成品油管道余壓發(fā)電用液力透平研究

廖遠(yuǎn)桓

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司 華南分公司，廣州 510620）

0 引言

成品油輸送管道是指長距離輸送成品油的輸油管道，成品油管道輸送的優(yōu)勢有：大幅減少油品損耗；明顯降低運(yùn)輸費(fèi)用；省去裝運(yùn)、卸貨和運(yùn)輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)的作業(yè)；減輕油品運(yùn)輸供應(yīng)的不均衡性；改善輸油的操作條件，便于集中管理；對復(fù)雜地形和惡劣氣候條件適應(yīng)性更強(qiáng)；對環(huán)境的污染更少，運(yùn)輸過程更加安全可靠；大幅降低可能導(dǎo)致油品質(zhì)量變差因素［1］。在成品油輸送過程中，最佳的輸送模式為管道輸送，尤其是西部、西南和華南等多山部地區(qū)，管道所經(jīng)地區(qū)地貌高低起伏，為保證油品的可靠輸送，管道內(nèi)油壓往往較高，到各輸送站的進(jìn)站后通常需要額外的減壓才能卸載，存在壓力能浪費(fèi)的現(xiàn)象，同時，減壓設(shè)備往往造成振動、發(fā)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(nèi)液體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能或電能的裝置，用液力透平代替減壓閥，可有效回收管道中的液體余壓［2-5］。在石化能量回收設(shè)備中，泵反轉(zhuǎn)作能量回收液力透平應(yīng)用較多，主要是其具有價格低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等優(yōu)點(diǎn)［6-8］。國內(nèi)外學(xué)者對泵反轉(zhuǎn)作液力透平研究也較多，楊軍虎等［9-11］對液力透平性能預(yù)測、液力透平含氣工況及葉輪葉片進(jìn)出口角及葉片型線對液力透平性能的影響做了深入研究；夏勇等［12］研究了雙吸泵作液力透平內(nèi)部流動誘導(dǎo)噪聲，得出了聲學(xué)邊界元模型表面聲壓級分布，以及內(nèi)部主要檢測點(diǎn)的聲壓級頻率響應(yīng)函數(shù)；史鳳霞等［13］研究了液力透平變工況瞬態(tài)特性，分析認(rèn)為變工況條件下液力透平內(nèi)部的瞬時壓力脈動更為明顯；羅波等［14］研究了雙吸離心泵作液力透平時流致振動的特征情況。LU等［15］通過數(shù)值分析和模型泵實(shí)驗(yàn)的方式研究了泵作液力透平工況下的邊界渦量流特征。ASOMANI等［16］對幾何效應(yīng)對泵作液力透平性能和內(nèi)部流動特性的影響進(jìn)行了綜合的論述。MIAO等［17］通過將遺傳算法優(yōu)化后的反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法相結(jié)合的方法對泵作液力透平時通過對葉輪子午面進(jìn)行優(yōu)化，其能量轉(zhuǎn)換效率提高了2.28%。MALEKI等［18］研究了泵反轉(zhuǎn)作液力透平時介質(zhì)黏度對透平性能的影響，結(jié)果表明在部分負(fù)荷條件下效率隨黏度的增加而下降，高效點(diǎn)往大流量方向偏移，葉輪流道和導(dǎo)流管處的旋渦變?nèi)?。ZHANG等對泵反轉(zhuǎn)作液力透平時S型區(qū)域的壓力脈動和不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究［19-21］。

本文針對華南地區(qū)某一成品油樞紐站余壓回收發(fā)電的需求情況，采用雙級離心泵反轉(zhuǎn)作為液力透平能量回收裝置，并通過三維數(shù)值仿真的方法對雙級泵反轉(zhuǎn)作液力透平進(jìn)行數(shù)值仿真驗(yàn)證，并開展水介質(zhì)的試驗(yàn)測試，測試通過后安裝到成品油樞紐站現(xiàn)場進(jìn)行運(yùn)行回收發(fā)電，應(yīng)用效果理想。

1 液力透平設(shè)計(jì)及建模

雙級離心泵結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括泵殼、泵蓋、泵軸、葉輪、軸承箱、軸封等，低壓流體經(jīng)過泵入口處流入到葉輪內(nèi)，通過葉輪的做功將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體的壓力能，獲得加壓后的流體通過泵出口流入到工藝管道內(nèi)。當(dāng)雙級離心泵反轉(zhuǎn)作為液力透平時整個流向是反過來的，也就是高壓流體先通過泵出口流入到葉輪內(nèi)，再通過泵入口流出到工藝管道中，流體流經(jīng)過程中分別對葉輪進(jìn)行做功，高壓流體做功后流出的為低壓流體。

