余壓發電液力透平機組設計和應用

馬志龍

摘 要：成品油管道輸送過程中因地勢或其他因素往往采用增壓后減壓的方式輸送，存在壓力能浪費和額外增設減壓裝置的現象，針對這一問題，本文針對某一成品油樞紐站余壓回收發電節能的需求情況，采用兩級BB2型式反轉離心泵作液力透平的設計思路，設計了一套液力透平能量回收裝置;裝置安裝在現場并進行了實際應用，應用效果和測試數據表明，設備運行參數符合設計預期，平均每小時回收功率為130kW，已經連續穩定運行超過半年，可有效回收管道余壓，提高輸送站的運營經濟效益。

關鍵詞：液力透平;成品油輸送;應用

0 引言

在成品油輸送過程中，最佳的輸送模式為管道輸送;對環境的污染更少，運輸過程更加安全可靠;大幅降低可能導致油品質量變差因素[1]。為保證油品的可靠輸送，管道內油壓往往較高，到各輸送站的進站后通常需要額外的減壓裝置減壓后才能卸載，存在壓力能浪費的現象，同時，減壓設備往往造成振動、發熱和噪聲等，對輸送站的安全存在一定的隱患。

液力透平是可以把管道內液體的壓力能轉化為機械能或電能的裝置，用液力透平代替減壓閥，可有效的回收管道中的液體余壓[2]。本文針對某一成品油樞紐站余壓回收發電的需求情況，設計了一套高效、安全可靠的雙級液力透平能量回收裝置。

1 液力透平設計

1.1 樞紐站運行參數

樞紐站中用于安裝液力透平余壓發電裝置的管路參數如下：

輸送介質：成品常溫柴油，壓力范圍：2.5-3.5MPa，最大6MPa，減壓到0.3MPa。

流量范圍：250-350m3/h，最大為500m3/h。

1.2 液力透平設計

液力透平可分為液力渦輪、反轉泵和專用液力透平。反轉泵由于經濟且運行工況符合工業流程要求，一般應用較多。液力透平與泵最大的區別是只有當流量達到一定的數值后才有功率輸出，因此液力透平存在最小入口壓力點，在該點之前是沒有功率輸出。本文中的液力透平采用反轉離心泵進行設計選型。

1.2.1 液力透平水力設計

離心泵作為液力透平使用時，其高效點工況基本相同，偏差基本在±2%以內，能吸收的壓頭要大于作為泵所產生的壓頭，輸出的軸功率也比作為泵時所消耗的軸功率大。因此，液力透平水力設計先根據公式（1）和公式（2）將流量和壓頭適當放大后按泵進行選型，再由式（3）計算出液力透平的效率。

其中，Q-流量（m3/h）;H-揚程（m）;η-效率;公式（1）-（3）中的下表p和t分別表示作為泵使用和作為液力透平使用時的參數;CQ、CH、Cη-轉換系數。當比轉速Ns為10-55，CQ和CH的取值范圍為2.2-1.1。Cη取值范圍為0.92-0.99。高比轉速時CQ和CH取小值，Cη取大值，比轉速Ns按公式（4）計算[3]。

式中，n-轉速，r/min;Q-流量（m3/s）。

根據樞紐站成品油管道參數，液力透平進口流量按照350m3/h，進口壓力按照3.5MPa，出口壓力按照0.3MPa進行計算。

1.2.2 液力透平選型

一般認為液力透平單級泵功率在22kW以上，多級泵在75kW以上是經濟合理的[4]。根據水力計算結果和樞紐站現場運行條件，選取兩級BB2泵的結構形式反轉作為液力透平。

1.3 發電機-液力透平機組設計

發電機組選取額定容量200kW，額定電壓400V。整個系統集發電機保護、并網、綜合保護、測量顯示的功能于一體，確保系統性能穩定、可靠，功能齊備，結構緊湊。系統原理圖如下圖1所示：

發電機--液力透平機組采用單邊布置方案，發電機、透平工作轉速相同。當液力透平進口有流量進入時，液力透平轉子開始轉動并帶動發電機轉子轉動，當轉速達到設計轉速時，為機組的臨界狀態，介質多余的能量則用來發電機進行發電，通過后續處理，發電機發電并入電網。

2 液力透平機組應用

2.1 現場管路布局

考慮到安全可靠性，把發電機--液力透平機組與現場的原有減壓閥并聯，在原減壓閥前的管路上增加一個旁路，正常工作時所輸送的成品油經過旁路流入到液力透平回路，經過液力透平減壓后再匯合到原減壓閥的后段管路上。具體流程如下：原減壓閥前段管線--自動切換閥（緊急故障時自動切換到減壓閥支路）--進口截止閥--液力透平--出口單向閥--出口截止閥--原減壓閥后段管線。

2.2 運行參數分析

現場安裝試車成功后，裝置進入穩定運行階段，取裝置穩定運行第二天的數據，每隔2個小時取一組運行數據，連續取5組數據，如下表1所示：

從表1中現場運行參數可以看出，設備入口平均壓力為2.74MPa，小于液力透平設計時所選取的入口壓力3.5MPa，出口平均壓力為0.32MPa，與設計時所選取的出口壓力0.3MPa基本相同，平均壓差為2.4MPa，小于與設計所選取的平均壓力3MPa。這主要是考慮到在初始運行階段為確保系統的穩定性，原減壓閥管路并沒有完全的關閉，有一部分成品油通過減壓閥支路減壓后流出的原因。

3 結語

液力透平機組在成品油管道中的應用，可以有效提高管道余壓的回收再利用，節約能源，同時提高輸送站管路的可靠性，本文針對某一成品油樞紐站余壓回收發電的需求情況，采用反轉泵做液力透平的設計思路，設計了一套液力透平能量回收裝置;通過現場應用情況和數據表明，所設計的液力透平能量回收裝置現場運行情況符合設計預期，設備運行穩定，可有效回收管道余壓，提高輸送站的經濟效益。

參考文獻：

[1]李春光.我國成品油管道運輸的現狀及發展思路[J].當代石油石化，2004，12（8）：16-18.

[2]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）：655-659.

[3]鄭學鵬.煉油裝置液力透平的設計探析[J].石油化工設計， 2012，29（2）：1-4.

[4]徐秀生.液力透平在石化行業中的應用[J].通用機械，2013 （03）：23-27.