CN104389807B - 离心式煤浆泵的轴封结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水煤浆气化装置离心式煤浆泵的轴封。为消除现有技术离心式低压煤浆泵机封的寿命不长，不能完全避免外冲洗水进入泵内的缺陷，本发明在背叶片和副叶轮的叶片上加3～5圈分隔环，减弱流道中有害的径向流，增大输送高粘度煤浆的封堵扬程；副叶轮腔的外区为比重大的煤浆环，内区为比重小的油环，两者的分界面明显、稳定；采用PLAN 23单端面机封和改进型封液罐，并将副叶轮腔、机封腔和封液罐连通，实现在中控室和现场都能监控煤浆远离机封，确保其长寿命，并实现正常运行时完全不外加冲洗水。本发明适用于输送含固量58～61wt%、粘度700～3000mPa.s的离心式煤浆泵的轴封，也适用于其它装置输送高含固量、高粘度介质离心泵的轴封。
Description
技术领域
本发明涉及水煤浆加压气化装置中输送含固量58～61wt%、粘度700～3000mPa.s的离心式煤浆泵的轴封结构，特别是磨煤机出料槽泵的轴封结构，也适用于其它工业装置输送高固体含量、高粘度介质离心泵的轴封结构。
背景技术
近十多年来，由于石油价格的不断攀升，而我国贫油、少气、富煤的资源结构决定了“油改煤、气改煤”是国家的重大战略政策，因此以煤为原料生产甲醇、烯烃(MTO)、天然气以及煤制油等现代煤化工得到了迅猛发展。煤气化是现代煤化工的龙头，水煤浆加压气化和干煤粉加压气化是我国煤气化的两大主流技术。水煤浆加压气化装置中的关键机泵之一是低压煤浆泵，我国已运行的低压煤浆泵绝大多数是进口的隔膜泵，由于高固体含量水煤浆的冲刷，存在隔膜、泵进出口阀门部件的寿命不长，维修工作量大，进口备件的费用高，控制系统复杂，体积厐大等缺陷。随着水煤浆加压气化装置的规模不断扩大，而隔膜泵的流量受限，造成台数过多，投资增加。而国产隔膜泵的可靠性也差，因此，离心式煤浆泵开始在我国煤气化装置上逐步为用户采纳。
国内外渣浆泵的轴封普遍采用副叶轮密封，辅助密封（或停车密封）大多采用填料密封，在填料箱的底部外供冲洗水，阻止渣浆进入填料箱。但水煤浆气化工艺上不允许大量外冲洗水进入泵内，否则增加煤气化炉的负荷和氧耗量。
中国实用新型专利（CN 200989323Y）公开的“带双阻封叶轮结构的离心式煤浆泵”就是为了避免外冲洗水进入泵内提出来的。如图1所示，该专利采用双级副叶轮密封，停车密封采用填料密封，外供冲洗油。由于不易避免磨煤机出料槽泵在各种运行工况下，高固相含量的煤浆进入填料密封处，尤其是停泵时，双级副叶轮不起作用，填料密封寿命短。
为克服上述专利的缺陷，中国实用新型专利 (CN 203796575 U) 和发明专利（CN103953549 A) 公开的“离心式水煤浆泵”如图2所示，该专利是将双级副叶轮密封，改为单级副叶轮密封，结构简化，辅助密封不再用填料密封，改用双端面机封，轴封的可靠性比原专利提高；其技术方案中为缩短叶轮的悬臂长度，将滚动轴承放在双端面机封的中部，不太合理，国内外离心泵的滚动轴承都是布置机封部件之外，外置式滚动轴承寿命达到两年以上并不难，但固相含量高达60wt%左右的水煤浆，机封寿命达到一年不容易。而该专利的内置式滚动轴承和机封将互相影响，任一个部件失效都会造成两者损坏，更换任一个部件，要拆卸整个泵上的很多零部件，很费工。
