毛海瑞 钟伟明 孙亮亮 贺立新

(1.常州大学机械工程学院，江苏 常州 213164；2.中国石化股份有限公司广州分公司，广州 510726；3.上海众深科技股份有限公司，上海 201203)

能量回收多级液力透平机组性能测试与评定

毛海瑞1钟伟明2孙亮亮3贺立新3

(1.常州大学机械工程学院，江苏 常州 213164；2.中国石化股份有限公司广州分公司，广州 510726；3.上海众深科技股份有限公司，上海 201203)

结合生产工艺流程与现场实际要求，研制了年产120万吨加氢裂化装置能量回收多级液力透平机组，入口额定压力13.43MPa，出口额定压力0.60MPa。单级回收功率不低于6.3kW，总回收功率不低于56.7kW。现场运行试验结果表明：该装置各项性能基本满足设计要求，由于处于小流量工况下运行，在额定点的性能和回收效率与要求存在一些偏差。

多级液力透平机 石油加氢裂化系统 能量回收 节能降耗

石油加氢裂化过程中产生的高压流体压力能的回收利用一直受到国内外石油机械行业的广泛关注。在《中国节能技术大纲》、《重大技术装备自主创新指导目录》等文件中，多次提及“液力透平”技术[1]。随着液体余压能量回收技术的发展，这些高压液体可以通过液力透平做功，将压力能转换为液力透平机械能，以轴功率的形式输出，达到回收能量的目的[2]。

目前，国内外主要按工业用离心泵的设计方法，结合液力回收透平的特点，设计对应工况下的液力透平机。其中关键的问题是找出泵反转作为液力透平使用时，泵和透平工况性能参数的关系，为液力透平的选型提供参考[3]。

工业生产中的余压能是可再生能源，用液力透平机代替减压阀，避免了余能的浪费[4]。针对广州石化炼油加氢装置中高压液体的实际情况，考虑到高压富胺液压力能的回收与利用，中国石油化工股份有限公司广州分公司、天华化工机械及自动化设计研究院有限公司、沈阳太平洋水泵股份有限公司和上海众深科技股份有限公司，共同承担了中国石油化工股份有限公司广州分公司年产120万吨加氢裂化装置能量回收多级液力透平机组的研制设计开发任务，并作为中国石油化工股份有限公司的国产化课题。

该能量回收多级液力透平机组的成功研制对于石油加氢裂化系统的节能降耗，生产成本的缩减有积极作用，可为今后液力回收透平性能的研究、运行工况的调整和机组配套装置的选择提供参考。

1 液力透平操作条件和主要技术指标

液力回收透平输送介质为含H2S的水(H2S含量2.4%V，具有腐蚀性)，密度0.997 8g/cm3，操作温度60℃，额定流量40m3/h，最小流量35m3/h，最大流量45m3/h，液力回收透平入口额定压力13.43MPa，出口额定压力0.60MPa。

能量回收多级液力透平机组国产化的技术指标为：液力透平机叶轮级数为9级，单级扬程142m，总扬程1 283m，转速3 000r/min，比转速27.98，效率不小于40%，单级回收功率不小于6.3kW，总回收功率不小于56.7kW。

液力透平机组的主要零部件所用材料为：

筒体、端盖 20(锻件)

叶轮 ZG0Cr18Ni12Mo2Ti

导流器 ZG0Cr18Ni12Mo2Ti

中段 0Cr18Ni12MoTi(锻件)

轴 17-4PH(锻件)

平衡盘/鼓 0Cr18Ni12Mo2Ti(堆焊斯泰利合金)

叶轮和壳体密封环 0Cr18Ni12Mo2Ti

2 能量回收多级液力透平机组HT3002概况

中国石油化工股份有限公司广州分公司年产120万吨加氢裂化装置中，贫液泵原配置的液力回收透平为进口日本产品，原设计流量126m3/h，实际操作中流量仅约50m3/h，最小时只有35～40m3/h，小于最小流量要求，因此不能正常投入使用。本次为国产化改造。

多级液力回收透平通过超越离合器、主电机向贫液泵(被驱动设备)传递机械能；液力回收透平(API610标准中的BB5结构)为卧式径向剖分双壳体多级结构(内泵体径向剖分)，吸入口和排出口均垂直向上布置，水平中心线支撑。液力透平自带超速跳闸装置。平衡方式采用平衡鼓+平衡套的联合结构，并配置平衡管；叶轮与轴的固定采用每个叶轮单独固定(采用卡环固定)。径向轴承采用多油楔滑动轴承(可倾瓦)，推力轴承采用推力可倾瓦结构，轴承采用压力供油润滑。透平轴端密封采用串联式平衡型集装式机械密封，密封冲洗方案按API610标准PLAN53A+61方案。叶轮按API610要求做动平衡，平衡等级为G2.5级；转子部件整体做高速动平衡，平衡等级为G1.0级。

被驱动贫液泵组采用双驱动方案，如图1所示，三相异步电机和液力透平共同驱动[5]。主电机的额定功率在无液力透平的驱动下足以驱动贫液泵，液力透平与贫液泵组之间设有超速离合器，并分别布置在主驱动电机两侧。其中贫液泵配套电机的参数如下：

