高温热水泵运行问题分析及优化改进

2021-04-04孔德升马小刚

中氮肥 2021年1期

孔德升，马小刚

［新能凤凰（滕州）能源有限公司，山东滕州 277527］

0 引言

新能凤凰（滕州）能源有限公司（简称新能凤凰）2×360kt／a甲醇项目（3套）气化装置采用华东理工大学与兖矿集团共同研发的具有自主知识产权的多喷嘴对置式水煤浆气化工艺（3台气化炉，两开一备）。在多喷嘴水煤浆气化工艺中，高温热水泵是系统水循环中的核心机泵之一，其在水系统中的作用如下：①是连接低压系统与高压系统的桥梁，入口连接高温热水储罐，用以对回收热量后的高温热水加压，正常运行时分别作为水洗塔塔盘补水、水洗塔液位补水和锁斗充压用水的输送机泵，其送水量占水洗塔总补水量的70%；②当黑水循环泵双泵故障时，高温热水泵用于激冷水事故补水，起到保护激冷环和下降管的作用；③当紧急停车泄压速率过快时，高温热水泵提供黑水循环泵入口降温用水，避免黑水循环泵汽蚀损坏和激冷水中断。

新能凤凰多喷嘴对置式水煤浆气化装置运行初期，水系统关键设备之一的高温热水泵打量过低，限制了激冷水流量的提高，导致水煤气带灰严重，严重制约了气化炉负荷的提高；同时，高温热水泵轴瓦频繁损坏，多次造成气化装置紧急停车，严重制约了装置的安、稳、长、满、优运行，给企业造成了巨大的经济损失。为此，新能凤凰采取了一系列的措施对高温热水泵进行优化改造，最终实现了气化装置的长周期、稳定运行。以下对高温热水泵运行问题及其优化改进作一梳理与总结。

1 高温热水泵存在的问题及原因分析

1.1 高温热水泵打量低

新能凤凰气化装置高温热水泵为大连深蓝泵业有限公司制造，共6台，分别对应3套气化装置，每套装置的2台高温热水泵一开一备。高温热水泵设计扬程760m，额定流量245m3／h，正常工况下出口压力控制在7.5MPa；备用泵设计有压力自启动联锁，备用时泵进、出口阀全开，当运行泵故障——出口压力降至7.0MPa时，备用泵联锁启动，保证水洗塔供水的稳定，并避免水洗塔内的高压水煤气反窜入蒸发热水塔而引发事故，高温热水泵出口单向阀旁路设有限流孔板，加压后的高温热水通过限流孔板回流，使备用泵始终保持热备状态。

投产初期，高温热水泵出口流量仅能维持在180m3／h左右，水洗塔塔盘补水不足，激冷水流量不能提高，曾一度制约气化炉运行负荷的提高；同时，变换高温冷凝液泵频繁出现打量降低问题，拆检其入口过滤器发现细灰堵塞严重，严重时每2d就需要倒泵清理1次入口滤网。

通过对高温热水泵的运行数据进行分析发现，蒸发热水塔压力受气化炉负荷影响控制在0.60MPa，在运高温热水泵入口压力低，仅有0.70MPa，高温热水泵入口压头不足导致其打量不足，并且备用泵备用时泵体有较大冲击声响，大量的高温热水经备用泵出口单向阀旁路孔板回流至在运泵入口，也降低了在运泵的做功效率。简言之，入口压头不足和备用泵热备时的高温热水回流应是高温热水泵打量低的主要原因。

1.2 高温热水泵频繁烧瓦

1.2.1 高温热水泵汽蚀

高温热水泵频繁烧瓦后，对泵进行拆检，发现其叶轮表面存在凹坑；对高温热水泵的设计参数进行检查，发现泵汽蚀余量不足，NPSHa仅有4m，抗汽蚀能力差。当闪蒸系统工况波动或高温热水泵入口滤网堵塞时，高温热水泵入口压力突然降低，而进入叶轮的水温仍较高，当叶轮吸入口处的压力小于水温下的饱和蒸汽压时，泵就会发生汽蚀。简言之，汽蚀应该是造成高温热水泵频繁烧瓦的主要原因之一。

1.2.2 高温热水泵轴向受力不平衡

高温热水泵为卧式多级离心泵，共有8级9个叶轮；其中，第一级有2个叶轮对称安装，每4级叶轮为1组，2组对称安装，用以平衡叶轮和泵轴的轴向推力。拆检高温热水泵发现，第四级与末级轴套内有灰渣进入，并有明显磨损痕迹。分析认为，高温热水泵第四级出口压力仅3.0MPa，末级出口压力7.5MPa，高压差下灰水会从泵出口经轴套回流至第四级叶轮，其冲击力破坏了原有的平衡作用力，会使泵轴因轴向受力不平衡而发生轴向位移。简言之，轴向受力不平衡是造成高温热水泵频繁烧瓦的原因之一。

1.2.3 高温热水泵轴承与轴瓦的顶间隙偏小

高温热水泵轴瓦由上瓦和下瓦组成，轴承包裹于其中，高温热水泵启动后，高速旋转的泵轴存在一定的位移，当泵轴与轴瓦的顶间隙偏小时，转动的泵轴容易与轴瓦摩擦，从而擦伤轴瓦。检查高温热水泵安装对中数据和单体试车记录，未见异常，6台高温热水泵单体试车时均未出现轴瓦超温现象，因此可以认为高温热水泵轴承与轴瓦的顶间隙不存在大的问题，应该不是其频繁烧瓦的原因之一。

