油分公司設計年產能115萬t油品和化工產品(柴油79萬t、石腦油26萬t、液化石油氣10萬t)，年轉化利用煤炭500萬t。主要裝置包括：4套空分裝置、8套多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化裝置、3套低溫甲醇洗裝置、1套費托合成裝置。2015年7月31日氣化裝置一次性投料試車成功，2015年8月23日打通全流程，生產出合格油品。

陜西未來能源化工有限公司煤制油分公司采用國內具有自主知識產權的多噴嘴對置式水煤漿加壓氣化裝置，單套氣化裝置設計投煤質量流量為2 000 t/d，共有8套(6開2備)。煤漿給料泵采用德國菲魯瓦(FULEWA)公司的雙缸雙作用隔膜-軟管-柱塞泵，共16臺。在氣化裝置中，煤漿給料泵的運行效果直接影響整個系統的穩定運行，是氣化裝置最關鍵的機泵，被列為廠控關鍵設備。該煤漿給料泵的型號為ZGL 300/250-2K 190-4SM 460 HD(泵外形圖見圖1)，每臺泵設置4套出口緩沖系統，型式為軟管-氣囊緩沖，單套緩沖容積為20 L，氣囊充氣壓力約為泵的正常出口壓力的80%(約3.8 MPa)。每缸(2套軟管-氣囊緩沖系統，緩沖容積為40 L)對應1個燒嘴，主要對泵的出口煤漿壓力起到“削峰填谷、消減波動”的作用，從而實現出口壓力的相對穩定[1-4]。

圖1 煤漿給料泵外形圖

2 改造前運行現狀

2.1 緩沖系統

改造前緩沖系統采用軟管-氣囊緩沖系統結構，該結構形式復雜、易損點多、檢修復雜、工作量大，具體結構形式見圖2。

圖2 軟管-氣囊緩沖系統結構圖

軟管內部為介質，軟管與氣囊之間使用液壓油進行填充，起到壓力傳遞作用和潤滑作用。軟管盤閥和氣囊盤閥主要對軟管和氣囊起保護作用，防止因壓力頻繁波動造成軟管和氣囊損壞。軟管盤閥和氣囊盤閥使用彈簧來抵消軟管和氣囊對盤閥的沖擊，保證液壓油傳遞通道的暢通。在停車憋壓狀態(出口壓力約為7.0 MPa)時，軟管盤閥處于關閉狀態，氣囊盤閥處于最大開啟狀態；在一般停車狀態(出口壓力約為0 MPa)時，軟管盤閥處于最大開啟狀態，氣囊盤閥處于關閉狀態。無論是軟管盤閥還是氣囊盤閥長時間處于關閉狀態(彈簧處于極限壓縮狀態而盤閥螺栓處于極限受力狀態)時都將會對其使用壽命造成影響。

與此同時，在系統開車升壓過程中，當泵的出口壓力達到緩沖臨界壓力(約為氣囊充氣壓力的80%，即2.9 MPa)時，此時泵的出口壓力+彈簧力=氣囊充氣壓力，軟管盤閥處于開啟狀態，而氣囊盤閥處于臨界開啟狀態。受升壓速率(要求升壓速率為0.1 MPa/min)和泵出口壓力波動的影響，氣囊盤閥在開啟和關閉狀態上進行頻繁切換，并與罐體進行激烈撞擊，造成氣囊盤閥疲勞損傷加劇，最終導致被迫檢修，從而影響了系統的安全穩定長周期運行。據統計，每年因被迫停車檢修次數約為3次。

在實際運行過程中采取2個措施：(1)提高升壓速率，減少氣囊盤閥在臨界開啟狀態的停留時間；(2)停車后對氣囊盤閥和軟管盤閥進行檢查更換。但是此時又產生了其他問題：首先，升壓速率過快會對壓力容器的使用壽命產生影響；其次，備件的頻繁更換增大了生產成本；最后，大量復雜的檢修量造成了檢修任務的繁重，形成了人力資源的浪費。

2.2 系統運行狀況

系統正常運行時，泵出口壓力主要受氣化爐爐膛壓力影響，壓力讀數以軟管-氣囊緩沖系統就地壓力表波動的中間值為準，正常運行時壓力讀數在5.0～5.4 MPa，即波動振幅為0.20 MPa，單缸出口體積流量控制在25～31 m3/h。

3 改造方案

3.1 改造要求

對原緩沖系統進行更換，更換新的球形氣囊式緩沖器，并要求緩沖器滿足以下條件：

(1)考慮系統操作的穩定性，要求降低氣囊緩沖系統就地壓力表波動在0.20 MPa以內，即波動振幅不大于±0.10 MPa。系統壓力大幅度變化時，要求改造后的緩沖系統能夠運行可靠、平穩。

(2)考慮公司實際生產情況，改造系統需要盡快進入備車狀態。因此，要求在滿足額定流量的要求下,改造工作量小、成本低、周期短。

(3)考慮輸送介質具有磨損、腐蝕、高壓等特性，要求保證產品強度。外殼采用壓力鑄造的方法進行制造，且內壁光滑，進行10.0 MPa壓力試驗。底部接管要求采用耐磨材質。

