氣化高溫熱水泵故障分析及改造優化

肖遠志,劉文洋

(宜都興發化工有限公司, 湖北宜昌 443000)

宜都興發化工有限公司合成氨裝置年產40萬t合成氨,年操作時間8 000 h,采用了多噴嘴對置式水煤漿氣化技術[1],操作壓力為6.5 MPa。來自氣化爐洗滌冷卻室、旋風分離器及水洗塔底部的黑水分別經過減壓送入蒸發熱水塔下部蒸發室。蒸發熱水塔蒸發室中,一部分水蒸發為蒸汽,進入蒸發熱水塔上部熱水室,與低壓灰水泵來的灰水直接接觸,加熱灰水,自身大部分冷凝。熱水室的熱水流入高溫熱水罐,經高溫熱水泵將熱水輸送至水洗塔中部,實現系統水平衡。高溫熱水泵為8級離心泵,設計額定功率為800 kW,額定體積流量為265 m3/h,出口壓力為7.2 MPa,入口壓力為0.85 MPa,密封水壓力為1.9 MPa。氣化單系列配2臺高溫熱水泵,具備壓力聯鎖自啟功能。合成氨裝置于2021年5月一次投料開車成功,裝置整體運行平穩。從試生產至今,高溫熱水泵存在多次機械密封損壞的事故,多次因口環磨損導致緊急倒泵或倒爐的情況發生。

1 高溫熱水泵存在的問題

1.1 高溫熱水泵機械密封頻繁損壞

在2021年開車初期,發生了多次高溫熱水泵機械密封損壞的事故,造成氣化裝置緊急停車。高溫熱水泵的驅動端機械密封在啟動泵的瞬間發生損壞,導致大量的高溫熱水從機械密封處泄漏;由于熱水溫度較高,遇空氣汽化,產生大量水蒸氣,阻擋人員視線,易發生危險。高溫熱水泄漏,導致泵運行流量降低,無法滿足生產要求,最終被迫倒泵。在停泵后,機封水管線上的玻璃視鏡破損,沖洗水從視鏡處噴涌而出;關閉機封水閥門后,泄漏消除。對高溫熱水泵進行拆檢后發現機械密封動環及靜環已損壞。

1.2 高溫熱水泵口環磨損

在2022年11月出現了高溫熱水泵驅動端及非驅動端振動異常升高的現象,在對工況參數及現場設備進行檢查后,未發現明顯異常。在對高溫熱水泵的持續監控運行中,發現驅動端及非驅動端振動有持續上漲的趨勢,立即組織停泵檢修工作。對高溫熱水泵進行拆檢后,測量葉輪與口環的間隙,結果見表1。由表1可以看出:首級葉輪與口環間隙為0.640 mm(技術要求為0.605 mm),次級葉輪與口環間隙為0.620 mm(技術要求為0.580 mm),葉輪與口環間隙已經嚴重超標。更換口環后,進行試泵,在額定工況參數運行下,測量驅動端及非驅動端振動均已恢復至正常范圍。

2 原因分析

2.1 高溫熱水泵機械密封損壞原因分析

拆開高溫熱水泵的機械密封后發現機械密封動環及靜環均已碎裂,端面因高溫燒蝕而出現發藍現象。分析原因為機械密封的動環與靜環發生了干摩,在碰撞的作用力下,動環及靜環薄弱處發生破碎,而端面出現燒蝕,說明機械密封水未進入機械密封內[2]。檢查現場的高溫熱水泵機械密封,驅動端及非驅動端均采用外沖洗水方案,即機封水進入泵體內,要求機封水壓力應大于泵入口壓力0.2 MPa[3]。實際操作中,機封水壓力未滿足要求。機封水視鏡頻繁發生破損,發現機封水壓力表已超過其量程顯示,判斷高溫熱水泵內部也處于超壓狀態,而此時泵入口、出口閥門均已關閉,泵體內部憋壓,超過視鏡承受壓力從而導致視鏡破碎,因泵體內部作用不平衡發生軸向移動,瞬間造成動環及靜環撞擊而導致動環及靜環發生破碎。

