催化加氢装置沸腾泵的应用及国产化

黄绍硕

（中国石化中科（广东）炼化有限公司，广东湛江 524076）

0 引言

沸腾床催化加氢裂化转化工艺可以深度处理杂质含量高的重质渣油，使其轻质化，并提高油品质量［1］。与加氢裂化沸腾床反应器配套的循环泵，习惯称为沸腾泵。其作用是给反应器内的重质渣油、氢气、催化剂提供流动的动力，使重质渣油、氢气和催化剂在反应器内呈悬浮液状态，形成气、液、固三相床层，相互之间充分接触融合从而完成加氢裂化反应［2］。沸腾催化剂床层的高度由循环液体的流量进行控制。沸腾泵的运行，使得反应器内物料高度返混，有益于反应器内各处物料温度的均衡，有益于重质渣油、氢气、催化剂物料的均布，避免重质渣油在催化剂表面形成的结焦及重金属中毒，提高加氢反应深度和效率［3-5］。

沸腾泵工作条件极端苛刻［6-7］：（1）输送的物料中气、液、固共存，对泵过流件有冲刷磨损作用。（2）操作温度高。泵入口物料温度通常在400～500 ℃，该温度高于物料的着火温度。物料一旦泄漏，极易着火，因此，对泵的安全性要求高。（3）操作压力高。反应器内压力，即泵的入口压力，通常在11～23 MPa，泵轴封解决起来较为棘手。基于此，国内市场上能够耐受上述极端苛刻工作条件的泵型较少，沸腾泵选型有困难。

本文从API 标准的机械密封离心泵、湿定子电机驱动的离心泵和屏蔽电机驱动的离心泵的结构特点着手，分析比较了这3 种泵型用作沸腾泵时的优缺点，推荐优先选用泵型为湿定子电机驱动的离心泵或者屏蔽电机驱动的离心泵。

1 沸腾泵解决方案的探讨

1.1 API 标准流程泵

基于沸腾泵主要应用于炼油行业，按标准规定，首选符合API 610 标准的机械密封离心泵作为沸腾泵。下面以某厂200 万t/a 液相柴油加氢装置沸腾泵P102A/B 为例，简述机械密封离心泵作为沸腾泵的标准配置，以及沸腾泵在装置上的应用情况。沸腾泵P102A/B 的主要技术参数见表1。

表1 沸腾泵P102A/B 主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of boiling pump P102A/B

按照操作条件选用API 610 标准BB2 结构离心泵，具体结构特征为卧式、两端支撑、径向剖分、双蜗壳、叶轮双吸。

考虑泵运行的稳定性，减轻催化剂对过流件的磨损，泵转速设置为1 485 r/min。

为确保泵轴封的可靠性，采取节流—泄压措施，降低密封腔压力。即在密封腔入口设置喉部节流套，将密封腔通过管路连接至装置的低压分离器系统，通过回流管使密封腔压力降低到2.0 MPa。

考虑到安全性，轴封采用有压双端面机械密封［8］，并在外侧配固定节流衬套，其冲洗方案为Plan23+54+62，如图1 所示。该密封方案在国内液相柴油加氢装置沸腾泵上是首次应用。

图1 沸腾泵P102A/B 轴封结构Fig.1 Shaft seal structure of boiling pump P102A/B

理论上，P102A/B 轴封形式和冲洗方案完全符合API 610 标准的要求，是完善的，没有瑕疵的。但从该装置投产后的2 个运行周期来看，应用效果并不理想。

2 台机械密封离心泵存在以下两个问题：（1）轴封可靠性差。泵开停车时的升降温过程或运行参数发生波动时，泵轴封极易发生泄漏，引发着火的安全事故（有多次着火的案例）。（2）节流衬套泄漏量过大，造成装置能耗偏高，分馏系统热量平衡困难。当节流衬套间隙为0.9 mm 时，泄漏量高达75 t/h；当节流衬套间隙为0.6 mm 时，泄漏量为25 t/h。

节流衬套间隙大小对保证机械密封腔压力至关重要，但精准控制间隙较为困难。因为节流衬套间隙过小，会使备用泵盘车卡涩，甚至会出现盘不动车的情况。另一方面，泵长期运行，节流衬套磨损间隙会增大。

综上所述，虽然机械密封离心泵理论上安全可靠，但在实践上存在较大的安全隐患，其安全性、可靠性有待进一步提高。

1.2 湿定子电机驱动离心泵

针对沸腾泵苛刻的工作条件，特别是高温高压的情况，如果采用机械密封离心泵，其轴封安全性差。选用湿定子电机驱动的离心泵或屏蔽电机驱动的离心泵可以克服这种情况。因为该类型泵对外只有静密封、无动密封，可以做到对外界无泄漏，能承受高温高压，安全性较机械密封离心泵高。

