论文部分内容阅读
1.前言
为了加速我国石油化工行业的发展，促进石化行业重大装备国产化的步伐，在消化国外先进技术的基础上，自主开发设计结构合理、装拆方便、运行可靠的石油化工厂用锅炉给水泵。TDS500-155X10型泵就是在此基础上研制的高压、大流量锅炉给水泵，该泵用于在辽宁华锦化工集团乙烯改扩建工程配套供热工程的锅炉给水泵， 锅炉给水泵是该装置的重要设备之一。八十年代以来，我国的各大炼油厂用大型泵基本上都是从美国I.D.P公司、德国KSB公司、美国B.J公司及日本荏原制作所等著名泵公司进口的，但是，造成的后果是进口比较高，服务不及时且比较昂贵，购买备件困难等，所以，各大炼油厂迫切希望国内泵厂自己能生产这样的大型泵，所以，开发研制运行可靠的大型锅炉给水泵具有非常重大的意义。TDS500-155X10型锅炉给水泵的设计、试制成功（经试验验证和现场实际运转证明，其性能及各项技术指标均达到设计要求），填补了国内空白，标志着我国加氢泵的设计、制造达到国际先进水平。
2.泵的参数及主要技术性能指标
泵的使用参数如表1。
泵操作条件：
表1
工况I
工况II
工况III
正常流量m3/h 400 500 570
额定流量m3/h 500
泵送温度℃ 158 158 158
进口压力MPa 1.0
扬程m 1640 1500 1400
密度kg/m3 909.2 909.2 909.2
汽蚀余量m 5.8 8 10
介质为锅炉给水
泵的主要技术性能指标如表下：
流量Q=500m3/h扬程H=1500m；效率η=81%；
转速n=2980r/min；汽蚀余量NPSHr=8m
3.结构概述
TDS500-155X10型锅炉给水泵为卧式、双壳体、首级双吸、内壳体径向剖分式多级离心泵。设计、制造按美国石油学会API610标准。从驱动端看泵为顺时针方向旋转，泵的结构图如图1所示。
图1
3.1泵筒体是整体的，水平中心线支撑，进出口法兰均垂直向上。内壳体（泵芯）为多级节段式，整个泵芯装在泵筒体内，并在吐出端用泵盖密封，可在不移动主管路的情况下，抽出内壳体进行维修或更换，缩短了现场维修时间。
3.2锻造的泵筒体、泵盖结构型式简单，便于进行应力计算及无损检验。
3.3泵芯包括有吸入函体、中段、导叶、末级导叶、轴、叶轮和平衡鼓等。高压静密封采用缠绕垫及金属密封面密封，低压密封采用“O”型密封圈密封。
3.4叶轮与轴采用热装结构，增加了转子的刚性，所有叶轮入口都面向吸入端按顺序排列，并用卡环嵌入轴槽内使之轴向定位。
3.5泵的转子由两端径向轴承支撑，推力轴承位于泵筒体外侧轴承体内，径向轴承是四油楔滑动轴承，润滑方式为强制润滑。
3.6为了兼顾泵组运转的可靠性及效率，平衡机构采用双平衡鼓结构，残余轴向力由米切尔推力轴承承受；同时配有轴向力检测装置，泵组运转过程中可以随时测定轴向力的大小和方向，保证平衡机构的安全运行。
3.7推力轴承承受残余轴向力，使转子轴向定位，保证轴始终处于受拉状态，这种轴承的设计考虑了足够的安全余量，能够承受非正常运转工作下产生的任何附加轴向力。推力轴承采用强制润滑。
3.8轴封采用引进技术泵上使用过的机械密封，冲洗方式按API610标准PLAN23，冲洗液由密封室中的泵送环送出，经过冷却器、过滤器返回密封室（冲洗方式如图2所示），机械密封的拆、装工作可保证在3小时之内完成，同时，根据技术协议书的要求，机械密封的泄漏量≤3ml/h，并保证16000小时的运转寿命。另外，在设计时还考虑了该密封腔可以装填料密封，以便于用户的选择和应用。
3.9根据技术协议书的要求，应提供刚度良好的重型泵座公用底座，泵、电机通过膜片加长联轴器联接，并安装在一个共同底座上，而且，配齐润滑油管路、冷却水管路、机械密封冲洗管路和一次仪表等。
机械密封冲洗图
图2
4.设计的关键问题
