能量回收多級液力透平機組性能測試與評定

毛海瑞 鐘偉明 孫亮亮 賀立新

(1.常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213164；2.中國石化股份有限公司廣州分公司，廣州 510726；3.上海眾深科技股份有限公司，上海 201203)

能量回收多級液力透平機組性能測試與評定

毛海瑞1鐘偉明2孫亮亮3賀立新3

(1.常州大學機械工程學院，江蘇 常州 213164；2.中國石化股份有限公司廣州分公司，廣州 510726；3.上海眾深科技股份有限公司，上海 201203)

結合生產工藝流程與現場實際要求，研制了年產120萬噸加氫裂化裝置能量回收多級液力透平機組，入口額定壓力13.43MPa，出口額定壓力0.60MPa。單級回收功率不低于6.3kW，總回收功率不低于56.7kW。現場運行試驗結果表明：該裝置各項性能基本滿足設計要求，由于處于小流量工況下運行，在額定點的性能和回收效率與要求存在一些偏差。

多級液力透平機 石油加氫裂化系統 能量回收 節能降耗

石油加氫裂化過程中產生的高壓流體壓力能的回收利用一直受到國內外石油機械行業的廣泛關注。在《中國節能技術大綱》、《重大技術裝備自主創新指導目錄》等文件中，多次提及“液力透平”技術[1]。隨著液體余壓能量回收技術的發展，這些高壓液體可以通過液力透平做功，將壓力能轉換為液力透平機械能，以軸功率的形式輸出，達到回收能量的目的[2]。

目前，國內外主要按工業用離心泵的設計方法，結合液力回收透平的特點，設計對應工況下的液力透平機。其中關鍵的問題是找出泵反轉作為液力透平使用時，泵和透平工況性能參數的關系，為液力透平的選型提供參考[3]。

工業生產中的余壓能是可再生能源，用液力透平機代替減壓閥，避免了余能的浪費[4]。針對廣州石化煉油加氫裝置中高壓液體的實際情況，考慮到高壓富胺液壓力能的回收與利用，中國石油化工股份有限公司廣州分公司、天華化工機械及自動化設計研究院有限公司、沈陽太平洋水泵股份有限公司和上海眾深科技股份有限公司，共同承擔了中國石油化工股份有限公司廣州分公司年產120萬噸加氫裂化裝置能量回收多級液力透平機組的研制設計開發任務，并作為中國石油化工股份有限公司的國產化課題。

該能量回收多級液力透平機組的成功研制對于石油加氫裂化系統的節能降耗，生產成本的縮減有積極作用，可為今后液力回收透平性能的研究、運行工況的調整和機組配套裝置的選擇提供參考。

1 液力透平操作條件和主要技術指標

液力回收透平輸送介質為含H2S的水(H2S含量2.4%V，具有腐蝕性)，密度0.997 8g/cm3，操作溫度60℃，額定流量40m3/h，最小流量35m3/h，最大流量45m3/h，液力回收透平入口額定壓力13.43MPa，出口額定壓力0.60MPa。

能量回收多級液力透平機組國產化的技術指標為：液力透平機葉輪級數為9級，單級揚程142m，總揚程1 283m，轉速3 000r/min，比轉速27.98，效率不小于40%，單級回收功率不小于6.3kW，總回收功率不小于56.7kW。

液力透平機組的主要零部件所用材料為：

筒體、端蓋 20(鍛件)

葉輪 ZG0Cr18Ni12Mo2Ti

導流器 ZG0Cr18Ni12Mo2Ti

中段 0Cr18Ni12MoTi(鍛件)

軸 17-4PH(鍛件)

平衡盤/鼓 0Cr18Ni12Mo2Ti(堆焊斯泰利合金)

葉輪和殼體密封環 0Cr18Ni12Mo2Ti

2 能量回收多級液力透平機組HT3002概況

中國石油化工股份有限公司廣州分公司年產120萬噸加氫裂化裝置中，貧液泵原配置的液力回收透平為進口日本產品，原設計流量126m3/h，實際操作中流量僅約50m3/h，最小時只有35～40m3/h，小于最小流量要求，因此不能正常投入使用。本次為國產化改造。

多級液力回收透平通過超越離合器、主電機向貧液泵(被驅動設備)傳遞機械能；液力回收透平(API610標準中的BB5結構)為臥式徑向剖分雙殼體多級結構(內泵體徑向剖分)，吸入口和排出口均垂直向上布置，水平中心線支撐。液力透平自帶超速跳閘裝置。平衡方式采用平衡鼓+平衡套的聯合結構，并配置平衡管；葉輪與軸的固定采用每個葉輪單獨固定(采用卡環固定)。徑向軸承采用多油楔滑動軸承(可傾瓦)，推力軸承采用推力可傾瓦結構，軸承采用壓力供油潤滑。透平軸端密封采用串聯式平衡型集裝式機械密封，密封沖洗方案按API610標準PLAN53A+61方案。葉輪按API610要求做動平衡，平衡等級為G2.5級；轉子部件整體做高速動平衡，平衡等級為G1.0級。

被驅動貧液泵組采用雙驅動方案，如圖1所示，三相異步電機和液力透平共同驅動[5]。主電機的額定功率在無液力透平的驅動下足以驅動貧液泵，液力透平與貧液泵組之間設有超速離合器，并分別布置在主驅動電機兩側。其中貧液泵配套電機的參數如下：

