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      高危泵機械密封輔助系統(tǒng)改造

      2019-08-07 09:44:20,
      石油化工設備 2019年4期
      關鍵詞:熱載體盤管冷卻器

      , ,

      (中國石油 蘭州石化分公司 煉油廠, 甘肅 蘭州 730060)

      蘭州石化分公司煉油廠0.8 Mt/a連續(xù)重整裝置及0.4 Mt/a芳烴抽提裝置中高危泵數量眾多,其中0.4 Mt/a芳烴抽提裝置熱載體泵P-601A/B/C,型號250AYⅡS-150,輸送介質為溫度高達231 ℃的熱載體(減壓脫蠟油)。熱載體泵為裝置正常操作提供熱負荷,在生產中至關重要[1]。在熱載體泵實際運行中,機械密封頻繁泄漏,因機械密封泄漏引起熱載體泵檢修的幾率約占81%。近幾年熱載體泵機械密封更換套數見表1。

      表1 近幾年熱載體泵機械密封更換套數 套

      熱載體泵機械密封使用壽命短,維修費用高昂,致使其維護成本劇增。為了提高熱載體泵運行的可靠性,同時降低其檢修成本,對熱載體泵的機械密封進行了失效分析,并對機械密封輔助系統(tǒng)進行了改造。

      1 熱載體泵機械密封使用情況

      熱載體泵機械密封系統(tǒng)由主密封、副密封和輔助(沖洗)系統(tǒng)組成。主密封起密封工作介質作用,副密封起輔助密封作用,而輔助(沖洗)系統(tǒng)主要是為主、副密封提供良好的周圍環(huán)境并保證主密封在最佳工作條件下運行[2]。熱載體泵機械密封輔助(沖洗)系統(tǒng)參數見表2。

      表2 熱載體泵機械密封輔助(沖洗)系統(tǒng)參數

      熱載體泵一級密封沖洗方式采用API 682—2004《離心泵和轉子泵用軸封系統(tǒng)》[3]中的PLAN 21沖洗方案(圖1),介質由泵的出口引出,經冷卻器冷卻后注入密封腔,及時帶走摩擦熱,防止動、靜環(huán)結焦,同時沖走密封腔內的雜質及結焦物,從而完成一級密封的沖洗和冷卻[4]。

      圖1 API 682中的PLAN 21沖洗方案

      熱載體泵機械密封失效時密封腔內環(huán)境溫度偏高,沖洗液溫度過高,密封端面液膜有汽化現象,密封面潤滑液量不足,存在干摩擦或熱變形。觀察運行的熱載體泵發(fā)現,①一級密封沖洗液冷卻器循環(huán)水出、入口溫差大,冷卻器盤管外側積垢嚴重,甚至堵塞。②沖洗液冷卻效果不理想,進入密封腔沖洗液溫度高達200 ℃,冷卻器內有汽化現象。由此可以確定,冷卻器堵塞造成沖洗液溫度過高是機械密封泄漏的重要原因[5-8]。

      2 冷卻器堵塞原因分析

      2.1 冷卻器結構設計缺陷

      2.1.1冷卻器盤管間距過小

      熱載體泵機械密封冷卻器采用的是蛇管式熱交換器[9],盤管中流過的是沖洗液,筒體與盤管組成的空間流過的是冷卻水,從而達到換熱目的。

      該冷卻器的盤管間距僅為22 mm。冷卻水的流程只有1個通道,如果某一處出現堵塞,就容易造成整個冷卻器的堵塞。另外,該冷卻器為立式安裝,底部的堵塞更加嚴重。

      2.1.2冷卻器筒體與外圈盤管間距過小

      冷卻器筒體為?165 mm×5 mm的不銹鋼管,盤管為?14 mm×2.5 mm的碳素鋼管。由筒體和外圈盤管形成的冷卻空間比較小,單側間隙僅有3.5 mm(圖2)。

      圖2 蛇管式熱交換器端面圖

      2.1.3冷卻器無法清理

      當冷卻器運行一段時間之后,筒體外圈盤管之間因結垢及雜物堆積,兩者結為一體,無法將盤管從筒體中抽出進行清洗,只能以破壞的方式打開。當堵塞嚴重時,只有進行整體更換,致使維修成本大幅增加。

