商品天然气总硫达标背景下半贫砜胺液泵的适应性改造

刘超 林万洲 吴娇

（1.中国石油西南油气田川东北作业分公司；2.中国石油西南油气田天然气净化总厂）

1 概述

川东北某900×104m3/d高含硫天然气净化厂由3列处理量为300×104m3/d的净化装置组成，单列装置尾气处理单元配备2台半贫砜胺液泵（以下简称半贫泵），1台为蒸汽透平驱动，1台为电动机驱动[1]，正常情况下运行蒸汽透平驱动泵，电动机泵备用，以实现对装置废热的再利用[2]。半贫泵结构为首级双吸、卧式中开多级离心泵，BB3型[3]，型号为DB34-D4×8×10.5C，10级，额定流量212m3/h，扬程800 m，冲洗方案PLAN 11+53B[4]，半贫泵结构见图1。

图1 半贫泵结构Fig.1 Structural diagram of semi-lean sulfinol pump

为实现GB 17820—2018新标准中商品天然气气质要求和《陆上石油天然气开采工业大气污染物排放标准》[5-7]尾气排放新要求，工艺流程需做以下调整优化：将原尾气处理单元由串级SCOT工艺（吸收尾气中H2S后的半贫砜胺液进入到脱硫单元吸收塔第8层再次利用[8]，然后到脱硫单元再生塔进行再生）改为常规SCOT工艺（增加单独的溶液再生系统，吸收尾气中H2S后的半贫砜胺液不再到脱硫单元，直接进入新增的SCOT再生塔单独再生），改造前后工艺流程见图2。为保证脱硫单元溶液系统循环量，原尾气单元半贫泵将用来输送贫砜胺液到脱硫单元吸收塔（UFM浮阀塔盘[9]），以保证商品气中的H2S合格。这将导致现有的半贫泵在工艺中入口端压力的来源位置将发生改变，由尾气单元SCOT吸收塔改为脱硫单元贫砜胺液低压泵出口，泵入口压力将从50 kPa增加到1.2～2.0 MPa，这会导致泵的出口压力相应增加，为保证泵的安全平稳运行，出口压力不宜太高，需适当降低泵的扬程来满足新工艺要求；入口压力的增大会导致泵的密封腔压力上升，因此还需改造其机械密封及冲洗系统。

图2 改造前后工艺流程Fig.2 Process flow diagram before and after transformation

2 方案选择

2.1 方案对比

多级离心泵降压一般常用3种方法：电动机加装变频调速、车削叶轮直径及减少叶轮级数。

方案一：通过改造变频电动机，改变泵的工作转速来降低离心泵的出口压力。离心泵存在以下比例定律：

式中：H、n示泵的扬程，m；n为转速，r/min，由公式可以看出泵的转速越高，扬程越高，因此可以通过降低泵的转速来降低扬程。此方法优点：变频调速范围宽，可以得到任一需要的出口压力，调节方便，没有节流引起的能量损失，操作简单。缺点：一是要求原电动机能够改变转速，否则需要重新购买新电动机；二是为解决低转速电动机散热问题，需单独增加散热装置对电动机强制冷却；三是高压变频设备成本较高[10]。

方案二：通过车削叶轮直径来降低离心泵的出口压力[11]。将离心泵叶轮由直径D车削为D′时，存在以下车削定律：

式中：H为离心泵的扬程，m；D为离心泵直径，mm。根据车削定律，只要已知离心泵叶轮直径和扬程等相关参数，就可以根据管路实际需要的压力计算叶轮车削直径。显然，车削后叶轮直径缩小后，离心泵扬程相应降低。此方法优点：操作简单，无需购买任何配件，成本低。缺点：叶轮切割后不可恢复，车削过量会造成叶轮报废。

