肖涛
（中国石油化工股份有限公司金陵分公司，江苏 南京 210033）
【摘要】本文介绍了透平的定义及工作原理，液力透平的应用领域及分类，重点介绍了泵反转液力透平的结构形式、选型设计、试验方法及应用情况。随着社会及企业节能意识的提高，促使各炼油厂越来越多地采用液力透平装置进行能量回收，液力透平得到了大力推广。
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关键词 液力透平；能量回收；选择；应用
0 概述
液力透平是一种能量回收装置。透平是将流体工质中蕴有的能量转换成机械能的机器，又称涡轮机。透平是英文turbine的音译，源于拉丁文turbo一词，意为旋转物体。其基本工作原理是：流体所具有的能量在流动中，经过透平喷管时转换成动能，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、空气和其他气体或混合气体。以液体为工质的透平称为液力透平。作为一个节能的装置，液力透平是近几年才兴起来的。在使用上，常常以反转离心泵作液力透平，这样更经济。作为能量回收的液力透平属于泵系统节能的范畴，因为液力透平本身就是一台泵，并且其动力输出端往往驱动的是另一台泵。
随着能源的消耗和费用的不断上涨，如何更有效利用工艺流程中有压力下降的液体中的能量，已是节能工作的课题之一。
1 液力透平应用领域
液力透平可以对工艺流程中产生的高压液体进行再利用，是一种能量回收装置，目前广泛应用于石油化工加氢裂化、渣油加氢、加氢精致装置、大型合成氨装置以及海水淡化装置等，是具有长远经济效益的节能装置。液力透平是用液体驱动设备回收能量，也就是回收液体能量，一般采用泵反转来充当透平。
（1）加氢裂化、渣油加氢、加氢精致装置中，高压分离器的物流至低压分离器过程，就可以设置液力透平回收功率，并和电机联合驱动进料泵（见图1）。在铂重整装置中，利用抽提塔至汽提塔的液流压差也可设置液力透平。
（2）大型合成氨装置中也有较多剩余能量可回收利用。如合成氨装置脱碳工序中的富液可通过液力透平进行能量回收，其回收功率可高达1300多千瓦（见图2）。液力透平回收的功率可用于驱动半贫液泵。
（3）在反渗透海水淡化系统中，反渗透膜的工作压力为5.8-8.0MPa，排放的浓盐水的压力为5.0-6.0MPa，按40%的回收计算，有较大的回收价值。
（4）在气体工艺流程中，为去掉多余成分，用高压碳酸钾溶液或氨水来洗涤原料气体，为循环使用碳酸钾溶液或氨水，必须降低压力，故可安装液力透平。
2 液力透平结构和布置形式
2.1 液力透平结构
透平的工作条件和所用工质不同，所以它的结构型式多种多样，但基本工作原理相似。一般使用的能量回收透平主要有两种：泵反转式透平和佩尔顿水轮机。佩尔顿水轮机的优点是从小流量到大流量都能有高效率，入口处设计的控制阀方便调整负荷。但出口侧必须进行排气，因此使用的液体有限制，因叶片要承受高速喷流，所以易受腐蚀。泵反转式透平的优点是不用打开出口侧，对使用的液体没有限制。因为压力能是在涡壳以及叶轮内部逐步转换成运动能，所以不易腐蚀。缺点是小流量时效率低，低于一定流量时会产生负荷，所以必须设置单向离合器，因此装置要比佩尔顿水轮机占的空间大些。像海水淡水化是将减压的液体送回海里，此类液体能与空气接触的装置，多数使用佩尔顿水轮机。而石油化工里的装置因输送的介质多是易燃、易爆或有毒的，所以一般使用泵反转式透平。
离心泵反转液力透平按结构分为单级和多级形式。根据回收介质的流量、压力，各种形式的泵都可以充当液力透平，如OH2型、BB1型、BB2型、BB4型、BB5型等。泵的出口是透平入口，泵的入口是透平的出口，泵的叶轮反向旋转（见图3）。
2.2 液力透平布置形式
液力透平一般有两种布置形式：
