液力透平在加氫裂化裝置中的應用

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月建成投產的120萬噸/年加氫裂化裝置，其熱高壓分離器內部壓力為14.3MPa，溫度為245℃。為了將反應產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，反應進料泵采用了液力透平和電機共同驅動的方案。在額定工況下，液力透平所節約能耗約為電機功耗的1/4，節能效果顯著。

1 液力透平的工作原理及應用

透平是將流體工質中蘊含的能量轉換成機械能的機器，又稱渦輪或渦輪機。透平機械的工質可以是氣體，也可以是液體。以液體為工質的透平稱為液力透平。石化企業如煉油廠的裝置中，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罐的側線可以設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，就可以設置液力透平回收功率，并和電動機聯合驅動進料泵。

2 液力透平的結構特點

液力透平的主要技術參數和反應進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參數

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進料泵主要包括反應進料泵、電機和液力透平。其中電機按額定功率選用，在電機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沒有投用或維修時，不影響反應進料泵的正常運行。液力透平和反應進料泵分別位于電機的兩側端。采用這種布置方式有以下優點：

（1）檢修和維護非常方便，尤其是抽芯作業；

（2）液力透平為低轉速透平，工作轉速為2980rpm，有利于機械密封的安穩長運行。

2.2 液力透平的結構

海南煉化加氫裂化裝置采用筒形多級液力透平，API610 BB5結構。內殼體為水平剖分結構，外殼體為徑向剖分的筒形結構，并且外殼體上只設有進口、出口和平衡管線。內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。其結構特點是：

（1）裝有多級轉子的內殼體采用水平剖分的雙蝸殼結構設計，這樣就可以使葉輪背靠背布置，能夠平衡自身的軸向力。而且當液力透平檢修維護時，其拆裝較為方便，整個轉子可以一起裝入或取出，所有工況下能保證動平衡精度。

（2）葉輪、軸等部件組成液力透平的轉子，其可以直接作為一個整體裝入或取出筒體，這對于現場的檢修維護，動靜配合間隙的檢測等都非常方便。

2.3 液力透平的機械密封

液力透平的介質為熱高分油，其壓力大、溫度高、而且較臟，機械密封在這種工況下運行時壽命較短。為了延長機械密封使用壽命，液力透平采用了API682標準中的Plan53B+Plan62密封沖洗方案，Plan53B 方案為外部的管道系統為雙端面密封外側密封提供隔離液，預先加壓的氣囊式蓄能器為循環系統提供壓力，隔離液由密封處泵送環提供循環動力，能有效防止介質的泄漏。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（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鎖系統

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，熱高分油進入液力透平后將大部分壓力能轉化為旋轉機械能后降壓為2.4MPa，再從液力透平出口進入熱低分。同時熱高分油也可以通過設置在流程上的兩個高壓角閥直接進入熱低分。

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 作為聯鎖信號表選擇。用一個液位信號選擇器從1401LHS1201 和1401FHS1201 中選擇一個表作為控制信號，通過1401LU1201 把輸出信號經閥門選擇器1401LHS1201 或 1401FHS1201 送 到 閥 門 1401LV1201A、1401LV1201B 或1401FV1202 上，來調節熱高分的液位。在液力透平事故狀態下，可以手動或者自動切換到1401LV1201A、1401LV1201B，繼續控制熱高分的液位在平穩狀態。兩個液控閥門正常投用一個，另外一個作為備用。當液力透平投用時，1401FV1202 應給手動，避免進料泵波動較大。下圖為熱高分液位控制圖：

3.3 安全聯鎖系統

為了保證液力透平安全平穩的運行，在液力透平本身和系統設置了安全聯鎖系統，設置和功能如下：

（1）當熱高分液位達到低低（10%）聯鎖時，自動關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，不允許再啟動液力透平；

（2）當反應進料泵停泵時，自動關閉液力透平入口切斷閥，液力透平停運；

（3）中控室按下關液力透平入口切斷閥按鈕，液力透平入口切斷閥自動關閉，液力透平停運；

（4）液力透平超速達到3100rpm時，超速離合器自動脫離，同時自動關閉液力透平入口切斷閥，液力透平停運；

（5）當循環氫壓縮機停機時，自動關閉液力透平入口切斷閥，液力透平停運；

4 液力透平的節能效果

液力透平的功率計算公式：NR=（Qt·Ht·ρ·η）/（102·3600）

式中：NR—液力透平在設計條件下每小時所能回收的功率，kW；Qt—進入液力透平的流量，m3/h；Ht—通過液力透平的揚程降，m；ρ—液體的密度，kg/m3；η—液力透平的效率，%。

本裝置一共有兩臺反應進料泵，一臺由液力透平和電機共同驅動，另一臺只由電機驅動。兩者每年運行時間都按8000h，當地工業電費0.6元/度。只由電機驅動的反應進料泵，軸功率1889kW，其電耗為1.5×107kW/h，一年電費約900萬元。

根據表1可知液力透平在設計條件下每小時所能回收的功率NR為627.8kW，其節省電為5×106kW/h，一年節省電費約300萬元。

綜上所述，液力透平的投用對裝置節能降耗、減少生產運營成本有顯著的效果。

5 結語

液力透平是一種具有長遠經濟效益的節能設備，其安穩長運行對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進料泵采用液力透平和電機共同驅動后，節能效果顯著，為裝置的長周期運營降低了成本。但是，也有一些問題在液力透平的實際使用過程中出現，如機械密封泄漏等。這就需要后續不斷地研究解決，從而實現液力透平的長期穩定運行。