單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組的研制及運(yùn)行總結(jié)

宋 根，肖國(guó)華

(1.四川美青化工有限公司 四川射洪 629200； 2.四川省自貢工業(yè)泵有限責(zé)任公司 四川自貢 643000)

四川美青化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱美青化工公司)是主要從事合成氨、尿素、碳酸氫銨、三聚氰胺及其下游產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)和銷售的綜合型化工企業(yè)，目前已經(jīng)建成200 kt/a合成氨、300 kt/a尿素、100 kt/a車用尿素溶液、45 kt/a三聚氰胺、120 kt/a碳酸氫銨和氨碳分離等生產(chǎn)裝置。

美青化工公司合成氨裝置采用苯菲爾脫碳工藝，脫碳液流量730 m3/h(密度1.21 t/m3)，吸收塔工作壓力3.00 MPa，再生塔工作壓力0.08 MPa，扣除管道壓降，兩端壓差為2.30 MPa。如何回收壓差達(dá)2.30 MPa的富液能量，對(duì)液力透平的需求因此產(chǎn)生。

液力透平是利用高壓富能流體經(jīng)轉(zhuǎn)輪相互作用，將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能以實(shí)現(xiàn)能量回收的裝置。液力透平可廣泛應(yīng)用于具有高壓富能剩余流體的回收工段中，以此降低企業(yè)生產(chǎn)成本。離心泵反轉(zhuǎn)作為液力透平，即此時(shí)泵的進(jìn)口為透平的出口，泵的出口為透平的進(jìn)口。當(dāng)高壓富能流體進(jìn)入透平時(shí)，推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，葉輪則帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，末端通過外接受能裝置實(shí)現(xiàn)機(jī)械能的回收。

一直以來，單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組只能依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)只能生產(chǎn)雙驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組[1]。美青化工公司于2006年建設(shè)的200 kt/a合成氨項(xiàng)目采用國(guó)產(chǎn)雙驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組，投產(chǎn)幾年來運(yùn)行斷斷續(xù)續(xù)，節(jié)能效果不明顯。為了進(jìn)一步降低合成氨能耗，美青化工公司與四川省自貢工業(yè)泵有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱自貢工業(yè)泵公司)達(dá)成合作協(xié)議，共同研發(fā)單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組。通過近3年的研發(fā)，單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組(圖1)于2016年3月試車成功，并于同年通過四川省科技成果鑒定。

圖1 單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組

1 液力透平測(cè)試技術(shù)

在5 000 m3開式A級(jí)精度水泵試驗(yàn)平臺(tái)上，采用中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院PSM泵自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)[2]，四川省自貢工業(yè)泵有限責(zé)任公司擁有的6個(gè)測(cè)試臺(tái)位最大測(cè)試當(dāng)量直徑可達(dá)DN 2 000 mm，測(cè)試壓力可達(dá)25 MPa。測(cè)試中心動(dòng)力配電采用工頻和變頻2套運(yùn)行系統(tǒng)，動(dòng)力總配0～10 kV可調(diào)電源，裝機(jī)容量達(dá)2 500 kW。泵進(jìn)行透平測(cè)試時(shí)，安裝1臺(tái)透平機(jī)組，透平所需富液由2臺(tái)多級(jí)泵供給。在透平聯(lián)軸器一側(cè)安放扭矩測(cè)量?jī)x，富液壓力通過壓力控制裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)，可控制在0～5 MPa。

采用2臺(tái)多級(jí)泵并聯(lián)形式向透平注水，輔以調(diào)節(jié)閥、泄流閥及旁通管路控制注水量。測(cè)試對(duì)象為同一葉輪的4種改進(jìn)形式，所有測(cè)試都是在轉(zhuǎn)速2 950 r/min下進(jìn)行。對(duì)測(cè)試得到的流量、揚(yáng)程、軸功率和效率進(jìn)行了計(jì)算，測(cè)試誤差在5%以內(nèi)，可認(rèn)為測(cè)試結(jié)果是可靠的。

2 投運(yùn)后的效果及比對(duì)

2.1 雙驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組的缺陷

(1)需要設(shè)置全功率電機(jī)，回收的能量只能部分被有效利用。按API 610標(biāo)準(zhǔn)附錄C的C3.4.2，主驅(qū)動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)在無液力透平機(jī)的協(xié)助下能驅(qū)動(dòng)機(jī)組，即主驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)按全功率選取，造成電機(jī)在低負(fù)載率下運(yùn)行。

(2)液力透平機(jī)流量或壓力的波動(dòng)引起超速離合器的脫開或嚙合，從而影響超速離合器的使用壽命。該超速離合器大多從國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格昂貴。

(3)半貧液泵、電機(jī)、超速離合器、液力透平機(jī)用3套聯(lián)軸器將4個(gè)轉(zhuǎn)子串聯(lián)，機(jī)組很長(zhǎng)，不僅影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，而且對(duì)維修要求較高。

(4)需要為全功率電動(dòng)機(jī)增設(shè)配電設(shè)施。

2.2 工藝對(duì)比

如圖2所示，采用國(guó)產(chǎn)雙驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組時(shí)的設(shè)備配置：國(guó)產(chǎn)雙驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)2臺(tái)，2開1備；電動(dòng)半貧液泵(630 kW)2臺(tái)，2開1備；液力透平機(jī)帶動(dòng)半貧液泵(630 kW)2臺(tái)，2開1備。投用液力透平機(jī)組前，先啟用電機(jī)帶動(dòng)半貧液泵，待電機(jī)及泵運(yùn)行正常后對(duì)液力透平機(jī)沖轉(zhuǎn)，液力透平轉(zhuǎn)速達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)離合器咬合，配合電機(jī)起到節(jié)電的效果。

