液力透平在加氫裝置中的應用初探

紀星橋，鄭 怡

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266000)

1 液力透平的工作原理及應用領域

液力透平，又稱渦輪機，是一種能量回收裝置，是將液體流體工質中的壓力能轉換為機械能的機械設備，利用液力透平可將工藝流程中的液體余壓回收再利用，轉換為機械能驅動機械設備，以達到節能的目的。

透平的工作條件和所用的工質不同，所以它的工作形式多種多樣，但基本工作原理相似。透平的最主要部件是轉子，或稱葉輪，它安裝在透平軸上，具有沿圓周均勻排列的葉片。流體所具有的能量在流動中，經過噴管時轉換成動能，流過葉輪時流體沖擊葉片，推動葉輪轉動，從而驅動透平軸旋轉。透平軸直接或經傳動機構帶動其他機械，輸出機械功。透平機械的工質可以是液體、蒸汽、燃氣、空氣或其它氣體，以液體為工質的透平稱為液力透平。

作為一個節能裝置，透平是近幾年才興起的，在使用上，常常以反轉離心泵作液力透平，這樣更經濟。液力透平可以對工藝流程中產生的高壓液體進行再利用，目前廣泛用于石油化工加氫裂化裝置、大型合成氨裝置以及海水淡化裝置等，是具有長遠節能效益的設備。

2 加氫裝置及加氫反應進料泵的特點

加氫處理是重質油深度加工的主要工藝之一，集煉油技術、高壓技術和催化技術為一體。加氫處理裝置處于高溫高壓、臨氫、易燃易爆、有毒介質操作環境，屬于甲類火災危險裝置。

加氫裝置反應進料泵的作用是將原料升壓后送至加熱爐，其主要特點有：

1)流量大，要求操作平穩；

2)液體黏度較高，揚程大，通常為多級離心泵；

3)可靠性要求高，一般備用性100%；

4)操作溫度不高，一般在150℃以下；

5)耗電量高。

由上述加氫裝置和反應進料泵的特點可見，加氫裝置的流體可以產生可回收的壓力能量，加氫進料泵通常需要大功率的電機帶動，如有節能措施，必然會考慮本裝置的高壓液體余壓回收再利用。

3 加氫反應進料泵—液力透平組合的優勢

3.1 加氫裝置壓力能的位置及其利用

以加氫裂化裝置為例，壓力能主要集中在兩個位置：一處為高壓分離器液體降壓后進入低壓分離器的降壓區，壓差通常為11～15 MPa，溫度為240～310℃；另一處為循環氫脫硫塔塔底富胺物流降壓區，壓差通常為11～16 MPa，溫度為50～70℃。

在高壓分離器的液體經過降壓之后進入低壓分離器的過程中，常規采用的角閥只起到了降壓功能，卻損失了壓力能量，我們可以利用這部分壓力能驅動液力透平來帶動加氫反應進料泵，全部或部分地降低常規電機驅動進料泵消耗的電能。

3.2 加氫反應進料泵的電機—液力透平雙驅方案

加氫反應進料泵采用液力透平和電機共同驅動的雙驅方案，電機按額定功率選取，以保證在無液力透平助力的情況下足以驅動高壓進料泵。液力透平和進料泵分別布置在電機兩側，排列方式為：泵—變速器—電動機—離合器—液力透平(參考圖1)，液力透平和電機之間布置超速離合器，以便于液力透平未投用和維修時，電機可以正常運轉，也便于抽裝轉子。當液力透平流量低于額定流量的40%時，可能會對主驅動機造成阻尼，但由于液力透平的軸功率通常小于反應進料泵的軸功率，這種情況極少發生。液力透平只有在單體運轉時才有可能發生超速現象，超速離合器會斷開連接，同時連鎖系統會關閉透平入口緊急切斷閥，停運液力透平。

3.3 一次性投資與長遠節能

加氫反應進料泵的電機—液力透平的雙驅方案，雖然會增加裝置的一次性投資，但從長遠運行來看，可以節約大量的電能，并且增加反應進料泵部分的保險措施，因此經濟合理。特別適合生產規模大的加氫裝置采用。