(4)考慮現場安裝空間及操作、維修的方便性，要求盡可能減輕質量，并配有吊扣。

3.2 改造參數

煤漿給料泵的設計參數見表1。煤漿給料泵的輸送介質為水煤漿，其參數見表2。緩沖系統出口采用DN125管道，管道壁厚為12.5 mm，材質為20號鋼，符合GB 6479—2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》要求。

表1 煤漿給料泵設計參數

表2 水煤漿參數

3.3 改造內容

每臺煤漿給料泵配置2個球形氣囊式緩沖器，兩側煤漿出口管道配置各1個，原軟管-氣囊緩沖系統進行隔離退出。

緩沖器采用球形本體內置橡膠囊結構形式。

緩沖器表面顏色與目前煤漿泵顏色一致，防腐涂層工藝采用烤漆工藝。

遷移實驗:將3×104個細胞置于上室中(孔徑8 μm)，下室填充無血清培養基，細胞在Transwell小室中培養48 h后用于遷移測定，遷移的細胞被1%的結晶紫染色，隨機選擇5個視野，在倒置顯微鏡下計數遷移到下側的細胞數。侵襲實驗:將基質膠在4℃條件下過夜融化，并與3倍體積的無血清培養基混合均勻后加入24孔Transwell小室(每孔50 μL)，其余實驗步驟及方法同遷移實驗。實驗重復3次。

煤漿給料泵出口水平管道長度為3 000 mm，緩沖器放置在該段管道原出口閥門處。

水平管道上的泵出口閥門后移至豎直管道上安裝。

改造后的緩沖系統見圖3。

圖3 改造后的緩沖系統

3.4 改造氣囊容積的選擇

用于吸收煤漿給料泵出口壓力脈動的氣囊式緩沖器，其容積為：

V0=q×i÷(d×k)

(1)

式中：V0為緩沖器容積，L；q為煤漿給料泵每回轉一次單缸的排量，L/r；i為排量變化率，取固定值0.51；d為氣囊充氣壓力與泵的排出壓力的比值；k為脈動變化率=脈動壓力振幅/泵的排出壓力。

煤漿給料泵每分鐘回轉次數取最大值58 r/min;煤漿給料泵的最大體積流量為71.7 m3/h，則每缸出口體積流量最大值為35.85 m3/h，煤漿給料泵每回轉一次單缸的排量約為10.30 L/r。

氣囊的充氣壓力一般為煤漿給料泵排出壓力的50%～80%，考慮泵在運行過程中氣囊各接口可能存在泄漏現象，因此計算時按照50%計算，實際運行過程中可按照70%～80%進行充壓。

將上述數據代入式(1)，可計算得到改造氣囊容積約為74.5 L。因此，在改造時氣囊式緩沖器容積選取了75 L。

4 運行效果

在系統開車升壓過程中，當煤漿給料泵的出口壓力低于4.0 MPa時，出口緩沖氣囊不起作用；當煤漿給料泵的出口壓力達到4.0 MPa時，氣囊開始工作。煤漿給料泵的出口壓力波動幅度減小，此時現場緩沖罐由于去掉了盤閥等部件，現場沒有異響和振動，所以系統的升壓過程也比較平緩。

系統正常運行時，運行效果可以通過系統壓力曲線趨勢(見圖4)進行比較，每10 min取值1次，時限2 h。

圖4 改造前后系統壓力趨勢對比圖

由圖4可以看出：改造前正常運行時壓力為4.96～5.34 MPa，就地壓力表波動范圍為0～0.38 MPa，即波動振幅為±0.18 MPa；改造后正常運行時壓力為5.05～5.24 MPa，就地壓力表波動范圍為0～0.19 MPa，即波動振幅為±0.095 MPa，波動幅度較改造前有了明顯改善。

5 效益分析

5.1 經濟效益

(1)穩定煤漿給料泵的運行，避免因緩沖系統損壞導致的被迫停車；每次開停車的氣體排放浪費及檢修材料的消耗等按100萬元計算，每年至少節約300萬元。

(2)降低檢修費用。改造前每次停車需要對緩沖系統進行檢查并更換部分零部件，改造成球型緩沖罐后易損件的使用壽命預計可以達到5 a，每年可節約因緩沖罐零部件損壞形成的備件費用約50萬元。

5.2 社會效益

(1)降低在系統開車升壓階段及停車泄壓階段對煤漿給料泵出口緩沖罐沖擊導致的易損件損壞的風險，降低設備的故障率，提高單系統運行周期，穩定運行能力，提高氣化裝置的運行效率，有利于整個系統的穩定生產，具有良好的社會效益。

(2)減小檢修難度，有效提高檢修進度，縮短檢修時間，保證系統的正常備車，同時可以節省勞動力。

6 結語

通過對煤漿給料泵出口緩沖系統的研究與應用，實現了消除設備故障和減小煤漿壓力波動的預期目的。自2019年3月2套系統煤漿給料泵改造完成，并經過實際運行應用驗證后，2020年3月—4月完成了剩余6套系統煤漿給料泵的改造，總體運行平穩，改造效果良好。