A、B、C、D. 半貧液泵圖2 雙驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組設(shè)備配置

如圖3所示，采用國(guó)產(chǎn)單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組時(shí)的設(shè)備配置：國(guó)產(chǎn)單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)1臺(tái)；電動(dòng)半貧液泵(630 kW)2臺(tái)，2開1備；液力透平機(jī)帶動(dòng)半貧液泵1臺(tái)。利用富液對(duì)液力透平機(jī)沖轉(zhuǎn)，通過能量轉(zhuǎn)換帶動(dòng)半貧液泵A，在轉(zhuǎn)速增加過程中待半貧液泵出口壓力達(dá)到工藝指標(biāo)后并入管網(wǎng)。

A、B、C. 半貧液泵圖3 單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組設(shè)備配置

3 優(yōu)勢(shì)及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

3.1 提供試驗(yàn)平臺(tái)和數(shù)據(jù)

該項(xiàng)目能夠取得成功，除了自貢工業(yè)泵公司的創(chuàng)新研發(fā)、不斷改進(jìn)、持續(xù)投入外，美青化工公司作為聯(lián)合開發(fā)該項(xiàng)目的第1用戶，憑借多年的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及優(yōu)秀的管理團(tuán)隊(duì)，讓國(guó)產(chǎn)第1臺(tái)單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)從試驗(yàn)階段就應(yīng)用于工業(yè)化裝置中。通過在工業(yè)裝置中的多次投運(yùn)試驗(yàn)，積累了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后反饋給自貢工業(yè)泵公司不斷優(yōu)化透平自身的設(shè)計(jì)，使之適應(yīng)不同生產(chǎn)負(fù)荷下的循環(huán)量及壓差。

3.2 不斷優(yōu)化工藝流程并完善控制手段

3.2.1 自主編制透平機(jī)組及配套電驅(qū)泵聯(lián)動(dòng)控制軟件

國(guó)外的半貧液泵-液力透平機(jī)組在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，透平驅(qū)動(dòng)的A泵與電驅(qū)動(dòng)的B泵無法并聯(lián)運(yùn)行，液力透平機(jī)須脫開，只用2臺(tái)電驅(qū)動(dòng)的B泵和C泵并聯(lián)運(yùn)行，造成富液能量的浪費(fèi)。當(dāng)透平的轉(zhuǎn)速超過2 980 r/min時(shí)，為防止飛車危險(xiǎn)，按API 610標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,應(yīng)將富液旁路閥打開，也造成富液能量的浪費(fèi)。

而國(guó)產(chǎn)的單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，液力驅(qū)動(dòng)的A泵出口調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)小，使所需功率減小，轉(zhuǎn)速不再下降，雖然轉(zhuǎn)速略低，因工作點(diǎn)移向小流量區(qū)域，揚(yáng)程上升，仍可與電驅(qū)動(dòng)的B泵并聯(lián)運(yùn)行(兩泵的出口壓力相同)；而電驅(qū)動(dòng)的B/C泵出口調(diào)節(jié)閥自動(dòng)開大，使流量增加，A+B/C泵的總流量不變，從而滿足工藝要求。即液力透平機(jī)工作液(富液)的流量和壓力在較大范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，國(guó)產(chǎn)的半貧液泵-液力透平機(jī)組仍可運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了富液能量的充分利用。

3.2.2 設(shè)備自適應(yīng)能力強(qiáng)

通過不斷摸索，液力透平機(jī)組可以在壓差1.9～2.3 MPa、循環(huán)量600～800 t/h、轉(zhuǎn)速2 850～3 150 r/min的條件下均能適應(yīng)并滿足生產(chǎn)裝置不同負(fù)荷要求，與進(jìn)口設(shè)備相比適應(yīng)性更強(qiáng)。

3.3 能量回收充分

國(guó)外半貧液泵-液力透平機(jī)組在轉(zhuǎn)速高于2 980 r/min時(shí)，液力透平機(jī)的旁路閥必須打開,富液走旁路，造成能量浪費(fèi)。

國(guó)產(chǎn)單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組可在轉(zhuǎn)速2 850～3 150 r/min下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了能量回收的最大化。

3.4 節(jié)能效果顯著

國(guó)產(chǎn)單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組投運(yùn)之前，同時(shí)開2臺(tái)電動(dòng)泵，其中：B泵電機(jī)電流30 A，功率490 kW；C泵電機(jī)電流32 A，功率520 kW。國(guó)產(chǎn)單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組投運(yùn)后，只開1臺(tái)電動(dòng)泵，其電流為37 A，功率580 kW。

經(jīng)測(cè)定，相同工況(天然氣負(fù)荷570 000 m3/d)下，國(guó)產(chǎn)單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組比雙驅(qū)動(dòng)機(jī)液力透平機(jī)組節(jié)電約500 kW·h。按噸氨耗天然氣940 m3/h、日產(chǎn)合成氨607 t、電價(jià)0.5元/(kW·h)計(jì)，噸氨節(jié)電19.8 kW·h，年節(jié)電3 600 000 kW·h，年節(jié)約電費(fèi)約180萬元。單套國(guó)產(chǎn)單驅(qū)動(dòng)液力透平機(jī)組總投資約250萬元，18個(gè)月左右即可收回全部投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。