4.1因该泵属于高扬程（1530m）、低汽蚀余量（8m）、大流量（500m3/h）泵，为实现此流量扬程要采用转速为2980r/min，在此转速下要实现低汽蚀余量，应采用首级双吸。对卧式泵而言，采用首级双吸后加大了泵的长度，所以要加大单级泵的扬程以减小泵的级数和缩短轴承之间的跨距。
4.2水力模型
采用首级双吸后汽蚀比转速为Cs=928，泵的比转速为ns=92.3，目前国内没有合适的水力模型可以选用。另外，由于用户要求交货期比较短，没有可以试验水力模型的时间。采用优秀的水力模型250AYS150和DG270-140C作为原型进行相似换算。后经试验验证，这两种水力模型性能均满足设计要求。
4.3泵主要材料的选用
按照技术协议书的要求，材料选用应符合API610 S-6标准，主要零件材料如下：
4.3.1主要承压件泵筒体、泵盖等为引进西德KSB材 料CK22N。
4.3.2内泵体承压件如中段等为锻件1Cr13。
4.3.3叶轮、导叶的为ZG1Cr13Ni。
4.3.4泵体密封环和叶轮密封环分别采用引进西德材料RWA350及S203，这两种材料在国外泵中普遍采用，是一对非常好的摩擦副。
4.3.5泵轴材料选用引进的高强度不锈钢40CrV。
4.4泵结构强度、应力分析及转子动态计算 4.4.1按扭矩初算轴的最小轴径为70mm，取叶轮处轴径为100mm，按第四强度理论进行轴的强度计算，轴不满足强度要求，但满足疲劳强度要求，故认为比较安全，但是，经过进行临界转速计算，干态一阶临界转速为2450r/min，湿态一阶临界转速为4900r/min，另外还考虑到泵长期运转后密封环的磨损使间隙加大等因素，只能把轴径加大到110mm，经计算即满足强度要求，也满足疲劳强度要求，湿态一阶临界转速大于8000r/min，所以认为，轴是比较安全的。
4.4.2泵筒体、泵盖、中段等主要承压件的结构强度、应力分析均按设计压力22.5MPa、设计温度200℃进行，并确保安全。
4.4.3泵盖螺栓、螺母、叶轮盖板、键等的强度计算均确保安全。
4.4.4盖板的主要承压件的应力分析及转子的临界转速计算（干态和湿态），用计算机程序进行并确保安全。
5.检测仪表
泵组配备有比较完备的现场显示及检测用一次仪表，可以把信号准确地传送至中央控制室，以确保机组稳定、安全运行。具体检测点如下表。
进料泵组检测项目控制点
就地 中控室 报警 联锁停机
泵轴承温度 Y Y Y高 Y高高
电机轴承温度 Y Y高 Y高高
电机定子绕组温度
2只/相Pt100电阻 Y Y高 Y高高
各润滑点回水温度 Y
各润滑点供油压力 Y
润滑油进油总管压力 Y Y Y低 Y低低
润滑油箱液位 Y Y低
油站油泵出口压力 Y×2
油站过滤器压差 Y Y高
泵进口压力 Y
泵出口压力 Y
泵平衡管压力 Y
机械密封入口压力 Y Y低
6.厂内型式试验对设计的验证
采用GB3216-1989C级精度对泵进行试验，结果如下：
流量Q=500m3/h；总扬程H=1510m；效率η=81%汽蚀余量NPSHr=8m； 转速n=2980r/min；
试验证明，该泵的设计合理，工艺可行，满足了用户的使用要求，主要技术指标达到国外同类产品水平。
7.结论
通过厂内的型式试验和在用户现场的实际运转表明，TDS500-155X10型锅炉给水泵的设计先进，结构合理，运转安全可靠，自控性好，检修方便，水力部分设计可行。
该泵的研制成功，填补了国内空白，打破了锅炉给水泵长期依赖进口的局面，同时，为国家节约大量外汇。我厂生产的锅炉给水泵每台套175万元人民币，进口一台约为75万美元，按比价6.8计算，约合510万元人民币，这样，两套机组可节约人民币335万元，经济效益非常可观。
该泵的各项技术指标均达到设计要求，综合性能指标达到国外泵制造厂同类产品水平。
