纪星桥，郑 怡

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266000)

1 液力透平的工作原理及应用领域

液力透平，又称涡轮机，是一种能量回收装置，是将液体流体工质中的压力能转换为机械能的机械设备，利用液力透平可将工艺流程中的液体余压回收再利用，转换为机械能驱动机械设备，以达到节能的目的。

透平的工作条件和所用的工质不同，所以它的工作形式多种多样，但基本工作原理相似。透平的最主要部件是转子，或称叶轮，它安装在透平轴上，具有沿圆周均匀排列的叶片。流体所具有的能量在流动中，经过喷管时转换成动能，流过叶轮时流体冲击叶片，推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转。透平轴直接或经传动机构带动其他机械，输出机械功。透平机械的工质可以是液体、蒸汽、燃气、空气或其它气体，以液体为工质的透平称为液力透平。

作为一个节能装置，透平是近几年才兴起的，在使用上，常常以反转离心泵作液力透平，这样更经济。液力透平可以对工艺流程中产生的高压液体进行再利用，目前广泛用于石油化工加氢裂化装置、大型合成氨装置以及海水淡化装置等，是具有长远节能效益的设备。

2 加氢装置及加氢反应进料泵的特点

加氢处理是重质油深度加工的主要工艺之一，集炼油技术、高压技术和催化技术为一体。加氢处理装置处于高温高压、临氢、易燃易爆、有毒介质操作环境，属于甲类火灾危险装置。

加氢装置反应进料泵的作用是将原料升压后送至加热炉，其主要特点有：

1)流量大，要求操作平稳；

2)液体黏度较高，扬程大，通常为多级离心泵；

3)可靠性要求高，一般备用性100%；

4)操作温度不高，一般在150℃以下；

5)耗电量高。

由上述加氢装置和反应进料泵的特点可见，加氢装置的流体可以产生可回收的压力能量，加氢进料泵通常需要大功率的电机带动，如有节能措施，必然会考虑本装置的高压液体余压回收再利用。

3 加氢反应进料泵—液力透平组合的优势

3.1 加氢装置压力能的位置及其利用

以加氢裂化装置为例，压力能主要集中在两个位置：一处为高压分离器液体降压后进入低压分离器的降压区，压差通常为11～15 MPa，温度为240～310℃；另一处为循环氢脱硫塔塔底富胺物流降压区，压差通常为11～16 MPa，温度为50～70℃。

在高压分离器的液体经过降压之后进入低压分离器的过程中，常规采用的角阀只起到了降压功能，却损失了压力能量，我们可以利用这部分压力能驱动液力透平来带动加氢反应进料泵，全部或部分地降低常规电机驱动进料泵消耗的电能。

3.2 加氢反应进料泵的电机—液力透平双驱方案

加氢反应进料泵采用液力透平和电机共同驱动的双驱方案，电机按额定功率选取，以保证在无液力透平助力的情况下足以驱动高压进料泵。液力透平和进料泵分别布置在电机两侧，排列方式为：泵—变速器—电动机—离合器—液力透平(参考图1)，液力透平和电机之间布置超速离合器，以便于液力透平未投用和维修时，电机可以正常运转，也便于抽装转子。当液力透平流量低于额定流量的40%时，可能会对主驱动机造成阻尼，但由于液力透平的轴功率通常小于反应进料泵的轴功率，这种情况极少发生。液力透平只有在单体运转时才有可能发生超速现象，超速离合器会断开连接，同时连锁系统会关闭透平入口紧急切断阀，停运液力透平。

3.3 一次性投资与长远节能

加氢反应进料泵的电机—液力透平的双驱方案，虽然会增加装置的一次性投资，但从长远运行来看，可以节约大量的电能，并且增加反应进料泵部分的保险措施，因此经济合理。特别适合生产规模大的加氢装置采用。

