液力透平在加氫裂化裝置中的應(yīng)用

畢錦明（中國石化海南煉油化工有限公司，海南 洋浦578101）

中國石化海南煉油化工有限公司（下稱海南煉化）在2006年9月建成投產(chǎn)的120萬噸/年加氫裂化裝置，其熱高壓分離器內(nèi)部壓力為14.3MPa，溫度為245℃。為了將反應(yīng)產(chǎn)物從熱高壓分離器到熱低壓分離器的能量回收，減少裝置的能源浪費(fèi)，反應(yīng)進(jìn)料泵采用了液力透平和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的方案。在額定工況下，液力透平所節(jié)約能耗約為電機(jī)功耗的1/4，節(jié)能效果顯著。

1 液力透平的工作原理及應(yīng)用

透平是將流體工質(zhì)中蘊(yùn)含的能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)器，又稱渦輪或渦輪機(jī)。透平機(jī)械的工質(zhì)可以是氣體，也可以是液體。以液體為工質(zhì)的透平稱為液力透平。石化企業(yè)如煉油廠的裝置中，只要存在高壓差并含有一定流量的工藝過程，基本上都可以采用液力透平回收功率，諸如：高壓管線回流到低壓儲(chǔ)罐的側(cè)線可以設(shè)置液力透平回收能量。加氫裂化、渣油加氫、加氫精制裝置高壓分離器的物流至低壓分離器過程，就可以設(shè)置液力透平回收功率，并和電動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)進(jìn)料泵。

2 液力透平的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

液力透平的主要技術(shù)參數(shù)和反應(yīng)進(jìn)料泵組的布置方式分別見表1和圖1。

表1 液力透平的主要技術(shù)參數(shù)

圖1 泵組的布置方式

2.1 泵組的布置方式

海南煉化120 萬噸/年加氫裂化裝置反應(yīng)進(jìn)料泵主要包括反應(yīng)進(jìn)料泵、電機(jī)和液力透平。其中電機(jī)按額定功率選用，在電機(jī)和液力透平之間布置有超速離合器（見圖1），這樣保證了在液力透平?jīng)]有投用或維修時(shí)，不影響反應(yīng)進(jìn)料泵的正常運(yùn)行。液力透平和反應(yīng)進(jìn)料泵分別位于電機(jī)的兩側(cè)端。采用這種布置方式有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）檢修和維護(hù)非常方便，尤其是抽芯作業(yè)；

（2）液力透平為低轉(zhuǎn)速透平，工作轉(zhuǎn)速為2980rpm，有利于機(jī)械密封的安穩(wěn)長運(yùn)行。

2.2 液力透平的結(jié)構(gòu)

海南煉化加氫裂化裝置采用筒形多級(jí)液力透平，API610 BB5結(jié)構(gòu)。內(nèi)殼體為水平剖分結(jié)構(gòu)，外殼體為徑向剖分的筒形結(jié)構(gòu)，并且外殼體上只設(shè)有進(jìn)口、出口和平衡管線。內(nèi)殼體承受中間段出口壓力和總的出口壓力的差壓，外殼體承受出口與外部的差壓。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

（1）裝有多級(jí)轉(zhuǎn)子的內(nèi)殼體采用水平剖分的雙蝸殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這樣就可以使葉輪背靠背布置，能夠平衡自身的軸向力。而且當(dāng)液力透平檢修維護(hù)時(shí)，其拆裝較為方便，整個(gè)轉(zhuǎn)子可以一起裝入或取出，所有工況下能保證動(dòng)平衡精度。

（2）葉輪、軸等部件組成液力透平的轉(zhuǎn)子，其可以直接作為一個(gè)整體裝入或取出筒體，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的檢修維護(hù)，動(dòng)靜配合間隙的檢測(cè)等都非常方便。

2.3 液力透平的機(jī)械密封

液力透平的介質(zhì)為熱高分油，其壓力大、溫度高、而且較臟，機(jī)械密封在這種工況下運(yùn)行時(shí)壽命較短。為了延長機(jī)械密封使用壽命，液力透平采用了API682標(biāo)準(zhǔn)中的Plan53B+Plan62密封沖洗方案，Plan53B 方案為外部的管道系統(tǒng)為雙端面密封外側(cè)密封提供隔離液，預(yù)先加壓的氣囊式蓄能器為循環(huán)系統(tǒng)提供壓力，隔離液由密封處泵送環(huán)提供循環(huán)動(dòng)力，能有效防止介質(zhì)的泄漏。Plan62方案為外部管道為密封面提供吹掃蒸汽，用于沖走密封端面附近不想要的物質(zhì)（如腐蝕性或含鹽工況）。