现有技术的离心式低压煤浆泵轴封采用双端面密封，机封冲洗方案为PLAN53A+Plan32。PLAN 53A为串联式双端面密封，不易完全避免内侧机封不接触煤浆，因此又加了Plan32，即用清洁水冲洗，为防止过多外冲洗水进入泵内，操作说明书上规定间断式冲洗，每小时冲洗水量不超过500ml。但实际使用中，操作工人为延长机封的寿命，进入泵内的冲洗水水量往往超过500ml，对煤气化工艺不利，增加煤气化炉的负荷和氧耗量，如冲洗水压力和封油压力控制失误, 存在水窜入双端面密封的危险，缩短双端面密封中间的滚动轴承寿命。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种适用于输送含固量58～61wt%、粘度700～3000mPa.s的离心式煤浆泵的轴封结构，该轴封结构能够监视并控制煤浆远离机封，确保其长寿命，并实现正常运行时完全不外加冲洗水。
本发明的技术方案是这样实现的：离心式煤浆泵的轴封结构，包括主叶轮的背叶片、隔板、固定导叶、副叶轮、机封部件及封液罐部件，其特征是：
所述机封部件为单端面机封部件，所述副叶轮的内腔、单端面机封部件的油腔和封液罐部件的油腔是连通的；
在所述主叶轮的后盖板上加多圈同心圆状的主叶轮分隔环；
在所述副叶轮的叶片区加多圈同心圆状的副叶轮分隔环。
本发明所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其所述主叶轮上的主叶轮分隔环以及副叶轮上的副叶轮分隔环分别为3～5圈。
本发明所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其所述3～5圈同心圆状的主叶轮分隔环以及副叶轮分隔环均为由内向外相邻两个分隔环的间距逐渐较小。
本发明所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其所述主叶轮上的背叶片和副叶轮上的叶片均分别以主叶轮和副叶轮的轴心为中心呈放射状分布，所述背叶片和叶片均由若干长叶片和短叶片交替且均匀布置而组成，所述背叶片的数量以及叶片的数量均比常规的多。
本发明所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其所述单端面机封部件为集装式，其冲洗方案为PLAN23，所述单端面机封部件包括套接在转轴上的轴套、套接在轴套上的单端面机封、机封压盖、定位板以及泵效环，在所述机封压盖上设置有与单端面机封部件内油腔连通的封油出口和封油进口，所述封油出口和封油进口分别与封液罐部件的油腔连通，通过泵效环将单端面机封部件油腔中的润滑油经封液罐部件冷却后进行循环。
本发明所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其在所述副叶轮上方的泵盖上设置有视镜。
本发明所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其所述封液罐部件包括封液罐以及设置在封液罐内的水冷盘管，所述封液罐与单端面机封部件的内腔连通，在所述封液罐上部设置有液位计，在所述液位计上设置有多段刻度，所述多段刻度形成的刻度区间与多圈副叶轮分隔环形成的区间对应，且多段刻度形成刻度区间的油容积与多圈副叶轮分隔环形成区间的存液容积相同，即煤浆和润滑油在副叶轮的内腔中形成的分界面相对于相邻两圈副叶轮分隔环的位置与液位计上相对应的两个刻度之间的位置对应一致。
本发明所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其所述封液罐由下筒体和上筒体组成，所述上筒体的直径小于下筒体的直径，所述水冷盘管设置在下筒体内，所述液位计设置在上筒体上。
本发明所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其所述封液罐内、润滑油液面上方腔体与氮气送入管连接，在所述氮气送入管上设置有氮气调节阀，在所述封液罐上设置有液位变送器，所述液位变送器通过液位显示控制报警器与氮气调节阀连接。