图1 反应进料泵-液力透平组合示意图

4 液力透平的实际应用流程及控制方案

4.1 某厂液力透平部分流程简述

某厂加氢装置反应部分流程中，热高压分离器(D-103)底热高分油主分支通过热高压液力透平(PT-105)降压后进入热低压分离器(D-103)，另一分支通过角式调节阀LV-1101A/B(一开一备)降压后与主分支在热低压分离器入口汇合。液力透平以同轴的方式加载在加氢进料泵P-102A电机东侧，正常状况下，D-103底部热高分油(230℃，8.0 MPa)全量通过热高压液力透平，通过透平降压至3.2 MPa后再返回D-104入口线，这样可以回收这部分压力差作为加氢进料泵的动力源，降低电机的轴功率，减少耗电。

液力透平前面有液位调节阀LV-1101C和开关阀XV-1101，通过开关阀可以实现连锁停加氢进料泵(P-102A/B)，连锁停循环氢压缩机(K-102)和连锁紧急放空(XV-1701)。液位调节阀LV-1101C和另一分支的角式调节阀LV-1101A/B实行分程控制。正常状态下，高液位首开LV-1101C，热高分油全量通过液力透平PT-105，部分情况可通过自动控制关小LV-1101C，打开LV-1101A，让一部分热高分油通过LV-1101A与通过透平的热高分油汇合后进入D-104。当液力透平出现故障时，关闭LV-1101A、C，打开备用调节阀LV-1101B，让热高分油全量通过。

通过上述调节方案，优化了流程，回收了能量用于泵P-102A的驱动，同时也确保了当液力透平出现故障时，能正常生产，不影响原有的生产流程系统(流程示意见图2)。

图2 液力透平自动控制方案示意图

注: 图中只画了主要的控制流程，部分仪表省略。

4.2 液力透平的主要监测项目控制

见表1。

表1 液力透平的主要监测项目控制

5 液力透平的节能作用

5.1 液力透平节能功率的算法

液力透平的节能功率有两种算法：一种是电流差法，另一种是流体差法。电流插法是通过测量液力透平投用前和用后通过电动机的电流，将电流差带入公式来估算液力透平的节能功率的计算方法。由于电流差需要现场实测，此处介绍省略。

另一种方法是流体差法，根据工质通过液力透平后内能减少的原理，理想状态下，流体减少的内能等于液力透平输出的轴功率，因此通过计算工质的内能差即可粗算出液力透平的输出功率。计算公式如下：

P0=(Q·H·S·u)/367

P0—液力透平的节能功率，kW ；

Q —透平驱动流体的流量；m3/h；

H—液力透平的扬程降，m；

S—液力透平驱动流体的密度；t/m3；

u—液力透平的总效率。

5.2 某厂液力透平工质的基础数据

某厂加氢装置投用一台液力透平(PT-105)，其工质为热高分油，参数见表2。

表2 液力透平用热高分油性质

5.3 液力透平的输出功率及节能计算

根据上表提供的数值，估算某厂液力透平的扬程差H=820 m，已知液力透平的效率为70%；将数值代入流体差法计算公式，得出液力透平的输出功率：

P0=(Q·H·S·u)/367=(317.78×820×0.61529×0.7)/367=305.8 kW

圆整为300 kW，粗略计算出液力透平的节能功率为300 kW。

按装置每年运行8400 h计，液力透平投用后，每年可节电252×104度，按每度电0.5元计，一年可以节约126万元，按此类透平的一次性投资250万元计，两年左右可以收回投资成本，而设备的使用寿命一般为10～15年，故在增加一次性投资的情况下，可以大大减少设备的运营成本。

6 结论

综上所述，液力透平是一种具有长远经济效益的节能装置，应用前景十分广泛。在石油化工企业的大型加氢装置中，加氢反应进料泵采用液力透平和电机共同驱动的双驱方案，可以有效地降低能耗，为长周期的生产大大减少了运营成本。但是，在液力透平的实际应用中，也仍然存在一些需要继续探讨及研究的问题。如采用新的理论及方法研制各种用于特殊工况的液力透平；正确配置设备及系统参数，并在运行工况偏离设计点时，选择合理的调节方式来充分回收余压等。