宋华伟，王 烁，韩宝银

(1.大连深蓝泵业有限公司，辽宁 大连 116031；2.惠生工程(中国)有限公司，上海 201210)

1 离心式液力透平应用的领域及产品结构

简单而言，液力透平可以对工艺流程中高压流体降压过程中富余液能进行回收再利用。使用场合有：加氢裂化、渣油加氢、加氢精制等炼化装置中高压分离器至低压分离器的物流降压过程；重整装置中抽提塔至汽提塔的介质压差；脱硫脱碳装置，如低温甲醇洗、热钾碱、碳丙液、MDEA等工艺的吸收塔与解析塔之间的压差利用；抽水蓄能反渗透海水淡化系统富盐水尾压回收；大型LNG装置、LNG运输，替代J-T阀应用的低温液力透平；油品管线输送装置中，管线从高压处向罐区输送尾压回收；其他存在高低压差的装置。

离心式液力透平结构多种多样，主要有 OH2、BB1、BB2、BB3、BB4、BB5、立式潜液透平结构、双向流液力透平、泵+透平一体机。除立式潜液透平、双向流液力透平、泵+透平一体机外，其余透平均满足API 610标准结构要求。

2 离心式液力透平技术难点及解决方案

2.1 技术难点

2.1.1 设计难点

1)液力透平设计无理论支撑，仅依靠制造厂设计、制造及使用经验。结合液力透平的工作原理，在液力透平的蜗壳、叶轮等部件需进行特殊设计及加工。

2)对试验台架及经验依赖性较强。目前国内外工业生产中采用的液力透平主要采用倒流运行的离心泵，即常规离心泵的出口作为入口，入口变成出口，执行API 610标准相关要求。

3)不同厂家指标相差很多，无标准依据。

2.1.2 试验难点

工厂进行水力回收透平的试验需要一个很复杂的系统，要求的设备也与试泵不同，必须有一个高压水源和水力回收透平的测功拖动装置。液力透平试验机组见图1。

图1 液力透平试验机组

2.1.3 炼油项目加氢装置用液力透平特点

1)入口高压(从吸收塔回来的高压液体，最高压力超过30 MPa)；

2)介质高温(温度在200 ℃以上，最高可达400 ℃)；

3)介质经过液力透平将析出H2S、SO2等气体；

4)应用过程中，流量-压力容易波动(原料不同，所富含的气体量也就不同，在释放过程中容易造成压力波动)；

5)为了保证透平出口介质液化状态，需要保持在高压状态，一般要求液力透平出口压力在 2～3.5 MPa范围内。

2.1.4 低温甲醇洗装置液力透平特点

1)入口压力较高(通常在3～5 MPa)；

2)介质低温(温度通常在 -30～-40 ℃)；

3)介质经过液力透平将析出H2S、SO2等气体；

4)应用过程中，由于工艺或者工况的波动，介质中容易含有一定量的颗粒杂质；

5)为了保证透平出口介质液化状态，需要保持在高压状态，一般要求出口压力在1.2 MPa以上。

2.2 液力透平选型注意事项及解决方案

2.2.1 选型注意事项

富含气体的低温介质(如低温甲醇洗中的富甲醇、半贫甲醇)随着压力的释放，到末级叶轮(低压力)后，液体压力接近了气体的汽化压力，有气体析出，因此，会造成轴向力原有平衡的破坏,并产生振动。这一点在气体含量波动较大的情况下极为明显。

2.2.2 解决方案

1)限制液力透平出口压力(即选型时，压差ΔP降低)，使气体析出量极限保持在5%～10%(体积含量)之间，保证稳定运行。

2)根据客户要求或优选效率高的结构，常选不带平衡机构泵，如API 610 OH2、BB2、BB3。

3)密封方案通常按湿封PLAN11+52+62(N2)、干封PLAN11+72+75选用，采用外冲洗方式。

4)常规适用流量不宜<40%额定值(即最佳流量或零功率点)【1】。

5)严格监控液力透平转速，保证在2 980～3 012 r/min内运行；对于发电方案，报警/停车转速由发电机厂给出(一般为3 015～3 030 r/min报警，3 020～3 035 r/min停车)。

