液力透平在加氫裝置中的應(yīng)用初探

紀(jì)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(yīng)用領(lǐng)域

液力透平，又稱渦輪機(jī)，是一種能量回收裝置，是將液體流體工質(zhì)中的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的機(jī)械設(shè)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(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備，以達(dá)到節(jié)能的目的。

透平的工作條件和所用的工質(zhì)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(zhuǎn)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(dòng)中，經(jīng)過(guò)噴管時(shí)轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，流過(guò)葉輪時(shí)流體沖擊葉片，推動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)透平軸旋轉(zhuǎn)。透平軸直接或經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其他機(jī)械，輸出機(jī)械功。透平機(jī)械的工質(zhì)可以是液體、蒸汽、燃?xì)狻⒖諝饣蚱渌鼩怏w，以液體為工質(zhì)的透平稱為液力透平。

作為一個(gè)節(jié)能裝置，透平是近幾年才興起的，在使用上，常常以反轉(zhuǎn)離心泵作液力透平，這樣更經(jīng)濟(jì)。液力透平可以對(duì)工藝流程中產(chǎn)生的高壓液體進(jìn)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(zhǎng)遠(yuǎn)節(jié)能效益的設(shè)備。

2 加氫裝置及加氫反應(yīng)進(jìn)料泵的特點(diǎn)

加氫處理是重質(zhì)油深度加工的主要工藝之一，集煉油技術(shù)、高壓技術(shù)和催化技術(shù)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(zhì)操作環(huán)境，屬于甲類火災(zāi)危險(xiǎn)裝置。

加氫裝置反應(yīng)進(jìn)料泵的作用是將原料升壓后送至加熱爐，其主要特點(diǎn)有：

1)流量大，要求操作平穩(wěn)；

2)液體黏度較高，揚(yáng)程大，通常為多級(jí)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(yīng)進(jìn)料泵的特點(diǎn)可見，加氫裝置的流體可以產(chǎn)生可回收的壓力能量，加氫進(jìn)料泵通常需要大功率的電機(jī)帶動(dòng)，如有節(jié)能措施，必然會(huì)考慮本裝置的高壓液體余壓回收再利用。

3 加氫反應(yīng)進(jìn)料泵—液力透平組合的優(yōu)勢(shì)

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(gè)位置：一處為高壓分離器液體降壓后進(jìn)入低壓分離器的降壓區(qū)，壓差通常為11～15 MPa，溫度為240～310℃；另一處為循環(huán)氫脫硫塔塔底富胺物流降壓區(qū)，壓差通常為11～16 MPa，溫度為50～70℃。

在高壓分離器的液體經(jīng)過(guò)降壓之后進(jìn)入低壓分離器的過(guò)程中，常規(guī)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(qū)動(dòng)液力透平來(lái)帶動(dòng)加氫反應(yīng)進(jìn)料泵，全部或部分地降低常規(guī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)料泵消耗的電能。

3.2 加氫反應(yīng)進(jìn)料泵的電機(jī)—液力透平雙驅(qū)方案

加氫反應(yīng)進(jìn)料泵采用液力透平和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的雙驅(qū)方案，電機(jī)按額定功率選取，以保證在無(wú)液力透平助力的情況下足以驅(qū)動(dòng)高壓進(jìn)料泵。液力透平和進(jìn)料泵分別布置在電機(jī)兩側(cè)，排列方式為：泵—變速器—電動(dòng)機(jī)—離合器—液力透平(參考圖1)，液力透平和電機(jī)之間布置超速離合器，以便于液力透平未投用和維修時(shí)，電機(jī)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，也便于抽裝轉(zhuǎn)子。當(dāng)液力透平流量低于額定流量的40%時(shí)，可能會(huì)對(duì)主驅(qū)動(dòng)機(jī)造成阻尼，但由于液力透平的軸功率通常小于反應(yīng)進(jìn)料泵的軸功率，這種情況極少發(fā)生。液力透平只有在單體運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)才有可能發(fā)生超速現(xiàn)象，超速離合器會(huì)斷開連接，同時(shí)連鎖系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉透平入口緊急切斷閥，停運(yùn)液力透平。

3.3 一次性投資與長(zhǎng)遠(yuǎn)節(jié)能

加氫反應(yīng)進(jìn)料泵的電機(jī)—液力透平的雙驅(qū)方案，雖然會(huì)增加裝置的一次性投資，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)運(yùn)行來(lái)看，可以節(jié)約大量的電能，并且增加反應(yīng)進(jìn)料泵部分的保險(xiǎn)措施，因此經(jīng)濟(jì)合理。特別適合生產(chǎn)規(guī)模大的加氫裝置采用。