本发明所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其所述封液罐的上下封头为上平盖和下平底，在所述封液罐的上平盖上设置有加油口和排气口，在所述封液罐的下平底上设置有排污口以及与水冷盘管连通的冷却水进、出口。
本发明为消除现有技术离心式低压煤浆泵机封的寿命不长，不能完全避免外冲洗水进入泵内的缺陷，本发明在背叶片和副叶轮的叶片上加3～5圈分隔环，减弱流道中有害的径向流，增大输送高粘度煤浆的封堵扬程，副叶轮腔的外区为比重大的煤浆环，内区为比重小的润滑油环，比重差异大，煤浆和润滑油互不相溶，又有副叶轮分隔环减弱了径向流，因此，在副叶轮4的内腔中两者的分界面明显、稳定；同时采用PLAN 23单端面机封部件和封液罐部件，并将副叶轮腔、机封腔和封液罐连通，实现在中控室和现场都能监控煤浆远离机封，确保其长寿命，并实现正常运行时完全不外加冲洗水。本发明适用于输送含固量58～61wt%、粘度700～3000mPa.s的离心式煤浆泵的轴封，也适用于其它装置输送高含固量、高粘度介质离心泵的轴封。
与现有技术相比，上述技术方案有如下明显效果：
1.背叶片和副叶轮叶片侧的3～5圈分隔环，减弱了背叶片和副叶轮流道中有害的径向流，可自动控制并监视煤浆远离机封，使单端面机封密封在微正压、温度又不高的润滑油内工作，确保了机封的长寿命。
2.解决了现有技术间断式外冲洗水量不易控制，增加煤气化炉的负荷和氧耗量的缺陷，本发明实现了正常运行时完全不外加冲洗水，避免外冲洗水进入泵内。
3.本发明的轴封结构及控制系统简单、可靠，操作维修方便。
附图说明
图1是现有技术中的双级副叶轮加填料密封的剖面图。
图2是现有技术中的单级副叶轮加双端面机封的剖面图。
图3是本发明的轴封结构及控制系统示意图。
图4是本发明中主叶轮的剖视图。
图5是本发明中主叶轮的俯视图。
图6是本发明中副叶轮的剖视图。
图7是本发明中副叶轮的俯视图。
图8是本发明中单端面机封部件的结构示意图。
图9是本发明中封液罐部件的结构示意图。
图中标记：1为主叶轮，2为隔板，3为固定导叶，4为副叶轮，5为背叶片，6为叶片，7为单端面机封部件，8为封液罐部件，9为主叶轮分隔环，10为副叶轮分隔环，11为长叶片，12为短叶片，13为轴套，14为单端面机封，15为机封压盖，16为定位板，17为泵效环，18为封油出口，19为封油进口，20为封液罐，20a为下筒体，20b为上筒体，21为水冷盘管，22为液位计，23为氮气送入管，24为氮气调节阀，25为液位变送器，26为液位显示控制报警器，27为加油口，28为排气口，29为排污口，30为冷却水进口，31为冷却水出口，32为泵盖，33为视镜，34为冲洗水口。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3所示，离心式煤浆泵的轴封结构，包括主叶轮1的背叶片5、隔板2、固定导叶3、副叶轮4、机封部件及封液罐部件，在所述副叶轮4上设置有叶片6，在所述副叶轮4上方设置有泵盖32，所述隔板2与泵盖32固定连接，所述固定导叶3设置在隔板2上，所述主叶轮1和副叶轮4分别与转轴连接，所述转轴与变频电机驱动连接，该煤浆泵为离心式，立式布置，在运转过程中，所述主叶轮和副叶轮随转轴同步转动，泵盖、隔板以及固定导叶固定不动。该离心式煤浆泵所在的工艺流程是:破碎后的原料煤与水、添加剂、PH调节剂一起送入磨煤机共磨制浆，制成重量浓度为58～61wt%、平均粒度小于约75 μm的水煤浆，流入磨煤机出料槽，常压、带搅拌，然后靠重力流进磨煤机出料槽泵；该泵的进口压力为磨煤机出料槽煤浆的料柱静压，减去进口管道的压降，进口压力决定于出料槽中煤浆液面的高度，通常为0.2～0.8bar.G，煤浆的正常温度为50℃，最高80℃。
