化工装置高压锅炉给水泵技术评比启示

郑永康

（中国成达工程有限公司，成都 610041）

某5 500 t/a 甲醇装置有三台高压锅炉给水泵，其中两台长周期连续运行的泵采用中压背压式汽轮机驱动，一台备用泵采用电机驱动。笔者参加了该泵在询价订货过程中与四家国际知名泵厂的技术澄清和技术评比后有所启示，总结如下，供今后类似项目借鉴和参考。

1 技术方案评比

简单来说，这四个厂家的技术方案分为两大阵营，一种为汽驱泵和电动泵均为低转速直连方案，结构简单、布置紧凑；另一种为汽驱泵高转速直连、电动泵带齿轮箱增速方案，节能高效、电动泵组略为复杂。以下从几个方面对这四家技术方案进行详细对比。

1.1 泵方案

泵方案对比见表1～4，叶轮同向布置BB4 芯包的BB5 双壳体泵型结构见图1。通过泵型方案的评比，得出结论：

（1）四家均采用叶轮同向布置BB4 芯包的BB5双壳体泵型，结构上差异不大。A、D 厂技术方案接近，级数多、额定点效率较高。B、C 厂优缺点很突出。其中，B 厂转速最高、叶轮级数最少/直径最小、必需汽蚀余量最高但汽蚀裕量仍在标准允许范围内，且单从转速来看，B 厂技术方案与A、C、D 三家分属两大阵营。C 厂额定点效率最低、曲线最陡、叶轮直径最大但叶轮级数并没有减少，在低转速方案的阵营中劣势明显。

（2）四家的泵型方案在长周期连续运行的正常点效率差别不大。

1.2 汽轮机方案

在确定泵选型方案后，四家泵厂均按照项目要求向国际知名的两家专业制造API 611 小型工业驱动汽轮机的厂商进行了技术询价[1-4]，经技术澄清后这两家汽轮机厂家的机型方案（如汽机转子直径、轴承结构、汽耗率等）基本相当。下面以其中一个汽轮机厂家针对四家泵厂的选型方案进行比较，蒸汽条件（正常情况）为：进汽压力（A）4.1 MPa、排汽压力（A）0.98 MPa、进汽温度380℃。相关对比见表5～7。

表1 泵方案对比的询价参数Table 1 Inquiry parameters of pump scheme comparison

通过对表5～7 的分析，可以得出汽轮机方案评比结论：四家的汽轮机型号规格完全相同，在同样的进、排汽条件下，同一台汽轮机的工作转速越高，则效率越高、汽耗率越低、蒸汽消耗越少。正是由于泵选型造成的工作转速差异，使得B 厂配套汽轮机的蒸汽消耗最少。就长周期连续运行的正常点而言，如采用B 厂的方案，每年单台泵组至少可节约蒸汽消耗2.5 t/h×8 000 h=20 000 t，相当于节约运行成本300 万元（蒸汽价格按150 元/t 估算），经济效益十分可观。

表2 泵技术对比Table 2 Pumptechnical comparison

表3 泵选型额定点数据Table 3 Comparison of rated point data of pump selection

表4 泵长周期连续运行正常点（仅限汽驱泵）Table 4 Comparison of normal point data of long period continuous operation of pump（steam drive pump only）

图1 叶轮同向布置BB4 芯包的BB5 双壳体泵型结构Fig.1 Structural drawing of BB5 double casing pump with BB4 core package arranged in the same direction of impeller

1.3 其他配置

其他配置方面，四家均采用单端面机械密封配plan23 冲洗方案、均采用带中间加长段的弹性膜片联轴器、每台泵组均自带强制润滑油站、轴系均配置了轴承温度/轴振动/轴位移检测。另外，B 厂家的电动泵带增速齿轮箱，A、C、D 厂的电动泵为电机直连。

1.4 评比总结

表5 汽轮机选型对比Table 5 Comparison of turbine selection

在选用相同规格型号汽轮机的情况下，B 厂采用了高转速直连的汽轮机+泵方案，使得在轴功率接近的正常工况点，其汽轮机的蒸汽消耗明显低于另外三家的常规转速方案，节能显著，经济效益十分可观。简言之，汽轮机转速越高、汽耗率越低、经济性越好[5-7]。

表6 汽轮机选型额定点数据对比Table 6 Comparison of rated point data of steam turbine selection

表7 汽轮机长周期连续运行正常点数据对比Table 7 Comparison of normal point data of long period continuous operation of steam turbine

2 可行性探讨

综合以上对比情况，可以看出B 厂的方案运行经济性显著、有极强的竞争力，值得优先考虑。可能有人会提出疑问：B 厂的泵和汽轮机选型是否安全可靠，方案是否成熟可行？下面我们就从抗汽蚀性能、机械强度、应用业绩、购置成本这四个方面对B 厂的方案可行性进行探讨。