圖1 反應(yīng)進(jìn)料泵-液力透平組合示意圖

4 液力透平的實(shí)際應(yīng)用流程及控制方案

4.1 某廠液力透平部分流程簡(jiǎn)述

某廠加氫裝置反應(yīng)部分流程中，熱高壓分離器(D-103)底熱高分油主分支通過(guò)熱高壓液力透平(PT-105)降壓后進(jìn)入熱低壓分離器(D-103)，另一分支通過(guò)角式調(diào)節(jié)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(jìn)料泵P-102A電機(jī)東側(cè)，正常狀況下，D-103底部熱高分油(230℃，8.0 MPa)全量通過(guò)熱高壓液力透平，通過(guò)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(jìn)料泵的動(dòng)力源，降低電機(jī)的軸功率，減少耗電。

液力透平前面有液位調(diào)節(jié)閥LV-1101C和開關(guān)閥XV-1101，通過(guò)開關(guān)閥可以實(shí)現(xiàn)連鎖停加氫進(jìn)料泵(P-102A/B)，連鎖停循環(huán)氫壓縮機(jī)(K-102)和連鎖緊急放空(XV-1701)。液位調(diào)節(jié)閥LV-1101C和另一分支的角式調(diào)節(jié)閥LV-1101A/B實(shí)行分程控制。正常狀態(tài)下，高液位首開LV-1101C，熱高分油全量通過(guò)液力透平PT-105，部分情況可通過(guò)自動(dòng)控制關(guān)小LV-1101C，打開LV-1101A，讓一部分熱高分油通過(guò)LV-1101A與通過(guò)透平的熱高分油匯合后進(jìn)入D-104。當(dāng)液力透平出現(xiàn)故障時(shí)，關(guān)閉LV-1101A、C，打開備用調(diào)節(jié)閥LV-1101B，讓熱高分油全量通過(guò)。

通過(guò)上述調(diào)節(jié)方案，優(yōu)化了流程，回收了能量用于泵P-102A的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也確保了當(dāng)液力透平出現(xiàn)故障時(shí)，能正常生產(chǎn)，不影響原有的生產(chǎn)流程系統(tǒng)(流程示意見圖2)。

圖2 液力透平自動(dòng)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(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制

見表1。

表1 液力透平的主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制

5 液力透平的節(jié)能作用

5.1 液力透平節(jié)能功率的算法

液力透平的節(jié)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(guò)測(cè)量液力透平投用前和用后通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流，將電流差帶入公式來(lái)估算液力透平的節(jié)能功率的計(jì)算方法。由于電流差需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，此處介紹省略。

另一種方法是流體差法，根據(jù)工質(zhì)通過(guò)液力透平后內(nèi)能減少的原理，理想狀態(tài)下，流體減少的內(nèi)能等于液力透平輸出的軸功率，因此通過(guò)計(jì)算工質(zhì)的內(nèi)能差即可粗算出液力透平的輸出功率。計(jì)算公式如下：

P0=(Q·H·S·u)/367

P0—液力透平的節(jié)能功率，kW ；

Q —透平驅(qū)動(dòng)流體的流量；m3/h；

H—液力透平的揚(yáng)程降，m；

S—液力透平驅(qū)動(dòng)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(zhì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

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

表2 液力透平用熱高分油性質(zhì)

5.3 液力透平的輸出功率及節(jié)能計(jì)算

根據(jù)上表提供的數(shù)值，估算某廠液力透平的揚(yáng)程差H=820 m，已知液力透平的效率為70%；將數(shù)值代入流體差法計(jì)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(jì)算出液力透平的節(jié)能功率為300 kW。

按裝置每年運(yùn)行8400 h計(jì)，液力透平投用后，每年可節(jié)電252×104度，按每度電0.5元計(jì)，一年可以節(jié)約126萬(wàn)元，按此類透平的一次性投資250萬(wàn)元計(jì)，兩年左右可以收回投資成本，而設(shè)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(shè)備的運(yùn)營(yíng)成本。

6 結(jié)論

綜上所述，液力透平是一種具有長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益的節(jié)能裝置，應(yīng)用前景十分廣泛。在石油化工企業(yè)的大型加氫裝置中，加氫反應(yīng)進(jìn)料泵采用液力透平和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)的雙驅(qū)方案，可以有效地降低能耗，為長(zhǎng)周期的生產(chǎn)大大減少了運(yùn)營(yíng)成本。但是，在液力透平的實(shí)際應(yīng)用中，也仍然存在一些需要繼續(xù)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(shè)備及系統(tǒng)參數(shù)，并在運(yùn)行工況偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)，選擇合理的調(diào)節(jié)方式來(lái)充分回收余壓等。