电机型号 AMB560L2A BSTEH

额定功率 1 100kW

相数 3

额定电压 6kV

额定频率 50Hz

额定电流 119A

额定转速 2 991r/min

功率因数 0.94

防护等级 IP55

图1 液力透平的配置方案

3 液力回收透平HT3002回收功率的测试

高压富胺液经过透平叶轮和导叶时将大部分压力能转换为动能，流过叶轮时冲击叶轮叶片，推动叶轮转动，从而驱动透平转子旋转[6]。透平转子输出旋转机械功。

3.1计算方法

电机额定转速为2 991r/min，设定超越离合器在液力回收透平转速达到2 991r/min时闭合。因此，当透平转速低于2 991r/min时，液力回收透平对外不做功，电动机单独驱动贫液泵(转动设备)，所测电流值为电机带动贫液泵运转时的实际电流值。当液力透平投运后，电动机和液力透平共同做功，电动机电流会下降，利用电动机前后电流差即可估算液力透平的回收功率(节能功率)[7]。电流差法计算液力回收透平实际回收功率(节能功率)P的计算式为：

(1)

式中I1——液力回收透平投用后的电流，A；

I2——液力回收透平投用前的电流，A；

U——电机额定电压，kV；

cosφ——电机功率因素。

液力回收透平可回收功率P0的计算式为：

P0=ρQH/102

(2)

式中H——扬程，m；

Q——液体介质流量，m3/s；

ρ——介质比重，kg/m3。

液力回收透平效率η的计算式为：

(3)

3.2测试方法

回收功率的测试方法和步骤如下：

a. 使用电机驱动贫液泵，测量电机的三相电流值，取平均值，记录I。

b. 加氢裂化装置总控室通过控制塔内液体压力，调节进入液力回收透平的液体压力，使其达到入口额定压力pin(13.43MPa)，并记录出口压力pout。

c. 由调节阀调节进入液力回收透平的流量值，使得液力透平转速高于电机额定转速，并由液力透平和电机共同驱动贫液泵。

d. 当液力透平泵的转速高于超越离合器设定的2 991r/min时，测量电机的三相电流值，记录电流平均值。逐步增大进入液力回收透平的流量，直至调节阀达到最大开度，即流量每增加1m3记录电机电流值和液力透平泵的机械运行状况。

e. 根据测试数据整理计算。

4 液力回收透平能量回收效果评价

中国石油化工股份有限公司广州分公司年产120万吨加氢裂化装置的液力能量回收透平自投运以来，在满足工艺操作要求的前提下，稳定运行且能回收一部分能量。

根据现场试验数据，液力回收透平HT3002水力性能数据中，入口压力13.39MPa，出口压力0.85MPa，流量51m3/h，扬程1 282.41m(图2)；总回收功率61.54kW(图3)，高于设计值56.7kW；回收效率34.63%，较理论值略低。泵反转作液力透平运行对流量变化十分敏感，流量高于最优工况的10%时能量回收效率下降50%，流量低于最优工况的40%时液力透平无回收功率[8]。

图2 流量-扬程曲线

图3 流量-回收功率曲线

从图2、3中可以看出，年产120万吨加氢裂化装置液力能量回收透平已满足业主的基本要求。但在额定点的性能和回收效率均与要求存在一些偏差。究其原因，可能是原要求指标较高；在小流量工况下，液力回收透平的效率很难达到较高效率(这与低比转速离心泵设计原理类似)，设计理论目前为前沿科技，但水力部件设计与加工工艺有待进一步研究与提高。

5 结束语

从中国石油化工股份有限公司广州分公司年产120万吨加氢裂化装置HT3002液力回收透平性能试验数据可以看出，随着流量的降低，扬程与功率快速降低。因此，建议在现场运行时，在满足工艺要求的前提下，应尽量保证流量高于设计流量，使其处于最优工况点附近，并保持工况稳定，否则将会降低液力回收透平的回收功率，导致高压流体压力能的浪费。

[1] 关醒凡,张大恩,李焰东,等.能量回收液力透平开发设计[J].通用机械,2012,(11):55～56.

[2] 毕智高,杨军虎,赵维元.能量回收液力透平的研究现状及展望[J].流体机械,2014,42(8):41～45.

[3] 周榕,唐晓晨,王辉,等.离心泵作液力透平的数值模拟[J].化工机械,2013,40(5):642～647.

[4] 杨军虎,张雪宁,王晓晖,等.能量回收液力透平的研究进展[J].化工机械,2011,38(6):655～658.

[5] 盛树仁.利用水泵逆转及水轮机回收能量的研究[J].流体机械,1984,12(6):41～45.

[6] Bansal P,Marsh N.Feasibility of hydraulic Power Recovery from Waste Energy in Bio-gas Scrubbing Processes[J].Applied Energy,2010,87(3):1048～1053.

[7] 吴应德,祁应军,边元立,等.液力透平回收能量影响因素分析及措施[J].化工机械,2011,38(5):607～609.

[8] 徐晅阔,王世昌.反渗透淡化系统余压水力能量回收装置的研究进展[J].水处理技术,2002,28(2):63～66.

(Continued on Page 863)

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