特大型天然氣凈化裝置液力透平能量回收技術優化

張立勝 裴愛霞 術阿杰 李楊濤

中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠

特大型天然氣凈化裝置液力透平能量回收技術優化

張立勝 裴愛霞 術阿杰 李楊濤

中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠

張立勝等.特大型天然氣凈化裝置液力透平能量回收技術優化.天然氣工業，2012，32（7）：72-76.

總結了特大型天然氣凈化裝置利用液力透平回收富胺液進入再生塔前釋放的巨大靜壓能的技術特點：只有液力透平轉速高于電動機轉速時，超速離合器才能嚙合實現能量回收。針對該技術存在的能量傳遞效率低和液力透平驅動受工藝波動影響較大、外輸功率不穩定的缺點，從儀表控制方式和工藝設計角度對液力透平進行了優化：增設了2條不同尺寸的透平跨線和配套的復雜控制回路，并將一級主吸收塔底出口的DN500 mm管線設置為3路。應用結果表明，此舉避免了工藝波動，穩定了液力透平輸出功率，自2009年10月第一套液力透平機組投入運行至今，液力透平一直運行平穩，從未出現超速離合器頻繁嚙合和脫開現象。最后結合現場實際運行經驗，提出了液力透平單機試車及聯動試車操作步驟及注意事項，為該項技術在特大型天然氣凈化廠裝置的推廣應用提供了技術支持。

天然氣凈化 富胺液 液力透平 靜壓能 能耗 電能 控制優化 普光氣田

利用液力透平（Power Recovery Turbine，PRT）回收靜壓能是近年來發展起來的新興節能技術［1－3］。由于液力透平裝置運行平穩，節能效果明顯，已被中國石油長慶油田公司天然氣凈化廠［4－6］、上海高橋石化、海南煉化、大慶石化、青島大煉油等企業相繼引進。

中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠（以下簡稱普光天然氣凈化廠）是我國高壓高含硫天然氣凈化企業，工藝流程繁雜，自動化控制程度高，大型機組設備技術先進，共有6套聯合裝置，高含硫原料氣處理能力為120×108m3／a，硫磺產量為240×104t／a，脫硫單元共設置液力透平12臺，回收靜壓能用于驅動貧胺液泵，自2009年10月投產至今，運轉良好。

1 液力透平技術

1.1 液力透平技術簡介

普光天然氣凈化廠液力透平裝置由FLOWSERVE公司生產，型號為 HDO-BB5，為4級臥式反轉泵透平。根據流體力學相似理論，透平葉輪采用離心泵葉輪的可逆式設計，其他部件與離心泵完全相同（圖1）。

圖2 富胺液力透平機組示意圖

富胺液力透平機組示意圖如圖2所示，貧胺液泵（高壓離心泵）和液力透平位于兩側外端，中間為電動機，電動機與液力透平中間設有超速離合器。貧胺液泵采用雙驅動模式，電動機為主驅動機，液力透平為第

二驅動裝置。主驅動機設計的額定功率在無液力透平的協助下可以單獨驅動貧胺液泵，液力透平與貧胺液泵組之間設有超速離合器，當液力透平的轉速高于主電動機的轉速時，離合器閉合；當液力透平的轉速低于主電動機的轉速時，離合器脫開。

液力透平位于脫硫單元一級主吸收塔C-101的下游，富胺液自一級吸收塔底出來后進入液力透平膨脹做功，所產生的動能用以驅動貧胺液泵，做功后的低壓富胺液送至閃蒸罐。液力透平的DCS流程如圖3所示。

圖3 液力透平DCS流程圖

1.2 輔助系統

1.2.1 油路系統

油路系統主要是給泵和電機的軸承提供潤滑油。潤滑油系統主要由油箱、潤滑油主油泵（軸頭泵）、輔助油泵、油冷卻器、過濾器、電加熱器等組成。

1.2.2 機械密封輔助沖洗系統

液力透平采用了API682標準中的plan53B沖洗方案，其機械密封輔助沖洗系統主要由密封罐、水冷卻器、壓力表、壓力遠傳報警裝置、手動補液泵組成。密封罐在有一定壓力（一般高于被密封介質壓力）的條件下工作。如果出現壓力低報警，且不能維持壓力，則表明機械密封出現泄漏。

