能量回收多級液力透平機(jī)組性能測試與評定

毛海瑞 鐘偉明 孫亮亮 賀立新

(1.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.中國石化股份有限公司廣州分公司，廣州 510726；3.上海眾深科技股份有限公司，上海 201203)

能量回收多級液力透平機(jī)組性能測試與評定

毛海瑞1鐘偉明2孫亮亮3賀立新3

(1.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.中國石化股份有限公司廣州分公司，廣州 510726；3.上海眾深科技股份有限公司，上海 201203)

結(jié)合生產(chǎn)工藝流程與現(xiàn)場實際要求，研制了年產(chǎn)120萬噸加氫裂化裝置能量回收多級液力透平機(jī)組，入口額定壓力13.43MPa，出口額定壓力0.60MPa。單級回收功率不低于6.3kW，總回收功率不低于56.7kW?，F(xiàn)場運(yùn)行試驗結(jié)果表明：該裝置各項性能基本滿足設(shè)計要求，由于處于小流量工況下運(yùn)行，在額定點(diǎn)的性能和回收效率與要求存在一些偏差。

多級液力透平機(jī) 石油加氫裂化系統(tǒng) 能量回收 節(jié)能降耗

石油加氫裂化過程中產(chǎn)生的高壓流體壓力能的回收利用一直受到國內(nèi)外石油機(jī)械行業(yè)的廣泛關(guān)注。在《中國節(jié)能技術(shù)大綱》、《重大技術(shù)裝備自主創(chuàng)新指導(dǎo)目錄》等文件中，多次提及“液力透平”技術(shù)[1]。隨著液體余壓能量回收技術(shù)的發(fā)展，這些高壓液體可以通過液力透平做功，將壓力能轉(zhuǎn)換為液力透平機(jī)械能，以軸功率的形式輸出，達(dá)到回收能量的目的[2]。

目前，國內(nèi)外主要按工業(yè)用離心泵的設(shè)計方法，結(jié)合液力回收透平的特點(diǎn)，設(shè)計對應(yīng)工況下的液力透平機(jī)。其中關(guān)鍵的問題是找出泵反轉(zhuǎn)作為液力透平使用時，泵和透平工況性能參數(shù)的關(guān)系，為液力透平的選型提供參考[3]。

工業(yè)生產(chǎn)中的余壓能是可再生能源，用液力透平機(jī)代替減壓閥，避免了余能的浪費(fèi)[4]。針對廣州石化煉油加氫裝置中高壓液體的實際情況，考慮到高壓富胺液壓力能的回收與利用，中國石油化工股份有限公司廣州分公司、天華化工機(jī)械及自動化設(shè)計研究院有限公司、沈陽太平洋水泵股份有限公司和上海眾深科技股份有限公司，共同承擔(dān)了中國石油化工股份有限公司廣州分公司年產(chǎn)120萬噸加氫裂化裝置能量回收多級液力透平機(jī)組的研制設(shè)計開發(fā)任務(wù)，并作為中國石油化工股份有限公司的國產(chǎn)化課題。

該能量回收多級液力透平機(jī)組的成功研制對于石油加氫裂化系統(tǒng)的節(jié)能降耗，生產(chǎn)成本的縮減有積極作用，可為今后液力回收透平性能的研究、運(yùn)行工況的調(diào)整和機(jī)組配套裝置的選擇提供參考。

1 液力透平操作條件和主要技術(shù)指標(biāo)

液力回收透平輸送介質(zhì)為含H2S的水(H2S含量2.4%V，具有腐蝕性)，密度0.997 8g/cm3，操作溫度60℃，額定流量40m3/h，最小流量35m3/h，最大流量45m3/h，液力回收透平入口額定壓力13.43MPa，出口額定壓力0.60MPa。

能量回收多級液力透平機(jī)組國產(chǎn)化的技術(shù)指標(biāo)為：液力透平機(jī)葉輪級數(shù)為9級，單級揚(yáng)程142m，總揚(yáng)程1 283m，轉(zhuǎn)速3 000r/min，比轉(zhuǎn)速27.98，效率不小于40%，單級回收功率不小于6.3kW，總回收功率不小于56.7kW。