電機型號 AMB560L2A BSTEH

額定功率 1 100kW

相數 3

額定電壓 6kV

額定頻率 50Hz

額定電流 119A

額定轉速 2 991r/min

功率因數 0.94

防護等級 IP55

圖1 液力透平的配置方案

3 液力回收透平HT3002回收功率的測試

高壓富胺液經過透平葉輪和導葉時將大部分壓力能轉換為動能，流過葉輪時沖擊葉輪葉片，推動葉輪轉動，從而驅動透平轉子旋轉[6]。透平轉子輸出旋轉機械功。

3.1計算方法

電機額定轉速為2 991r/min，設定超越離合器在液力回收透平轉速達到2 991r/min時閉合。因此，當透平轉速低于2 991r/min時，液力回收透平對外不做功，電動機單獨驅動貧液泵(轉動設備)，所測電流值為電機帶動貧液泵運轉時的實際電流值。當液力透平投運后，電動機和液力透平共同做功，電動機電流會下降，利用電動機前后電流差即可估算液力透平的回收功率(節能功率)[7]。電流差法計算液力回收透平實際回收功率(節能功率)P的計算式為：

(1)

式中I1——液力回收透平投用后的電流，A；

I2——液力回收透平投用前的電流，A；

U——電機額定電壓，kV；

cosφ——電機功率因素。

液力回收透平可回收功率P0的計算式為：

P0=ρQH/102

(2)

式中H——揚程，m；

Q——液體介質流量，m3/s；

ρ——介質比重，kg/m3。

液力回收透平效率η的計算式為：

(3)

3.2測試方法

回收功率的測試方法和步驟如下：

a. 使用電機驅動貧液泵，測量電機的三相電流值，取平均值，記錄I。

b. 加氫裂化裝置總控室通過控制塔內液體壓力，調節進入液力回收透平的液體壓力，使其達到入口額定壓力pin(13.43MPa)，并記錄出口壓力pout。

c. 由調節閥調節進入液力回收透平的流量值，使得液力透平轉速高于電機額定轉速，并由液力透平和電機共同驅動貧液泵。

d. 當液力透平泵的轉速高于超越離合器設定的2 991r/min時，測量電機的三相電流值，記錄電流平均值。逐步增大進入液力回收透平的流量，直至調節閥達到最大開度，即流量每增加1m3記錄電機電流值和液力透平泵的機械運行狀況。

e. 根據測試數據整理計算。

4 液力回收透平能量回收效果評價

中國石油化工股份有限公司廣州分公司年產120萬噸加氫裂化裝置的液力能量回收透平自投運以來，在滿足工藝操作要求的前提下，穩定運行且能回收一部分能量。

根據現場試驗數據，液力回收透平HT3002水力性能數據中，入口壓力13.39MPa，出口壓力0.85MPa，流量51m3/h，揚程1 282.41m(圖2)；總回收功率61.54kW(圖3)，高于設計值56.7kW；回收效率34.63%，較理論值略低。泵反轉作液力透平運行對流量變化十分敏感，流量高于最優工況的10%時能量回收效率下降50%，流量低于最優工況的40%時液力透平無回收功率[8]。

圖2 流量-揚程曲線

圖3 流量-回收功率曲線

從圖2、3中可以看出，年產120萬噸加氫裂化裝置液力能量回收透平已滿足業主的基本要求。但在額定點的性能和回收效率均與要求存在一些偏差。究其原因，可能是原要求指標較高；在小流量工況下，液力回收透平的效率很難達到較高效率(這與低比轉速離心泵設計原理類似)，設計理論目前為前沿科技，但水力部件設計與加工工藝有待進一步研究與提高。

5 結束語

從中國石油化工股份有限公司廣州分公司年產120萬噸加氫裂化裝置HT3002液力回收透平性能試驗數據可以看出，隨著流量的降低，揚程與功率快速降低。因此，建議在現場運行時，在滿足工藝要求的前提下，應盡量保證流量高于設計流量，使其處于最優工況點附近，并保持工況穩定，否則將會降低液力回收透平的回收功率，導致高壓流體壓力能的浪費。

[1] 關醒凡,張大恩,李焰東,等.能量回收液力透平開發設計[J].通用機械,2012,(11):55～56.

[2] 畢智高,楊軍虎,趙維元.能量回收液力透平的研究現狀及展望[J].流體機械,2014,42(8):41～45.

[3] 周榕,唐曉晨,王輝,等.離心泵作液力透平的數值模擬[J].化工機械,2013,40(5):642～647.

[4] 楊軍虎,張雪寧,王曉暉,等.能量回收液力透平的研究進展[J].化工機械,2011,38(6):655～658.

[5] 盛樹仁.利用水泵逆轉及水輪機回收能量的研究[J].流體機械,1984,12(6):41～45.

[6] Bansal P,Marsh N.Feasibility of hydraulic Power Recovery from Waste Energy in Bio-gas Scrubbing Processes[J].Applied Energy,2010,87(3):1048～1053.

[7] 吳應德,祁應軍,邊元立,等.液力透平回收能量影響因素分析及措施[J].化工機械,2011,38(5):607～609.

[8] 徐晅闊,王世昌.反滲透淡化系統余壓水力能量回收裝置的研究進展[J].水處理技術,2002,28(2):63～66.

(Continued on Page 863)

PerformanceTestingandAssessmentofMultistageHydraulicTurbineUnitforEnergyRecovery

MAO Hai-rui1, ZHONG Wei-ming2, SUN Liang-liang3, HE Li-xin3

(1.SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,China; 2.SinopecGuangzhouCo.,Guangzhou510726,China; 3.ShanghaiJorsonTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201203,China)

2016-05-05(修改稿)

TQ116.2+8

A

1000-3932(2016)08-0838-04