高温煤浆泵技术研究与应用

谢建华

（延长石油集团北京石油化工工程有限公司，北京 100107）

高温煤浆泵技术研究与应用

谢建华

（延长石油集团北京石油化工工程有限公司，北京 100107）

通过对高温煤浆泵的结构设计、材质选择、使用性能及配套系统的研究，从而为高温煤浆泵应用于煤制油及煤化工领域的设计和选型提供有益的帮助。

高温煤浆泵； 技术研究； 结构设计； 材质； 配套系统； 变频调速； 暖泵； 热备

众所周知，我国是一个“富煤、贫油、少气”的国家，利用煤直接液化与炼厂渣油的加氢裂化技术生产出合格的石油产品，将是我国能源工业可持续发展的全新路径。高温、高含固量的离心式煤浆泵（以下简称高温煤浆泵）在煤制油工程中起了重要的作用，其应用前景十分广阔。由于该泵固含量和操作温度都十分高，因此国内一般煤浆泵厂家都无法生产。这种泵目前只在神华煤直接液化百万吨级示范装置上和中试装置上用过，其中大部分由美国劳仑斯公司提供。延长石油集团公司煤-油共炼试验示范项目中有十台高温煤浆泵，其中操作条件最苛刻的一台工艺条件见表1。

表1 高温煤浆泵工艺参数Tab.1 Process parameters of high temperature coal slurry pump

下面就该泵的结构设计、材质选择、使用性能及配套系统的设计等四个方面进行研究。

1 结构设计

1.1 采用立式结构

相对于卧式结构而言，采用立式结构（叶轮吸入口向下）主要有以下几方面的优点：

（1）立式泵的机械密封在泵上方，介质不容易往上跑，这样介质中的固体颗粒就不易淤积于机封处[1]。

（2）介质浓度不均匀对立式泵的影响相对要小一些。

（3）一旦有含固介质淤积在泵内，采用立式结构设计清理含固介质也比较容易实现并易于操作。

（4）结构紧凑，占地面积小。

当然，高温煤浆泵采用立式结构也有一些缺点，主要表现在以下几个方面：

（1）由于电机布置在泵的上方，在检修和更换泵内零部件时需先将电机拆下方可实现，给现场维修带来不便。因此立式结构的煤浆泵不适用于电机功率超过90 kW的泵。

（2）如图1所示，由于入口与出口中心线存在着一定的高度差，泵的入口压力较低时，流速慢，有可能导致较大颗粒的煤浆吸不上去。在进行泵的进料管设计时应尽量提高泵的入口流速，不宜盲目加大进料管的口径。

1.2 采用双层壳体设计

高温煤浆泵采用双层壳体设计，从泵的使用来看，主要有以下几方面的原因[1]：

（1）考虑到含固介质的存在，泵在运行过程中磨损严重，高温煤浆泵应设计成双层（内、外）壳体，当泵磨损严重时，只需更换内壳体即可。

（2）考虑到输送介质的温度较高，泵在运行过程中需要保温伴热，因此也应设计成双层壳体，在内、外壳体之间设计保温腔。

（3）由于温度较高，泵在开车前需要暖泵，设计成双层壳体便于暖泵的实现。

（4）备泵也需要达到一定的温度才能在紧急状态下短时间内切换，采用双层壳体设计便于实现热备。

采用双层壳体设计，其结构特点如下：

（1）如图1所示，内壳体主要由泵盖、出料蜗壳、阻封导叶和阻封挡板等组成。外壳体由泵体组成。

（2）外壳体的内腔采用环型形式，使含固介质不易淤积。

图1 高温煤浆泵结构图Fig.1 Configuration drawing of high temperature coal slurry pump

（3）外壳体两面采用大开门形式，以便在泵进出口管路不动的情况下，叶轮连同泵架等部件可整体向上拆装。

（4）外壳体两面与泵盖的固定螺栓均做到不与流动的介质相接触，从而防止了紧固件受到磨损，方便维修时的拆卸。

（5）外壳体与内壳体之间设有保温夹套，泵架与进料弯管之间也设有保温夹套并内设蒸汽盘管，可在保温夹套或蒸汽盘管里通入热媒介质，以防止工艺介质流经泵内腔后温度下降。

1.3 泵进出口的设计

（1）泵的进口部分由进料管、进料短管、进料弯管及泵盖内腔组成。泵的出口管部分由出料蜗壳、出料短管、出料管组成。

（2）设计进口部分时，应考虑热应力的影响。在进料短管和进料弯管之间的密封由于位置狭小，不能采用图2所示间接的压紧，而应采用图3所示的压紧方式，即增加内六角螺栓锁紧，以避免温度变化带来密封圈松动而导致工艺介质的泄露。