1.3 主要參數說明

液力透平的主要參數見表1。

表1 液力透平主要參數表1）

2 液力透平技術應用與控制優化

基于液力透平驅動的特點，只有液力透平轉速高于電動機轉速時，超速離合器才能嚙合實現能量回收。因此，其存在2個缺點：①能量傳遞效率低。如石家莊化肥廠應用蘇爾壽公司設計制造的透平能量回收系統，透平效率為69%，電動機效率為93%，超速離合器效率為95%，離心泵效率為78%，能量回收總傳遞效率為47.5%（69%×93%×95%×78%）。②液力透平驅動受工藝波動影響較大、外輸功率不穩定。由于脫硫單元富液壓力和流量經常受到工況影響發生波動，富液中有時還夾帶氣泡，易造成透平工作時脫離設計流量和壓力工況，從而使透平轉速和輸出功率發生較大變化，超速離合器經常處于高速嚙合和脫開工況的交替中，導致超速離合器經常損壞，設備被迫停工檢修，影響正常生產。

2.1 液力透平的控制優化

針對上述問題，普光天然氣凈化廠從儀表控制角度對液力透平進行了優化，增設了2條不同尺寸的透平跨線和配套的復雜控制回路（圖4），實現在保證裝置生產穩定的基礎上，液力透平能穩定、有效地回收利用富胺液的靜壓能。

圖4 液力透平控制優化示意圖

2.2 液力透平的工藝設計優化

一級主吸收塔底出口的DN500 mm管線設置為3路：第1路變徑為DN450 mm，將富胺液依次通過楔形流量計 FI-10903、電動閘閥 MV-10911、緊急切斷閥XV-10901與一級吸收塔液位調節閥LV-10305A后進入液力透平回收能量，稱為A路；第2路變徑為DN150 mm稱為B路；第3路管徑為DN500 mm，將富胺液依次通過雙手動閘閥組與一級吸收塔液位調節閥（高壓角型減壓閥）LV-10305C后，與液力透平出口低壓富液管線匯合，稱為C路。

正常運行情況下，一級主吸收塔底部出來的富胺液其流量的85%經過液力透平。吸收塔液位控制器LC-10305輸出液位信號進入分程控制器LY-10305D與LY-10305E，每個分程分別對應不同的輸出控制。當LC-10305輸出范圍為0～33%時，透平入口管線調節閥LV-10305A開度為0～100%；LC-10305輸出范圍為33%～66%時，透平15%跨線調節閥LV-10305B開度為0～100%；LC-10305輸出范圍為66%～100%時，透平85%跨線調節閥LV-10305C開度為0～100%。

為滿足開工需要，在富胺液透平入口閥LV-10305A控制信號上設置了手操器HC-10305A與低選HY-10305A。當處于現場操作模式時，手動操作器可以通過調節供給LV-10305A的儀表風壓力，調整調節閥LV-10305A的開度，使富液進入透平。當透平操作穩定后，改現場手動為自動控制。為保證透平平穩操作，一級吸收塔液位控制LC-10305的輸出信號與手動輸入信號HC-10305A進行低值選擇，使輸出至LV-10305A的控制信號不會因液位波動而頻繁變化。

通過上述工藝設計與控制方式優化，將富胺液分為3條回路，通過B回路來進行調節，避免了工藝波動，穩定了液力透平輸出功率。自2009年10月第一套液力透平機組投入運行至今，液力透平一直運行平穩，從未出現超速離合器頻繁嚙合和脫開現象。