其中，所述机封部件为单端面机封部件7，所述副叶轮4的内腔、单端面机封部件7的油腔和封液罐部件8的油腔是连通的。在本实施例中，所述背叶片5的数量比常规的多，所述背叶片5由8片长叶片11和8片短叶片12交替布置而组成，并在主叶轮1的后盖板上加四圈同心圆状的主叶轮分隔环9；所述副叶轮4的叶片数量也比常规的多，所述叶片6由8片长叶片11和8片短叶片12交替布置而组成，并在叶片区加四圈同心圆状的副叶轮分隔环10；所述同心圆状的主叶轮分隔环9以及副叶轮分隔环10均为由内向外相邻两个分隔环的间距逐渐较小。所述副叶轮分隔环由外向内分为A、B、C、D；在所述副叶轮4上方的泵盖32上设置有视镜33，以便直接观察到煤浆与润滑油的分界面；在所述泵盖上还设置有冲洗水口34，仅仅用于停泵煤浆放净后，通水对副叶轮及下方的泵内腔进行冲洗。
在本发明中，主叶轮的背叶片和副叶轮的密封原理相同，是依靠旋转时离心力产生的逆压来阻止介质的泄漏，由于煤浆泵输送的煤浆的粘度很高，达到700～3000mPa.s。背叶片和副叶轮产生的扬程按常规计算公式得出的值还应按美国国家标准ANSI/HI 9.6.7-2010“Effects of Liquid Viscosity on Rotodynamic (Centrifugal and Vertical)Pump Performance“（液体粘度对回转动力泵（离心泵和立式泵）性能的影响），乘以扬程修正系数，对粘度700～3000mPa.s，扬程修正系数CH=0.779～0.582。按上述标准，离心泵的运行流量比最高效率点流量越小，扬程修正系数就越大，直到零流量时，因介质无流动，粘度的影响可不计，扬程修正系数CH=1。本发明在国内外现有技术的背叶片和副叶轮的叶片上分别加了四圈同心圆状的分隔环，减弱了背叶片和副叶轮流道中有害的径向流，仅在叶片与隔板的间隙处有少量介质的径向流动，使其相当于接近于关闭流量下运行的半开式叶轮，用于高粘度的煤浆时，高粘度对背叶片和副叶轮产生的扬程的影响很小，从而增大了输送高粘度煤浆的封堵扬程。
由于在副叶轮的叶片一侧设置有四圈同心圆状的副叶轮分隔环，所述副叶轮4内腔的外区为比重大（1.22）的煤浆环，其内区为比重小（0.83）的润滑油环，煤浆和润滑油互不相溶，比重差异大（1.47倍），又有副叶轮分隔环减弱了径向流，因此，煤浆和润滑油在副叶轮4的内腔中形成明显且稳定的分界面，所述分界面所在半径可随泵进口压力的波动或煤浆泵转速的变化自动移动。
同样扬程的压差与介质的比重成正比，当磨煤机出料槽的液位较高，泵进口压力较高，或泵转速较低，分界面移向副叶轮分隔环C或D时，副叶轮流道中大部分为比重大的煤浆，因此封堵压差大；当磨煤机出料槽的液位较低，泵进口压力较低，或泵转速较高时，分界面向副叶轮外径处的副叶轮分隔环A移动，副叶轮流道中大部分为比重小的润滑油，同样封堵扬程的封堵压差减小。因此，通过分界面的移动，自动适应低压煤浆泵操作工况的变化。
如图4和5所示，所述主叶轮1上的背叶片5以主叶轮1的轴心为中心呈放射状分布，其叶片数比常规的多，所述背叶片5由若干长叶片11和短叶片12交替且均匀布置而组成，以便产生较高的液封扬程。
如图6和7所示，所述副叶轮4上的叶片6以副叶轮4的轴心为中心呈放射状分布，在本实施例中，其叶片数量由国内外离心泵副叶轮现有技术的叶片数6～8片增为16片，所述叶片6由8片长叶片11和8片短叶片12交替且均匀布置而组成，加大了对煤浆的封堵扬程。
如图8所示，所述单端面机封部件7为集装式，其冲洗方案为PLAN23，所述单端面机封部件7包括套接在转轴上的轴套13、套接在轴套13上的单端面机封14、机封压盖15、定位板16以及泵效环17，在所述机封压盖15上设置有与单端面机封部件7内油腔连通的封油出口18和封油进口19，所述封油出口18和封油进口19分别与封液罐部件8的油腔连通，通过泵效环17将单端面机封部件7油腔中的润滑油经封液罐部件8冷却后进行循环。
