CN104806576A - 全工况运行平稳式大型切焦泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全工况运行平稳式大型切焦泵，包括泵筒体、泵端盖、泵芯中段、机械密封机构、轴承机构、轴向力平衡机构，该轴向力平衡机构包括泵轴(6)、平衡套(14)、平衡套压盖(11)，在所述泵轴与平衡套、平衡套压盖之间装有平衡鼓盘(2)，该平衡鼓盘依次通过间隔环(3)、卡环(4)、卡环压盖(5)装在泵轴上；所述平衡鼓盘与平衡套之间、平衡鼓盘与平衡套压盖之间均具有节流间隙。本发明能起到平衡、微调轴向力的作用，适用于高压多级离心泵，特别适应大型延迟焦化装置使用，其在回流工况时运行很稳定；在回流、预充、钻孔、切焦四个工况的切换过程运行也很平稳。并同时具有较高的泵效。

Description

全工况运行平稳式大型切焦泵

技术领域

本发明涉及一种泵类产品，具体是涉及一种切焦泵。

背景技术

随着重质化和劣质化原油的增加，随着减压深拔技术的发展，随着轻质油品需求量快速上升，原油深加工成为炼油行业的发展主攻方向。由于延迟焦化装置及其工艺具有工艺成熟、投资较低、操作成本较少和对原料适应性强的特点，使其在诸多原油深加工工艺中具有独特的优越性，并得到迅速发展。延迟焦化装置大型化是世界石油化工的必然发展趋势，因它具有明显的投资少、劳动生产率高和生产费用低的优点。延迟焦化装置的大型化包括其装置规模的大型化和焦碳塔的大型化。

在2014年以前，我国有100多套延迟焦化装置。最大规模为160万吨/年，最大焦碳塔径为φ9.4米。2014年研制并于2015年在中国石化镇海炼化分公司一次投产成功的目前世界上最大型的切焦泵，装置规模为210万吨/年，焦碳塔径为φ9.8米。其中一台切焦泵选用了国产产品，它是目前世界上最大型的切焦泵之一。包括进口产品在内的切焦泵，大多选用单平衡鼓结构来平衡其泵轴的轴向力，在回流工况(即最小流量)下使用时运行适应性较差；另外，很多情况下，强调了切焦泵在满负荷点的高效率的设计理念，而忽视部分负荷(例如切焦泵的回流工况)时的可靠性，使其水力特性不理想，表现在回流工况时的止推轴承温升急剧上升；严重的水力不稳定造成很大的泵轴振动和压力脉动，其数值远远高于额定工况时的对应值，运行不安全可靠。随着切焦泵的大型化和高压化，这种现象更为突出，因此原则上不允许在回流工况下长时间的运行，限制了使用范围。为了使新研发的目前最大型的切焦泵的技术更先进，在保证其基本性能不低于进口产品的前提下，对切焦泵的泵轴的平衡机构进行优化设计，使其包括回流工况在内所有工况运行时既安全又可靠是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述的不足，而提供一种保证在包括回流工况在内的各个运行工况下均能安全、稳定、长时运行的全工况运行平稳式大型切焦泵。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：全工况运行平稳式大型切焦泵，包括泵筒体、泵端盖、泵芯中段、机械密封机构、轴承机构、轴向力平衡机构，该轴向力平衡机构包括泵轴、装在泵端盖上的平衡套、平衡套压盖，在所述泵轴与平衡套、平衡套压盖之间装有平衡鼓盘，该平衡鼓盘依次通过间隔环、卡环、卡环压盖装在泵轴上；所述平衡鼓盘与平衡套之间、平衡鼓盘与平衡套压盖之间均具有节流间隙。

采用本发明结构后，在平衡鼓盘与平衡套之间的径向节流间隙起到平衡大部分的轴向力(约87％)；平衡鼓盘与平衡套之间的轴向节流间隙起着平衡小部分轴向力作用(约12％)；平衡鼓盘与平衡套压盖之间的径向节流间隙起着微调小部分轴向力的作用(约1％)。本发明适用于高压多级离心泵，特别适应大型延迟焦化装置中使用，其在该延迟焦化装置的回流工况时运行很稳定；在回流、预充、钻孔、切焦四个工况的切换过程运行也很平稳。并同时具有较高的泵效。

