淺談離心式液力透平在石化項目中的應(yīng)用

宋華偉，王 爍，韓寶銀

(1.大連深藍泵業(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。除立式潛液透平、雙向流液力透平、泵+透平一體機外，其余透平均滿足API 610標準結(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、葉輪等部件需進行特殊設(shè)計及加工。

2)對試驗臺架及經(jīng)驗依賴性較強。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標準相關(guān)要求。

3)不同廠家指標相差很多，無標準依據(jù)。

2.1.2 試驗難點

工廠進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。液力透平試驗機組見圖1。

圖1 液力透平試驗機組

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，并對軸的許用強度等進行校核，防止超負荷。另外對軸承的可靠性要進行驗算，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口，為減小沖擊損失，出口邊和蓋板應(yīng)進行相應(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/補焊處

3 常規(guī)離心式液力透平機組配套方案

隨著市場需求的不斷改變，目前市場上已有多套液力機組配套方案，同時，機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(負載)+雙軸伸電機+離合器+液力透平

該機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+離合器+液力透平機組

其優(yōu)點為透平故障停機對離心泵運轉(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額定功率的40%。

3.3 泵+液力透平一體機

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

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標準。

3.4 液力透平+異步發(fā)電機+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)電機及并網(wǎng)柜的成熟應(yīng)用，離心式液力透平發(fā)電機機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)備投資為參考標準。根據(jù)目前使用過的液力透平的經(jīng)驗，認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(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。