圖1 雙級離心泵結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of the structure of the two-stage centrifugal pump

泵工況的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 泵工況的主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of pump operating conditions

液力透平首級葉輪葉片數(shù)Z=5，進(jìn)口直徑D2=348 mm，出口直徑D1=140 mm；次級葉輪葉片數(shù)Z=3，進(jìn)口直徑D2=348 mm，出口直徑D1=158 mm，兩級蝸殼分別設(shè)計(jì)，最大限度的降低蝸殼流道中的損失。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的液力透平葉輪和蝸殼的主要參數(shù)利用三維建模軟件分別進(jìn)行三維建模，再對各水力模型進(jìn)行裝配，三維水力裝配如圖2所示。

圖2 液力透平三維水力裝配Fig.2 Three-dimensional hydraulic assembly of hydraulic turbine

2 數(shù)值計(jì)算和分析

2.1 數(shù)值計(jì)算

對模型采用專業(yè)網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過1.18×107時，設(shè)計(jì)工況下兩者壓差相對誤差為2.35%，可認(rèn)為對計(jì)算結(jié)果不產(chǎn)生影響，在數(shù)值模擬時對進(jìn)出口進(jìn)行延長，最終生成網(wǎng)格總數(shù)為23 188 930。利用專業(yè)流體仿真軟件進(jìn)行流場計(jì)算，選用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，在泵反轉(zhuǎn)作液力透平時，選擇泵出口面作為液力透平的入口面，設(shè)置質(zhì)量流量進(jìn)口邊界條件，取泵入口面作為液力透平的出口面，設(shè)置壓力出口邊界條件，在計(jì)算中設(shè)置收斂精度為10-5，采用SIMPLE算法，標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

為較全面的進(jìn)行液力透平性能和內(nèi)部流場特征的分析，分別取0.5Q，0.7Q，0.9Q，1.0Q，1.1Q，1.2Q進(jìn)行計(jì)算，并分別取各工況下的外特性數(shù)據(jù)，2個葉輪工作面的壓力分布情況進(jìn)行比較分析。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 性能預(yù)測

表2為液力透平數(shù)值模擬后的計(jì)算工況數(shù)值，可以看出，在額定工況下數(shù)值計(jì)算獲得的流量為330 m3/h，揚(yáng)程為399.93 m，對應(yīng)液力透平的設(shè)計(jì)工況（流量350 m3/h，揚(yáng)程410 m）平均偏差為4.2%，認(rèn)為數(shù)值計(jì)算的結(jié)果比較符合實(shí)際工況情況。

表2 不同工況下的計(jì)算數(shù)值Tab.2 Calculated values under different conditions

2.2.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3示出液力透平首級葉輪工作面的靜壓壓力分布，可以看出，不同工況下葉輪工作面壓力分布相對均勻，靠近葉輪外緣的壓力較大，中間次之，靠近葉輪中心處的壓力最小，但從外緣到葉輪中心處有明顯的壓力分布梯度特征，尤其是0.9Q～1.2Q工況下，壓力分布梯度更明顯；隨著流量的增加，葉輪工作面最大壓力越來越大，0.5Q時最大壓力為2.45 MPa，1.0Q時最大壓力為3.18 MPa，1.2Q時最大壓力為4.04 MPa，這主要是因?yàn)楸米饕毫ν钙綍r葉輪為反向轉(zhuǎn)動，隨著流量的增加回收的功率逐漸加大，葉輪整個工作面的壓力分布逐漸加大；在0.9Q～1.2Q工況下壓力分布比較均勻，整個流場狀態(tài)比較好，可以推斷出液力透平在偏大流量工況下葉輪內(nèi)部流動狀態(tài)也比較理想。

圖3 不同工況下首級葉輪工作面壓力分布Fig.3 Pressure distribution on working face of first-stage impeller under different working conditions

圖4 示出液力透平次級葉輪工作面的靜壓壓力分布?？梢钥闯?，0.5Q工況下葉輪工作面壓力分布不均勻，0.7Q～1.2Q工況下葉輪工作面壓力分布比較均勻，且葉輪外邊緣到葉輪中心處壓力逐層遞減，呈現(xiàn)較明顯的壓力梯度；同首級葉輪工作面規(guī)律相同，隨著流量的增大，葉輪最大壓力值越大；在0.7Q～1.2Q工況下壓力分布比較均勻，整個流場狀態(tài)比較好；圖4中的次級葉輪工作面和圖3中的首級葉輪工作面壓力分布規(guī)律基本類似。