附图说明

下面结合具体实施方式及附图对本发明进一步的详细说明。

图1为本发明中的轴向力平衡机构的安装结构示意图。

图2为图1中的平衡鼓盘分别与平衡套、平衡套压盖之间具有节流间隙的结构示意图。

图3为本发明全工况运行平稳式大型切焦泵的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明全工况运行平稳式大型切焦泵，包括包括泵筒体17、泵端盖13、泵芯中段19(含各级叶轮)、机械密封机构21、轴承机构(含驱动端径向轴承23、非驱动端轴承24)、轴向力平衡机构(及泵轴振动探头22、平衡管18)，该轴向力平衡机构(可简称平衡机构)包括泵轴6、(通过定位销15)装在泵端盖13上的平衡套14、平衡套压盖11，在所述泵轴6与平衡套14、平衡套压盖11之间装有平衡鼓盘2，该平衡鼓盘2依次通过间隔环3、(分半)卡环4、卡环压盖5装在泵轴6上；所述平衡鼓盘2与平衡套14之间(即b1、b2)、平衡鼓盘2与平衡套压盖11之间(即bw)均具有节流间隙。也可称为双平衡鼓和平衡盘联合结构形式(即双平衡鼓盘结构)。所谓双平衡鼓盘就是在平衡鼓盘和平衡套、平衡套压盖联合结构上，平衡鼓盘与平衡套之间的径向节流间隙b1起到平衡大部分的轴向力(约87％，这部分的平衡鼓盘称为小平衡鼓)，平衡鼓盘与平衡套压盖之间的径向节流间隙bw也起着微调小部分轴向力作用(约1％，这部分的平衡鼓盘称为大平衡鼓)；在双平衡鼓盘结构中的平衡鼓盘与平衡套之间的轴向节流间隙b2起着平衡小部分轴向力的作用(约12％)的水力结构。

其中，所述泵端盖13具有平衡液回液孔12。所述泵轴6(及平衡鼓盘2)的左侧为末级叶轮1，设为驱动侧；所述泵轴6(及平衡鼓盘2)的右侧上装有推力盘9、主推力瓦8、副推力瓦10及调整环7等，设为非驱动侧。该轴向力平衡机构也可称为高精式轴向力平衡机构。

本发明的轴向力平衡机构由静止和转动两大组件构成：其静止组件部分主要由安装在泵端盖13上的平衡套14、平衡套压盖11、“0”型密封圈16、定位销15、主推力瓦8、副推力瓦10等组成；其转动组件部分主要由安装在泵轴6上的平衡鼓盘2、间隔环3、分半卡环4、卡环压盖5以及泵轴6、推力盘9及调整环7等组成。将包括末级叶轮1在内的所有叶轮产生的总轴向力设为Fz，其方向朝驱动侧；包括平衡鼓盘2在内的高精式轴向力平衡机构产生的平衡力Fp与该总轴向力Fz方向相反，其方向朝非驱动侧。在常规水力设计计算时，均以额定工况参数为依据进行计算的，并在理论上使Fp＝Fz。当切焦泵运行在不同工况时，则Fp≠Fz，而且当偏离额定工况越远时，Fp和Fz的差值越大，切焦泵轴承的承受载荷就越大，运行越趋于不稳定，这是基本趋势。

根据已定的泵性能和叶轮尺寸，计算额定工况下平衡机构前后的压力差ΔP值和平衡力Fp，并使Fp＝Fz。现设平衡机构入口的压力为P1，其出口(回液孔)的压力为P4，平衡鼓盘与平衡套之间形成的空腔Q产生的压力为P2，平衡机构与泵端盖之间形成的压力为P3，其出口的液体与切焦泵入口压力区液体20(压力为Po)连通(P4＝Po+0.05MPa)。则此平衡机构前后的压力差ΔP＝P1-P4。此双平衡鼓盘结构的平衡区段可分三个(ΔP₁+ΔP₂+ΔP₃)构成，即平衡鼓盘的小平衡鼓前后的压力降ΔP₁(ΔP₁＝P2-P1)；平衡鼓盘前后的压力降ΔP₂(ΔP₂＝P3-P2)；平衡鼓盘的外圆大平衡鼓前后的压力降ΔP₃(ΔP₃＝P3-P4)。此双平衡鼓盘结构的平衡力由三部分组成，即Fp＝F_P1+F_P2+F_P3。其中，F_P1是小平衡鼓产生的平衡力(由ΔP₁产生的)；F_P2是平衡鼓盘与平衡套之间形成的空腔Q产生的平衡力(由ΔP₂产生的)；F_P3是平衡鼓盘与平衡套压盖的径向节流间隙bw内产生的平衡力(由ΔP₃产生的)。