圖1 反應進料泵-液力透平組合示意圖

4 液力透平的實際應用流程及控制方案

4.1 某廠液力透平部分流程簡述

某廠加氫裝置反應部分流程中，熱高壓分離器(D-103)底熱高分油主分支通過熱高壓液力透平(PT-105)降壓后進入熱低壓分離器(D-103)，另一分支通過角式調節閥LV-1101A/B(一開一備)降壓后與主分支在熱低壓分離器入口匯合。液力透平以同軸的方式加載在加氫進料泵P-102A電機東側，正常狀況下，D-103底部熱高分油(230℃，8.0 MPa)全量通過熱高壓液力透平，通過透平降壓至3.2 MPa后再返回D-104入口線，這樣可以回收這部分壓力差作為加氫進料泵的動力源，降低電機的軸功率，減少耗電。

液力透平前面有液位調節閥LV-1101C和開關閥XV-1101，通過開關閥可以實現連鎖停加氫進料泵(P-102A/B)，連鎖停循環氫壓縮機(K-102)和連鎖緊急放空(XV-1701)。液位調節閥LV-1101C和另一分支的角式調節閥LV-1101A/B實行分程控制。正常狀態下，高液位首開LV-1101C，熱高分油全量通過液力透平PT-105，部分情況可通過自動控制關小LV-1101C，打開LV-1101A，讓一部分熱高分油通過LV-1101A與通過透平的熱高分油匯合后進入D-104。當液力透平出現故障時，關閉LV-1101A、C，打開備用調節閥LV-1101B，讓熱高分油全量通過。

通過上述調節方案，優化了流程，回收了能量用于泵P-102A的驅動，同時也確保了當液力透平出現故障時，能正常生產，不影響原有的生產流程系統(流程示意見圖2)。

圖2 液力透平自動控制方案示意圖

注: 圖中只畫了主要的控制流程，部分儀表省略。

4.2 液力透平的主要監測項目控制

見表1。

表1 液力透平的主要監測項目控制

5 液力透平的節能作用

5.1 液力透平節能功率的算法

液力透平的節能功率有兩種算法：一種是電流差法，另一種是流體差法。電流插法是通過測量液力透平投用前和用后通過電動機的電流，將電流差帶入公式來估算液力透平的節能功率的計算方法。由于電流差需要現場實測，此處介紹省略。

另一種方法是流體差法，根據工質通過液力透平后內能減少的原理，理想狀態下，流體減少的內能等于液力透平輸出的軸功率，因此通過計算工質的內能差即可粗算出液力透平的輸出功率。計算公式如下：

P0=(Q·H·S·u)/367

P0—液力透平的節能功率，kW ；

Q —透平驅動流體的流量；m3/h；

H—液力透平的揚程降，m；

S—液力透平驅動流體的密度；t/m3；

u—液力透平的總效率。

5.2 某廠液力透平工質的基礎數據

某廠加氫裝置投用一臺液力透平(PT-105)，其工質為熱高分油，參數見表2。

表2 液力透平用熱高分油性質

5.3 液力透平的輸出功率及節能計算

根據上表提供的數值，估算某廠液力透平的揚程差H=820 m，已知液力透平的效率為70%；將數值代入流體差法計算公式，得出液力透平的輸出功率：

P0=(Q·H·S·u)/367=(317.78×820×0.61529×0.7)/367=305.8 kW

圓整為300 kW，粗略計算出液力透平的節能功率為300 kW。

按裝置每年運行8400 h計，液力透平投用后，每年可節電252×104度，按每度電0.5元計，一年可以節約126萬元，按此類透平的一次性投資250萬元計，兩年左右可以收回投資成本，而設備的使用壽命一般為10～15年，故在增加一次性投資的情況下，可以大大減少設備的運營成本。

6 結論

綜上所述，液力透平是一種具有長遠經濟效益的節能裝置，應用前景十分廣泛。在石油化工企業的大型加氫裝置中，加氫反應進料泵采用液力透平和電機共同驅動的雙驅方案，可以有效地降低能耗，為長周期的生產大大減少了運營成本。但是，在液力透平的實際應用中，也仍然存在一些需要繼續探討及研究的問題。如采用新的理論及方法研制各種用于特殊工況的液力透平；正確配置設備及系統參數，并在運行工況偏離設計點時，選擇合理的調節方式來充分回收余壓等。