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乙烯深冷泵国产化应用

文档作者：王俭革文档来源：中国石化中原石油化工有限责任公司		更新日期： 2026年05月13日	点击数：
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􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓􀪓 收稿日期:２０２０Ｇ０３Ｇ２０.
作者简介:王俭革,１９９１年毕业于抚顺石油学院(现辽宁石
油化工大学)机械系,学士,长期从事设备管理与工程管理工
作,现任中原石油化工有限责任公司项目筹备组组长,高级工
程师.
Email:e－wjg＠１２６．com.
乙烯深冷泵国产化应用
王俭革
(中国石化中原石油化工有限责任公司,河南濮阳４５７０００)
　　摘　要:由中原某设计院和制造商共同研制了一种适用于输送乙烯、乙烷等深冷介质的立式筒袋泵.该
泵于２０１７年一次开车成功,稳定运行至今,各项指标符合规范要求.相比进口设备,该泵不仅节约了２００多
万的投资,同时为深冷泵国产化积累了宝贵的经验.文章记述了乙烯深冷泵的设计制造、现场安装、试车等
全过程.
关键词:乙烯　深冷　国产化　立式泵
doi:１０．３９６９/j．issn．１００６－８８０５．２０２０．０３．０１４
１　乙烯深冷泵行业现状
１．１　乙烯裂解装置深冷泵行业现状
石油化工行业是国民经济支柱行业之一.乙
烯是石油化工的基础产品.它的产量和生产技术
代表着一个国家石油化工的发展水平.乙烯裂解
装置是将石油烃进行高温裂解,生产出高纯度乙
烯、丙烯的装置.石油烃类经过高温裂解后,得到
的气体混合物组分比较复杂.这就需要把乙烯、
丙烯从气体混合物中分离出来.目前,世界上主
流的分离工艺是深冷分离方法.
所谓深冷分离,就是利用气体混合物中各组
分的沸点差异,用低温蒸馏法将各组分逐一分离.
这种分离流程中的最低操作温度接近－１８０ ℃,
故称之为深冷分离技术.该技术是目前乙烯工业
中使用最为广泛的分离技术.其优点是:物料处
理量大,能量利用合理,分离效果好,乙烯、丙烯产
品纯度可达９９．９％以上.深冷分离技术经济指标
先进,适用于大型乙烯生产工厂.
在深冷分离过程中,乙烯、乙烷等深冷液体的
循环及增压均需要深冷泵完成.目前国内的乙烯
裂解装置中,乙烯深冷泵均为国外进口设备,国产
化率几乎为零.近几年以来,国内液态乙烯单体
需求旺盛,中石化新建了几套乙烯单体装车装置
以满足市场需求.乙烯单体装车装置采用制冷技
术将高压液体乙烯(１７．６×１０５ Pa、－３３ ℃)转化
为常压、低温液态乙烯(－１０４℃),以便于公路运
输,其产品输送泵与乙烯深冷分离装置中的乙烯
深冷泵工况相似【１】.
１．２　乙烯单体外卖装置乙烯深冷泵
中国石化中原石油化工有限责任公司(简称
中原石化)是中国石化下属子公司,其乙烯产能为
３２万t、丙烯产能１６万t.因市场对乙烯单体需
求旺盛且经济效益好,中原石化决定新建１ 套
１０万t/a乙烯单体外卖装置.该装置包括１座
１５００m３ 低温乙烯储罐、１套乙烯泡点气压缩机
组、１套丙烯制冷压缩机组、２台乙烯深冷泵和
２套装车撬等.
根据项目情况,该装置核心设备决定采用国
产化产品.乙烯深冷泵就是该装置核心设备之
一.该类泵国产化应用在国内尚属于首次.
２　乙烯深冷泵参数及设计难点
乙烯深冷泵数据见表１.
表１　乙烯深冷泵数据
项目参数
介质乙烯液体
温度/℃ －１０４
扬程/m ８８
流量/(m３􀅰h－１) ４９．１
有效汽蚀余量/m ２．２
动设备　　　　石油化工设备技术,２０２０,４１(３)􀅰６２􀅰
PetroＧChemicalEquipmentTechnology
　　由于乙烯液体具有超低温、润滑性差、易汽化
等特点,在泵的低温结构设计、机械密封选型、摩
擦副防抱死、润滑油防冻等方面均面临诸多技术
难题.