因此，通过可以调整的F_P2+F_P3的数值，确定切焦泵的止推轴承负荷Fz，使其尽量小。由于切焦泵在非额定工况运行或在起动和停车时Fp≠Fz而产生的残余轴向力Fz由其止推轴承承受。为了尽量减小Fz值，在Fp和F_P1的数值一定的情况下，可以通过调整平衡鼓盘的轴向节流间隙b2值来实现。

根据已计算出的总压力差ΔP数值，根据使用条件，再兼顾切焦泵效率、稳定运行程度(特别是回流工况)和结构尺寸的合理性等综合因素进行分析、对比，进行优化设计。慎重确定ΔP₁、ΔP₂、ΔP₃与ΔP的比值关系。当所述平衡鼓盘2的前后压差ΔP₂为总压差ΔP的12～16％时，在该切焦泵运行在回流工况时，其泵轴脉动、泵轴振动和止推轴承数值与额定工况时相当(基本一样)，而该切焦泵的效率高于国家标准的规定值。当从提高切焦泵的回流工况运行稳定性角度考虑，ΔP₁应选大值；ΔP₂应选取小值。在具体实施例中，ΔP₁按87％选取；ΔP₂按12％选取；ΔP₃按1.0％选取。

当平衡鼓盘2与平衡套14之间的径向节流间隙b1一定时，平衡鼓盘2与平衡套14之间的轴向节流间隙b2值优化后而尽量取小值。在图1所示实例中，平衡鼓盘的大平衡鼓相当于水静压推力轴承，该轴向节流间隙b2较小而控制了所述空腔Q内的压力，从而控制了所述空腔Q中的推力，即平衡力Fp＝(P2-P3)π(Dg²-Dh²)/4。通过调整环7改变平衡鼓盘的轴向节流间隙b2，可验证平衡力Fp的变化规律。平衡力Fp是随平衡鼓盘的轴向节流间隙b2的减小而呈增加趋势，当平衡鼓盘2和平衡套14之间的的轴向节流间隙b2＝0.05mm时，该切焦泵的平衡力最大。平衡鼓盘的轴向节流间隙b2是影响平衡机构灵敏度的重要尺寸，该轴向节流间隙b2越小，灵敏度越高，平衡力越大，泵轴轴向脉动越小，泵效越高。但因受机加工和装配精度等因素限制，又从维护方便角度，轴向节流间隙b2又不能太小，要进行优化后予以确定。因此，在不影响该切焦泵效率的同时，所述平衡鼓盘和平衡套之间的轴向节流间隙b2的减小而该切焦泵的平衡力Fp呈增加趋势，当所述平衡鼓盘2和平衡套14之间的轴向节流间隙b2＝0.05～0.15mm时，该切焦泵的平衡力最为理想。

本发明在确保较高泵效率的同时，选用较小平衡系数K，提高泵轴向力平衡的灵敏度。所谓的泵轴向力平衡灵敏度就是当泵轴向力增加导致的该轴向节流间隙b2减小时，能产生较大的平衡力。本发明选用较小的平衡鼓盘的轴向节流间隙b2。当小平衡鼓尺寸及所述径向节流间隙b1一定时，平衡鼓盘的轴向节流间隙b2的改变就起到调节平衡力的作用。减小平衡鼓盘的轴向节流间隙b2在限制范围内时，可以大幅度增加平衡力，从而降低切焦泵的止推轴承负荷，提高切焦泵的轴承使用寿命。

在图1、图2所示实例，为最后确定的本发明的双平衡鼓盘结构图。

1、本案切焦泵产品，由于采用了双平衡鼓盘的联合型式轴向力平衡机构，并优化了平衡系数K的取值(即ΔP₂取小值)，大大减低了切焦泵的止推轴承的负荷和泵轴的轴向脉动。在最小流量工况更为明显。本案切焦泵产品的轴向力：在额定工况时约为30吨；在回流工况时约为35吨。本案切焦泵产品的止推轴承的负荷：当选用的平衡系数K值由0.3减到0.194时，在额定工况下运行时，其止推轴承的负荷由3.3吨减小到1.3吨；在回流工况时，其止推轴承的负荷由3.8吨减小到1.52吨，即在回流工况时，其止推轴承上的负荷比额定时的增加值分别0.5吨和0.21吨。而如果采用传统的单平衡鼓结构(平衡90％)，则在回流工况时止推轴承上的负荷比额定时的增加了约1.0吨。