方案三：通过减少叶轮级数来降低离心泵的出口压力。多级离心泵相当于多个单级泵串联工作，有H=n×h（n为叶轮级数，h为每级叶轮的扬程），故可以减少叶轮级数，降低泵的扬程，从而降低泵的出口压力。此方法优点：可实现就地改造，不改变原有结构，节省成本。缺点：需要重新对转子动平衡检查，核算轴向力，否则可能引起运行时机组振动过大，加速轴承部件的磨损。

2.2 方案选定与实施

按照工艺需求，在保持泵流量212 m3/h基本不变的情况下，扬程需由800 m降到702.2 m。方案一降低设备转速，需重新购买高压变频电动机及配套变频设备，成本较高；方案二切割叶轮外径，只需在原有叶轮上进行加工，无需购买任何配件；方案三减少叶轮级数，由于该泵叶轮对称分布，为保证轴向力平衡，需成对、对称减少叶轮，则至少需要取掉2级叶轮，而减少2个叶轮后，按照公式H=n×h，扬程将低于702.2 m。通过经济性、施工难度、周期和方案各自的优缺点综合考虑，此次改造选用车削叶轮直径的方案。

值得注意的是，叶轮外径切割量不大时，可以认为切割前后效率相等，随着切割量的增加，效率下降值也增加，尤其是高比转速泵（如轴流泵、混流泵叶轮外径一般不切割），对不同比转速规定了最大允许切割量，不同比转速最大允许切割量见表1。在切割叶轮时不应超过最大允许切割量，以确保切削定律的准确性和离心泵水力效率。由比转速计算公式：

表1 不同比转速最大允许切割量Tab.1 Maximum permissible cutting amount at different specific speeds

式中：Q为泵容积流量，双吸叶轮用Q/2代入，m3/s；H为扬程，多级泵用一个叶轮的扬程代入，m；n为泵的转速，r/min。

计算出该泵比转速为69.8，因此车削量不能超过叶轮直径的15%，原叶轮直径为ϕ264.16 mm，即车削后叶轮直径不能小于ϕ224.54 mm。

经过车削定律计算后，计算出D′的理论值为ϕ247.49 mm。然而从大量的试验结果发现，因为切割前后的叶轮出口宽度、面积、叶片出口角都可能发生较大变化，最大的变化约为10%，这样就降低了叶轮切割定律的计算精度。在实际应用中为了确保不发生车削过量造成叶轮报废，往往进行保守切割，增加切割次数来确认要求的性能参数。结合泵厂家给出的水力模型核算结果，最终叶轮通过2次切割，直径由264.16 mm车削到了254.25 mm，叶轮切割量为原直径的3.75%，在允许切割范围内。

为保证6台泵的转子都可以进行互换，并尽可能减少备件，透平驱动泵和电动机驱动泵的叶轮进行了相同的修整，使透平驱动泵运行转速恢复至与电动机驱动泵相同的2 980 r/min。叶轮切割后需对单个叶轮做静平衡，转子整体做动平衡处理，以避免机组振动过大。改造后泵壳需按17.2 MPa进行水压试验。改造完成叶轮切削后，泵的扬程降低，电动机做功减小，实际运行功率降低，不影响电动机使用，因此无需对电动机改造，直接利旧。

3 机械密封改造

由于半贫泵入口压力由20～60 kPa增加至1.2～2.0 MPa，泵的密封腔压力也将随之增加，因此需对机械密封进行改造。原机械密封结构形式为串联式双端面，冲洗方案为PLAN 11+53B，现改为了T-48VBB型背靠背双端面结构形式，冲洗方案不变，改造后机械密封装配见图3。

图3 改造后机械密封装配Fig.3 Assembly of mechanical seal after transformation

该型号机封为O型圈推进式双封加压密封，内部集成冲洗孔、螺旋状泵效环；内密封特殊设计，防止静态反压；优化弹簧座设计，避免卡滞导致密封失效；背靠背设计，动环和静环采用相同设计样式，降低使用成本和零件库存储备。机封改造时，由于件21的轴向位置发生变化，需重新在轴表面钻8个均布沉孔，以保证螺钉锁死，防止轴套弹出。由于工作压力改变，机封外部冲洗系统风冷换热器、管线、阀门、压力表等相应升级更换，囊式蓄能器、压力变送器和隔离液加注泵利旧。