3 液力透平試車投運操作

3.1 液力透平單機試車

3.1.1 試車準備

1）仔細檢查機組有關工藝管線是否安裝、打壓、沖洗完畢，彈簧支吊架是否調整到位，試運流程是否打通。

2）拆除PRT與離合器相連的聯軸器。

3）啟動潤滑油泵并切換至手動位置，檢查油溫，確定油壓正常。

4）機組相關儀表完好并已投用。

5）機組相關聯鎖已測試調校完畢。

6）機組各潤滑點及機械密封輔助系統投用。

7）投用循環冷卻水系統，調整好流量。

8）工藝相關條件確認完畢。

9）灌泵。打開PRT出口除鹽水閥門灌泵，PRT進出口管線放空見水后關閉放空。

3.1.2 PRT啟動

1）盤車。

2）聯系室內操作人員，將C-101液位控制在70%，平穩C-101液位做好投用準備。

3）全開 MV-10912（透平出口電動閥）。

4）復位XV-10901（透平入口切斷閥）。

5）稍開LV-10305A（透平入口調節閥），建議開度介于3%～5%。

6）緩慢打開MV-10911（透平入口電動閥）付線閥（DN25 mm）。

7）全開MV-10911（透平入口電動閥）付線閥后緩慢打開MV-10911（透平入口電動閥），使高壓水進入PRT，使PRT機沖轉。

8）檢查PRT運轉情況，確認良好、無雜音，軸承溫度、振動、密封泄漏等均正常后才能提速，提速要與室內操作人員聯系好，防止塔C-101液位出現大的波動。

9）逐步開大MV-10911（透平入口電動閥）及LV-10305A（透平入口調節閥）。

10）當轉速達到1 000 r／min后平穩運轉15 min，并檢查運轉情況。

11）升速至3 100 r／min時，做報警實驗。

12）升速至3 150 r／min時，做跳閘實驗。如果轉速超過3 150 r／min沒有自動跳車，則應迅速關閉LV－10305A（透平入口調節閥），使PRT停止運轉。

3.1.3 停機

室內操作人員緩慢關小閥LV10305A（透平入口調節閥），降低PRT轉速，當閥LV10305A（透平入口調節閥）關閉時，PRT停運。關閉切斷閥XV10901（透平入口切斷閥）、MV10911（透平入口電動閥），將超速離合器置于剎車位置。

3.2 PRT-電動機－泵聯動試車

3.2.1 試車準備

復測PRT、電機動與機泵的同心度，連接好聯軸器。檢查離合器處于松開位置，并已鎖定。其余參照PRT單機試車準備工作。

3.2.2 PRT—電動機—機組聯運

按正常啟動步驟啟動電動機和泵，再投用PRT。

1）聯系室內操作人員，控制C-101的液位為70%、系統循環量為600 m3／h，平穩C-101液位，做好投用準備。

2）全開MV-10912（透平出口電動閥）和復位XV－10901（透平入口切斷閥），稍開LV-10305A（透平入口調節閥），建議開度介于3%～5%。

3）緩慢打開MV-10911（透平入口電動閥）付線閥（DN25 mm）。

4）全開MV-10911（透平入口電動閥）付線閥后緩慢打開MV-10911（透平入口電動閥），使高壓水進入PRT，使PRT機沖轉。

5）檢查PRT運轉情況，確認良好、無雜音，軸承溫度、振動、密封泄漏等均正常后才能提速，提速要與室內操作人員聯系好，防止塔C-101液位出現大的波動。

6）逐步開大MV-10911（透平入口電動閥）及LV－10305A（透平入口調節閥）。當PRT速度達到2 900 r／min時要盡可能迅速地打開進口閥（在15 s之內），使流量達到400 m3／h，之后可以緩慢開大LV-10305A（透平入口調節閥），增加PRT負荷并最終達到額定流量560 m3／h。

7）在機組達到滿負荷時平穩運行2 h，在此期間對機組進行全面檢查與考核。

3.2.3 停機

室內操作人員緩慢關閉LV-10305A（透平入口調節閥），當PRT入口流量達到400 m3／h時盡可能快地關PRT入口閥，使PRT入口流量迅速降至300 m3／h，現場聲音增大，這時PRT速度降到低于離合器的連接速度，離合器會斷開，然后慢慢將入口閥全關。不要將PRT在低于400 r／min（臨界轉速）的工況下運行太長時間（30 s），以免妨礙軸承和PRT的磨損部件的潤滑。