（3）泵的进口部分设计原则是向叶轮方向口径应逐渐变小，以尽可能增加流速，不让介质中的固体颗粒沉积在入口管的任何位置。

图2 间接压紧Fig.2 Indirect impact

图3 内六角螺栓锁紧Fig.3 Hexagon socket-head cap screws impact

（4）泵的进出口管内壁应打磨光滑，增加流动性和耐磨性。

（5）泵的进出管口受力按API 610标准4倍设计。

1.4 叶轮设计

对于一般的煤浆泵而言，通常都是采用开式叶轮。而对于高温煤浆泵，应采用前后盖板均加副叶片的闭式叶轮（如图4所示），并应尽量增加叶片和前后盖板的厚度。其原因主要有以下几点：

（1）闭式叶轮较之开式叶轮的效率高，并且叶片和前后盖板在一定范围磨损后，不会减小泵的流量与扬程，开式叶轮则反之。

（2）由于含固介质的原因，煤浆泵的转速都不宜太高。对于低比转速泵，叶轮也宜设计为闭式。

（3）为保证叶轮出口宽度满足铸造要求，可采用堵塞部分流道的方法。

图4 前后盖板均加副叶片的闭式叶轮Fig.4 Close impellor of two cover plate with back blades

（4）叶轮的前后盖板加副叶片后可尽量阻止含固介质向叶轮进口端和泵轴封处流动，并可降低轴封处压力，同时可以平衡部分轴向力。

（5）增加叶片和前后盖板厚度是为延长叶轮的使用寿命。

（6）为了进一步阻止含固介质向泵轴封处流动，加装了阻封叶轮和阻封导叶（如图1所示）。

（7）叶轮的使用寿命应不低于6 000 h，尽量达到8 000 h。

（8）阻封叶轮、阻封导叶、阻封挡板及出料蜗壳等的使用寿命应不低于8 000 h。

1.5 轴封

高温煤浆泵的轴封采用双端面机械密封。主要结构特点有：

（1）采用背对背双端面机械密封，可以完全防止含固介质的轴封泄漏和改善机械密封的运行条件，以确保机封的长期安全稳定运行。

（2）采用集装式结构，整体装拆方便、可靠[2]。

（3）机械密封前端设阻封挡板，以配合阻封叶轮将含固介质甩出，并将部分含固介质阻挡在机械密封之外，有效地保护了机封。

（4）机械密封带螺纹泵（泵送环）以循环密封冲洗油，并内设支撑轴承以减少泵轴的跳动，同时缩短泵轴的总长度，增强了泵轴的强度和刚度。该轴承直接由密封冲洗油冷却，密封冲洗油的冷却靠密封冲洗系统PLAN 53 B中热虹吸罐内设置的冷却盘管内通入循环冷却水来实现。

（5）机械密封与阻封叶轮之间设隔离腔。该隔离腔即为机械密封与阻封叶轮之间留出一段空腔，在空腔内开一小孔，用以由外面引一路清洁介质注入空腔以隔离和阻止含固介质流向机封。

2 材质选择

（1）叶轮、阻封叶轮和阻封导叶均应采用具有较强耐磨性能和耐热性能的材料，以延长它们的使用寿命。

（2）泵轴可选用合金结构钢，如35CrMo（GB/T 3077）等。

（3）内壳体（包括泵盖、出料蜗壳和阻封挡板等）可选用抗磨白口铸铁，如 KmTBCr26（GB/T 8263）等。

（4）泵体、进料管、进料短管、进料弯管、出料短管、出料管等应选用奥氏体不锈钢SS 304。

（5）轴套应选用奥氏体不锈钢SS 316。

（6）泵座、泵架、电机支架等应采用马氏体不锈钢1Cr13。

3 使用性能

3.1 采用变频调速

高温煤浆泵选用变频调速主要有以下几方面原因：

（1）可以根据工艺流程中的需要来随机改变泵的转速，以调整泵的输出而达到所需的运行工况，尽量不采用阀门对泵工况进行调节，这样既提高了系统的运行效率，又减少了阀门的磨损，并且不用人工进行调节。

（2）泵的过流部件磨损后，在一定范围内可以调高泵的转速来补偿磨损后泵的性能下降。

（3）变频调速对泵配套的交流电动机的调速可靠、方便，并且可对电机进行软起动和软停机。

（4）由于煤浆的不确定性，管路计算非常困难，在管路设计过程中高温煤浆泵性能参数的确定也变得十分复杂。所以管路设计过程中确定的高温煤浆泵性能参数与实际需求存在一定的差异，如果高温煤浆泵采用变频调速控制，则可补充这一部分差异，使高温煤浆泵能更好地满足管路系统的实际工况。