1.2.4 闪蒸系统工况波动大

高温热水泵频繁烧瓦时，气化炉运行负荷控制在75%，由于气化用原料煤灰分高、灰熔点高、黏温特性差，导致气化炉长期在高温工况下操作，系统热负荷大，系统水平衡和热量平衡严重失调，气化炉黑水排量不稳定，闪蒸系统工况波动大：激冷水在气化炉激冷室内较大比例地转变成水蒸气，气化炉排出的黑水流量低，黑水闪蒸产生的蒸汽量小，经热水室出蒸发热水塔的闪蒸气温度设计为172℃，实际仅有90℃，闪蒸气冷凝后几乎没有酸性气和冷凝液；蒸发热水塔压力低，调节阀长期处于关闭状态；气化炉、水洗塔和旋风分离器的液位调节阀每4h切换一次，当阀门切换时，进蒸发热水塔的黑水流量瞬间减小，闪蒸系统压力的波动引起高温热水泵入口压力大幅波动，其叶轮受力失去平衡，继而导致高温热水泵泵轴发生轴向位移。简言之，闪蒸系统工况波动大是造成高温热水泵频繁烧瓦的主要原因之一。

1.2.5 泵体及进出口管道应力

高温热水泵单体试车与正常运行时的工况差别较大，单体试车是在常压下进行的，输送的是25℃的低温水，而正常运行时闪蒸系统压力控制在0.6MPa以上，高温热水温度达到160℃，泵体和进出口管道均会因热胀冷缩而产生应力，气化炉投料后，系统水温逐渐升高，泵体和进出口管道经升温承压后产生的应力会打破原有静态时的力平衡，使轴承箱与进出口管道对中出现偏差，严重时会导致高温热水泵烧瓦。

2 优化改进措施

2.1 针对打量低的优化改进

（1）将蒸发热水塔操作压力由0.60MPa提升至0.75MPa，以增大高温热水泵入口压头，使高温热水泵入口压力不低于0.80MPa。

（2）改造高温热水泵出口单向阀旁路限流孔板——缩小限流孔板尺寸，以减少备用泵热备时高温热水的回流量，从而减少在运高温热水泵的流量损失。

2.2 针对频繁烧瓦的优化改进

2.2.1 改进高温热水泵入口滤网尺寸

将高温热水泵入口滤网由原来的40目更换为6目，降低入口压力损失，以提高高温热水泵的抗汽蚀性能。

2.2.2 高温热水泵增加级间冲洗水

经与设备厂家交流，对高温热水泵进行改造——增设级间冲洗水，即采用9.0MPa、104℃的脱盐水作为第四级叶轮与末级叶轮、第七级叶轮与末级叶轮的轴套冲洗水，以均衡高温热水泵泵轴的轴向推力。

2.2.3 调整轴承与轴瓦的顶间隙

虽然检查高温热水泵安装记录和对中数据未发现异常，且高温热水泵单体试车时运行正常，但系统运行时闪蒸系统工况存在波动，为增强设备抵御异常工况的能力，对其轴瓦进行了刮研处理，适当增大了轴承与轴瓦的顶间隙。

2.2.4 优化系统工况

（1）改善煤种。新能凤凰气化装置使用的原料煤为高灰熔点煤，气化炉长期高温操作，不仅破坏水系统的热量平衡，频繁造成气化炉渣口堵塞以及气化炉炉壁窜气超温而被迫停车，而且缩短工艺烧嘴和耐火砖的使用寿命，制约气化装置的长周期、安全、稳定运行。为此，新能凤凰更换原料煤为优质煤种，并制定了气化用煤选购标准，将灰熔点＜1230℃、灰分＜8%、内水＜7%、发热量＞6200kcal／kg作为气化用煤的关键控制指标。

（2）提升系统负荷。将气化装置生产负荷提升至90%以上，并同比例调整系统的水循环量，严禁生产负荷与系统水循环量不匹配；当2套以上气化装置同时运行时，平均分配变换高温冷凝液、变换低温冷凝液和脱氧水补入量，保证水系统的热量平衡。

（3）优化改进气化炉激冷室液位调节阀。气化炉黑水排量不稳定的又一因素是激冷室液位调节阀选型存在缺陷，阀门CV值过大，长期在20%以下阀位运行，在高压差下控制不稳定，250℃、6.5MPa的黑水经角阀进入0.7MPa的低压环境，黑水大量汽化、酸性气解吸形成气液固共存流体，造成阀体振动加剧，阀门定位器频繁脱落，甚至失去调节能力。通过与阀门厂家进行技术交流，对气化炉激冷室液位调节阀的阀芯和阀座尺寸进行了调整，降低自调阀CV值，并加粗了阀杆，从而增强了气化炉激冷室液位调节阀的调节能力和稳定性；另外，在角阀筒体下增设了弹性支撑，以减轻运行时阀体的振动。

2.2.5 进行对中补偿处理

在高温热水泵轴承箱和进出口管道法兰处安装百分表，对比气化炉开车前后百分表示数的变化，据位移量在静态对中安装时进行补偿。