３　乙烯深冷泵设计
３．１　乙烯深冷泵定型结构及泵的设计参数
经设计院、用户、制造厂几次会议研讨,最终
确定了该泵的总体结构采用立式多级离心泵.总
体结构确定后,采用CFD、SOLIDWORKS、
ANSYS等软件进行了流体力学计算、三维模拟仿
真及有限元分析校核.由于物料深低温,因此,对
导向轴承、密封环等摩擦副部位进行了低温设计.
乙烯深冷泵定型结构见图１.泵的设计参数
见表２.
图１　乙烯深冷泵定型结构示意
表２　泵的设计参数
项目参数
泵型号LVC５０Ｇ９×１０
流量/(m３􀅰h－１) ４９．１
扬程/m ８８
必须汽蚀余量/m １．５
电机功率/kW ２２
转速/(r􀅰min－１) １４５０
泵级数１０
介质温度/℃ －１０４
效率,％ ７１
３．２　泵体选材
由于该泵设计温度为－１０４℃,因此,泵体及
管线材质均选择３０４奥氏体不锈钢.因低温乙烯
液体润滑性能差,温度升高很容易气化,为防止动
静部件之间刮擦造成摩擦副的粘连、起皮,进而造
成抱死停机,对摩擦副进行特殊的表面化处理以
增加摩擦副的硬度【２】.
３．３　机械密封选型
由于介质对温度变化非常敏感,且机械密
封(简称机封)位于承压壳体的最高点,经与密封
制造厂共同研究,决定采用APIPLAN１１＋
PLAN５２＋PALN６２方案,其中第一道密封由出
口高压介质节流后进行冲洗,冲洗液经过管路回
到吸入口,PLAN５２缓冲液采用的甲醇.密封冲
洗方案见图２.密封外侧设氮气吹扫,避免空气
凝露结冰.机封“O”形密封圈和动、静环材质选
择很关键,要充分考虑低温工况下的持久性【３】.
３．４　摩擦副最小间隙分析
由于乙烯液体润滑性差,低温泵最常见的故
障是物料汽化引起泵振动,最终造成摩擦副发生
接触,直至转子抱死停机.因此,需核算运行状态
下摩擦副间隙的大小,以确保不发生刮擦.摩擦
副最小间隙＝设计间隙(按照API６１０确定的静
态间隙)－相对冷变形－轴振动位移.该泵需要
　第４１卷第３期 王俭革．乙烯深冷泵国产化应用 􀅰６３􀅰
核算２处具有代表性的摩擦副最小间隙,即:轴与
导向轴承的间隙以及叶轮与壳体密封环的间
隙【４Ｇ５】.泵局部结构见图３.
图２　密封冲洗方案
图３　泵局部结构
３．４．１　配合尺寸及材料
轴与导向轴承的配合主要有３ 种尺寸:
ϕ３０D８/h６、ϕ５５D８/d８和ϕ６５D８/d８等;叶轮密封
环与壳体之间的密封环的配合主要有２种尺寸:
ϕ１３０H７/ϕ１２９．１５h８ 和ϕ１３５H７/ϕ１２４．１５h８.分
析对象所选用的部分材料见表３.
表３　泵的部件材料
泵部件名称材料
轴０Cr１７Ni４Cu４Nb
导向轴承WR５２５/碳石墨浸渍铜
叶轮密封环００Cr１７Ni１４Mo２锻
导流壳密封环００Cr１７Ni１４Mo２锻
３．４．２　轴振动位移分析
利用ANSYS对转子固有频率和振型进行模
态分析.表４给出了该泵转子在－１０４℃下的３阶
固有频率.由表４可见,第１阶固有频率远高于
泵的工作频率２４．１７ Hz,故转子不存在共振风
险.轴的第１阶振型示意见图４.由图４可见,
在第１０级导流壳与顶部角接触轴承之间轴线点
振动值最大.由于每级导向轴承的支撑作用,第
１级至第１０级间的振动不明显.R１(轴端导向轴
承套)、S１(首级导向轴承套)、S１０(第１０级导向轴
承套)轴线点振动位移的变化趋势见图５.由图５
可知,各点的振动位移随转速增加而增大,轴的最
低端振动最大,工作转速下的振动幅值为１４μm.
表４　－１０４ ℃下的固有频率单位:Hz
第１阶第２阶第３阶轴向振动
１５４．５４ １６７．８４ ４４７．８４ ４８８．３３
图４　轴的第１阶振型示意
注:y 轴为振动位移,x 为轴长.０点为轴最下端.
图５　R１、S１和S１０导向轴承轴线点振动位移
　　随转速的变化趋势
３．４．３　叶轮振动分析
图６给出了P１(首级叶轮密封环)、P５(第５
级叶轮密封环)、P１０(第１０级叶轮密封环)密封
环轴线点振动位移的变化趋势.