图2 示出的沸腾泵是一种适用于轻料浆（含少量固体颗粒）输送、电机转子和泵叶轮共轴、立式的湿定子电机驱动离心泵［9］。该泵主要由泵头、隔热屏、湿定子电机、轴封、电机内腔注油循环冷却系统、电机外冷却系统、监控仪表等组成。

图2 湿定子电机驱动的沸腾泵Fig.2 Boiling pump driven by wet stator motor

安装时，上泵下电机，泵入口与反应器底部相连接，出口通过管路插入到反应器中部的栅格部位。当反应器内充满物料，泵腔中就自动灌满物料。泵运行时，叶轮在电机的驱动下旋转，使得物料在反应器内流动，物料中氢气、催化剂与重质渣油充分混合、反应。

该类型泵设计上有下述特点：

（1）考虑介质高温高压，泵壳设计成球形，电机相对细长，使其承压能力强，热变形均匀。

（2）考虑泵送物料温度高，热量对电机有影响，泵和电机之间设置隔热屏，减少泵侧热量向电机的直接传递。

（3）考虑湿定子电机使用的是导轴承，且电机线圈绝缘层不耐冲刷磨损，不允许物料中的固体颗粒（催化剂粉末）进入电机腔，故在泵腔和电机腔之间设置密封，使两腔体分开独立运行。

（4）为保证电机工作温度在60 ℃左右，电机需要充分冷却。在电机端部配置换热器，与电机腔等构成封闭回路。通过外置密封油泵从外部注入的方式，向该回路中注满洁净的柴油，通过电机轴端自带的副叶轮循环作用，注入的柴油对电机定转子进行冷却，同时对导轴承进行润滑冷却。工艺上控制操作压力，允许注入的柴油从电机腔向泵腔泄漏，不允许物料从泵腔泄漏到电机腔。

（5）水力上采用离心叶轮与径向正导叶的组合，结构简单，泵效高。

湿定子电机的定子线圈有两种：漆包线和交联聚乙烯套管线缆。使用漆包线制作定子时，需要注意：泵的出厂试验只能用油做试验介质，不可用水做试验介质。原因是漆包线遇水，绝缘性能下降。使用交联聚乙烯套管线缆制作定子则不存在该缺点，出厂试验用油或水均可。

1.3 屏蔽电机驱动离心泵（屏蔽泵）

如将上述泵型中的湿定子电机换成屏蔽电机，即将湿定子电机的定子线圈和转子铁芯均用薄的金属包覆，则成为屏蔽电机驱动的离心泵。实践上，为解决屏蔽电机的承压问题，还需要在电机定子中灌注树脂，以增强电机屏蔽套的承压能力。

为解决屏蔽电机定子温升的问题，电机定子外壳设置水冷夹套，通水冷却定子。与湿定子电机驱动离心泵一样，屏蔽电机还需要通过外置密封油泵从外部注入的方式，向该回路中注满洁净的柴油，通过电机轴端自带的副叶轮循环作用，注入的柴油对电机定转子进行冷却，同时对导轴承进行润滑冷却。

除电机外，屏蔽泵的其他部分，如结构及工作原理，与湿定子电机驱动离心泵一致。

屏蔽泵的劣势是效率略低于湿定子电机驱动泵，优势是定子线圈不与液体接触，泵能耐轻微腐蚀性物料，适应物料的能力强。

综上所述，湿定子电机驱动泵由于无对外的动密封，安全性高，能够承受高温高压，且泵效相对较高，用作沸腾泵是最优的选择。

2 湿定子电机驱动离心泵的国产化实践

基于上述情况，为保证装置安全运行，长期以来，沸腾泵依赖于进口，属于国外专利产品，价格极高，交货期长。如沸腾泵发生故障，还需返厂处理，维修极为不便［5］。沸腾泵一直是炼油行业“卡脖子”设备。

为彻底打破国外技术垄断，某石化企业联合系统内设计单位、地方炼厂及国内泵厂共同对沸腾泵开展研制工作，决定在液相加氢工艺装置中沸腾泵P102A/B 工位试用，积累使用经验、核实使用效果，为在沸腾床渣油加氢工艺装置中大范围推广使用打下基础。

为确保装置的正常开车运行、防止沸腾泵国产化验证试验影响正常的生产，2020 年10 月，我们在装置上增设了备泵P102C，即将国产的湿定子电机驱动离心泵安装在此位置进行试验运转。

