大型尿素装置高压甲铵泵的特点及国产化研究

1、.第 卷第 期年 月化工设备与管道.大型尿素装置高压甲铵泵的特点及国产化研究邢桂坤，范吉全，杨永光，邵晨（中国寰球工程公司，北京）摘要：根据尿素装置高压甲铵泵的特点及结构形式，并结合国内装备制造业的基本情况，论证了高压甲铵泵国产化需要攻关的技术难点以及可行性，对高压甲铵泵的国产化具有一定的指导意义。关键词：甲铵泵；尿素；国产化中图分类号：； 文献标识码： 文章编号：（） ， ， （ ， ，）， ， ；热反应，且反应速度很快，几乎所有氨和二氧化碳都高压甲铵泵在尿素装置中的作用能转换成甲铵；第二步反应是吸热反应，反应速度很自 世纪 年代尿素生产工业化以来，各种工 慢，是需要控制反应速度的过程，这一

2、步只有 艺日臻成熟，设备的结构和选材不断的改进，生产规 的甲铵脱水生成尿素。尿素合成塔排出的反模也向大型化方向发展。典型的尿素工艺有二氧化 应液实际上是尿素和甲铵的混合液。在后续的工艺碳汽提法工艺和氨汽提法工艺。但是不论是那一种 流程中大部分甲铵液通过汽提塔被分离出来，经甲尿素工艺都包含以下六个基本单元，即原料供应、尿 铵冷凝器返回尿素合成塔循环利用。还有小部分甲素合成、分离、氨及二氧化碳回收利用、尿素浓缩、造 铵液随尿液排出，这部分甲铵液经过进一步分解和粒及产品输送。尿素生产工艺方块流程图见图 。图 尿素生产工艺方块流程示意在上述尿素生产工段中，最主要的是尿素合成工段。在尿素合成条件下，氨与

3、二氧化碳在液相中合成尿素的反应通常分两步完成：（氨基甲酸氨） （）（） （）氨基甲酸氨简称甲铵。第一步反应是强烈的放吸收后用高压甲铵泵将来自中压吸收塔底回收的甲铵液升压至大约 ，送回尿素合成塔。高压甲铵泵操作工况分析高压甲铵泵主要有以下几个方面的工况特点：（）输送介质为甲铵溶液，不同工艺流程的组分不同。对氨汽提法工艺来说，甲铵液的组分是：为 ， 为 ，为 ，温度收稿日期：作者简介：邢桂坤（），女，山东潍坊市人，教授级高级工程师。成套设备室副主任、全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会副主任委员和中石化机械技术中心站技术委员。 ： ， ： ； 年 月邢桂坤，等大型尿素装置高压甲铵泵的特点及国产

4、化研究··，溶液密度（）× ，粘度小于 ·，甲铵溶液的蒸汽压力（）高，时达到 ，对泵的汽蚀性能和机械密封的选型有很大影响。（）甲铵溶液对大多数金属材料具有很强的腐蚀能力，与介质接触的泵过流部件需采用具有优良抗疲劳腐蚀性能和机械强度的材质。一般国外制造商都采用双相不锈钢或 等材料。（）属小流量高扬程高压泵，流量决定于装置生产能力和工艺流程。 规模的尿素装置，压，以提高高压甲铵泵主泵的入口压力，防止汽蚀现象发生。目前国内大型氮肥装置高压甲铵泵多采用标准 的结构形式，也有少数泵制造商采用 标准 结构形式，但 结构是单壳体节段式结构，用于高压泵体安全性较差。而标

5、准 结构形式是卧式多级筒形结构，是双壳体结构，分内外筒体。外筒体为锻造的圆筒体，一端为螺栓联接的端盖，用以承受高压流体。内筒体可设计成轴向剖分式结构或节段式结构，可方便检修，同时安全性也较好。但应注意在内外壳体根据工艺流程不同高压甲铵泵流量从 间设计合理的间隙，防止甲铵液泄漏到内外壳体的，扬程可以从 不等。 间隙中结晶堵塞。中速多级高压甲铵泵一般有 至（）甲铵液在温度较低时容易结晶，应考虑对 个叶轮，叶轮布置可以是成对背对背布置，也可机械密封进行保温或伴热，同时提供机械密封冲洗 以同向顺排布置。叶轮成对背对背布置可以有效平液，但应严格控制进入机组的冲洗水量。 衡轴向力，因此这种设计可取消平衡鼓

6、或平衡盘，靠（）高压甲铵泵是尿素生产中的关键设备之 中间短接的迷宫密封保留一定的残余轴向力，保证一，而且价格昂贵，功率大，运行费用高，因此要求泵 泵工作时，轴向力指向预定的方向，防止由于泵负荷叶轮同向顺排布置，则必须设置平衡鼓或平衡盘，来泵形式分析平衡轴向力。由于高压甲铵泵也属于小流量高扬程泵的范 （）轴封选择。由于中速多级高压甲铵泵主泵围，因此其泵形式同样有三种选择：往复式柱塞泵、 进口压力较高，轴封腔压力（）左右，且泵高速部分流泵和中速多级离心泵。 转速较高，甲铵液有很强的腐蚀性，在低温时容易结往复式泵效率高，但结构复杂，易损件多，维修 晶，因此轴封的密封难度较大。高压甲铵泵设专用工作量大