如图9所示，所述封液罐部件8包括封液罐20以及设置在封液罐20内的水冷盘管21，因封液灌的工作压力是微正压，所述封液罐20由现有技术的椭圆形上下封头改为制造成本低的上平盖和下平底，在所述封液罐20的上平盖上设置有加油口27和排气口28，两者的阀门常关，在所述封液罐20的下平底上设置有排污口29以及与水冷盘管21连通的冷却水进30口和冷却水出口31，所述封液罐20与单端面机封部件7的内腔连通，在所述封液罐20上部设置有液位计22；所述封液罐20由下筒体20a和上筒体20b组成，所述上筒体20b的直径小于下筒体20a的直径，所述水冷盘管21设置在下筒体20a内，所述液位计22设置在上筒体20b上，上筒体的直径小，使上筒体上装设的液位计上的刻度间距适当拉开，以便于观察。在所述液位计22上设置有多段刻度，所述多段刻度形成的刻度区间与多圈副叶轮分隔环10形成的区间对应，且多段刻度形成刻度区间的油容积与多圈副叶轮分隔环10形成区间的存液容积相同，即煤浆和润滑油在副叶轮4的内腔中形成的分界面相对于相邻两圈副叶轮分隔环10的位置与液位计22上相对应的两个刻度之间的位置对应一致，实现了操作人员在中控室控制煤浆远离机封，在中控室和现场都能知道煤浆泵中煤浆与润滑油的分界面在副叶轮腔的何处。
在本实施例中，将现有技术离心式煤浆泵的双端面机封PLAN 53A+PLAN 32，改为低价的PLAN23单端面机封，通过泵效环使机封腔中的润滑油经封液罐内的水冷盘管冷却后进行循环。副叶轮腔、单端面机封腔和封液罐是连通的，在封液罐的上部筒体上装液位计，液位计上的刻度A到B、B到C、C到D的三段的油容积与副叶轮分隔环A到B、B到C、C到D的三个区间的存液容积相同，当副叶轮中煤浆与油的分界面到达分隔环D时，对应于封液罐的最高液位D。
其中，所述封液罐20内、润滑油液面上方腔体与氮气送入管23连接，在所述氮气送入管23上设置有氮气调节阀24，在所述封液罐20上设置有液位变送器25，所述液位变送器25通过液位显示控制报警器26与氮气调节阀24连接。所述液位变送器有远传功能，根据封液罐上的液位显示控制报警器自动调节封液罐油面上方的氮气压力，将副叶轮中煤浆和润滑油分界面控制在A至B区间内，使煤浆远离机封。当油位到达液位计上的刻度C和D的中间时，高液位报警；当油位到达液位计上的刻度D 时，高高液位报警并停泵，停泵排放煤浆前，应关闭封液罐上的进油和出油的阀门。封液罐刻度D到罐顶盖的容积很小，是“死胡同”，油轻浮在上部，又不可压缩，因此，即使液位变送器失效，煤浆也不可能进入机封腔内，加之单端面机封密封在微正压、温度又不高的润滑油内工作，寿命必然很长。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
对比专利
[1] 带双阻封叶轮结构的离心式煤浆泵，实用新型专利（CN 200989323 Y，授权公告日2007.12.12）。
[2] 离心式水煤浆泵，实用新型专利 (CN 203796575 U，授权公告日2014.8.27)。
[3] 离心式水煤浆泵，发明专利 (CN 103953549 A，申请公布日2014.7.30)。
Claims (10)
1.离心式煤浆泵的轴封结构，包括主叶轮（1）的背叶片（5）、隔板（2）、固定导叶（3）、副叶轮（4）、机封部件及封液罐部件（8），其特征是：
所述机封部件为单端面机封部件（7），所述副叶轮（4）的内腔、单端面机封部件（7）的油腔和封液罐部件（8）的油腔是连通的；
在所述主叶轮（1）的后盖板上加多圈同心圆状的主叶轮分隔环（9）；
在所述副叶轮（4）的叶片区加多圈同心圆状的副叶轮分隔环（10）。
2.根据权利要求1所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其特征是：所述主叶轮（1）上的主叶轮分隔环（9）以及副叶轮（4）上的副叶轮分隔环（10）分别为3～5圈。
