重庆水泵厂有限责任公司市场部——曹本华
摘要：炼焦、兰炭及煤气化等生产过程中都会有附属产品——煤焦油，煤焦油经过净化、加氢后，可获得的汽、柴油产品，具有较高的经济价值。随着国内炼焦、兰炭等行业的规模发展，以及众多煤气化项目的大量投产、新建，煤焦油加氢项目也迎来了蓬勃发展的契机，装置规模也逐渐增大，从最初的5万吨/年发展到50万吨/年。
关键词：高压往复泵、高速多级离心泵、效率、流量调节、密封。
引言：在煤焦油加氢装置中，有加氢精制进料泵、加氢裂化进料泵、高压硫化剂泵、注水泵、反应进料泵等高压力泵（出口压力到达18.0MPa以上，扬程达到2000m），在早期装置规模较小时，都选用的高压往复泵，较好的满足了工艺条件及生产需求。随着装置规模的持续增大，出现高压泵到底选用高压往复泵还是选用高速多级离心泵的技术争论，本文将从选用两种泵的基本原理、装置工艺条件、产品适应性、投资成本、使用成本等方面进行深入比析，定量分析，得出了相关结论；希望有助于提高煤焦油加氢装置的工艺设计方案以及选用到合理、经济的高压泵。
1．高压往复泵原理及特点
1.1高压往复泵原理
高压往复泵是依靠柱塞在泵缸内往复运动使缸内工作容积交替增大和缩小来输送液体或使之增压的容积式泵。泵的组成一般由电机、减速机、传动机座及液缸体（包含柱塞、填料箱及泵头）组成。
传动机座及液缸体图如下：
1.2高压往复泵特点
1）往复泵的效率高，机械效率一般能达到85%以上。输送介质的粘度对泵的机械效率影响不明显。
2）泵的理论流量由泵的柱塞直径、柱塞行程长度、柱塞往复次数及柱塞数量决定，实际容积效率一般都在92%以上。
3）压力变化对流量的影响很小，小范围内压力变化几乎不影响流量，因此，泵具有流量输出的硬特性。（国内已生成出压力高达140MPa的高压往复泵，并且流量输出恒定。）
4）泵具有较强的自吸能力，在柱塞吸程时腔内压力可以接近输送介质的临界饱和蒸汽压，因此，泵的进口压力只要能推开吸入阀即可，泵吸入性能好，必需气蚀余量低。
5）柱塞密封采用柱塞衬套+耐高压填料，往复运动的密封摩擦副相对位移速度低，填料、柱塞的使用寿命高（在GB/T9234-2008标准中有相关的规定）。对于特殊介质工况（如高温、易燃易爆、有毒等），可以采用双级填料密封，并加冲洗油系统（相当于离心泵的PLAN23+52密封方案），可以保证输送的介质绝对不外露。
填料箱及冲洗油系统见下图：
6）流量调节一般采用通过变频器调节调频电机的转速、改变柱塞往复次数的方式。由于往复次数与流量成正比例关系，泵的流量可以通过变频器精确控制调节，泵的出口管路不需要设计最小流量系统（如孔板节流装置或最小流量调节阀等）。变频器柜替代了高压控制柜（盘），变频器同时也是软启动装置。
7）三柱塞往复泵的柱塞呈120°有相位角分布，每缸输出的流量有脉动，但流量叠加后峰值只比平均流量偏差不到10%，因此，由于流量脉动引起的管路振动比较小，同时也是可以控制的；在工程设计中采用加缓冲器（又叫储能器）的方式吸收管路振动，同时均衡流量输出。
8）由于往复泵流量输出具有硬特性，在出口管路上必须设计安全阀以保证使用安全，在往复泵启动时前必须将泵进出口管路阀门开阀。
2．高速多级离心泵原理及特点
2.1高速多级离心泵原理
高速多级离心泵运转时，泵轴拖动叶轮高速旋转，叶轮中的叶片驱使液体一起旋转从而产生离心力，流体在脱离叶片时势能增加，每级叶轮产生的势能叠加在一起就是泵的扬程。高速多级离心泵泵组一般由原动机、增速机、多级离心泵、强制润滑油系统、机械密封冲洗系统及最小流量系统组成。
2.2高速多级离心泵特点
1）高速多级离心泵一般是低比转速的泵，效率较低，一般不超过50%。
2）由于效率低，泵的必需最小流量较大，为保证不气蚀及泵体温度不过分升高，一般必需最小流量在额定流量的30%以上，有的达到50%～70%（这种情况下，泵运行时，输出的流量大部分通过最小流量系统在进行回流）。