液力透平機(jī)組的主要零部件所用材料為：

筒體、端蓋 20(鍛件)

葉輪 ZG0Cr18Ni12Mo2Ti

導(dǎo)流器 ZG0Cr18Ni12Mo2Ti

中段 0Cr18Ni12MoTi(鍛件)

軸 17-4PH(鍛件)

平衡盤/鼓 0Cr18Ni12Mo2Ti(堆焊斯泰利合金)

葉輪和殼體密封環(huán) 0Cr18Ni12Mo2Ti

2 能量回收多級液力透平機(jī)組HT3002概況

中國石油化工股份有限公司廣州分公司年產(chǎn)120萬噸加氫裂化裝置中，貧液泵原配置的液力回收透平為進(jìn)口日本產(chǎn)品，原設(shè)計流量126m3/h，實際操作中流量僅約50m3/h，最小時只有35～40m3/h，小于最小流量要求，因此不能正常投入使用。本次為國產(chǎn)化改造。

多級液力回收透平通過超越離合器、主電機(jī)向貧液泵(被驅(qū)動設(shè)備)傳遞機(jī)械能；液力回收透平(API610標(biāo)準(zhǔn)中的BB5結(jié)構(gòu))為臥式徑向剖分雙殼體多級結(jié)構(gòu)(內(nèi)泵體徑向剖分)，吸入口和排出口均垂直向上布置，水平中心線支撐。液力透平自帶超速跳閘裝置。平衡方式采用平衡鼓+平衡套的聯(lián)合結(jié)構(gòu)，并配置平衡管；葉輪與軸的固定采用每個葉輪單獨(dú)固定(采用卡環(huán)固定)。徑向軸承采用多油楔滑動軸承(可傾瓦)，推力軸承采用推力可傾瓦結(jié)構(gòu)，軸承采用壓力供油潤滑。透平軸端密封采用串聯(lián)式平衡型集裝式機(jī)械密封，密封沖洗方案按API610標(biāo)準(zhǔn)PLAN53A+61方案。葉輪按API610要求做動平衡，平衡等級為G2.5級；轉(zhuǎn)子部件整體做高速動平衡，平衡等級為G1.0級。

被驅(qū)動貧液泵組采用雙驅(qū)動方案，如圖1所示，三相異步電機(jī)和液力透平共同驅(qū)動[5]。主電機(jī)的額定功率在無液力透平的驅(qū)動下足以驅(qū)動貧液泵，液力透平與貧液泵組之間設(shè)有超速離合器，并分別布置在主驅(qū)動電機(jī)兩側(cè)。其中貧液泵配套電機(jī)的參數(shù)如下：

電機(jī)型號 AMB560L2A BSTEH

額定功率 1 100kW

相數(shù) 3

額定電壓 6kV

額定頻率 50Hz

額定電流 119A

額定轉(zhuǎn)速 2 991r/min

功率因數(shù) 0.94

防護(hù)等級 IP55

圖1 液力透平的配置方案

3 液力回收透平HT3002回收功率的測試

高壓富胺液經(jīng)過透平葉輪和導(dǎo)葉時將大部分壓力能轉(zhuǎn)換為動能，流過葉輪時沖擊葉輪葉片，推動葉輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動透平轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[6]。透平轉(zhuǎn)子輸出旋轉(zhuǎn)機(jī)械功。

3.1計算方法

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 991r/min，設(shè)定超越離合器在液力回收透平轉(zhuǎn)速達(dá)到2 991r/min時閉合。因此，當(dāng)透平轉(zhuǎn)速低于2 991r/min時，液力回收透平對外不做功，電動機(jī)單獨(dú)驅(qū)動貧液泵(轉(zhuǎn)動設(shè)備)，所測電流值為電機(jī)帶動貧液泵運(yùn)轉(zhuǎn)時的實際電流值。當(dāng)液力透平投運(yùn)后，電動機(jī)和液力透平共同做功，電動機(jī)電流會下降，利用電動機(jī)前后電流差即可估算液力透平的回收功率(節(jié)能功率)[7]。電流差法計算液力回收透平實際回收功率(節(jié)能功率)P的計算式為：

(1)