3.2 电机的选择

采用变频电机，其转速调节范围越宽越好，一般应在20 % ～ 160 %之间，即频率在10 ～ 80 Hz之间。

电机功率的确定不能按常规的方法（最大1.25倍轴功率）来计算，应至少按2倍轴功率的方法来确定电机的额定功率。

3.3 暖泵

高温煤浆泵在开车之前必须先暖泵。暖泵的方法可采用闷泵加热与夹套伴热结合的方式[3]。其过程大致如下：在泵夹套及流道内注满常温VGO，关闭泵进出口阀门，闷泵运行，通过将泵关死/功率转换为热能的方式达到暖泵的目的。由于受机械密封冲洗系统PLAN 53 B的压力限制，该种方式可使泵体温度达到180～200 ℃左右，然后再通过向泵体夹套中的盘管注入蒸汽（3.5 MPa，435 ℃），来加热夹套中的VGO，以使泵体达到暖泵目标温度，约260 ℃。如果提高通入蒸汽的温度，还可以将暖泵目标温度提高。暖泵程序可通过DCS控制，也可通过单独的小PLC系统进行控制。另外由于存在蒸汽盘管及VGO夹套，也可将暖泵全部交由蒸汽来完成，但暖泵时间会加长。

3.4 热备

高温煤浆泵一般情况下需要设置备泵。当主泵出现故障需要切换到备泵时，由于介质温度较高，为了避免泵承受温度骤变所引起的热应力，备泵应时刻处于一种与介质温度相差不能超过80 ℃的热备状态。热备的主要过程大致为：通过向泵体夹套中的盘管注入蒸汽，来加热夹套中的VGO，使泵保持热备状态，同时，通过泵体保温措施减少散热可减少蒸汽用量。热备状态时，机械密封系统（特别是循环泵）、冷却水系统等均应打开。

4 配套系统设计

4.1 机械密封冲洗系统

机械密封采用背对背双端面机械密封，冲洗系统方案按API 682 PlAN 32+53 B配置[4]。

PLAN 32用于第一道密封冲洗，如图5所示。外接冲洗源可根据装置所具备VGO的压力和温度情况，尽量采用低温油冲洗，其压力要稍高于泵的出口压力。但需要注意的是采用低温油冲洗，当冲洗油与高温介质混合时可能会产生汽化现象，在进行机封设计时应考虑防汽蚀措施。

PLAN 53 B用于第二道密封冲洗，如图5所示。额外增加一台循环泵[5]，在开车和低转速条件下启用。

4.2 冷却水系统

冷却水系统主要由以下两个回路组成，用来稳定泵轴承和密封冲洗液的温度。图5中第三回路冷却水可根据具体情况设置热交换器。

机械密封冲洗系统所需的冷却回路，如图5所示。循环冷却水通过热虹吸罐里配置的冷却盘管将热虹吸罐里的密封冲洗油冷却并稳定其温度。

泵轴承所需的冷却回路，如图5所示。循环冷却水通过轴承箱夹套（热屏冷却腔）或者通过夹套里的冷却盘管将轴承产生的热量带走，从而起到冷却轴承的目的。

4.3 蒸汽保温系统（见图5）

泵内、外壳体之间及进料弯管和泵架之间均设有保温腔，在热备、暖泵及运行过程中均需通入蒸汽进行保温，以达到各种工况的使用要求。

4.4 变频系统

变频控制系统主要由变频器、PLC可编程控制器、触摸屏以及相应的电气元件组成。

交流电机的同步转速表达式如下：

式中 n—异步电机的转速；

f—异步电机的频率；

s—电机转差率；

p—电机极对数。

由上式可知，当频率f在一定范围内变化时，电机转速也随着会在一定范围内发生变化。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。

图5 系统流程图Fig.5 System flow drawing

4.5 监控系统

为确保泵运行的安全性和可靠性，泵的配套系统中配备了监测系统。监测系统的监测内容主要包括：泵体温度监测，机械密封冲洗系统PLAN 53 B中密封冲洗液的温度、压力、液位监测，电机的运行状态监测，泵的进、出口压力及进、出口温度监测等。所有监测内容均留有外接口，可与中央控制室连接，主要的监控内容可于人机界面上显示。同时，当所监测的内容超过规定的范围，则监测系统将进行报警，以便及时处理。

