胡其來
(安慶實華工程設(shè)計有限責(zé)任公司上海分公司,上海 200136)
目前,凝汽式汽輪機在石油化工裝置的老舊機組上的應(yīng)用較多,以某石化企業(yè)的某催化裝置為例,該裝置采用凝汽式汽輪機驅(qū)動富氣壓縮機,裝置正常負(fù)荷下消耗1.0 MPa蒸汽14.5 t/h,循環(huán)水1 500 t/h,電能3.6 kW,同時產(chǎn)生凝結(jié)水 14.5 t/h。其運行能耗為4.22×108MJ/a,折合標(biāo)油為1.01 萬 t/a,運行能耗和成本均非常高。
經(jīng)分析,富氣壓縮機運行能耗較高的主要原因有以下幾點:①凝汽式汽輪機自身的工藝特點決定了排出的乏汽無法再利用,需消耗大量的循環(huán)水使之冷凝;②該汽輪機于1992年投用,已運行近20 a,機組比較老舊;③該裝置所產(chǎn)1.0 MPa蒸汽的溫度偏低(240℃),影響了汽輪機的的效率。
為降低裝置富氣壓縮機的運行能耗,該裝置將現(xiàn)有氣壓機由凝汽式汽輪機驅(qū)動改為電機驅(qū)動,并增設(shè)液力耦合器調(diào)速系統(tǒng)。
氣壓機入口的富氣組成(物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))如下:甲烷,10.73;乙烷,4.97;乙烯,6.11;丙烷,4.57;丙烯,20.76;異丁烷,6.27;正丁烷,1.69;反丁烯,2.79;正丁烯,2.64;異丁烯,3.51;順丁烯,1.95;≥C5,4.47;氫氣,16.33;氧氣,0.73;CO,0.65;CO2,1.15;氮氣,10.03;硫化氫,0.65。
表1 氣壓機組運行數(shù)據(jù)表
根據(jù)氣壓機和汽輪機的隨機技術(shù)資料,分別計算氣壓機在正常負(fù)荷、最大負(fù)荷及最小負(fù)荷工況下的軸功率,結(jié)果見表2。
表2 氣壓機軸功率計算表
綜合考慮氣壓機的軸功率及液力耦合器的功率損失,改造后主電機采用增安型高壓三相異步電動機(6kV/2500kW/3P/50Hz),電機轉(zhuǎn)速2980r/min。
目前,石油化工行業(yè)主要使用的變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)有兩種,分別為變頻調(diào)速和液力耦合器調(diào)速,兩種調(diào)速原理簡述如下:
變頻調(diào)速是利用變頻器將工頻電源變換成各種頻率的交流電源,通過改變電機定子繞組供電的頻率來達到調(diào)速的目的。目前使用的變頻器主要采用交—直—交方式(VVVF變頻或矢量控制變頻),先把工頻交流電源通過整流器轉(zhuǎn)換成直流電源,然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。
對于本項目來說,如采用變頻調(diào)速需使用高壓變頻器。
液力偶合器是以液體為工作介質(zhì)的一種非剛性聯(lián)軸器,又稱液力聯(lián)軸器。液力耦合器的泵輪和渦輪組成一個可使液體循環(huán)流動的密閉工作腔,泵輪裝在輸入軸上,渦輪裝在輸出軸上。動力機帶動輸入軸旋轉(zhuǎn)時,液體被離心式泵輪甩出。這種高速液體進入渦輪后即推動渦輪旋轉(zhuǎn),將從泵輪獲得的能量傳遞給輸出軸。最后液體返回泵輪,形成周而復(fù)始的流動。
液力耦合器輸入軸與輸出軸間靠液體傳輸動力,工作構(gòu)件間不存在剛性聯(lián)接,在規(guī)定的充液范圍內(nèi),充液越多,傳遞動力越大,輸出的速度越大;充液越少,傳遞動力越小,輸出的速度越小。
目前高壓變頻器調(diào)速和液力耦合器調(diào)速都是比較成熟的產(chǎn)品,均已廣泛用于石油化工、熱電、冶金等行業(yè),這兩種調(diào)速方式各有特點,其主要優(yōu)缺點的初步對比見表3。
表3 高壓變頻器與液力耦合器主要優(yōu)缺點對比表
雖然高壓變頻器調(diào)速范圍、調(diào)速精度和效率都優(yōu)于液力耦合器,但其對使用環(huán)境要求很高,據(jù)石化企業(yè)反映,目前高壓變頻器運行不夠穩(wěn)定,長周期運行設(shè)備故障率較高,不利于裝置的長周期平穩(wěn)運行。經(jīng)綜合分析,同時考慮到該氣壓機調(diào)速范圍和調(diào)速精度要求不高,故變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)選用液力耦合器方案。
液力耦合器按其應(yīng)用特性可分為三個基本類型:普通型、限矩型、調(diào)速型。
普通型液力耦合器結(jié)構(gòu)相對簡單,但腔體有效容積大,傳動效率高。其零速力矩可達額定力矩的6~7倍,有時甚至達20倍,因之過載系數(shù)大,過載保護性能很差。多用于不需要過載保護與調(diào)速的傳動系統(tǒng)中,起隔離扭振和緩沖擊作用。
