宋華偉，王 爍，韓寶銀

(1.大連深藍(lán)泵業(yè)有限公司，遼寧 大連 116031；2.惠生工程(中國)有限公司，上海 201210)

1 離心式液力透平應(yīng)用的領(lǐng)域及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

簡單而言，液力透平可以對工藝流程中高壓流體降壓過程中富余液能進(jìn)行回收再利用。使用場合有：加氫裂化、渣油加氫、加氫精制等煉化裝置中高壓分離器至低壓分離器的物流降壓過程；重整裝置中抽提塔至汽提塔的介質(zhì)壓差；脫硫脫碳裝置，如低溫甲醇洗、熱鉀堿、碳丙液、MDEA等工藝的吸收塔與解析塔之間的壓差利用；抽水蓄能反滲透海水淡化系統(tǒng)富鹽水尾壓回收；大型LNG裝置、LNG運輸，替代J-T閥應(yīng)用的低溫液力透平；油品管線輸送裝置中，管線從高壓處向罐區(qū)輸送尾壓回收；其他存在高低壓差的裝置。

離心式液力透平結(jié)構(gòu)多種多樣，主要有 OH2、BB1、BB2、BB3、BB4、BB5、立式潛液透平結(jié)構(gòu)、雙向流液力透平、泵+透平一體機(jī)。除立式潛液透平、雙向流液力透平、泵+透平一體機(jī)外，其余透平均滿足API 610標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)要求。

2 離心式液力透平技術(shù)難點及解決方案

2.1 技術(shù)難點

2.1.1 設(shè)計難點

1)液力透平設(shè)計無理論支撐，僅依靠制造廠設(shè)計、制造及使用經(jīng)驗。結(jié)合液力透平的工作原理，在液力透平的蝸殼、葉輪等部件需進(jìn)行特殊設(shè)計及加工。

2)對試驗臺架及經(jīng)驗依賴性較強(qiáng)。目前國內(nèi)外工業(yè)生產(chǎn)中采用的液力透平主要采用倒流運行的離心泵，即常規(guī)離心泵的出口作為入口，入口變成出口，執(zhí)行API 610標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

3)不同廠家指標(biāo)相差很多，無標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

2.1.2 試驗難點

工廠進(jìn)行水力回收透平的試驗需要一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，要求的設(shè)備也與試泵不同，必須有一個高壓水源和水力回收透平的測功拖動裝置。液力透平試驗機(jī)組見圖1。

圖1 液力透平試驗機(jī)組

2.1.3 煉油項目加氫裝置用液力透平特點

1)入口高壓(從吸收塔回來的高壓液體，最高壓力超過30 MPa)；

2)介質(zhì)高溫(溫度在200 ℃以上，最高可達(dá)400 ℃)；

3)介質(zhì)經(jīng)過液力透平將析出H2S、SO2等氣體；

4)應(yīng)用過程中，流量-壓力容易波動(原料不同，所富含的氣體量也就不同，在釋放過程中容易造成壓力波動)；

5)為了保證透平出口介質(zhì)液化狀態(tài)，需要保持在高壓狀態(tài)，一般要求液力透平出口壓力在 2～3.5 MPa范圍內(nèi)。

2.1.4 低溫甲醇洗裝置液力透平特點

1)入口壓力較高(通常在3～5 MPa)；

2)介質(zhì)低溫(溫度通常在 -30～-40 ℃)；

3)介質(zhì)經(jīng)過液力透平將析出H2S、SO2等氣體；

4)應(yīng)用過程中，由于工藝或者工況的波動，介質(zhì)中容易含有一定量的顆粒雜質(zhì)；

5)為了保證透平出口介質(zhì)液化狀態(tài)，需要保持在高壓狀態(tài)，一般要求出口壓力在1.2 MPa以上。

2.2 液力透平選型注意事項及解決方案

2.2.1 選型注意事項

富含氣體的低溫介質(zhì)(如低溫甲醇洗中的富甲醇、半貧甲醇)隨著壓力的釋放，到末級葉輪(低壓力)后，液體壓力接近了氣體的汽化壓力，有氣體析出，因此，會造成軸向力原有平衡的破壞,并產(chǎn)生振動。這一點在氣體含量波動較大的情況下極為明顯。