式中I1——液力回收透平投用后的電流，A；

I2——液力回收透平投用前的電流，A；

U——電機(jī)額定電壓，kV；

cosφ——電機(jī)功率因素。

液力回收透平可回收功率P0的計算式為：

P0=ρQH/102

(2)

式中H——揚(yáng)程，m；

Q——液體介質(zhì)流量，m3/s；

ρ——介質(zhì)比重，kg/m3。

液力回收透平效率η的計算式為：

(3)

3.2測試方法

回收功率的測試方法和步驟如下：

a. 使用電機(jī)驅(qū)動貧液泵，測量電機(jī)的三相電流值，取平均值，記錄I。

b. 加氫裂化裝置總控室通過控制塔內(nèi)液體壓力，調(diào)節(jié)進(jìn)入液力回收透平的液體壓力，使其達(dá)到入口額定壓力pin(13.43MPa)，并記錄出口壓力pout。

c. 由調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)進(jìn)入液力回收透平的流量值，使得液力透平轉(zhuǎn)速高于電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，并由液力透平和電機(jī)共同驅(qū)動貧液泵。

d. 當(dāng)液力透平泵的轉(zhuǎn)速高于超越離合器設(shè)定的2 991r/min時，測量電機(jī)的三相電流值，記錄電流平均值。逐步增大進(jìn)入液力回收透平的流量，直至調(diào)節(jié)閥達(dá)到最大開度，即流量每增加1m3記錄電機(jī)電流值和液力透平泵的機(jī)械運(yùn)行狀況。

e. 根據(jù)測試數(shù)據(jù)整理計算。

4 液力回收透平能量回收效果評價

中國石油化工股份有限公司廣州分公司年產(chǎn)120萬噸加氫裂化裝置的液力能量回收透平自投運(yùn)以來，在滿足工藝操作要求的前提下，穩(wěn)定運(yùn)行且能回收一部分能量。

根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，液力回收透平HT3002水力性能數(shù)據(jù)中，入口壓力13.39MPa，出口壓力0.85MPa，流量51m3/h，揚(yáng)程1 282.41m(圖2)；總回收功率61.54kW(圖3)，高于設(shè)計值56.7kW；回收效率34.63%，較理論值略低。泵反轉(zhuǎn)作液力透平運(yùn)行對流量變化十分敏感，流量高于最優(yōu)工況的10%時能量回收效率下降50%，流量低于最優(yōu)工況的40%時液力透平無回收功率[8]。

圖2 流量-揚(yáng)程曲線

圖3 流量-回收功率曲線

從圖2、3中可以看出，年產(chǎn)120萬噸加氫裂化裝置液力能量回收透平已滿足業(yè)主的基本要求。但在額定點(diǎn)的性能和回收效率均與要求存在一些偏差。究其原因，可能是原要求指標(biāo)較高；在小流量工況下，液力回收透平的效率很難達(dá)到較高效率(這與低比轉(zhuǎn)速離心泵設(shè)計原理類似)，設(shè)計理論目前為前沿科技，但水力部件設(shè)計與加工工藝有待進(jìn)一步研究與提高。

5 結(jié)束語

從中國石油化工股份有限公司廣州分公司年產(chǎn)120萬噸加氫裂化裝置HT3002液力回收透平性能試驗數(shù)據(jù)可以看出，隨著流量的降低，揚(yáng)程與功率快速降低。因此，建議在現(xiàn)場運(yùn)行時，在滿足工藝要求的前提下，應(yīng)盡量保證流量高于設(shè)計流量，使其處于最優(yōu)工況點(diǎn)附近，并保持工況穩(wěn)定，否則將會降低液力回收透平的回收功率，導(dǎo)致高壓流體壓力能的浪費(fèi)。

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PerformanceTestingandAssessmentofMultistageHydraulicTurbineUnitforEnergyRecovery

MAO Hai-rui1, ZHONG Wei-ming2, SUN Liang-liang3, HE Li-xin3

(1.SchoolofMechanicalEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou213164,China; 2.SinopecGuangzhouCo.,Guangzhou510726,China; 3.ShanghaiJorsonTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai201203,China)

2016-05-05(修改稿)

TQ116.2+8

A

1000-3932(2016)08-0838-04