4 配套设施及参数优化

1）更换半贫泵入口压力表量程至2.5 MPa，以适应较高的入口压力。

2）半贫泵介质出口设置有2个压力变送器：PT-070972和PT-070918，并设有压力高联锁，联锁值10.5 MPa。改造完成后，电动机驱动泵在试运行时，当处于小回流状态时，出口压力达到11.0 MPa，易触发联锁，遂将联锁值修改为11.5 MPa，小于管道设计压力13.0 MPa。

3）调整机封隔离液压力变送器DCS量程，修改压力低联锁值为1.44 MPa；蓄能器氮气预充压力1.2 MPa；控制隔离液压力约为1.9 MPa。

4）半贫泵出口回流管线上设置有多级限流孔板（6级），设计正常流量75 m3/h，高于改造后泵的最小连续稳定运行流量65.1 m3/h。因此，未对回流管线和孔板作出整改。

5 改造效果

5.1 参数变化

半贫泵改造前后参数对比见表2。改造后委托第三方进行性能测试，试验按验收等级1B进行验收，测试结果显示流量、扬程、效率均达到预期效果，性能测试曲线见图4，在允许误差范围内。现场对泵进行了72 h连续运行测试，泵前后端轴承温度及振动均在正常范围内，半贫泵改造后状态参数见表3，各工艺参数稳定，设备运行正常。

图4 性能测试曲线Fig.4 Performance test curve

表2 半贫泵改造前后参数对比Tab.2 Parameters comparison of semi-lean sulfinol pump before and after transformation

表3 半贫泵改造后状态参数Tab.3 State parameters of semi-lean sulfinol pump after transformation

5.2 工况改善

相比改造前，泵入口压力提升较大，有利于灌泵、排气操作；该泵原来用于输送来自SCOT吸收塔的半贫砜胺液，含有大量固体杂质，而泵入口管线上有一U型弯，易存积固体污物，不易被清洗除净，管道存在设计不合理，总硫改造后泵用于输送贫砜胺液，介质较干净，泵的耐磨环、节流衬套和中间轴套[16]等部件使用工况更佳，能有效避免因介质脏堵而致使泵抱死的故障出现。

5.3 经济效益

半贫泵改造后，由于轴功率减小，透平驱动泵蒸汽用量由16 000 kg/h左右降低到了14 000 kg/h左右，单台泵可节约中压蒸汽2 000 kg/h；电动机驱动泵电流由41 A降低到35 A，电流降低6 A，单台泵1 h大约可节约电量93.5 kWh，一年按330 d生产，电价按0.6元/kWh计算，单台泵年累计节电74×104kWh，可节约成本44.4万元，若全年使用电动机驱动泵三列装置可节约成本133.3万元，改造前后能耗对比见表4。

表4 改造前后能耗对比Tab.4 Comparison of energy consumption before and after transformation

6 结语

在面对日益严苛的商品天然气标准和尾气排放要求下，天然气净化厂的装置和设备需做出适当的改造和优化，方能满足生产需求。通过阐述在该背景下，对半贫泵叶轮进行切削来降低其扬程；改造机械密封及其冲洗系统和附件，以满足新工艺需求。以较低的成本和改造周期，实现了对原6台进口设备潜力的再挖掘和利用。改造后的半贫泵工况改善，运行平稳，故障率较低，蒸汽耗量和电耗均有所下降，每年可节约电费133.3万元。此改造方法操作简单，无需增设其他装置或设备，在改造的同时降低了能耗，节约了生产成本，为其他天然气净化装置的改造提供了一定的借鉴意义。