3 液力透平的原則流程、熱高分液位控制及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

3.1 液力透平的原則流程

壓力為14.2MPa的熱高分油，需要從熱高分底部流出，熱高分油進(jìn)入液力透平后將大部分壓力能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能后降壓為2.4MPa，再從液力透平出口進(jìn)入熱低分。同時(shí)熱高分油也可以通過設(shè)置在流程上的兩個(gè)高壓角閥直接進(jìn)入熱低分。

3.2 熱高分液位控制

熱高分（D103）液位控制示意圖見圖2。熱高分共設(shè)有三套液位指示表，其中1401LI1201 可以作為液位控制表選擇，1401LI1202 和1401LI1203 作為聯(lián)鎖信號(hào)表選擇。用一個(gè)液位信號(hào)選擇器從1401LHS1201 和1401FHS1201 中選擇一個(gè)表作為控制信號(hào)，通過1401LU1201 把輸出信號(hào)經(jīng)閥門選擇器1401LHS1201 或 1401FHS1201 送 到 閥 門 1401LV1201A、1401LV1201B 或1401FV1202 上，來調(diào)節(jié)熱高分的液位。在液力透平事故狀態(tài)下，可以手動(dòng)或者自動(dòng)切換到1401LV1201A、1401LV1201B，繼續(xù)控制熱高分的液位在平穩(wěn)狀態(tài)。兩個(gè)液控閥門正常投用一個(gè)，另外一個(gè)作為備用。當(dāng)液力透平投用時(shí)，1401FV1202 應(yīng)給手動(dòng)，避免進(jìn)料泵波動(dòng)較大。下圖為熱高分液位控制圖：

3.3 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)

為了保證液力透平安全平穩(wěn)的運(yùn)行，在液力透平本身和系統(tǒng)設(shè)置了安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，設(shè)置和功能如下：

（1）當(dāng)熱高分液位達(dá)到低低（10%）聯(lián)鎖時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉液力透平入口切斷閥及熱高分出口切斷閥，在熱高分液位未正常時(shí)，不允許再啟動(dòng)液力透平；

（2）當(dāng)反應(yīng)進(jìn)料泵停泵時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉液力透平入口切斷閥，液力透平停運(yùn)；

（3）中控室按下關(guān)液力透平入口切斷閥按鈕，液力透平入口切斷閥自動(dòng)關(guān)閉，液力透平停運(yùn)；

（4）液力透平超速達(dá)到3100rpm時(shí)，超速離合器自動(dòng)脫離，同時(shí)自動(dòng)關(guān)閉液力透平入口切斷閥，液力透平停運(yùn)；

（5）當(dāng)循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉液力透平入口切斷閥，液力透平停運(yùn)；

4 液力透平的節(jié)能效果

液力透平的功率計(jì)算公式：NR=（Qt·Ht·ρ·η）/（102·3600）

式中：NR—液力透平在設(shè)計(jì)條件下每小時(shí)所能回收的功率，kW；Qt—進(jìn)入液力透平的流量，m3/h；Ht—通過液力透平的揚(yáng)程降，m；ρ—液體的密度，kg/m3；η—液力透平的效率，%。

本裝置一共有兩臺(tái)反應(yīng)進(jìn)料泵，一臺(tái)由液力透平和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，另一臺(tái)只由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。兩者每年運(yùn)行時(shí)間都按8000h，當(dāng)?shù)毓I(yè)電費(fèi)0.6元/度。只由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)進(jìn)料泵，軸功率1889kW，其電耗為1.5×107kW/h，一年電費(fèi)約900萬元。

根據(jù)表1可知液力透平在設(shè)計(jì)條件下每小時(shí)所能回收的功率NR為627.8kW，其節(jié)省電為5×106kW/h，一年節(jié)省電費(fèi)約300萬元。

綜上所述，液力透平的投用對(duì)裝置節(jié)能降耗、減少生產(chǎn)運(yùn)營成本有顯著的效果。

5 結(jié)語

液力透平是一種具有長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益的節(jié)能設(shè)備，其安穩(wěn)長運(yùn)行對(duì)降低裝置綜合能耗具有重要作用。海南煉化加氫裂化裝置反應(yīng)進(jìn)料泵采用液力透平和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)后，節(jié)能效果顯著，為裝置的長周期運(yùn)營降低了成本。但是，也有一些問題在液力透平的實(shí)際使用過程中出現(xiàn)，如機(jī)械密封泄漏等。這就需要后續(xù)不斷地研究解決，從而實(shí)現(xiàn)液力透平的長期穩(wěn)定運(yùn)行。