2、本发明可通过设置在平衡鼓盘的轴向节流间隙和大平衡鼓处径向节流间隙，来调节切焦泵的止推轴承上的负荷。通过优化选取较小的该轴向节流间隙b2和匹配的径向节流间隙bw值，可使平衡力大幅度提高，降低止推轴承上的负荷；同时使其在所有工况及切换过程时的水力压力脉动小，泵轴的轴向位移变化小。当选用平衡鼓盘的轴向节流间隙b2和大平衡鼓处径向节流间隙bw分别为0.28和0.25mm时，平衡机构的平衡鼓盘部分产生平衡力为5.7吨；当选用平衡鼓盘的轴向节流间隙b2和大平衡鼓处径向节流间隙bw分别为0.15和0.20mm时，平衡机构的平衡鼓盘部分产生平衡力为11.4吨。

3、本实例产品于2014年10月在中国石化镇海炼化分公司三焦化的焦化塔径为9.8米，容量为210万吨/年延迟焦化装置(目前世界上最大型)中开始正式投产，运行实践证实了本发明的真实效果。本实例产品切焦泵在回流工况运行时，切焦泵的泵轴振动、轴承温升、轴向串动的数值与额定工况时的几乎一样，而同类产品，在回流工况运行时的各对应值比额定工况时几乎都增加了50％左右。

本实例产品切焦泵在延迟焦化装置的回流、预充、钻孔、切焦四个工况自动切换过程中运行平稳。切焦泵的效率高于国家标准和同类产品规定值。本实例产品在延迟焦化装置配套的异步电动机的功率为4700kW，额定工况的效率为75％。该切焦泵在回流工况(为额定流量25％时，扬程为4000米)运行3小时测量的轴振动值为20～25μm(双振幅)、止推轴承温度为45～50℃、轴向位移为250μm左右。当该大型切焦泵处于最小流量(回流工况)时，其平衡的轴向力高达35吨，能连续安全运行3小时以上。本发明主要应用于炼化行业水力除焦装置，炼钢厂水力除磷装置，也适用其他如同加氢进料泵、贫氨液泵、高压锅炉给水泵等高压多级离心泵。

Claims (4)

1.全工况运行平稳式大型切焦泵，包括泵筒体(17)、泵端盖(13)、泵芯中段(19)、机械密封机构(21)、轴承机构、轴向力平衡机构，该轴向力平衡机构包括泵轴(6)、装在泵端盖(13)上的平衡套(14)、平衡套压盖(11)，其特征在于：在所述泵轴(6)与平衡套(14)、平衡套压盖(11)之间装有平衡鼓盘(2)，该平衡鼓盘(2)依次通过间隔环(3)、卡环(4)、卡环压盖(5)装在泵轴(6)上；所述平衡鼓盘(2)与平衡套(14)之间、平衡鼓盘(2)与平衡套压盖(11)之间均具有节流间隙。

2.如权利要求1所述的全工况运行平稳式大型切焦泵，其特征在于：在不影响该切焦泵效率的同时，所述平衡鼓盘(2)和平衡套(14)之间的轴向节流间隙(b2)的减小而该切焦泵的平衡力(Fp)呈增加趋势，当所述平衡鼓盘(2)和平衡套(14)之间的轴向节流间隙b2＝0.05～0.15mm时，该切焦泵的平衡力最为理想。

3.如权利要求2所述的全工况运行平稳式大型切焦泵，其特征在于：当所述平衡鼓盘和平衡套之间的轴向节流间隙b2＝0.05mm时，该切焦泵的平衡力最大。

4.如权利要求1所述的全工况运行平稳式大型切焦泵，其特征在于：当所述平衡鼓盘(2)的前后压差(ΔP₂)为总压差(ΔP)的12～16％时，该切焦泵运行在回流工况时，其泵轴脉动、泵轴振动和止推轴承数值与额定工况时相当，而切焦泵效率高于国家标准的规定值；当该大型切焦泵处于最小流量时，其平衡的轴向力高达35吨，能连续安全运行3小时以上。