2.2.2 解決方案

1)限制液力透平出口壓力(即選型時，壓差ΔP降低)，使氣體析出量極限保持在5%～10%(體積含量)之間，保證穩(wěn)定運行。

2)根據(jù)客戶要求或優(yōu)選效率高的結(jié)構(gòu)，常選不帶平衡機(jī)構(gòu)泵，如API 610 OH2、BB2、BB3。

3)密封方案通常按濕封PLAN11+52+62(N2)、干封PLAN11+72+75選用，采用外沖洗方式。

4)常規(guī)適用流量不宜<40%額定值(即最佳流量或零功率點)【1】。

5)嚴(yán)格監(jiān)控液力透平轉(zhuǎn)速，保證在2 980～3 012 r/min內(nèi)運行；對于發(fā)電方案，報警/停車轉(zhuǎn)速由發(fā)電機(jī)廠給出(一般為3 015～3 030 r/min報警，3 020～3 035 r/min停車)。

6)一旦用戶現(xiàn)場失電，聯(lián)鎖液力透平進(jìn)口節(jié)流閥緊急切斷入口介質(zhì)，同時打開旁通閥，將介質(zhì)通過旁路卸掉【2】。

7)所有的離心泵基本上都可以作為能量回收液力透平使用，特別是許多低、中比轉(zhuǎn)速的離心泵。不過，由于泵的反轉(zhuǎn)效應(yīng)，軸承潤滑系統(tǒng)、密封系統(tǒng)都有相應(yīng)的變化，包括泵軸有螺紋的部件(如螺母的防松設(shè)施等)都應(yīng)充分考慮，并對軸的許用強(qiáng)度等進(jìn)行校核，防止超負(fù)荷。另外對軸承的可靠性要進(jìn)行驗算，因為當(dāng)泵作為液力透平使用時，將使葉輪產(chǎn)生更高的壓差和徑向力。

8)泵作為液力透平使用，葉片出口變?yōu)橥钙竭M(jìn)口，為減小沖擊損失，出口邊和蓋板應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)修圓處理，見圖2。

圖2 葉輪葉片和蓋板修正位置

9)蝸殼泵用作透平時，通過切除/補(bǔ)焊隔舌的方式(之一)來調(diào)節(jié)透平工況點，見圖3。

圖3 蝸殼結(jié)構(gòu)透平隔舌切除/補(bǔ)焊處

3 常規(guī)離心式液力透平機(jī)組配套方案

隨著市場需求的不斷改變，目前市場上已有多套液力機(jī)組配套方案，同時，機(jī)組配套方案同工藝流程有直接關(guān)系，在選擇時需要制造廠商同用戶密切結(jié)合，按照實際需求選取最優(yōu)方案。典型配套方案如下。

3.1 離心泵(負(fù)載)+液力透平

該方案中離心泵與液力透平采用聯(lián)軸器直連，液力透平回收的能量可直接用于離心泵，見圖4。

圖4 泵+液力透平機(jī)組

其優(yōu)點為占地空間小，無需配套離合器；缺點為現(xiàn)場液力透平工況穩(wěn)定性要求較高，操作繁瑣。

3.2 離心泵(負(fù)載)+雙軸伸電機(jī)+離合器+液力透平

該機(jī)組配套方案是市場上應(yīng)用最多的方案。液力透平作為輔助節(jié)能設(shè)備，與雙軸伸電機(jī)通過單向離合器連接，當(dāng)單向離合器的動力輸出部分(電機(jī)側(cè))轉(zhuǎn)速比動力源(液力透平側(cè))還快時，離合器處于解脫狀態(tài)，離合器內(nèi)、外環(huán)沒有任何連動關(guān)系，反之離合器嚙合，起到節(jié)能的作用，見圖5【2】。