3.3 液力透平投運注意事項

1）保證胺液系統循環穩定，C-101液位要求超過60%，保持在較高的液位。鑒于A、B、C閥為3分程控制，利用手操器HC-10305A開A閥時，若C-101液位控制LC-10305A為自動控制時，C閥會自動關閉，操作一定要緩慢；若自動控制液位波動大，則改為手動控制，開A閥時，手動關C閥，以控制C-101液位。

2）打開電動閥 MV-10911，透平處人員觀察透平是否沖轉，室內操作人員在DCS上監控透平轉速，若20 s內沒有沖轉或者透平轉速在20 s內沒有迅速超過400 r／min，室內操作人員則迅速將LV-10305A閥位加大1%～2%，保證透平迅速超過400 r／min（臨界轉速）。

3）當透平轉速快達到2 500 r／min時，快速打開LV-10305A閥位，使透平快速通過2 500 r／min（臨界轉速）區域。透平轉速升至2 900 r／min時，室內操作人員可以適當加大A閥開度，加快升速速率，使得透平與超速離合器迅速嚙合（嚙合轉速約為2 980 r／min），離合器嚙合后室內操作人員繼續增加LV－10305A閥位，此時透平轉速不再變化，透平開始做功。

4）離合器嚙合后，在LV-10305A閥位繼續增加過程中，現場外操密切關注P-101A電機電流，最終內操控制C閥全關，B閥開度在30%～50%之間，靠B閥來調節工藝波動造成的流量波動，停止開A閥，穩定液力透平運行。

5）出現下列情況應立即停機，以保護設備。轉動部件出現大的異常聲音；軸承及回油溫度超高；引起聯鎖停機的條件出現而未停泵時；機械密封泄漏嚴重；現場發生大的火災。

4 應用效果分析

富胺液透平設計入口壓力為8.371 MPa，出口壓力為1.110 MPa，壓力差為7.261 MPa，設計流量為596 t／h，回收能量1 006 k W，主電機輸出功率為104 k W。受上游原料氣壓力調低的影響，原料氣壓力由8.39 MPa下調至8.00 MPa，液力透平相關參數相應有所下降。2010年10月13—16日，第3聯合裝置進行100%負荷性能考核，液力透平運轉平穩，相關性能參數如表2所示。在原料氣100%負荷運行工況下，透平入口壓力平均值為7.99 MPa，出口壓力平均為0.74 MPa，壓力差平均為7.25 MPa，主電動機輸出功率平均值為248.31 k W，單臺液力透平回收能量為861.69 k W。通過優化液力透平控制技術，各系列裝置在正常運行期間均采用液力透平驅動模式，且裝置工藝運行無波動，透平外輸功率平穩。

表2 液力透平機組運行參數表

2010年，普光天然氣凈化廠平均運行3套聯合裝置，每套聯合裝置有2臺液力透平，貧胺液泵全部采用液力透平驅動，每套聯合裝置共運行334 d，3套裝置共節約4 144.38×104k W·h，節約電力成本2 901.07萬元。

2011年，普光天然氣凈化廠平均運行5套聯合裝置，年節約用電預計可達6 927.98×104k W·h，節約電力成本4 849.59萬元。

5 結束語

液力透平回收靜壓能技術的應用與優化，既保證了普光天然氣凈化廠裝置的平穩運行操作，又明顯節約了裝置電力消耗，降低了工廠運行成本。同時，采用液力透平技術回收高壓富胺液能量是一項符合節能減排國策的先進技術，在高含硫天然氣勘探開發力度加快的背景下，具有廣闊的推廣前景。

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（修改回稿日期 2012-05-11 編輯 何 明）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.017

張立勝，1982年生，工程師，碩士；主要從事高含硫天然氣凈化及硫磺回收工藝、設備技術研究與應用工作。地址：（636156）四川省達州市宣漢縣土主鄉普光天然氣凈化廠生產管理中心B-515。電話：15982981922。E-mail：zls198201＠163.com