      2.2 冷卻水質特殊

      冷卻器用水要求為軟化水,而實際生產中使用的是循環(huán)水。根據對2016-06-01~2017-05-31循環(huán)水幾項指標的統(tǒng)計分析,循環(huán)水中鈣、鎂等陽離子質量濃度和硬度較高(表3),當循環(huán)水接觸到溫度較高的盤管外表面時,易在盤管外表面結垢。隨著運行周期的延長,污垢急劇增加,導致?lián)Q熱效果下降[10]。另外,在夏季補給水用量較大時,水處理的效果明顯降低,冷卻水中的含沙量及其它顆粒物增加,導致進入冷卻器的顆粒物增加,從而造成通流面堵塞,換熱效果下降。

      3 熱載體泵機械密封輔助系統(tǒng)改造

      3.1 冷、熱流體物性參數確定

      冷卻器中熱載體沖洗液壓力p1=1.12 MPa(G)、入口溫度t1′=231 ℃、出口溫度t2′=100 ℃、體積流量qV1=10 L/min。冷卻水壓力p2=0.35 MPa(G)、入口溫度t1=28 ℃、出口溫度t2=38 ℃[11]。

      冷、熱流體定性溫度可取流體進、出口溫度的平均值[12],則沖洗液的定性溫度t′= (t1′+t2′)/2=165.5 ℃,冷卻水的定性溫度t=(t1+t2)/2=33 ℃。

      根據定性溫度,分別查取沖洗液和冷卻水的有關物性參數[13]。沖洗液在165.5 ℃、1.12 MPa(G)下的密度ρ1=750 kg/m3、動力黏度μ1=0.41×10-3Pa·s、熱導率λ1=0.137 W/(m·℃)、定壓比熱cp1=2.0 kJ/(kg·℃)、普朗特常數Pr1=0.153;冷卻水在33 ℃、0.35 MPa(G)下的密度ρ2=994 kg/m3、動力黏度μ2=0.725×10-3Pa·s、熱導率λ2=0.626 W/(m·℃)、普朗特常數Pr2=4.725、定壓比熱cp2=4.08 kJ/(kg·℃)。

      表3 循環(huán)水中各項指標數值

      3.2 參數計算

      3.2.1熱負荷[14]

      沖洗液質量流量qms1=qV1ρ1=0.125 kg/s,傳熱量Q0=cp1qms1(t1′-t2′)=32.75 kJ/s??紤]換熱裕量1.1及換熱效率0.9,計算得到實際傳熱量Q=1.1Q0/0.9=40.02 kJ/s。

      3.2.2平均傳熱溫差[15]

      沖洗液入口與冷卻水出口溫差Δt2=t1′-t2=193 ℃,沖洗液出口與冷卻水入口溫差Δt2=t2′-t1=72 ℃,則對數平均溫差Δtm=(Δt2-Δt1)/ln(Δt2/Δt1)=122 ℃。

      3.2.3總傳熱系數[16]

      冷卻器換熱管內流通面積Ai=πdi2/4=6.36×10-5m2(di為換熱管內徑)、流速u1=qms1/(ρ1Ai)=2.62 m/s,雷諾數Re1=u1diρ1/μ1=43 134.1、努塞爾數Nui=0.023Re10.8Pr10.3=66.83,則有管內傳熱系數αi=Nuiλ1/di=1 017.3 W/(m2·℃),同理有管外傳熱系數αo=0.023Re20.3Pr20.3λ2/dm=1 038.2 W/(m2·℃)(dm為換熱管平均直徑)。

      查文獻[17]可以知道,碳素鋼的熱導率λ=48.6 W/(m·℃),管內污垢熱阻Ri=0.000 176 m2·℃/W,管外污垢熱阻Ro=0.000 352 m2·℃/W。將各數據帶入式(1),得總傳熱系數K=314.5 W。

      (1)

      式中,do為換熱管外徑,b為換熱管壁厚,mm。

      3.3 冷卻器結構改造

      3.3.1增大冷卻器換熱面積

      換熱面積A計算公式為:

      (2)

      將各參數帶入式(2),得A=1.04 m2。原冷卻器的換熱面積只有0.8 m2,要滿足換熱要求,須將換熱面積增加到1.04 m2。

      3.3.2增大內、外圈盤管間距和盤管間距

      蛇管總長度L=A/(πdo)=23.66 m,考慮到蛇管總長度較長,將蛇管做成2組螺旋圓柱盤管組,每組長度為11.83 m。蛇管式熱交換器盤管圖見圖3。圖3中D1為盤管內圈中心圓直徑,H為蛇管高度,h為盤管間距。

      圖3 蛇管式熱交換器盤管圖

      若有數組同心圓柱形盤管沉浸于筒體中時,盤管內圈與外圈間距T一般取2~3do,此處取T=3do=42 mm(原冷卻器T=26 mm)。同組中盤管間距h一般取1.5~2do,此處取h=2do=28 mm(原冷卻器h=22 mm)[18]。

      3.3.3增大冷卻器筒體直徑

      盤管內圈中心圓直徑D1=82 mm,則盤管外圈中心圓直徑D2=D1+2T=166 mm。筒體直徑D0=D2+(100~300)mm,取D0=300 mm(原冷卻器D0=165 mm)。

      改造前后冷卻器結構參數對比見表4。

      表4 改造前后冷卻器結構參數對比

      3.4 冷卻器沖洗液入口管路增設限流孔板

      通過增設限流孔板,來保證進入冷卻器的沖洗液體積流量為10 L/min。限流流孔板孔徑dX計算公式如下[19]:

      (3)

      式中,qVd為沖洗液體積流量,L/min;C0為孔流量系數;p為孔板壓降,MPa。

      將qVd=10 L/min、C0=0.17、p=0.02 MPa帶入式(3),計算得dx=4.15 mm,可選擇安裝直徑為4 mm的孔板。

      3.5 冷卻器冷卻水入口管路加裝過濾器

      為了清除冷卻水中的雜質顆粒,在冷卻水入口加裝2臺并聯(lián)使用的過濾器,并定期清理過濾器,從而有效避免了冷卻水中的泥沙等顆粒物進入冷卻器。

      4 改造效果及效益

      4.1 使用效果

      按上述方案對機械密封輔助系統(tǒng)改造,重新投用后,在環(huán)境溫度為30 ℃的情況下,沖洗液經冷卻器冷卻后溫度約90 ℃,而改造前此溫度約170 ℃,沖洗液溫度明顯下降。由于進入冷卻器沖洗液溫度大幅下降,故冷卻器內結垢速率明顯降低。隨著密封腔內介質溫度降低,密封面發(fā)生介質汽化的幾率也越來越小,機械密封壽命得到延長。熱載體泵機械密封輔助系統(tǒng)改造后不僅可以降低熱載體泄漏著火的風險,而且將極大減少檢修頻率,達到安全和環(huán)保的效果。

      改造前后冷卻器的換熱效果對比見表5。

      表5 冷卻器結構改造前后換熱效果對比

      4.2 經濟效益

      通常情況下熱載體泵是2臺運行,1臺備用。實際使用中熱載體泵機械密封平均壽命6 550 h,即3 a需更換機械密封16套。改造后熱載體泵機械密封設計壽命為25 000 h,即3 a只需更換機械密封4套。按每套機械密封價格為2萬元計算,再考慮檢修費用,每年節(jié)約更換、檢修機械密封的成本約為10萬元。機械密封沖洗液冷卻器的壽命為2個月,即每2個月需更換冷卻器4臺。按冷卻器價格為0.6萬元/臺計算,改造后僅更換冷卻器一項每年可節(jié)約14.4萬元。

      5 結語

      按文中措施對熱載體泵機械密封輔助系統(tǒng)進行改造并投運,使用效果良好,經濟效益顯著。煉油廠高危泵數量眾多,如常(減)壓渣油泵、催化裂化高溫油漿泵等,熱載體泵機械密封冷卻系統(tǒng)改造的經驗為高危泵的運行維護提供了思路。

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