3.根据权利要求2所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其特征是：所述3～5圈同心圆状的主叶轮分隔环（9）以及副叶轮分隔环（10）均为由内向外相邻两个分隔环的间距逐渐较小。
4.根据权利要求1所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其特征是：所述主叶轮（1）上的背叶片（5）和副叶轮（4）上的叶片（6）均分别以主叶轮（1）和副叶轮（4）的轴心为中心呈放射状分布，所述背叶片（5）和叶片（6）均由若干长叶片（11）和短叶片（12）交替且均匀布置而组成，所述背叶片（5）的数量以及叶片（6）的数量均比常规的多。
5.根据权利要求1所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其特征是：所述单端面机封部件（7）为集装式，其冲洗方案为PLAN23，所述单端面机封部件（7）包括套接在转轴上的轴套（13）、套接在轴套（13）上的单端面机封（14）、机封压盖（15）、定位板（16）以及泵效环（17），在所述机封压盖（15）上设置有与单端面机封部件（7）内油腔连通的封油出口（18）和封油进口（19），所述封油出口（18）和封油进口（19）分别与封液罐部件（8）的油腔连通，通过泵效环（17）将单端面机封部件（7）油腔中的润滑油经封液罐部件（8）冷却后进行循环。
6.根据权利要求1所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其特征是：在所述副叶轮（4）上方的泵盖（32）上设置有视镜（33）。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其特征是：所述封液罐部件（8）包括封液罐（20）以及设置在封液罐（20）内的水冷盘管（21），所述封液罐（20）与单端面机封部件（7）的内腔连通，在所述封液罐（20）上部设置有液位计（22），在所述液位计（22）上设置有多段刻度，所述多段刻度形成的刻度区间与多圈副叶轮分隔环（10）形成的区间对应，且多段刻度形成刻度区间的油容积与多圈副叶轮分隔环（10）形成区间的存液容积相同，即煤浆和润滑油在副叶轮（4）的内腔中形成的分界面相对于相邻两圈副叶轮分隔环（10）的位置与液位计（22）上相对应的两个刻度之间的位置对应一致。
8.根据权利要求7所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其特征是：所述封液罐（20）由下筒体（20a）和上筒体（20b）组成，所述上筒体（20b）的直径小于下筒体（20a）的直径，所述水冷盘管（21）设置在下筒体（20a）内，所述液位计（22）设置在上筒体（20b）上。
9.根据权利要求8所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其特征是：所述封液罐（20）内、润滑油液面上方腔体与氮气送入管（23）连接，在所述氮气送入管（23）上设置有氮气调节阀（24），在所述封液罐（20）上设置有液位变送器（25），所述液位变送器（25）通过液位显示控制报警器（26）与氮气调节阀（24）连接。
10.根据权利要求8所述的离心式煤浆泵的轴封结构，其特征是：所述封液罐（20）的上下封头为上平盖和下平底，在所述封液罐（20）的上平盖上设置有加油口（27）和排气口（28），在所述封液罐（20）的下平底上设置有排污口（29）以及与水冷盘管（21）连通的冷却水进、出口（30、31）。
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