限矩型液力耦合器采取了結(jié)構(gòu)措施來限制低傳動比時力矩的升高,解決了普通型液力耦合器過載系數(shù)過大的特點,可有效地保護動力機(及工作機)不過載,擴大了液力耦合器的應(yīng)用領(lǐng)域。
調(diào)速型液力耦合器是在輸入轉(zhuǎn)速不變的情況下,通過改變工作腔充滿度(通常以勺管調(diào)節(jié))來改變輸出轉(zhuǎn)速及力矩,即所謂的容積式調(diào)節(jié)。與普通型、限矩型液力耦合器可自身冷卻散熱的特點不同,調(diào)速型液力耦合器因自身結(jié)構(gòu)原因和其輸出轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)幅度大、傳遞功率大的特點,必須有工作液體的外循環(huán)和冷卻系統(tǒng),使工作液體不斷地進出工作腔,以調(diào)節(jié)工作腔的充滿度和散逸熱量。
本項目考慮富氣壓縮機的工作轉(zhuǎn)速及特點,選用調(diào)速型液力耦合器。
液力耦合器主要由泵輪、渦輪、轉(zhuǎn)動外殼、主動軸及從動軸等構(gòu)件組成。液力耦合器和傳動齒輪安裝在一個箱體內(nèi),其結(jié)構(gòu)組成參見圖1。
功率傳輸從電動機到液力耦合器,再傳到從動機械上。泵輪裝在與原動機軸相連的主動軸上(或第一級增速齒輪軸上);渦輪裝在與泵相連的從動軸上(或第二級增速齒輪軸上),兩輪彼此不接觸,相互之間保持幾毫米的軸向間隙,不能進行扭矩的直接傳遞。泵輪和渦輪的形狀相似,尺寸相同,相向布置,合在一起很像汽車的車輪,分開時均為具有20~40片徑向直葉片的葉輪,渦輪的片數(shù)一般比泵輪少1~4片,以避免產(chǎn)生共振。這種葉輪的后蓋板及輪轂在軸面上形成兩個對稱的碗狀投影,且與葉片共同組成沿圓周對稱分布的幾十個凹形流道,稱為工作腔。
圖1 液力耦合器組成示意圖
泵輪和渦輪形成的工作油腔內(nèi)的油,自泵輪內(nèi)側(cè)引入后,在離心力的作用下被甩到油腔外側(cè)形成高速的油流,并沖向?qū)γ娴臏u輪葉片,驅(qū)動渦輪一同旋轉(zhuǎn)。然后,工作油又沿渦輪葉片流向油腔內(nèi)側(cè)并逐漸減速,并在出口處又返回到泵輪的進口處,從而再進行上述循環(huán)流動。
工作油回路由一個閉式回路與一個疊加在它上面的開式回路構(gòu)成。因此充油過程可以是變化的,并可以改變耦合器內(nèi)工作腔的充油量。在閉合回路里,工作油泵將耦合器油箱內(nèi)的油經(jīng)油循環(huán)控制閥供給耦合器開始工作的用油,然后利用勺管前部產(chǎn)生的油流動壓,經(jīng)過冷油器、止回閥與工作油泵供給的油匯合后再流回耦合器內(nèi),形成循環(huán)回路,油循環(huán)控制閥控制耦合器進油量的多少。
液力耦合器通過改變泵輪和渦輪工作腔中的循環(huán)油量,從而達到改變泵輪與渦輪間傳遞的力矩,進而實現(xiàn)改變渦輪輸出轉(zhuǎn)速。
當(dāng)勺管控制器接受負(fù)荷增加調(diào)節(jié)信號后,驅(qū)動伺服器推動勺管向下壓力空間移動,勺管開度增大,同時加大油循環(huán)控制閥的開度,所以進入液力耦合器的工作油量增加、泄油量減少,故液力耦合器的渦輪增速;反之,則上述移動反向。
圖2 液力耦合器的調(diào)速控制示意圖
液力耦合器的可靠性是整個氣壓機組運行可靠性的關(guān)鍵,其選型見表4。
表4 液力耦合器選型表
增速齒輪組設(shè)置在耦合器的輸入端,在運行中可根據(jù)需要用勺管來改變耦合器的充填程度,對從動機械的速度和功率進行無極控制,各工況負(fù)荷下的液力耦合器的輸出功率見表5。
表5 液力耦合器功率輸出表
將原有凝汽式汽輪機拆除,在電動機與氣壓機之間設(shè)置調(diào)速用的液力耦合器,壓縮機本體部分不變,原輔助系統(tǒng)也仍然采用原設(shè)備。新增電機和液力耦合器安裝在一個聯(lián)合底座上。
表6 節(jié)能匯總表
改造后,裝置增加電能消耗1 912.4 kW;減少了1.0 MPa 蒸汽消耗14.5 t/h,循環(huán)水消耗1 425.5 t/h,凝結(jié)水排出14.5 t/h。改造后,每年可節(jié)省標(biāo)油約 5 832.34 t,或標(biāo)煤約 8 331.8 t;減少 CO2排放約19 914.9 t。節(jié)能效果詳見表6。
改造后,年節(jié)能效益約為1 782萬元,大于項目改造投資(約900萬元),投資回收期小于1 a,經(jīng)濟效益十分可觀。
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