1）液力透平作为辅助原动机和主原动机（电机或汽轮机）串联共同驱动泵。主驱动机的额定功率应在无液力透平的协助下能驱动机组，即主驱动机(电机或汽轮机)应按全功率选取。在液力透平与电机串联的机组中，电机采用双轴伸，在电机和液力透平间带单向离合器（见图4）。以便在液力透平维修或液力透平的工艺流体管路接通之前，被驱动设备可正常运转。如果流往液力透平的流量可能大幅度或频繁变化，当流量降到额定流量的大约40%时，液力透平将停止输出功率，且对主驱动机产生阻尼。对此，也应设置单向离合器。
2）液力透平作为主驱动机单独驱动泵（见图5）。这种形式与液力透平双驱动相比，减少了全功率电机或汽轮机及其配套设施、一台超速离合器的维护、维护工作量也减少，机组所占空间较小。此外，单驱动的两个转子串联与双驱动的四个转子串联相比，机组的运行稳定性提高。但这种情况下，为了保证透平的转速需要调速装置，对工艺和监控系统的要求较高。当前液力回收透平技术发展的趋势是尽量用单驱动取代双驱动。只要工艺、系统和机泵三个专业密切配合，可以实现液力透平单驱动泵，取消主驱动机，使液力透平回收的功率能全部被利用，并节省投资。加拿大一家公司正在试验在不改动原装置设计参数的前提下，串联同流量的小功率泵，实现单驱动节能的新方案。
3 液力透平的选型和设计
3.1 液力透平的选型
一般来讲，合理选择液力透平应首先考虑其经济性，计算是否可以在合理的时间内回收其设备投资。这就要求充分考虑工艺流体是否有足够的流量、压差及流体的特性。在选择液力透平前，应掌握以下信息：液体的物理、化学特性；可回收的流量、扬程范围；透平的进出口压力、操作温度；被驱动主机的种类和转速及机组的配置要求。
1）液体特性，工艺专业提交的条件中，应指出液力透平进口处的工艺流体中是否含有蒸汽或气体，如有，应给出其组分、密度和体积百分比。或者在流体降压期间才有蒸汽或气体的逸出时，应给出液力透平出口处蒸汽或气体的体积百分比，以及闪发的蒸汽的压力和温度。至于在液力透平的叶轮流道中，不同压力下蒸汽或气体的体积百分比以及密度，通常在泵制造厂的试验装置上测定，或根据泵制造厂的工程经验来确定。因此，对于有蒸汽或气体析出的工艺流体，液力透平中的流体为气液两相流，不同于普通的液力透平或水轮机。
2）参数确定，液力透平流量应按照实际可能操作时间最长的量考虑，否则将来开车流量不足，液力透平扬程将远远偏离设计值，不仅不能启到能量回收的效果，还使透平出口压力高于设计数值，既损坏透平机械密封，又损坏低压分离器。
3）配置要求，如果液力透平的进口液体中富含吸收的气体，或液体流经液力透平时会部分闪蒸时，出现的超速可能会比使用水时的超速高出几倍，因此应按API610标准C.3.3条款的要求，配置超速脱扣设施。典型的超速脱扣转速是额定转速的115%-120%。为了避免缩短机械密封的寿命，应考虑密封冲洗流体中气体的逸出和汽化问题。如果这种可能性存在，应避免用自冲洗液，一般推荐采用外来液体作为密封冲洗液。此外，在用户现场还需配置必要的流量调节阀、旁通阀和安全阀以保护机组和系统。
对于选用液力透平的经济性，应根据具体单位的使用情况确定回收能量原则。建议以3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经验认为单级液力透平回收功率大于22kW，多级液力透平回收功率大于75kW时，是经济可行的（见图6）。
经济性判定原则参见以下公式：
K=（M1*BHP*26280）/M2≥1
式中：K——经济系数；BHP——输出功率，kW；M1——电费，元/kW·h；M2——透平一次性设备投资+3年预计维护费用，元。
液力回收透平的研究主要是来自专业泵制造厂，泵和液力回收透平的性能换算和系数确定主要是由工厂大量试验得出来的，国内尚无有关液力透平的专门研究机构。理想的设计流量点应位于泵最高效率点稍右侧。液力透平工况和泵工况性能参数间的关系见图7。
由图7可知：
1）透平工况的效率稍高于泵工况效率，在大流量区域高效范围宽。
2）透平工况水头曲线很陡。
3）透平工况的流量为泵工况流量的60%以下时，透平的水头和出力很小（等于零）。
4）最高效率点（相同转速）
Qp/QT=0.76，Hp/HT=0.65