由图６可知,工作转速下,叶轮密封环的最大
􀅰６４􀅰 石　油　化　工　设　备　技　术 ２０２０年　
振动幅值为１４μm.
图６　P１、P５和P１０密封环轴线点振动位移
　　随转速的变化趋势
３．４．４　摩擦副冷变形分析及最小间隙
使用ANSYS软件对摩擦副进行冷变形分
析,主要分析导向轴承和轴的冷变形以及叶轮密
封环与导流壳密封环的冷变形.综合振动位移,
计算出运行时的最小间隙如下:
１)－１０４ ℃低温载荷下导向轴承和轴的冷
变形及最小间隙见表５.由表５可知,在运行工
况下,导向轴承和轴之间的最小间隙为５１μm.
２)叶轮和导流壳间密封环冷变形及最小间
隙见表６.
低温泵第１级、第１０级叶轮和导流壳在５个
温度(－４０ ℃、－７０ ℃、－１０４ ℃、－１６０ ℃和－
１９６℃)工况下的冷变形与间隙变化分别见表６
和表７.
表５　－１０４ ℃下的变形、间隙变化及最小间隙
导向轴承设计间隙/μm 轴变形/mm 轴承变形/mm 相对变形/μm 振动位移/μm 最小间隙/μm
R１ １３０．０ ０．０３８８８０ ０．０３８８００ ０．００ １４．００ ５１．００
S１ ２００．０ ０．０５１８３９ ０．０７１２８０ １９．４４ ０．３９ ８０．１７
S１０ ２００．０ ０．０７１２７７ ０．０８４２４０ １２．９６ ９．８９ ７７．１５
表６　第１级的叶轮和导流壳间密封环间隙变化
温度/℃ 叶轮密封环/mm 导流壳密封环/mm 相对变形/μm 振动位移/μm 设计间隙/mm 最小间隙/μm
－１９６ ０．１６８２８０ ０．１６８４８０ ０．２００ ７５ ０．８５ ３４９．８００
－１６０ ０．１４０１９０ ０．１４０４００ ０．２１０ ７５ ０．８５ ３４９．７９０
－１０４ ０．０９６５０５ ０．０９６７２０ ０．２１５ ７５ ０．８５ ３４９．７８５
－７０ ０．０６９９８２ ０．０７０２００ ０．２１８ ７５ ０．８５ ３４９．７８２
－４０ ０．０４６５７８ ０．０４６８００ ０．２２２ ７５ ０．８５ ３４９．７７８
表７　第１０级的叶轮和导流壳间密封环间隙变化
温度/℃ 叶轮密封环/mm 导流壳密封环/mm 相对变形/μm 振动位移/μm 设计间隙/mm 最小间隙/μm
－１９６ ０．１７４７５２ ０．１７４９６０ ０．２０８ ３５．２ ０．８５ ３８９．５９２
－１６０ ０．１４５５８２ ０．１４５８００ ０．２１８ ３５．２ ０．８５ ３８９．５８２
－１０４ ０．１００２１７ ０．１００４４０ ０．２２３ ３５．２ ０．８５ ３８９．５７７
－７０ ０．０７２６７４ ０．０７２９００ ０．２２６ ３５．２ ０．８５ ３８９．５７４
－４０ ０．０４８３６９ ０．０４８６００ ０．２３１ ３５．２ ０．８５ ３８９．５６９
　第４１卷第３期 王俭革．乙烯深冷泵国产化应用 􀅰６５􀅰
　　综上所述,低温泵摩擦副最小间隙受温度变
化影响较小,受转速变化影响较大.在运行工况
下,该泵摩擦副最小间隙５１μm,说明该泵在不会
发生接触摩擦.
４　现场安装、工艺处理及开车情况
正确的设计方案是乙烯深冷泵国产化成功的
基础,现场的安装、工艺处理及初次开车方案同样
也十分重要.由于该泵为立式多级离心泵,且物
料深冷易汽化,稍有不慎,就会导致泵抽空抱死.
４．１　安装
泵竖立安装在砼基础上.由于泵摩擦副最小
设计间隙为１３０．０μm(见表５),因此,泵安装的
垂直度越小越好.对于立式泵,筒体法兰是泵轴
向加工基准,也是现场安装时的测量基准,因此,
泵安装的垂直度通过控制筒体法兰的安装水平度
来保证.在现场安装时,用框式水平仪测量筒体
法兰,使其水平度控制在０．００~０．０５mm/m 范围
内.在初次找正及二次灌浆过程中,要同步复核
其水平度的变化.