圖4 不同工況下次級葉輪工作面壓力分布Fig.4 Pressure distribution on working face of secondary impeller under different working conditions

圖5示出液力透平首級葉輪工作面的相對速度流線，從圖5中可以看出葉輪外緣的流速較大，靠中間次之，靠近內(nèi)部流速最?。辉诟鞣N工況下葉輪內(nèi)部均存在明顯的渦流情況，這主要是因?yàn)楸梅崔D(zhuǎn)作為液力透平使用時流動效果并不是非常理想；靠近葉輪的工作面速度比靠近背面的速度小，且靠近工作面的渦流比靠近背面要嚴(yán)重，靠近葉輪背面流動狀況相對比較好，這主要是因?yàn)楦邏航橘|(zhì)主要對葉輪工作面做功的原因；隨著流量的增加，葉輪內(nèi)部流動狀態(tài)得到明顯改善，從圖5中對6個工況下葉輪內(nèi)標(biāo)識Ⅰ區(qū)的比較來看，在0.5Q和0.7Q存在明顯的渦流，當(dāng)流量達(dá)到0.9Q時渦流得到改善，當(dāng)達(dá)到1.2Q時標(biāo)識區(qū)流線分布比較均勻，與圖3中的壓力分布的變化規(guī)律相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了液力透平在偏大流量工況下葉輪內(nèi)部流動狀態(tài)比較理想。

圖5 不同工況下首級葉輪工作面相對速度流線Fig.5 The relative velocity streamline of the working face of the first stage impeller under different working conditions

圖6示出液力透平次級葉輪工作面的相對速度流線。

圖6 不同工況下次級葉輪工作面相對速度流線Fig.6 Relative velocity streamline of working face of secondary impeller under different working conditions

從圖6中可以看出在各種工況下葉輪內(nèi)部均存在明顯的渦流情況，各種工況下尤其是標(biāo)識Ⅱ區(qū)葉輪內(nèi)部流動分布情況和變化規(guī)律與首級葉輪基本類似；比較圖5和6可以發(fā)現(xiàn)，由于次級葉輪采用了5個葉片，相同工況下葉輪流道內(nèi)的渦流與首級葉輪相比得到了一定的改善。

3 試驗(yàn)及其結(jié)果分析

為驗(yàn)證液力透平的水力性能和可靠性，對其進(jìn)行水力性能和運(yùn)轉(zhuǎn)性能的測試，試驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖7所示，采用一臺多級高壓泵作為壓力源提供給液力透平，多級高壓泵進(jìn)口連接測試水池，出口連接液力透平入口，中間增加必要的壓力表、調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)等，液力透平減壓后通過出口流入到測試水池內(nèi)，形成整個系統(tǒng)的循環(huán)。

圖7 液力透平裝置性能測試系統(tǒng)Fig.7 Performance test system for hydraulic turbine

受限于試驗(yàn)條件，試驗(yàn)介質(zhì)采用普通水，只開展設(shè)計(jì)工況參數(shù)和可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的測試，現(xiàn)場測試安裝情況如圖8所示。

圖8 液力透平實(shí)驗(yàn)測試現(xiàn)場圖（水介質(zhì)）Fig.8 Hydraulic turbine experimental test site map（water medium）

通過調(diào)節(jié)多級高壓泵流量達(dá)到350 m3/h，出口壓力為3.3 MPa，液力透平電機(jī)端用一個200 kW電機(jī)來代替發(fā)電機(jī)，經(jīng)過液力透平后的出口壓力為0.12 MPa，總壓差為3.18 MPa，與液力透平的設(shè)計(jì)工況接近，待系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，中間每隔2 h記錄一次運(yùn)行數(shù)據(jù)，持續(xù)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)24 h，數(shù)據(jù)如表3所示，從表3可以看出，液力透平各項(xiàng)性能運(yùn)行平穩(wěn)。

表3 液力透平測試運(yùn)行數(shù)據(jù)（水介質(zhì)）Tab.3 Hydraulic turbine test run data（water medium）

4 現(xiàn)場運(yùn)行及分析

4.1 發(fā)電機(jī)－液力透平機(jī)組設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)組選取額定容量200 kW，額定電壓400 V。整個系統(tǒng)集發(fā)電機(jī)保護(hù)、并網(wǎng)、綜合保護(hù)、測量顯示的功能于一體，確保系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，功能齊備，結(jié)構(gòu)緊湊。系統(tǒng)原理如圖9所示。