7、，使用成本高，可靠性较差，并且不适合大 密封水站，为机械密封提供密封液，以保证泵送液体流量，一般用于早期的化肥厂。 不外漏，同时控制密封水泄漏到泵腔内或直接采用高速部分流泵机组尺寸较小，结构简单，但由于 外部冲洗系统对轴封进行冲洗。其转速较高，一般高达 以上，泵的入口 （）轴承选择。由于大型尿素装置高压甲铵泵汽蚀条件恶化，对零部件的强度、耐磨性要求较高， 的额定功率和额定转速的乘积大约是 ×（增速箱、密封、诱导轮等设计制造要求高。因此高速 · 左右，大于 标准规定的 ×部分流泵可靠性不高，检修成本高，检修难度大。 （·规定值，故应采用流体动压轴承和推中速

8、多级离心泵转速一般在 ，汽蚀性能比高速部分流泵好，零部件的强度、耐磨性要求较低，加工制造难度要求比高速部分流泵低，比较适合当前国内、国际零部件材料结构的技术水平，而且该类型的泵可靠性高，运行维护成本相对较低，检维修也还方便，是目前大型尿素装置高压甲铵泵普遍采用的泵形式。中速多级离心式高压甲铵泵的结构和配置（）中速多级高压甲铵泵组一般有前置泵、主泵、增速箱、底座、监控系统、密封水站和油站组成。前置泵通常与主泵共用同一底座，主要是对介质增力轴承组合。该泵的径向轴承和止推轴承均可采用可倾瓦轴承。这种轴承是由多块可自由摆动的瓦块组成，在工况变化时能形成最佳油膜，抗振性好，不容易产生油膜振荡。轴承的润滑

9、可采用强制润滑方式，润滑系统的组成可参考 标准设置。国外主要制造商生产的中速多级离心式高压甲铵泵的技术参数和结构特点分析目前，大型尿素装置高压甲铵泵多为进口，如宁夏石化公司第二化肥厂、重庆建峰化工有限公司、江苏灵谷化工有限公司等。国外主要制造商生产的中速多级离心泵的技术性能和结构特点见表 。 变化引起转子的来回串动，同时减少维修件数量。具有高可靠性。）··化工设备与管道表 国外制造商生产的中速多级离心式高压甲铵泵的技术性能及结构特点第 卷第 期制造商形式最大流量 最高扬程 最高转速 （·） （ ）级数最高工作压力 最大功率 结构特征（）双壳体，外筒体承压，内筒体水

10、平卧式筒剖分式，便于检修；日本荏原公司袋型多级（）用双蜗壳，叶轮对称布置平衡轴向力；离心泵（）用节流套和回流管，使轴两端的轴封压力为泵进口压力。意大利新比隆公司卧式筒袋型多级离心泵（）双壳体，不动管路可抽出集装式内件，检修方便； （）内筒体水平剖分式，检修方便；（）用双蜗壳平衡径向力，叶轮对称布置平衡轴向力。（）双壳体，不动管路可抽出集装式美 国 卧式 内件，检修方便； 双壳体 （）内泵体为节段式，用导叶式扩压 （ 节段式 器平衡径向力；） 多级离心泵 （）叶轮同向布置，用平衡鼓平衡轴向力。（）双壳体，不动管路可抽出集装式内件，检修方便；卧式（）外筒体为径向剖分式，中心线支瑞士 公 筒袋式 撑

11、；司 多级（）内泵体为水平轴向剖分式，检修离心泵方便；（）叶轮对称布置平衡轴向力。（）双壳体，不动管路可抽出集装式内件，检修方便；（）外筒体为径向剖分式，中心线支卧式日本新日本机械 撑；双壳体 公司 （）内泵体为节段式，用导叶式扩压节段式多级离心泵器平衡径向力；（）叶轮同向布置，用平衡鼓平衡轴向力。（）双壳体，外筒体承压，内筒体水平美国 · 卧式 剖分式，便于检修；（日本荏原 筒袋型 （）用双蜗壳，叶轮对称布置平衡轴 公司 年 代 引 多级 向力；进其技术） 离心泵 （）用节流套和回流管，使轴两端的轴封压力为泵进口压力。不断向高、精、尖等高技术含量的领域扩展。国产泵国内高压甲铵泵设计

