液力耦合器在催化裂化装置富气压缩机上的应用

2012-02-09胡其来

河南化工 2012年12期

胡其来

(安庆实华工程设计有限责任公司上海分公司，上海 200136)

0 概述

目前，凝汽式汽轮机在石油化工装置的老旧机组上的应用较多，以某石化企业的某催化装置为例，该装置采用凝汽式汽轮机驱动富气压缩机，装置正常负荷下消耗1.0 MPa蒸汽14.5 t/h，循环水1 500 t/h，电能3.6 kW，同时产生凝结水 14.5 t/h。其运行能耗为4.22×108MJ/a，折合标油为1.01 万 t/a，运行能耗和成本均非常高。

经分析，富气压缩机运行能耗较高的主要原因有以下几点:①凝汽式汽轮机自身的工艺特点决定了排出的乏汽无法再利用，需消耗大量的循环水使之冷凝;②该汽轮机于1992年投用，已运行近20 a，机组比较老旧;③该装置所产1.0 MPa蒸汽的温度偏低(240℃)，影响了汽轮机的的效率。

为降低装置富气压缩机的运行能耗，该装置将现有气压机由凝汽式汽轮机驱动改为电机驱动，并增设液力耦合器调速系统。

1 机组现状及电机选型

1.1 气压机入口的富气组成

气压机入口的富气组成(物质的量分数)如下:甲烷，10.73;乙烷，4.97;乙烯，6.11;丙烷，4.57;丙烯，20.76;异丁烷，6.27;正丁烷，1.69;反丁烯，2.79;正丁烯，2.64;异丁烯，3.51;顺丁烯，1.95;≥C5，4.47;氢气，16.33;氧气，0.73;CO，0.65;CO2，1.15;氮气，10.03;硫化氢，0.65。

1.2 气压机及汽轮机的改造前运行数据

表1 气压机组运行数据表

1.3 轴功率计算

根据气压机和汽轮机的随机技术资料，分别计算气压机在正常负荷、最大负荷及最小负荷工况下的轴功率，结果见表2。

表2 气压机轴功率计算表

1.4 主电机的选型

综合考虑气压机的轴功率及液力耦合器的功率损失，改造后主电机采用增安型高压三相异步电动机(6kV/2500kW/3P/50Hz)，电机转速2980r/min。

2 调速方案比选

目前，石油化工行业主要使用的变转速调节系统有两种，分别为变频调速和液力耦合器调速，两种调速原理简述如下:

2.1 变频调速

变频调速是利用变频器将工频电源变换成各种频率的交流电源，通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。目前使用的变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频)，先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。

对于本项目来说，如采用变频调速需使用高压变频器。

2.2 液力耦合器调速

液力偶合器是以液体为工作介质的一种非刚性联轴器，又称液力联轴器。液力耦合器的泵轮和涡轮组成一个可使液体循环流动的密闭工作腔，泵轮装在输入轴上，涡轮装在输出轴上。动力机带动输入轴旋转时，液体被离心式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而复始的流动。

液力耦合器输入轴与输出轴间靠液体传输动力，工作构件间不存在刚性联接，在规定的充液范围内，充液越多，传递动力越大，输出的速度越大;充液越少，传递动力越小，输出的速度越小。

目前高压变频器调速和液力耦合器调速都是比较成熟的产品，均已广泛用于石油化工、热电、冶金等行业，这两种调速方式各有特点，其主要优缺点的初步对比见表3。

表3 高压变频器与液力耦合器主要优缺点对比表

虽然高压变频器调速范围、调速精度和效率都优于液力耦合器，但其对使用环境要求很高，据石化企业反映，目前高压变频器运行不够稳定，长周期运行设备故障率较高，不利于装置的长周期平稳运行。经综合分析，同时考虑到该气压机调速范围和调速精度要求不高，故变转速调节系统选用液力耦合器方案。

3 液力耦合器的选型

3.1 液力耦合器的类型与应用特点

液力耦合器按其应用特性可分为三个基本类型:普通型、限矩型、调速型。

普通型液力耦合器结构相对简单，但腔体有效容积大，传动效率高。其零速力矩可达额定力矩的6～7倍，有时甚至达20倍，因之过载系数大，过载保护性能很差。多用于不需要过载保护与调速的传动系统中，起隔离扭振和缓冲击作用。

限矩型液力耦合器采取了结构措施来限制低传动比时力矩的升高，解决了普通型液力耦合器过载系数过大的特点，可有效地保护动力机(及工作机)不过载，扩大了液力耦合器的应用领域。

调速型液力耦合器是在输入转速不变的情况下，通过改变工作腔充满度(通常以勺管调节)来改变输出转速及力矩，即所谓的容积式调节。与普通型、限矩型液力耦合器可自身冷却散热的特点不同，调速型液力耦合器因自身结构原因和其输出转速调节幅度大、传递功率大的特点，必须有工作液体的外循环和冷却系统，使工作液体不断地进出工作腔，以调节工作腔的充满度和散逸热量。

本项目考虑富气压缩机的工作转速及特点，选用调速型液力耦合器。

3.2 调速型液力耦合器的工作原理

液力耦合器主要由泵轮、涡轮、转动外壳、主动轴及从动轴等构件组成。液力耦合器和传动齿轮安装在一个箱体内，其结构组成参见图1。

功率传输从电动机到液力耦合器，再传到从动机械上。泵轮装在与原动机轴相连的主动轴上(或第一级增速齿轮轴上);涡轮装在与泵相连的从动轴上(或第二级增速齿轮轴上)，两轮彼此不接触，相互之间保持几毫米的轴向间隙，不能进行扭矩的直接传递。泵轮和涡轮的形状相似，尺寸相同，相向布置，合在一起很像汽车的车轮，分开时均为具有20～40片径向直叶片的叶轮，涡轮的片数一般比泵轮少1～4片，以避免产生共振。这种叶轮的后盖板及轮毂在轴面上形成两个对称的碗状投影，且与叶片共同组成沿圆周对称分布的几十个凹形流道，称为工作腔。

图1 液力耦合器组成示意图

泵轮和涡轮形成的工作油腔内的油，自泵轮内侧引入后，在离心力的作用下被甩到油腔外侧形成高速的油流，并冲向对面的涡轮叶片，驱动涡轮一同旋转。然后，工作油又沿涡轮叶片流向油腔内侧并逐渐减速，并在出口处又返回到泵轮的进口处，从而再进行上述循环流动。

工作油回路由一个闭式回路与一个叠加在它上面的开式回路构成。因此充油过程可以是变化的，并可以改变耦合器内工作腔的充油量。在闭合回路里，工作油泵将耦合器油箱内的油经油循环控制阀供给耦合器开始工作的用油，然后利用勺管前部产生的油流动压，经过冷油器、止回阀与工作油泵供给的油汇合后再流回耦合器内，形成循环回路，油循环控制阀控制耦合器进油量的多少。