为了加速我国石油化工行业的发展，促进石化行业重大装备国产化的步伐，在消化国外先进技术的基础上，自主开发设计结构合理、装拆方便、运行可靠的石油化工厂用锅炉给水泵。TDS500-155X10型泵就是在此基础上研制的高压、大流量锅炉给水泵，该泵用于在辽宁华锦化工集团乙烯改扩建工程配套供热工程的锅炉给水泵， 锅炉给水泵是该装置的重要设备之一。八十年代以来，我国的各大炼油厂用大型泵基本上都是从美国I.D.P公司、德国KSB公司、美国B.J公司及日本荏原制作所等著名泵公司进口的，但是，造成的后果是进口比较高，服务不及时且比较昂贵，购买备件困难等，所以，各大炼油厂迫切希望国内泵厂自己能生产这样的大型泵，所以，开发研制运行可靠的大型锅炉给水泵具有非常重大的意义。TDS500-155X10型锅炉给水泵的设计、试制成功（经试验验证和现场实际运转证明，其性能及各项技术指标均达到设计要求），填补了国内空白，标志着我国加氢泵的设计、制造达到国际先进水平。
2.泵的参数及主要技术性能指标
泵的使用参数如表1。
泵操作条件：
表1
工况I
工况II
工况III
正常流量m3/h 400 500 570
额定流量m3/h 500
泵送温度℃ 158 158 158
进口压力MPa 1.0
扬程m 1640 1500 1400
密度kg/m3 909.2 909.2 909.2
汽蚀余量m 5.8 8 10
介质为锅炉给水
泵的主要技术性能指标如表下：
流量Q=500m3/h扬程H=1500m；效率η=81%；
转速n=2980r/min；汽蚀余量NPSHr=8m
3.结构概述
TDS500-155X10型锅炉给水泵为卧式、双壳体、首级双吸、内壳体径向剖分式多级离心泵。设计、制造按美国石油学会API610标准。从驱动端看泵为顺时针方向旋转，泵的结构图如图1所示。
图1
3.1泵筒体是整体的，水平中心线支撑，进出口法兰均垂直向上。内壳体（泵芯）为多级节段式，整个泵芯装在泵筒体内，并在吐出端用泵盖密封，可在不移动主管路的情况下，抽出内壳体进行维修或更换，缩短了现场维修时间。
3.2锻造的泵筒体、泵盖结构型式简单，便于进行应力计算及无损检验。
3.3泵芯包括有吸入函体、中段、导叶、末级导叶、轴、叶轮和平衡鼓等。高压静密封采用缠绕垫及金属密封面密封，低压密封采用“O”型密封圈密封。
3.4叶轮与轴采用热装结构，增加了转子的刚性，所有叶轮入口都面向吸入端按顺序排列，并用卡环嵌入轴槽内使之轴向定位。
3.5泵的转子由两端径向轴承支撑，推力轴承位于泵筒体外侧轴承体内，径向轴承是四油楔滑动轴承，润滑方式为强制润滑。
3.6为了兼顾泵组运转的可靠性及效率，平衡机构采用双平衡鼓结构，残余轴向力由米切尔推力轴承承受；同时配有轴向力检测装置，泵组运转过程中可以随时测定轴向力的大小和方向，保证平衡机构的安全运行。
3.7推力轴承承受残余轴向力，使转子轴向定位，保证轴始终处于受拉状态，这种轴承的设计考虑了足够的安全余量，能够承受非正常运转工作下产生的任何附加轴向力。推力轴承采用强制润滑。
3.8轴封采用引进技术泵上使用过的机械密封，冲洗方式按API610标准PLAN23，冲洗液由密封室中的泵送环送出，经过冷却器、过滤器返回密封室（冲洗方式如图2所示），机械密封的拆、装工作可保证在3小时之内完成，同时，根据技术协议书的要求，机械密封的泄漏量≤3ml/h，并保证16000小时的运转寿命。另外，在设计时还考虑了该密封腔可以装填料密封，以便于用户的选择和应用。
3.9根据技术协议书的要求，应提供刚度良好的重型泵座公用底座，泵、电机通过膜片加长联轴器联接，并安装在一个共同底座上，而且，配齐润滑油管路、冷却水管路、机械密封冲洗管路和一次仪表等。
机械密封冲洗图
图2
4.设计的关键问题