6)一旦用户现场失电，联锁液力透平进口节流阀紧急切断入口介质，同时打开旁通阀，将介质通过旁路卸掉【2】。

7)所有的离心泵基本上都可以作为能量回收液力透平使用，特别是许多低、中比转速的离心泵。不过，由于泵的反转效应，轴承润滑系统、密封系统都有相应的变化，包括泵轴有螺纹的部件(如螺母的防松设施等)都应充分考虑，并对轴的许用强度等进行校核，防止超负荷。另外对轴承的可靠性要进行验算，因为当泵作为液力透平使用时，将使叶轮产生更高的压差和径向力。

8)泵作为液力透平使用，叶片出口变为透平进口，为减小冲击损失，出口边和盖板应进行相应修圆处理，见图2。

图2 叶轮叶片和盖板修正位置

9)蜗壳泵用作透平时，通过切除/补焊隔舌的方式(之一)来调节透平工况点，见图3。

图3 蜗壳结构透平隔舌切除/补焊处

3 常规离心式液力透平机组配套方案

随着市场需求的不断改变，目前市场上已有多套液力机组配套方案，同时，机组配套方案同工艺流程有直接关系，在选择时需要制造厂商同用户密切结合，按照实际需求选取最优方案。典型配套方案如下。

3.1 离心泵(负载)+液力透平

该方案中离心泵与液力透平采用联轴器直连，液力透平回收的能量可直接用于离心泵，见图4。

图4 泵+液力透平机组

其优点为占地空间小，无需配套离合器；缺点为现场液力透平工况稳定性要求较高，操作繁琐。

3.2 离心泵(负载)+双轴伸电机+离合器+液力透平

该机组配套方案是市场上应用最多的方案。液力透平作为辅助节能设备，与双轴伸电机通过单向离合器连接，当单向离合器的动力输出部分(电机侧)转速比动力源(液力透平侧)还快时，离合器处于解脱状态，离合器内、外环没有任何连动关系，反之离合器啮合，起到节能的作用，见图5【2】。

图5 泵+双轴伸电机+离合器+液力透平机组

其优点为透平故障停机对离心泵运转无影响，对现场工况和操作要求低；缺点为占地空间大，投资成本高，透平回收功率不得大于电机额定功率的40%。

3.3 泵+液力透平一体机

该方案中泵与液力透平采用直连共轴形式，液力透平回收的能量可直接用于拖动离心泵，见图6。

图6 泵+液力透平一体机

其优点为结构紧凑，占地空间小，可省去一套离合器，回收效率高；缺点为现场透平工况稳定性要求较高，操作繁琐，不符合API 610标准。

3.4 液力透平+异步发电机+并网柜

石化项目中离心式液力透平发电应用较晚，随着异步发电机及并网柜的成熟应用，离心式液力透平发电机机组也得到了广泛的应用，液力透平回收的液能可直接并入装置电网，见图7。

图7 液力透平发电机组

其优点为结构紧凑，占地空间小，可省去一套离合器；缺点为对现场并网调节有一定要求。

4 离心式液力透平回收效益计算

对于所选用的液力透平，应根据具体单位的使用情况确定回收能量原则，建议以2 年左右回收其设备投资为参考标准。根据目前使用过的液力透平的经验，认为单级液力透平回收功率大于 22 kW、多级液力透平回收功率大于75 kW 时是经济可行的。液力透平的回收功率PT回=γT×QT×HT×ηT/367.2，其中，γT为介质比重，QT为透平流量，HT为透平扬程，ηT为透平效率。离心式液力透平应用的工况范围及大致的回收功率见图8。

图8 离心式液力透平应用工况及回收功率图谱

投资成本包括液力透平、离合器(如果有)、共用底座、联轴器、转速仪表、振动仪表(如果有)、入口节流阀(买方自采)、旁通阀(买方自采)、发电机(如果有)、并网柜(如果有)、操作柱(如果有)。

目前离心式液力透平投资成本的回收期限一般不会超过18个月，其中，OH2结构回收期限10～14个月，BB2结构回收期限12～14个月，BB5结构一般回收期限14～18个月，而且运行非常稳定。

5 结语

国务院办公厅印发的《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》提出以“节约、清洁、安全”为战略方针，确定“节约优先战略”，明确把节约优先贯穿于经济社会及能源发展的全过程，集约高效开发能源，科学合理使用能源，大力提高能源效率，加快调整和优化结构，推进重点领域和关键环节节能，合理控制能源消费总量，以较少的能源消费支撑经济社会较快发展。离心式液力透平技术是石油化工、煤化工能源领域的重要节能手段。本文介绍的液力透平的应用领域、结构、难点及解决方案，以及液力透平的配套方案是多年设计及应用经验的总结，希望可为液力透平的选择及应用提供借鉴。