單驅動液力透平機組的研制及運行總結

宋 根，肖國華

(1.四川美青化工有限公司 四川射洪 629200； 2.四川省自貢工業(yè)泵有限責任公司 四川自貢 643000)

四川美青化工有限公司(以下簡稱美青化工公司)是主要從事合成氨、尿素、碳酸氫銨、三聚氰胺及其下游產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和銷售的綜合型化工企業(yè)，目前已經(jīng)建成200 kt/a合成氨、300 kt/a尿素、100 kt/a車用尿素溶液、45 kt/a三聚氰胺、120 kt/a碳酸氫銨和氨碳分離等生產(chǎn)裝置。

美青化工公司合成氨裝置采用苯菲爾脫碳工藝，脫碳液流量730 m3/h(密度1.21 t/m3)，吸收塔工作壓力3.00 MPa，再生塔工作壓力0.08 MPa，扣除管道壓降，兩端壓差為2.30 MPa。如何回收壓差達2.30 MPa的富液能量，對液力透平的需求因此產(chǎn)生。

液力透平是利用高壓富能流體經(jīng)轉輪相互作用，將液壓能轉換為機械能以實現(xiàn)能量回收的裝置。液力透平可廣泛應用于具有高壓富能剩余流體的回收工段中，以此降低企業(yè)生產(chǎn)成本。離心泵反轉作為液力透平，即此時泵的進口為透平的出口，泵的出口為透平的進口。當高壓富能流體進入透平時，推動葉輪旋轉，葉輪則帶動主軸旋轉，末端通過外接受能裝置實現(xiàn)機械能的回收。

一直以來，單驅動液力透平機組只能依賴進口，國內只能生產(chǎn)雙驅動液力透平機組[1]。美青化工公司于2006年建設的200 kt/a合成氨項目采用國產(chǎn)雙驅動液力透平機組，投產(chǎn)幾年來運行斷斷續(xù)續(xù)，節(jié)能效果不明顯。為了進一步降低合成氨能耗，美青化工公司與四川省自貢工業(yè)泵有限責任公司(以下簡稱自貢工業(yè)泵公司)達成合作協(xié)議，共同研發(fā)單驅動液力透平機組。通過近3年的研發(fā)，單驅動液力透平機組(圖1)于2016年3月試車成功，并于同年通過四川省科技成果鑒定。

圖1 單驅動液力透平機組

1 液力透平測試技術

在5 000 m3開式A級精度水泵試驗平臺上，采用中國農業(yè)科學院PSM泵自動檢測系統(tǒng)[2]，四川省自貢工業(yè)泵有限責任公司擁有的6個測試臺位最大測試當量直徑可達DN 2 000 mm，測試壓力可達25 MPa。測試中心動力配電采用工頻和變頻2套運行系統(tǒng)，動力總配0～10 kV可調電源，裝機容量達2 500 kW。泵進行透平測試時，安裝1臺透平機組，透平所需富液由2臺多級泵供給。在透平聯(lián)軸器一側安放扭矩測量儀，富液壓力通過壓力控制裝置進行調節(jié)，可控制在0～5 MPa。

采用2臺多級泵并聯(lián)形式向透平注水，輔以調節(jié)閥、泄流閥及旁通管路控制注水量。測試對象為同一葉輪的4種改進形式，所有測試都是在轉速2 950 r/min下進行。對測試得到的流量、揚程、軸功率和效率進行了計算，測試誤差在5%以內，可認為測試結果是可靠的。

2 投運后的效果及比對

2.1 雙驅動液力透平機組的缺陷

(1)需要設置全功率電機，回收的能量只能部分被有效利用。按API 610標準附錄C的C3.4.2，主驅動機的額定功率應在無液力透平機的協(xié)助下能驅動機組，即主驅動電機應按全功率選取，造成電機在低負載率下運行。

(2)液力透平機流量或壓力的波動引起超速離合器的脫開或嚙合，從而影響超速離合器的使用壽命。該超速離合器大多從國外進口，價格昂貴。

(3)半貧液泵、電機、超速離合器、液力透平機用3套聯(lián)軸器將4個轉子串聯(lián)，機組很長，不僅影響機組運行的穩(wěn)定性和可靠性，而且對維修要求較高。

(4)需要為全功率電動機增設配電設施。

2.2 工藝對比

如圖2所示，采用國產(chǎn)雙驅動液力透平機組時的設備配置：國產(chǎn)雙驅動液力透平機2臺，2開1備；電動半貧液泵(630 kW)2臺，2開1備；液力透平機帶動半貧液泵(630 kW)2臺，2開1備。投用液力透平機組前，先啟用電機帶動半貧液泵，待電機及泵運行正常后對液力透平機沖轉，液力透平轉速達到電機轉速時離合器咬合，配合電機起到節(jié)電的效果。