12、制造基础研究出口产品大幅度增长，在国内引进技术的装置中很国内装备制造企业的现状分析改革开放三十年来，我国泵行业的技术得到了迅猛发展，其设计加工制造技术越来越趋向于与世界泵业技术发展一致。在过去的三十多年里，我国泵行业在材料、泵加工制造工艺方面的研究取得了长足进展；在泵性能、结构、用途、外观质量等诸多方面进行了新产品更新换代，淘汰了一批高耗能的落后产品。随着国家经济持续高速增长和对环境保护的重视，市场对泵的要求越来越高，也推动了泵行业技术水平的提升。国内制造企业纷纷扩建规模，添置先进的加工制造设备和必备的检测、试验手段，使国产泵的可靠性和寿命等方面得到了保证，国产泵多关键泵替代了进口产品，这从另

13、一个侧面反映了国内泵行业的加工制造水平。国内生产合成氨、尿素用大型机械设备始于 世纪 年代，经过二十余年对国外先进技术的消化吸收以及自主创新，尤其是经过一批国家重大技术装备大型合成氨、大型尿素和大型乙烯裂解及其后处理关键设备的研制开发，为产品的设计制造技术进一步发展奠定了一定的基础。国内许多生产企业积极吸取国外先进技术并以消化吸收再创新的方式为国内某些中小化肥装置提供了数台高压甲铵泵或对原进口的高压甲铵泵转子进行修复改造，积累了较为丰富的经验，为大型尿素装置高压甲铵泵· 年 月邢桂坤，等大型尿素装置高压甲铵泵的特点及国产化研究··的国产化打下了坚实的基础。高压甲铵

14、泵国产化研究内容高压甲铵泵组主要有前置泵、主泵、增速箱、驱动机、密封水站、润滑油站等组成。主泵是机组的主体部分，外壳为径向剖分，以承受高压力；内壳体可以是水平剖分或节段式结构，以便于检维修。前置泵主要是为介质增压，以提高主泵的允许汽蚀余量。前置泵可为普通的单级或双级离心泵，悬臂式还是两端支撑性视具体情况而定。在选型时注意前置泵处理介质的特殊性，选用合理的材质、轴（）泵转子干态和湿态动力学研究。（）泵过流部件材质研究。（）主泵轴封及其系统研究。目前国内一些制造商，如杭州大路实业有限公司、重庆水泵厂有限责任公司等，他们在长期引进吸收和再创新的过程中，不断积累和研究小流量、高扬程泵的水力模型，并成功

15、用于高压锅炉给水泵和钢厂高压除磷泵，有了较为丰富的实际经验，这些经验和技术完全可以用于高压甲铵泵的研制和开发。根据国内高压甲铵泵的现状，对进口的高压甲铵泵进封和轴封冲洗形式。同时，前置泵通常与主泵共用 行了跟踪研究，帮助国内尿素生产企业解决高压甲同一底座、密封水站和润滑油站，还应注意前置泵与 铵泵现场操作出现的问题，对现有的高压甲铵泵转主泵直接的衔接和配置一致。 子进行修复改造，提供备用转子等，深入了解和研究机组通常由电机驱动，通过齿轮箱增速。增速 高压甲铵泵的工况和结构特点，为下一步研究、开箱为卧式、水平平行、单级斜齿齿轮传动，该齿轮箱 发、设计和制造高压甲铵泵打下了良好的基础。在属于常规增

16、速箱，国内很多制造企业可以生产，不存 分析和研制高压甲铵泵的过程中要注意高压甲铵泵在技术难题。 的工况特点和开停车情况，以及由于转速提高带来大型尿素装置中高压甲铵泵轴功率通常在 的其他有关机械加工制造方面的问题。至于转子的 左右，视装置规模和装置操作工况和甲铵液的 干态和湿态动力学研究，国内一些高等院校、科研院循环量而变化，可采用高压户外电机，增安节能型， 所已做了大量的研究工作，在数学模型的建立、边界水冷或风冷。滑动轴承采用稀油润滑，可以与泵、增 条件的输入、阻尼特性的研究等方面也积累了一定速箱共用润滑油站。国内南阳防爆、佳木斯等都有 的经验，一些成果已成功用于工业运行，取得了良好成熟产品，

17、可以直接选用。 的效果。润滑油站向前置泵、主泵、齿轮箱以及高压电机结束语等提供压力润滑油，按照 标准进行设计制造。冲洗水站向机械密封提供密封液，两者在技术 由于高压甲铵泵的操作工况恶劣，转速高，结构上不存在困难，均属于常规产品。 相对复杂，国内大型尿素装置采用的高压甲铵泵比较由于甲铵液具有很强的腐蚀性，而且在温度较 认可的形式是中速多级离心泵，全部依赖进口，消耗低时容易结晶，需选用合理的机械密封及冲洗方案。 了大量的外汇。高压甲铵泵国产化设计和制造需综根据介质特性，选用双端面平衡型机械密封，机械密 合研究和利用国内高压多级泵和离心式压缩机转子封弹簧的材料应至少为 不锈钢。国内密封制 的加工制造经验，研究中速多级泵转子在空气中和在造企业及一些合资企业都有相关成熟产品，可以直接采用。由此可见，