４．２　氮气置换
由于物料为－１０４℃乙烯液体,因此,泵腔的
除水干燥控制十分重要,吹扫氮气排出口的露点
必须低于－６０℃.在干燥过程中,要交叉采用正
吹与反吹法,确保不留死角,尤其摩擦副之间必须
经过充分吹扫,包括机械密封管路.干燥过程中,
每间隔２０min盘车一次.由于干燥不达标造成
低温深井泵初始开车失败的教训比比皆是,且原
因很难查找.因此,在干燥合格之后,要保持微量
氮气吹扫泵腔.
４．３　预冷
泵腔吹扫氮气的露点合格之后,引气相乙烯
预冷泵.当泵座出现白霜后,关闭乙烯气相线,打
开泵入口阀门(出口阀门处于关闭状态),引液体
乙烯预冷泵体.引入液体时,泵体火炬线保持适
当开度.预冷过程中,需要１０~２０min盘车,一
旦出现盘不动车的情况,立即终止冷泵.
４．４　初始启动泵
预冷结束后,对泵的盘车、密封、润滑油进行
检查确认,满足要求后,可以开车.初始启动泵
时,泵出口管线内氮气压力要与泵出口设计压力
基本相同.启动泵后,出口阀门开启要谨慎,开启
太快会使泵抽空,而开启太慢,机械能转换为热
能,同样也会使泵抽空.乙烯深冷泵的初次开车
十分困难,要小心谨慎,需要耐心与毅力.统计国
内同类泵初始开车的案例,初始开车基本都需要
连续操作十几个小时.连续开车过程中,当发现
泵出口压力波动并出现泵抽空声音时,要立即停
泵,否则会造成泵的损坏.
５　综述
目前,该泵已连续平稳运转了三３年多,经受
了频繁变工况的考验,没有发生任何故障.该泵
国产化过程,的确有许多经验值得总结,但由于知
识产权保护的需要,文章对泵的一些设计细节未
做详述.在决策该泵采用国产还是进口时,中原
石化进行了市场调研,当时此类泵没有国产化先
例.由于项目工期、投资额度的限制,只有采用国
产化设备、确定选用国内低价中标制造商时,感觉
无十分把握.经过制造商、设计院、用户的共同努
力,该泵的国产化研制取得了成功.相比进口设
备,该泵不仅节约了２００多万元的投资,同时也为
深冷泵国产化积累了宝贵的经验.
参考文献:
[１]　关醒凡．现代泵技术手册[M]．中国宇航出版社,
２００２．
[２]　全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会．工
业泵选用手册[M]．北京:化学工业出版社,２０１０．
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[４]　张建峰,孟东旺,贾世宇,等．乙烯装置低温泵[J]．
水泵技术,２００１,(２):６Ｇ１３．
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(第１１版)[S]．
􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍
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􀅰６６􀅰 石　油　化　工　设　备　技　术 ２０２０年　
certain system or components of the gas
turbines．Meanwhile,itsummarizedcorrespondＧ
ing measuresfor operation and maintenance．
ThesehelpedtoimprovetheoperationalreliabilＧ
ityofthegasturbineseffectivelyandensured
thenormalproductionoftheenterprises．The
system and component improvement plans
describedin this paper and the summarized
operatingexperienceareofbigreferencetothe
operationand managementofgasturbinesin
otherrelatedenterprises．
Keywords:９Egasturbine;faultanalysis;reliaＧ
bility;improvement
DOMESTICIZATION APPLICATION OF ETHＧ
YLENECRYOGENICPUMP [６２]
WangJiange(SINOPECZhongyuanPetrochemiＧ
calCorp．LTD．,Puyang,Henan,４５７０００)
Abstract: Zhongyuan Petrochemical CorporaＧ
tion,togetherwiththedesigninstituteandthe
manufacturersjointlydevelopedaverticalcylinＧ
derbagpumpsuitableforconveyingethylene,
ethaneandothercryogenic media．Thepump
wassuccessfullystartedin２０１７andhasbeenin
stableoperationsincethen．Alltheindicators
met the requirements of the specification．
Compared withtheimported equipment,the
pumpnotonlysavedmorethan２millionyuanin
investment, but also accumulated valuable
experienceforthedomesticizationofcryogenic
pumps．Thispaperdescribesthewholeprocess
ofthedesignandmanufacture,fieldinstallation
andcommissioning ofthe ethylene cryogenic
pump．
Key words:ethylene;cryogenic;domesticizaＧ
tion;verticalpump
􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍􀪍
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