圖9 發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)原理Fig.9 Schematic diagram of the generator system

4.2 現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)分析

現(xiàn)場安裝試車成功后，裝置進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，取裝置穩(wěn)定運(yùn)行第2天的數(shù)據(jù)，每隔2 h取一組運(yùn)行數(shù)據(jù)，連續(xù)取12組數(shù)據(jù)，見表4。從表4中現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)可以看出，設(shè)備入口平均壓力為2.74 MPa，小于液力透平設(shè)計(jì)時所選取的入口壓力3.5 MPa，出口平均壓力為0.32 MPa，與設(shè)計(jì)時所選取的出口壓力0.3 MPa基本相同，平均壓差為2.4 MPa，小于與設(shè)計(jì)所選取的平均壓力3 MPa。這主要是考慮到在初始運(yùn)行階段為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，原減壓閥管路并沒有完全的關(guān)閉，有一部分成品油通過減壓閥支路減壓后流出的原因。表3中平均流量為328 m3/h，與設(shè)計(jì)流量基本相同，平均揚(yáng)程為310 m，比設(shè)計(jì)參數(shù)偏小的原因是設(shè)備入口平均壓力比設(shè)計(jì)的低了0.76 MPa，若增加上這一部分壓力產(chǎn)生的揚(yáng)程，則平均揚(yáng)程為407 m，與設(shè)計(jì)揚(yáng)程基本相同。表4中平均功率為130 kW，與計(jì)算分析設(shè)計(jì)工況206.48 kW相比偏小，一方面是由于進(jìn)口壓力低導(dǎo)致，另一方面是由于計(jì)算分析時未考慮機(jī)械損失導(dǎo)致。

表4 裝置現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)表（成品油介質(zhì)）Tab.4 Field operation data sheet of the unit（product oil medium）

液力透平裝置實(shí)際現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)相比，整個裝置的運(yùn)行點(diǎn)向額定工況點(diǎn)左側(cè)偏離，運(yùn)行參數(shù)偏向泵特性曲線中最佳設(shè)計(jì)點(diǎn)左側(cè)，目前該套裝置已經(jīng)持續(xù)運(yùn)行超過2個月，裝置運(yùn)行穩(wěn)定可靠，后期計(jì)劃把液力透平入口壓力提高到設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而提高液力透平的回收效率和功率。

5 結(jié)論

（1）雙級泵反轉(zhuǎn)作液力透平，通過數(shù)值分析得出首級葉輪和次級葉輪工作面壓力分布在0.9Q～1.2Q之間壓力分布比較均勻；從首級葉輪和次級葉輪不同工況下的流線圖可以得出在0.5Q～0.7Q小工況下葉輪內(nèi)部流動比較紊亂，隨著流量的增加，流動狀態(tài)越來越得到改善，但從總體速度分布圖來看，各工況葉輪內(nèi)部流動狀態(tài)均存在一定的渦流，說明泵直接反轉(zhuǎn)作為液力透平使用時內(nèi)部流動狀態(tài)并不理想；

（2）通過水介質(zhì)對液力透平進(jìn)行測試，當(dāng)流量達(dá)到350 m3/h，流體入口壓力為3.3 MPa，經(jīng)過液力透平后的出口壓力為0.12 MPa，總壓差為3.18 MPa，與液力透平的設(shè)計(jì)工況接近；

（3）在該成品油樞紐站余壓回收發(fā)電系統(tǒng)中進(jìn)行了實(shí)際運(yùn)行，平均流量為328 m3/h，平均揚(yáng)程為310 m，比設(shè)計(jì)參數(shù)偏小的原因是設(shè)備入口平均壓力比設(shè)計(jì)的低了0.76 MPa，若增加上這一部分壓力產(chǎn)生的揚(yáng)程，則平均揚(yáng)程為407 m，與設(shè)計(jì)參數(shù)基本相同，平均功率為130 kW，與計(jì)算分析設(shè)計(jì)工況206.48 kW相比偏小，一方面是由于進(jìn)口壓力低導(dǎo)致，另一方面是由于計(jì)算分析時未考慮機(jī)械損失導(dǎo)致。

（4）實(shí)際運(yùn)行表明，該套液力透平裝置總體運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)參數(shù)相符，且運(yùn)行穩(wěn)定，可有效回收管道余壓，提高輸送站的經(jīng)濟(jì)效益。