2.2 高溫熱水泵口環磨損原因分析

分析高溫熱水泵口環磨損的原因是高溫熱水泵入口黑水含固量太高。在高溫熱水泵運行1個月后,進行倒泵操作,拆除其進口濾網檢查,發現過濾器內部濾網被壓扁(見圖1),濾網表面孔洞已堵塞(見圖2)。

圖1 變形的濾網

圖2 堵塞的濾網

原設計濾網的圓形孔徑為4 mm,而大量指甲蓋大小的硬質垢片堆積在過濾器內壁與濾網之間,堵塞了圓形孔洞。濾網內部堵塞后,只能發現高溫熱水泵打量明顯減少,而過濾器堵塞情況無法觀察。壓扁變形的濾網,導致大量垢片經過濾網變形處,未經過過濾器直接進入泵體內,造成高溫熱水泵入口黑水含固量增加,加速了口環磨損。

3 改進措施

3.1 調整機封水方案

為了保證機封水進入高溫熱水泵泵體內,必須調節機封水壓力。在機封水管線上加裝1臺自力式壓力調節閥,用于調節機封水至機械密封的壓力。當壓力調節閥前壓力升高,作用于執行機構膜片上的力增加,壓縮彈簧,帶動閥芯,使閥門開度增大,直到閥前壓力下降到設定值為止。同理,如果壓力調節閥前壓力降低,作用于執行機構膜片上的力減小,在彈簧彈力作用下,彈簧帶動閥芯,使閥門開度減小,直到閥前壓力上升到設定值為止。加裝壓力調節閥后,鑒于泵入口壓力約為0.8 MPa,機封水壓力能夠穩定控制在1.0 MPa,在后續的運行過程中,避免了機封泄漏事故。

3.2 過濾器換向

原設計過濾器為反折流T形過濾器,黑水從過濾網外側流入,經過濾網過濾后,從濾網內部流出。經過換向后,黑水從濾網內部流入,經過濾網過濾后,從濾網外側流出。換向前后過濾器示意圖見圖3。

(a) 換向前

為了解濾網的堵塞情況,在高溫熱水泵入口處加裝了壓力表,用來指示入口處的壓力,間接反映濾網的堵塞情況。換向前,運行1個月后濾網狀況見圖4,垢片堆積在濾網外側,擠壓濾網,濾網堵滿后,濾網變形。換向后,運行1個月后,拆檢濾網,運行效果見圖5,垢片堆積在濾網內部,濾網外側無垢片堆積,壓力表示數在正常范圍,過濾效率較好。

圖4 換向前濾網

圖5 換向后濾網

3.3 高溫熱水罐排污管線變更

高溫熱水泵的入口過濾器有硬質垢片堆積,分析原因是高溫熱水罐底部積灰嚴重。由于固體顆粒在底部沉降,最終堵塞在高溫熱水泵濾網處,泵的流量和壓力顯著降低。高溫熱水罐底部出口壓力約0.8 MPa,澄清槽為常壓。原設計設置了排至地溝的排污管線,由底部雙閥控制。為了將高溫熱水罐底部積灰排出,在原設計上新增至澄清槽的管線(見圖6),經過減壓閥(LV14007A/B)減壓至常壓后,流入澄清槽,實現定期排污[4]。

圖6 排污流程圖

在投用A系統后,高溫熱水泵未出現因過濾器堵塞導致流量減少的問題。濾網運行1個月和2個月的情況分別見圖7和圖8。對比圖7和圖8可以看出,濾網內部的垢片得到了明顯改善。

圖7 運行1月濾網

圖8 運行2月濾網

4 結語

由于高溫熱水泵在氣化裝置的重要性,每一次機封損壞都存在停車風險。口環磨損降低了高溫熱水泵的使用壽命,不利于氣化裝置的長周期穩定運行。改進了機封水沖洗方案,使機封頻繁損壞的情況得到改善。通過過濾器換向及高溫熱水罐排污管線變更,將高溫熱水罐底部積灰排至澄清槽,避免了積灰堵塞過濾器,解決了高溫熱水泵打量不足的問題,積灰中的垢片排至澄清槽,減少了對泵體口環的磨損,大大延長了泵的使用壽命。