A、B、C、D. 半貧液泵圖2 雙驅動液力透平機組設備配置

如圖3所示，采用國產(chǎn)單驅動液力透平機組時的設備配置：國產(chǎn)單驅動液力透平機1臺；電動半貧液泵(630 kW)2臺，2開1備；液力透平機帶動半貧液泵1臺。利用富液對液力透平機沖轉，通過能量轉換帶動半貧液泵A，在轉速增加過程中待半貧液泵出口壓力達到工藝指標后并入管網(wǎng)。

A、B、C. 半貧液泵圖3 單驅動液力透平機組設備配置

3 優(yōu)勢及經(jīng)驗總結

3.1 提供試驗平臺和數(shù)據(jù)

該項目能夠取得成功，除了自貢工業(yè)泵公司的創(chuàng)新研發(fā)、不斷改進、持續(xù)投入外，美青化工公司作為聯(lián)合開發(fā)該項目的第1用戶，憑借多年的現(xiàn)場運行經(jīng)驗及優(yōu)秀的管理團隊，讓國產(chǎn)第1臺單驅動液力透平機從試驗階段就應用于工業(yè)化裝置中。通過在工業(yè)裝置中的多次投運試驗，積累了試驗數(shù)據(jù)，然后反饋給自貢工業(yè)泵公司不斷優(yōu)化透平自身的設計，使之適應不同生產(chǎn)負荷下的循環(huán)量及壓差。

3.2 不斷優(yōu)化工藝流程并完善控制手段

3.2.1 自主編制透平機組及配套電驅泵聯(lián)動控制軟件

國外的半貧液泵-液力透平機組在轉速較低時，透平驅動的A泵與電驅動的B泵無法并聯(lián)運行，液力透平機須脫開，只用2臺電驅動的B泵和C泵并聯(lián)運行，造成富液能量的浪費。當透平的轉速超過2 980 r/min時，為防止飛車危險，按API 610標準規(guī)定,應將富液旁路閥打開，也造成富液能量的浪費。

而國產(chǎn)的單驅動液力透平機組在轉速較低時，液力驅動的A泵出口調節(jié)閥自動關小，使所需功率減小，轉速不再下降，雖然轉速略低，因工作點移向小流量區(qū)域，揚程上升，仍可與電驅動的B泵并聯(lián)運行(兩泵的出口壓力相同)；而電驅動的B/C泵出口調節(jié)閥自動開大，使流量增加，A+B/C泵的總流量不變，從而滿足工藝要求。即液力透平機工作液(富液)的流量和壓力在較大范圍內波動時，國產(chǎn)的半貧液泵-液力透平機組仍可運行，實現(xiàn)了富液能量的充分利用。

3.2.2 設備自適應能力強

通過不斷摸索，液力透平機組可以在壓差1.9～2.3 MPa、循環(huán)量600～800 t/h、轉速2 850～3 150 r/min的條件下均能適應并滿足生產(chǎn)裝置不同負荷要求，與進口設備相比適應性更強。

3.3 能量回收充分

國外半貧液泵-液力透平機組在轉速高于2 980 r/min時，液力透平機的旁路閥必須打開,富液走旁路，造成能量浪費。

國產(chǎn)單驅動液力透平機組可在轉速2 850～3 150 r/min下運行，實現(xiàn)了能量回收的最大化。

3.4 節(jié)能效果顯著

國產(chǎn)單驅動液力透平機組投運之前，同時開2臺電動泵，其中：B泵電機電流30 A，功率490 kW；C泵電機電流32 A，功率520 kW。國產(chǎn)單驅動液力透平機組投運后，只開1臺電動泵，其電流為37 A，功率580 kW。

經(jīng)測定，相同工況(天然氣負荷570 000 m3/d)下，國產(chǎn)單驅動液力透平機組比雙驅動機液力透平機組節(jié)電約500 kW·h。按噸氨耗天然氣940 m3/h、日產(chǎn)合成氨607 t、電價0.5元/(kW·h)計，噸氨節(jié)電19.8 kW·h，年節(jié)電3 600 000 kW·h，年節(jié)約電費約180萬元。單套國產(chǎn)單驅動液力透平機組總投資約250萬元，18個月左右即可收回全部投資，經(jīng)濟效益顯著。