2.1 运行情况

2020 年11 月该泵投入工业化连续运行考核，投用后发现：该泵电机运行电流偏大；流量偏小，仅为500 m3/h 左右，与设计值835 m3/h 偏差较大。鉴于泵其他运行参数正常，流量勉强能满足生产需求，决定继续进行试运行考核。

运行6 个月后，该泵突然跳闸停车。经现场检测确定跳闸停车的原因是电机匝间短路，需要拆泵返厂进行整体检修。

2.2 故障表象

返厂解体拆检发现：（1）电机定子绕组最上部（靠近泵头部分）线圈绝缘层破损，如图3所示；（2）定子绕组内部有较多的金属颗粒淤积，如图4 所示；（3）叶轮平衡肋板有比较严重的磨损痕迹，电机轴瓦、推力瓦磨痕较明显，如图5 所示。

图3 电机线圈绝缘层破损情况Fig.3 Damage to the insulation layer of the motor coil

图4 电机定子绕组内部金属颗粒累积情况Fig.4 Accumulation of metal particles inside the stator winding of motor

图5 电机轴瓦、推力瓦磨损情况Fig.5 Wear of motor bearings and thrust pads

2.3 故障原因分析

经返厂解体检修，总结出沸腾泵跳闸停车的原因有以下两点：

（1）电机定子绕组线圈绝缘层破损，导致电机匝间短路。对造成此情况的原因进行了排查：①电机定子绕组线圈绝缘层仅出现一处短路烧损，其他地方保持较为完好，也未出现大量老化开裂情况，可以排除定子绕组线圈绝缘层材料不合格的情况。②考虑到定子绕组线圈遇水后，其绝缘性能会下降，对注入电机的柴油含水情况也进行了排查，排除了此项可能。③在绕组线圈上发现较多的固体粉末，经过采样分析后确定是电机轴瓦及叶轮平衡肋板磨损产生的。这些固体粉末在冷却柴油的带动下不断循环，对电机的绕组线圈绝缘层存在一定的冲刷损坏。综上分析，认为电机轴瓦及叶轮平衡肋板磨损产生的粉末，在柴油的带动下冲刷定子绕组线圈绝缘层薄弱处（生产制造时碰擦损伤绝缘层）导致了定子绕组线圈绝缘层破损，造成电机匝间短路。

（2）对造成轴瓦、推力瓦磨损的原因进行了排查：①对注油系统的过滤器滤芯进行检查，排除了注入的柴油不干净的原因。②电机下推力瓦及叶轮平衡肋板出现明显磨损，说明泵的轴向力向下，与设计计算的方向相反。因此，认为泵设计计算的轴向力不准确，运行中电机推力瓦受力过大，导致了该泵投用后电流偏大，泵出口流量偏小，长期运行后轴瓦磨损。

2.4 改进措施

对沸腾泵进行如下改进：

拆除电机定子绕组线圈，更新定子绕组线圈，改进定子绕组的VPI 浸漆工艺，提高漆膜强度。

补装1 台柴油聚结器，用于注油脱水，避免水进入电机，要求柴油含水浓度不超出2×10-4；将注油管路中过滤器的精度提高到10 μm，提高注油品质。

对注入柴油进行采样并测定其准确密度，重新核算泵的轴向力。根据核算结果调整叶轮背叶片数量，保证残余轴向力方向指向泵进口（向上），大小在2 000～3 000 N。改进后轴向力测试结果见表2。

表2 轴向力测试数据Tab.2 Axial force test data

对泵的叶轮背叶片安装间隙、上下导轴承间隙、推力轴承总间隙等进行优化，从易于油膜形成、有益于润滑冷却效果等环节改善沸腾泵的运行环境，提高运行可靠性。调整后的数据见表3。

表3 沸腾泵安装间隙调整情况Tab.3 Adjustment of installation clearance of boiling pump mm

2.5 改进后的效果

2021 年12 月改进后的沸腾泵在液相柴油加氢装置重新安装试运行，开机后在相同流量下P102C 的电流数值比检修前小了20 A 左右，扬程达到设计指标，各项运行参数正常，连续平稳无故障运行至今共5 040 h。

3 结论

（1）湿定子电机驱动泵由于无对外的动密封，安全性高，能够承受高温高压，用作沸腾泵是最优的选择。

（2）屏蔽电机驱动泵与湿定子电机驱动泵有相似的技术优势，也可用作催化加氢装置沸腾泵。

（3）国产化的湿定子电机驱动离心泵用作沸腾泵能够平稳运行5 000 h 以上，可为国内自主沸腾床、浆态床工艺提供支撑。