圖5 泵+雙軸伸電機(jī)+離合器+液力透平機(jī)組

其優(yōu)點為透平故障停機(jī)對離心泵運轉(zhuǎn)無影響，對現(xiàn)場工況和操作要求低；缺點為占地空間大，投資成本高，透平回收功率不得大于電機(jī)額定功率的40%。

3.3 泵+液力透平一體機(jī)

該方案中泵與液力透平采用直連共軸形式，液力透平回收的能量可直接用于拖動離心泵，見圖6。

圖6 泵+液力透平一體機(jī)

其優(yōu)點為結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間小，可省去一套離合器，回收效率高；缺點為現(xiàn)場透平工況穩(wěn)定性要求較高，操作繁瑣，不符合API 610標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 液力透平+異步發(fā)電機(jī)+并網(wǎng)柜

石化項目中離心式液力透平發(fā)電應(yīng)用較晚，隨著異步發(fā)電機(jī)及并網(wǎng)柜的成熟應(yīng)用，離心式液力透平發(fā)電機(jī)機(jī)組也得到了廣泛的應(yīng)用，液力透平回收的液能可直接并入裝置電網(wǎng)，見圖7。

圖7 液力透平發(fā)電機(jī)組

其優(yōu)點為結(jié)構(gòu)緊湊，占地空間小，可省去一套離合器；缺點為對現(xiàn)場并網(wǎng)調(diào)節(jié)有一定要求。

4 離心式液力透平回收效益計算

對于所選用的液力透平，應(yīng)根據(jù)具體單位的使用情況確定回收能量原則，建議以2 年左右回收其設(shè)備投資為參考標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)目前使用過的液力透平的經(jīng)驗，認(rèn)為單級液力透平回收功率大于 22 kW、多級液力透平回收功率大于75 kW 時是經(jīng)濟(jì)可行的。液力透平的回收功率PT回=γT×QT×HT×ηT/367.2，其中，γT為介質(zhì)比重，QT為透平流量，HT為透平揚程，ηT為透平效率。離心式液力透平應(yīng)用的工況范圍及大致的回收功率見圖8。

圖8 離心式液力透平應(yīng)用工況及回收功率圖譜

投資成本包括液力透平、離合器(如果有)、共用底座、聯(lián)軸器、轉(zhuǎn)速儀表、振動儀表(如果有)、入口節(jié)流閥(買方自采)、旁通閥(買方自采)、發(fā)電機(jī)(如果有)、并網(wǎng)柜(如果有)、操作柱(如果有)。

目前離心式液力透平投資成本的回收期限一般不會超過18個月，其中，OH2結(jié)構(gòu)回收期限10～14個月，BB2結(jié)構(gòu)回收期限12～14個月，BB5結(jié)構(gòu)一般回收期限14～18個月，而且運行非常穩(wěn)定。

5 結(jié)語

國務(wù)院辦公廳印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃(2014-2020年)》提出以“節(jié)約、清潔、安全”為戰(zhàn)略方針，確定“節(jié)約優(yōu)先戰(zhàn)略”，明確把節(jié)約優(yōu)先貫穿于經(jīng)濟(jì)社會及能源發(fā)展的全過程，集約高效開發(fā)能源，科學(xué)合理使用能源，大力提高能源效率，加快調(diào)整和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，推進(jìn)重點領(lǐng)域和關(guān)鍵環(huán)節(jié)節(jié)能，合理控制能源消費總量，以較少的能源消費支撐經(jīng)濟(jì)社會較快發(fā)展。離心式液力透平技術(shù)是石油化工、煤化工能源領(lǐng)域的重要節(jié)能手段。本文介紹的液力透平的應(yīng)用領(lǐng)域、結(jié)構(gòu)、難點及解決方案，以及液力透平的配套方案是多年設(shè)計及應(yīng)用經(jīng)驗的總結(jié)，希望可為液力透平的選擇及應(yīng)用提供借鑒。