3）高速多级离心泵必须设最小流量系统。离心泵最小流量可以采用“主路调节阀+旁路节流孔板”的方式，也可采用“主路调节阀+最小流量控制阀的方式”。由于在高压下，旁路节流孔板的寿命很难保证，并且噪音大，现在工程中多采用最小流量控制阀，但价格昂贵。
4）由于转速增加，泵的必需气蚀余量增大，高速多级离心泵的必需气蚀余量大致跟转速倍数的平方成正比例关系；在工程设计中，有时为保证装置的必需气蚀余量，采用加前置泵的方式增压。
5）由于转速高，高速多级离心泵机组必须带有强制润滑油系统，对电机、增速机及泵的轴承系进行强制润滑，带走热量；为保证在事故工况下安全停泵，泵组还必须配高位油箱。
6）高速多级离心泵要实现流量自动调节，必须采用“自控调节阀+在线监测的流量计”的方式，但自控调节阀成本较高；也可以采用“变频器+流量计”的方式，但因效率低、电机大，变频器成本也非常高。
7）在高温下，轴端机械密封必须采用“注入”式机封冲洗方案，由于“注入”系统必须达到一定的压力，因此冲洗系统的设备成本较高。如输送介质介质温度超过200℃，在机械密封前必须加泄压腔；如进口压力较高（超过4MPa），机械密封前面必须设计泄压腔室。
3．实例选用比较
以陕西煤业化工集团（上海）盛帮化工技术有限公司设计的一个50万吨/年煤焦油加氢装置项目的加氢精制进料泵为例，进行比较分析。（其中选型价格方案采用重庆水泵厂有限责任公司的系列产品为依托。）
3.1 工艺条件
输送介质：煤焦油
温 度：最低85℃，正常159℃，最高195℃
介质特性：易燃
介质密度：927kg/m3
介质粘度：0.914mpa.s
有效汽蚀余量：53m（高压往复泵、高速多级离心泵都能满足）
流 量：正常54.0m3/h，额定59.4m3/h
进口压力：0.5MPa(A)
出口压力：17.6MPa(A)
压 差：17.1MPa(A)
扬 程：1882m
安装位置：室内，采暖
3.2 采用高压往复泵方案
型 式：耐高温型双级填料密封三缸往复泵
型 号：3D9-67/18.0-125S-R2N-IA
标称流量：67m3/h
额定压力：18.0MPa
柱塞直径：125mm
柱塞行程：230mm
往复次数：132min-1
柱塞线速度：0.9m/S
机械效率：≮84%
填料箱采用双级密封结构，采用循环冲洗油系统保证高温介质不泄露。
冲洗油站：1套、带冲洗油箱、油冷却器及冲洗油泵
减 速 机：1台、硬齿面减速机、减速比11.2
变频电机：1台、400KW、4级、dⅡBT4、IP54、690V
变 频 器：1台、采用重载型恒转矩变频器
降压变频控制柜：1个、采用变压器将10KV电源变为690V以节省变频器成本
附件：出口缓冲器1台、安全阀1台
3.3 采用高速多级离心泵方案
由于煤焦油是高温、易燃介质，为确保安全及可靠性，按照API610标准规定，必需选择双壳体筒袋式多级离心泵，泵的级数最多不能超过10级。（API610第十版规定：在高温介质条件下，多级离心泵的最多级数不能超过10级，否则轴为绕性轴，建议不要采用）
为了保证额定流量60m3/h、扬程1882m保证性能参数，如果10级泵采用2级电机直接驱动，泵转速为2980r/min，泵的比转速只有ns=27.64，按照离心泵效率标准GB/T13007-91的规定，泵的效率最高只能达到42%，电机功率将到达800KW。由于单级扬程高，叶轮直径大，泵的体积将很大，泵成本很高。事实上，由于泵的比转速极低，叶片空间扭曲很大，这种叶轮根本就加工不出来；因此，只能采用增速机增速的方案。
按照离心泵转速与流量、扬程及功率的关系（转速倍数为i，流量关系为Qi=Q×i、扬程关系为Hi=H×i2、功率关系为Pi=P×i3），根据行业实际经验，转速增加1倍（已经是这种参数泵提高转速的最大限值），为获得较高效率，依然采用10级叶轮，则在2980r/min下，叶轮额定流量为30m3/h、扬程为47.05m、比转速为ns=55.27，按照离心泵效率标准GB/T13007-91的规定，泵的效率最高只能达到55%，电机功率至少选630KW，由于实际泵的效率不能超过50%，电机实际应选710KW。