4.1因该泵属于高扬程（1530m）、低汽蚀余量（8m）、大流量（500m3/h）泵，为实现此流量扬程要采用转速为2980r/min，在此转速下要实现低汽蚀余量，应采用首级双吸。对卧式泵而言，采用首级双吸后加大了泵的长度，所以要加大单级泵的扬程以减小泵的级数和缩短轴承之间的跨距。
4.2水力模型
采用首级双吸后汽蚀比转速为Cs=928，泵的比转速为ns=92.3，目前国内没有合适的水力模型可以选用。另外，由于用户要求交货期比较短，没有可以试验水力模型的时间。采用优秀的水力模型250AYS150和DG270-140C作为原型进行相似换算。后经试验验证，这两种水力模型性能均满足设计要求。
4.3泵主要材料的选用
按照技术协议书的要求，材料选用应符合API610 S-6标准，主要零件材料如下：
4.3.1主要承压件泵筒体、泵盖等为引进西德KSB材 料CK22N。
4.3.2内泵体承压件如中段等为锻件1Cr13。
4.3.3叶轮、导叶的为ZG1Cr13Ni。
4.3.4泵体密封环和叶轮密封环分别采用引进西德材料RWA350及S203，这两种材料在国外泵中普遍采用，是一对非常好的摩擦副。
4.3.5泵轴材料选用引进的高强度不锈钢40CrV。
4.4泵结构强度、应力分析及转子动态计算 4.4.1按扭矩初算轴的最小轴径为70mm，取叶轮处轴径为100mm，按第四强度理论进行轴的强度计算，轴不满足强度要求，但满足疲劳强度要求，故认为比较安全，但是，经过进行临界转速计算，干态一阶临界转速为2450r/min，湿态一阶临界转速为4900r/min，另外还考虑到泵长期运转后密封环的磨损使间隙加大等因素，只能把轴径加大到110mm，经计算即满足强度要求，也满足疲劳强度要求，湿态一阶临界转速大于8000r/min，所以认为，轴是比较安全的。
4.4.2泵筒体、泵盖、中段等主要承压件的结构强度、应力分析均按设计压力22.5MPa、设计温度200℃进行，并确保安全。
4.4.3泵盖螺栓、螺母、叶轮盖板、键等的强度计算均确保安全。
4.4.4盖板的主要承压件的应力分析及转子的临界转速计算（干态和湿态），用计算机程序进行并确保安全。
5.检测仪表
泵组配备有比较完备的现场显示及检测用一次仪表，可以把信号准确地传送至中央控制室，以确保机组稳定、安全运行。具体检测点如下表。
进料泵组检测项目控制点
就地 中控室 报警 联锁停机
泵轴承温度 Y Y Y高 Y高高
电机轴承温度 Y Y高 Y高高
电机定子绕组温度
2只/相Pt100电阻 Y Y高 Y高高
各润滑点回水温度 Y
各润滑点供油压力 Y
润滑油进油总管压力 Y Y Y低 Y低低
润滑油箱液位 Y Y低
油站油泵出口压力 Y×2
油站过滤器压差 Y Y高
泵进口压力 Y
泵出口压力 Y
泵平衡管压力 Y
机械密封入口压力 Y Y低
6.厂内型式试验对设计的验证
采用GB3216-1989C级精度对泵进行试验，结果如下：
流量Q=500m3/h；总扬程H=1510m；效率η=81%汽蚀余量NPSHr=8m； 转速n=2980r/min；
试验证明，该泵的设计合理，工艺可行，满足了用户的使用要求，主要技术指标达到国外同类产品水平。
7.结论
通过厂内的型式试验和在用户现场的实际运转表明，TDS500-155X10型锅炉给水泵的设计先进，结构合理，运转安全可靠，自控性好，检修方便，水力部分设计可行。
该泵的研制成功，填补了国内空白，打破了锅炉给水泵长期依赖进口的局面，同时，为国家节约大量外汇。我厂生产的锅炉给水泵每台套175万元人民币，进口一台约为75万美元，按比价6.8计算，约合510万元人民币，这样，两套机组可节约人民币335万元，经济效益非常可观。
该泵的各项技术指标均达到设计要求，综合性能指标达到国外泵制造厂同类产品水平。