5 结束语

高温煤浆泵目前在国内来说属于一种新型高端泵，还没有形成规模化生产。和传统煤浆泵相比，高温煤浆泵采用立式、双壳体及闭式叶轮结构，这是一个很大的变革。上海福思特流体机械有限公司自主研发设计的高温煤浆泵已经在神华煤制油上海研究院中试装置上使用过，并经使用单位长期使用证明，该泵运行平稳、安全、可靠，各项性能指标达到设计要求。在工业化装置（即神华煤直接液化百万吨级示范装置）上有一小部分高温煤浆泵也成功使用过福思特公司生产的泵。在后来的工业化装置进行升级改造时，该项目全部采用福思特的产品代替了进口产品，收到了很好的效果。延长石油集团公司煤-油共炼试验示范项目及煤焦油加氢项目中的高温煤浆泵均采用了福思特的产品，使用情况良好。本文通过对高温煤浆泵的技术研究，可为今后煤制油及煤化工等装置中高温煤浆泵的设计、选型和应用提供有益的帮助。

[1] 上海福思特流体机械有限公司，一种高温煤浆泵[P].中国专利：200820157211.6.

[2] ANSI/API STANDARD 610， ELEVEN EDITION，SEPTEMBER 2010， Centrifugal Pumps for Petroleum，Petrochemical and Natural Gas Industries[S].

[3] 上海福思特流体机械有限公司，一种高温泵的暖泵方法及暖泵装置[P].中国专利：200810204602.3.

[4] ANSI/API STANDARD 682， THIRD EDITION， SEPTEMBER 2004， Pumps—Shaft Sealing Systems for Centrifugal and Rotary Pumps[S].

[5] 上海福思特流体机械有限公司，一种新型机械密封辅助循环泵[P].中国专利：200820157212.0.

国务院印发《关于改革药品医疗器械审评审批制度的意见》

国务院日前印发《关于改革药品医疗器械审评审批制度的意见》（国发[2015]44号），明确药品医疗器械审评审批改革的目标、任务和具体措施。

文件指出，近年来，我国医药产业快速发展，药品医疗器械质量和标准不断提高，较好地满足了公众用药需要。与此同时，药品医疗器械审评审批中存在的问题也日益突出，主要是药品注册申报积压严重，一些创新药品上市审批时间过长，部分仿制药质量与国际先进水平存在较大差距。出现上述问题，有着深刻的历史、体制和机制等方面的原因。

我国曾经历过药品严重短缺的年代，现代制药业起步较晚，标准偏低。多年来，国家采取将地方审批药品集中到国家统一审批、药品标准由地方标准升国家标准、提高GMP认证水平、推进仿制药与原研药质量和疗效一致性评价等措施提高药品质量，但总体上仍然存在药品审批标准不高、管理方式落后、审评审批体制不顺、机制不合理等问题。企业低水平重复申报，部分注册申报临床数据不真实、不完整、不规范等问题比较突出。审评人员数量不足、待遇较低，与注册申报需求也不匹配。

党中央、国务院高度重视药品医疗器械审评审批制度改革，推进药品医疗器械审评审批制度改革，核心就是提高药品质量，主要目标是建立科学、高效的审评审批体系；2016年底前消化完注册申请积压存量，2018年实现按规定时限审批；力争2018年底前完成国家基本药物口服制剂与参比制剂质量和疗效一致性评价；开展药品上市许可持有人制度试点；提高审评审批透明度。通过改革，推动医药行业结构调整和转型升级，实现上市产品有效性、安全性、质量可控性达到或接近国际水平，更好地满足公众用药需求。

文件明确了改革的12项任务，包括提高药品审批标准，推进仿制药质量一致性评价，加快创新药审评审批，开展药品上市许可持有人制度试点，落实申请人主体责任，及时发布药品供求和注册申请信息，改进药品临床试验审批，严肃查处注册申请弄虚作假行为，简化药品审批程序、完善药品再注册制度，改革医疗器械审批方式，健全审评质量控制体系，全面公开药品医疗器械审评审批信息。

为实现上述改革，国家食品药品监管总局将抓紧修订药品管理法实施条例及《药品注册管理办法》，面向社会招聘技术审评人才，加强审评队伍建设，推进职业化检查员队伍建设。

Technical Study and Application of High Temperature Coal Slurry Pump

Xie Jianhua
（Yanchang Petrochemical Group Beijing Petrochemical Engineering Co., Ltd, Beijing, 100107）

With studies of structural design, material selection, application characteristics and complement system for high temperature coal slurry pump, the reference for the application of this pump in coal chemical industry in design and type selection was presented in this article.

high temperature coal slurry pump; technical study; structural design; material; complement system; frequency conversion; warm pump; stand-by heat

TE 964

：A

：2095-817X（2015）04-0037-006

2015-03-06

谢建华（1971—），男，高级工程师，从事转动设备设计选型工作。