最终选定泵组型号为SDZ60-190。
3.4方案配置及经济指标比较表
|
比较项目
|
高于往复泵
3D9-67/18.0-125S-R2N-IA
|
高速多级离心泵
SDZ60-190
|
经济指标 （万元）
|
|
泵组组成及成本
|
400KW防爆电机1台（690V），15万元
|
710KW防爆电机1台（10KV），32万元
|
17
|
|
减速机1台（带润滑油系统），8万元
|
增速机1台，10万元
|
2
|
|
|
往复泵1台（带润滑油系统），80万元
|
BB5结构多级离心泵1台，95万元
|
15
|
|
|
密封冲洗油系统1套，5万元
|
密封PLAN32+62系统1套，5万元
|
0
|
|
|
|
泵及增速机轴振动、轴位移监控1套，10万元
|
10
|
|
|
|
电机、增速机、泵轴承温度监控1套，5万元
|
5
|
|
|
|
润滑油站1套，25万元
|
25
|
|
|
|
高位油箱及进油三阀组1套，3万元
|
3
|
|
|
工艺系统配置及成本
|
降压变频控制柜1台，35万元
|
高于动力控制柜（带降压启动），12万元
|
-23
|
|
带出口缓冲器1台、安全阀1台，2万元
|
带最小流量控制阀1台，30万元
|
28
|
|
|
出口带截止阀1台、止回阀1台，2万元
|
出口带自动调节阀1台、止回阀1台，18万元
|
16
|
|
|
无流量计
|
在线检测流量计1台，5万元
|
5
|
|
|
|
PLAN32注入系统1套（需泵站及常温油）
|
20
|
|
|
公用工程消耗
|
冲洗油系统消耗冷却水10m3/h
|
PLAN32消耗常温油6m3/h
|
|
|
润滑油系统消耗冷却水3 m3/h
|
PLAN62消耗冷却水10m3/h
|
|
|
|
|
润滑油站消耗冷却水30m3/h
|
|
|
|
电力消耗
|
主电机消耗400度电/小时
8000小时耗电320万度
|
主电机消耗710度电/小时
8000小时耗电568万度
|
248
|
|
每年备件消耗
|
大修周期3年，6万元
|
大修周期1年，30万元
|
28
|
|
填料、柱塞寿命6000小时，3万元
|
机封寿命8000小时，2万元
|
-1
|
|
|
阀、阀座寿命4000小时，6万元
|
滑动轴承寿命8000小时，2万元
|
-4
|
|
|
|
推力轴承寿命8000小时，4万元
|
4
|
|
|
|
口环、轴套8000小时，10万元
|
10
|
|
|
总计
|
|
|
408
|
5．综述
在50万吨/年的煤焦油加氢装置中，由于进料泵等流量比较小，扬程比较高，如选用高速多级离心泵比转速低，效率低，与选用高压往复泵相比，运行费用要高得多，设备投资成本也较高，适合于选择高压往复泵。
如果煤焦油加氢装置产能继续增大，随着高压泵的流量增大（扬程不发生变化），选用高速多级离心泵的效率得以提高，在流量达到80m3/h后，高速多级离心泵逐渐显示出选用优势。
因此，选用高压往复泵与高速多级离心泵的关键是看需要的流量、增压压力（扬程）。
6．参考文献
[1]沈阳水泵研究所等.叶片泵设计手册.北京:机械工业出版社，1983
[2]关醒凡.泵的理论与设计.北京:机械工业出版社，1987
[3]徐灏．密封．北京：冶金工业出版社，1999.3
[4] 往复泵设计编写组．往复泵设计．北京：机械工业出版社，1987
[5]全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会.工业泵选用手册.北京：化学工业出版社，2006:265-267.
[6] 胜邦化工技术有限公司．煤焦油加氢技术简介．2010.9
[7] SH/T 3139-2004.石油化工重载荷离心泵工程技术规定[S].
[8]GB/T 5656-2008.离心泵技术条件（II类）[S]
[9]GB/T9234-2008.往复泵[S]
