楊建新, 趙樹紅
(云南云天化紅磷化工有限公司 云南開遠(yuǎn) 661699)
在濕法磷酸生產(chǎn)中,濃縮裝置采用軸流泵強(qiáng)制循環(huán)的方式進(jìn)行稀磷酸提濃。軸流泵多為臥式泵,其流量、揚(yáng)程等性能參數(shù)的匹配性和設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響濃縮裝置的生產(chǎn)負(fù)荷,降低軸流泵的故障率、提升設(shè)備性能參數(shù)是濕法磷酸濃縮裝置面臨的主要問題。
云南云天化紅磷化工有限公司85.0 kt/a濕法磷酸濃縮裝置于2006年9月建成投產(chǎn),近年來由于軸流泵故障率高、稀磷酸雜質(zhì)含量較多,導(dǎo)致濃縮裝置生產(chǎn)負(fù)荷下降,2019年實際生產(chǎn)能力僅為80.0 kt/a。該濃縮裝置采用的軸流泵為HZ760型臥式離心泵,設(shè)計流量5 500 m3/h,揚(yáng)程4.2 m,采用皮帶輪傳動、填料密封結(jié)構(gòu)形式,泵轉(zhuǎn)速463 r/min;配套電動機(jī)為Y355M4-6型,功率為200 kW。
皮帶輪運(yùn)行時,由于帶輪兩邊的拉力差以及相應(yīng)的變形差形成彈性滑動易引起皮帶打滑,導(dǎo)致帶輪與從動輪的速度損失。彈性滑動與載荷、轉(zhuǎn)速、帶輪直徑和皮帶的結(jié)構(gòu)有關(guān),彈性滑動率通常在1%~2%。皮帶輪過載時引起的打滑,使皮帶的運(yùn)動處于不穩(wěn)定狀態(tài),效率急劇下降,磨損加劇,嚴(yán)重影響皮帶的使用壽命。皮帶在運(yùn)行中會產(chǎn)生反復(fù)伸縮,特別是帶輪上的繞曲會使皮帶體內(nèi)部產(chǎn)生摩擦引起功率損失。泵端皮帶輪與電機(jī)端皮帶輪的皮帶張緊時,易使電機(jī)前軸承和泵端后軸承產(chǎn)生徑向拉力,造成軸承使用壽命縮短,電機(jī)前軸承使用壽命一般為6個月,泵端后軸承使用壽命一般為3個月。
軸流泵設(shè)計采用填料密封,因填料磨損和老化引起酸外漏時,必須更換填料,且填料更換前必須將系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)排盡,整個過程耗時一般為5 h,按每月平均更換填料1~2次計,全年裝置運(yùn)轉(zhuǎn)率僅為設(shè)計值的90%左右。
填料處要建立密封,需使用工藝水,與系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)形成壓差,部分密封水不可避免地會進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi),導(dǎo)致稀磷酸濃度降低,在增加能耗的同時降低了裝置出力率。查看安裝在密封水進(jìn)口和出口水管上的水表測定結(jié)果,進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的密封水量約為1.50 m3/h。
葉輪是軸流泵傳遞能量的主要工作部件,由葉片、輪轂、動葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。軸流泵的葉片為扇形曲形面,安裝過程中葉輪與短節(jié)間隙調(diào)整不當(dāng)或不對稱,易造成葉輪旋轉(zhuǎn)一周的流量波動較大。
葉輪旋轉(zhuǎn)時,水平截面上不同半徑的圓周速度不等,葉頂圓周速度大,而輪轂處的圓周速度小,這不僅使葉片沿半徑方向受力不均,而且流體獲得的能量也不同,使流體沿葉頂?shù)捷嗇灝a(chǎn)生渦流,造成能量損失[1]。
葉片與輪轂角度增大3°后,經(jīng)過一段時間的運(yùn)行,發(fā)現(xiàn)葉片被磨損、輪轂局部有凹坑,大幅降低了軸流泵的流量和揚(yáng)程,造成裝置負(fù)荷下降。
根據(jù)HZ760型軸流泵的軸功率參數(shù)得知,該泵效率僅為68%,如果將泵效率提升至86%(設(shè)計最大值90%),軸功率未超設(shè)計參數(shù)。根據(jù)軸功率核算結(jié)果,將電動機(jī)功率由200 kW提高至250 kW,同步完成電動機(jī)基礎(chǔ)鋼架的改造;根據(jù)葉輪與短節(jié)的安裝間隙,將葉輪直徑由Ф 755 mm增大至Ф 760 mm。經(jīng)計算,改造后流量由5 500 m3/h提高至6 500 m3/h,浮頭式石墨換熱器列管介質(zhì)流速由2.38 m/s提升至2.86 m/s。
為消除皮帶傳動時帶輪間產(chǎn)生的徑向力及傳遞功率的損失,鑒于標(biāo)準(zhǔn)硬齒面減速機(jī)具有傳動效率高、承載能力強(qiáng)、配比靈活、組合方便、傳遞平穩(wěn)、安裝簡易等優(yōu)點(diǎn),將皮帶傳動改為減速機(jī)直接連接傳動。選用的減速機(jī)型號為1C225N型,軸流泵轉(zhuǎn)速由463 r/min提升至517 r/min,傳遞功率的損失減少,徹底消除軸承所受的徑向力,有助于延長軸承的使用壽命,提高設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。
改造后,通過現(xiàn)場監(jiān)測和統(tǒng)計,泵效率明顯提高,主要體現(xiàn)在:①采用減速機(jī)傳動的軸流泵故障率低,電機(jī)前軸承使用壽命由6個月延長至24個月,泵端后軸承使用壽命由3個月延長至12個月,軸套使用周期由3個月延長至1年,軸承溫度由70 ℃降至45 ℃,填料使用周期由15~20 d延長至2個月;②裝置穩(wěn)定運(yùn)行周期由18 d延長至25 d左右,年檢修次數(shù)由18次減少至14次,年增加運(yùn)行時間共計180 h。
干氣密封是用帶壓密封氣替代高壓密封液[2],用氣體阻塞替代傳統(tǒng)的液體阻塞,實現(xiàn)工藝介質(zhì)零泄漏。
將軸流泵的密封結(jié)構(gòu)由填料密封改為雙端面干氣密封,由靜環(huán)和動環(huán)組成的密封裝置固定在軸套上,比泵腔內(nèi)壓力高0.2~0.3 MPa的密封氣體進(jìn)入靜環(huán)的密封腔內(nèi)[3],密封腔內(nèi)的氣體通過軸與軸套間的間隙由排氣孔排出。
密封結(jié)構(gòu)形式調(diào)整后,年密封更換費(fèi)用由約25萬元降至5萬元,密封水用量由1.50 m3/h降至0.10~0.12 m3/h。
采取上述優(yōu)化措施后,2020年濕法磷酸濃縮裝置實際生產(chǎn)能力達(dá)到98.8 kt/a,同時大幅減少了維修費(fèi)用,達(dá)到了改造目的。