2.1 抗汽蚀性能

锅炉给水泵入口侧的除氧器为饱和状态操作，泵的装置有效汽蚀余量NPSHa =除氧器最低工作液位与泵叶轮中心线的高度差值-管道阻力值。除氧器与泵的布置如图2 所示。

图2 除氧器与泵布置图Fig.2 Deaerator and pump layout

经计算，泵在额定流量点的NPSHa 为15.2 m，在正常流量点的NPSHa ＞15.2 m（高差不变，因流量变小，管路阻力损失降低），B 厂在额定工况点的NPSHr 为10.7 m、正常工况点的NPSHr 为7.5 m（选型性能曲线如图3），同时满足NPSHa ≥1.25 NPSHr和NPSHa - NPSHr ≥1 m 的两项选型要求。汽蚀比转速S 可根据下式求得。

式中 N——泵每分钟转速，r/min；

图3 B 厂选型性能曲线Fig.3 Selection performance curve of B Company

Q—— 叶轮每侧进口的流量，对单吸叶轮为总流量，对双吸叶轮为总流量的一半，m3/h；

NPSHr——泵的必须汽蚀余量，m。

B 厂在额定工况点的汽蚀比转速为11 230，正常工况点的汽蚀比转速为11 339，均小于SH/T 3139 标准规定的汽蚀比转速限值12 780。由此可见，B 厂的泵选型没有汽蚀风险。

2.2 机械强度

B 厂的泵配置流体动压径向和推力轴承，额定转速、最大连续转速、跳闸转速分别为4 400 r/min、4 820 r/min、5 082 r/min，这对于采用油站强制润滑的泵、汽轮机以及齿轮箱机组来说都属于常规转速。而在跳闸转速下泵的最大叶轮顶端速度=跳闸转速（r/s）×π×最大叶轮直径（m）=（5 082/60）×3.14×0.281=74.8 m/s。泵叶轮材质为12% Cr，等同ZG1Cr13。可以把离心泵叶轮盖板简化为旋转圆盘，圆周方向的应力是最主要的，叶轮的圆周速度（即叶顶速度）与圆周方向的应力σ（MPa）计算公式为[2-3]：

式中 ρ—— 材 料 密 度，kg/m3，ZG1Cr13 密 度 为7 750 kg/m3；

υ——叶轮圆周速度，m/s。

经计算应力σ 为43.6 MPa，远小于表8 所列的许用应力[σ]值90～100 MPa。

表8 离心泵叶轮材料的许用应力Table 8 Allowable stress of impeller material of centrifugal pump

因此，B 厂泵叶轮的机械强度是足够的。

2.3 应用业绩

B 厂提供了业绩表，这种高转速的BB5 泵型产品在全世界很多项目上有应用[8]，流量更大、扬程更高、功率更大、转速更高的应用业绩也很多。其它项目其它厂家采用高转速汽轮机驱动锅炉给水泵组的配置方案在化工、电站等工程项目中也有大量成功应用的案例。以笔者公司参与的一些项目为例：新疆某化肥项目合成氨装置的高压锅炉给水泵[9]（额定流量383 m3/h、额定扬程1 513 m、BB5 泵型）采用额定转速11 882 r/min 的汽轮机配减速齿轮箱驱动；孟加拉某化肥项目合成氨装置的高压锅炉给水泵（额定流量221 m3/h、额定扬程1 604 m、BB3 泵型）采用额定转速4 900 r/min 的汽轮机直接驱动。而国内外很多电站项目也都普遍采用3 000～6 000 r/min 转速的锅炉给水泵方案，通过汽轮机直接驱动或电机配增速调速型液力偶合器驱动。如果抛开锅炉给水的用途，BB5 的泵型在尿素装置的高压氨泵、高压甲铵泵也都有大量高转速方案的应用[10-11]，如鄂尔多斯某化肥项目尿素装置的高压氨泵（额定流量128 m3/h、额定扬程2 550 m、BB5 泵型）采用电机配增速齿轮箱驱动，泵额定转速6 892 r/min。

至于汽轮机，本项目的进、排汽参数以及B 厂的转速、功率参数等均远小于所选的DYRH 型汽轮机的最大能力（如图4），类似参数的汽轮机应用业绩非常多。

图4 DYRH 型汽轮机的基本参数Fig.4 Basic parameters of DYRH type steam turbine

2.4 购置成本

B 厂的方案虽然在备用电动泵上增加了齿轮箱的投入，但类似转速和功率的齿轮箱应用很广泛，无论国产还是进口，其价格都不高。而B 厂三台泵头的叶轮级数更少、转子长度更短、成本相应降低。因此，三套泵组总的购置成本并不会比其它厂商增加多少，而相对于每年节省的蒸汽运行费用来说，高出的设备价格更是几乎可以忽略不计。

3 结束语

随着原材料质量、机加工水平以及产品研发技术的不断提升，离心泵、离心压缩机等转动设备的运转速度也在不断提高，总体发展趋势是升转速、减级数、提效率，从而使得设备体积变小，节省原材料、降低成本，同时达到增产增效、节能降耗的目的。工程项目执行过程中应在充分论证、安全可靠的前提下，鼓励采用这些新型高转速高效率的机组配置方案，从而推动行业技术进步，并为用户创造更好的经济价值。