在相同转速下，Qp/QT和Hp/HT的比值是液力透平选型和设计最重要的数值。到目前还不能从理论上给出准确的值，对此，试验和设计经验很重要。根据一些泵厂的试验结果，在相同转速Np=NT时，给出以下经验公式（供参考）：
Qp/QT=0.75，Hp/HT=0.68
3.2 液力透平的设计
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。炼油厂泵类设计通常采用API610标准，液力透平也同样适用。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，将对叶轮产生更高的压差和径向力。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，出口边和盖板相应修圆（呈流线型），如图8所示。
除了将泵的叶轮直接用于反转，液力透平还可以按泵的设计方法进行设计，但应考虑液力透平工况的特点加以调整。
1）为降低液力透平进口流速，减小撞击损失，转轮进口宽度b2应比泵的b2稍大。
2）适当加大泵转轮进口冲角△β，相当于加大液力透平工况的出口角，提高透平工况的过流能力。
3）叶片6-9枚，包角取稍大值。
4 液力透平的试验
（1）当预期的性能不需要设置回流且压力能量完全回收时，按照API610附录规定的允许误差进行考核。
（2）当预期的性能曲线不能实现流量和压力的完全回收时，以更多的回收能量为考核，而不能死搬API610的规定允差。
（3）液力透平应在制造厂的试验装置上进行机械运转试验和水力性能试验。通常用水做试验，对工艺流体中含有蒸汽或气体，或者在降压时有蒸汽或气体逸出的流体，性能试验误差可能很大，这是API610标准尚未解决的难题。
（4）API610标准中对离心泵的性能试验偏差(额定流量点的扬程、功率、NPSHR)的规定，对液力透平不适用。API610标准推荐的液力透平的性能试验允差是：当液力透平的额定转速运行时，应在额定流量的95%-105%范围内达到额定的扬程和功率，见API610标准图C.2液力透平的性能试验允差。
（5）在制造厂的试验装置上验证HPRT的超速脱扣装置时有益的。可以考虑在水试验期间确定飞逸转速，但是对富含气体的流体，飞逸速度无法通过水试验确定。
（6）液力透平在工厂试验布置见图9所示。
5 我国液力透平的应用情况
液力透平技术在中国石化的首次应用是在天津分公司80万吨/年加氢裂化装置上，该装置是1998年开车成功，采用了热高分油驱动的液力透平泵。随后1999年12月31日开车成功的中国石化茂名分公司200万吨/年渣油加氢装置其胺液泵也采用电机和液力透平泵驱动。上海高桥加氢裂化装置等相继在新装置建设中使用了液力透平。液力透平技术通过多年的应用考核，运行可靠，节能明显。
2005年底中国石油大庆石化分公司加氢裂化装置引进的热液力透平安全平稳高效运行。海南炼化2006年底建成投产的310万吨/年原料预处理、120万吨/年加氢裂化两套高压装置，均是从日本EBARA公司引进的，在装置额定运行工况下，液力透平出力为主泵功耗的25%左右。液力透平技术的应用，有效地回收了反应生成油从热高分至热低分的压力能和热能，降低装置的功耗。
随着国家对节能减排政策的重视和推广，国家对装置单位炼油能力的能耗比的限制越来越严格。这就促使各炼油厂越来越多地采用液力透平装置进行能量回收。从目前炼油厂的使用情况看，液力透平十分有潜力，并且越大规格的液力透平会有更大的使用空间。到目前为止，中石油中石化主要靠进口，进口机组主要是荏原和FLOWSERVE 公司的产品。部分地方炼油厂大胆采购国内产品，如格尔木炼厂，庆阳石化及山东一些炼油厂已有成功运行业绩。
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参考文献
［1］关醒凡．现代泵理论与设计[J]．北京：中国宇航出版社，2011．
［2］API610 石油、重化学和天然气工业用离心泵[J]．
［3］化工设备中心站机泵技术委员会.工业泵选用手册[M]．北京：化学工业出版社．
［责任编辑：薛俊歌］