液力透平在柴油改质降凝装置的应用

液力透平在柴油加氢改质降凝装置的应用肖洪辉周彤赵煦中国石油天然气股份有限公司玉门油田分公司（甘肃省酒泉市735200）摘要本文介绍了50万吨/年柴油加氢改质降凝装置液力透平的基本工作原理、结构形式，分析了液力透平投用及日常维护过程中需要注意的问题,并对投用液力透平后的经济性进行了分析计算。说明液力透平的成功投用所显现突出的节能效果，显示出液力透平是该装置的重要节能设备，它的安全平稳运行是降低装置综合能耗的重要保障。关键词液力透平工作原理分析计算节能1前言玉门炼化总厂50万吨/年柴油加氢改质降凝装置是加工催化柴油和少量的直馏柴油，降低炼化总厂柴油的硫、氮、胶质含量，提高柴油产品质量。该装置于2002年底建成，2011年9月对其进行了采用FHI柴油加氢改质异构降凝的技术改造。改造后可以按不同的生产方案生产-10#和-35#低凝柴油，满足低凝柴油的市场需求。该装置设计初为了充分利用高压分离器的压力能，降低装置能耗，设计在高压分离器D-503与低压分离器D-504之间安装液力透平，将高压分离器与低压分离器之间的压力差而存在的能量利用液力透平转化为机械能，降低反应进料泵P-501/1电机的电流，以达到降低装置能耗的目的，它是该装置的重要节能设备。因此，需要对该液力透平在投用及运行过程中加强监护，对出现的问题进行分析，确保其长周期安全平稳运行。2液力透平工作原理液力透平是将液态流体工艺介质中蕴藏的能量转换为机械功的机器。它的工作原理是：高压流体所具有的势能在经过透平叶轮时转换为动能，当高速流体流出叶轮出口时形成反向推力，推动叶轮转动，从而驱动透平轴旋转，透平轴经过离合器带动被驱动设备，将机械功传递给被驱动设备，达到节能的效果〔1〕。柴油加氢改质降凝装置的反应进料泵P-501/1就是液力透平所带动的被驱动设备，液力透平和反应进料泵之间是通过单向离合器相联接。高分罐D-503的操作压力为7.2MPa左右，低分罐D-504的操作压力为0.85MPa，操作温度为35℃左右，液体流量为40-65t/h。高低分罐的压差所具有的势能为液力透平提供了能量。当液力透平的转速达到主电机转速，并且液力透平的入口流量大于其最低做功流量时单向离合器耦合，液力透平开始做功。此时液力透平和主电机同时驱动反应进料泵P-501/1，液力透平的输出功率就是主电机所降低的功率，随着液力透平入口流量的增大，其输出功率增大，则主电机消耗的电量越少，从而实现节能的效果。3液力透平布置形式、结构及参数3.1液力透平布置形式液力透平与反应进料泵P-501/1主电机是通过单向离合器相连接。单向离合器是按一定的方向旋转，在另一个方向上是锁止状态，如果转向发生变化时，会自动脱离不产生任何动力传送，单向离合器的动力输出部分转速比动力源还快时，离合器处于脱离状态，不影响主电机及泵的运行。安装单向离合器可以有效的避免装置开车过程中由于工艺不稳定、流量和压力发生变化而使液力透平的操作不稳定或者对主电机形成阻力的状况发生。即便没有足够的能量驱动液力透平，也能够保证主电机及反应进料泵的稳定运行。同时，安装单向离合器还可以避免当液力透平维修时对反应进料泵运行的影响。液力透平与反应进料泵、主电机的布置见图-1。图-1液力透平布置图单向离合器参数见表-1。表-1单向离合器参数型号CEUHS序列号698370润滑油牌号L-TSA46润滑油进油压力20P.S.I（1.4Mpa）润滑油精度10—15µm最高工作温度110FAHR（43.3℃）生产厂家美国MARLANDCLUCTH其结构图见图-2。图-2单向离合器结构图3.2液力透平结构及参数液力透平的结构和多级离心泵的结构相似，只是在离心泵的基础上，在机械结构和水力学上有些变化，它是以反转的方式来操作的动力设备。液力透平的相关参数见表-2。表-2液力透平参数型号TTD90-120×8转速r/min2980额定流量m3/h90重量Kg4330扬程m960出厂编号220083轴功率KW129出厂日期2002.1效率%55液力透平的具体结构见图-3。图-3液力透平结构图4液力透平的控制和联锁系统4.1液力透平的控制系统柴油加氢改质降凝装置的液力透平的作用是将高压分离器D-503与低压分离器D-504之间的压力差而存在的能量利用转化为机械能，帮助反应进料泵P-501/1的主电机做功，降低电流，以达到节能的目的。其流程图见图-4。D-503——高压分离器D-504——低压分离器图-4液力透平流程图液力透平具体控制关系如下：（1）、高压分离器D-503与低压分离器D-504以及与液力透平之间用FV-9171-1和LV-9171控制调节去液力透平和低压分离器之间的液位和流量。（2）、当高压分离器D-503液位下降较快时，关小调节阀FV-9171-1；当其液面低于10%的低报警值时，快速关闭紧急切断阀HSV-9171，防止高压窜入低压，避免安全事故。（3）、当高压分离器D-503液位达到60%的高报警值时，保持高压分离器去液力透平的流量不变，开大调节阀LV-9171，若继续上涨，则现场打开调节阀LV-9171的副线阀，使其去低压分离器的流量增大。（4）、当高压分离器D-503液位超过80%时，循环氢压缩机（K-502）联锁自保停机，同时反应进料泵联锁停机，加热炉F-501联锁熄炉，装置进入紧急停厂状态。（5）、当液力透平发生故障停机或切换机泵时，关闭调节阀FV-9171-1，开大调节阀LV-9171和副线阀，避免高压分离器D-503的液位上涨过快。4.2液力透平的联锁系统为了保证液力透平的安全平稳运行，在液力透平本体和相关系统都设置了安全联锁系统，具体如下：（1）、当高压分离器D-503液位低于10%的低报警值时，快速关闭紧急切断阀HSV-9171，与低压分离器D-504切断，防止高压窜入低压，避免安全事故。（2）、当反应进料泵P-501/1停止时，自动关闭液力透平入口切断阀，停运液力透平。（3）、当装置的紧急泄压阀打开，自动启动反应进料泵联锁系统，通过联锁停反应进料泵来联锁液力透平，自动关闭液力透平入口切断阀，停运液力透平。（4）、当循环氢压缩机停机时，自动启动反应进料泵联锁系统，通过联锁停反应进料泵来联锁液力透平，自动关闭液力透平入口切断阀，停运液力透平。（5）、当原料油罐D-502液位≤100mm时，自动启动反应进料泵联锁系统，通过联锁停反应进料泵来联锁液力透平，自动关闭液力透平入口切断阀，停运液力透平。（6）、当高压分离器D-503液面超过80%时，循环氢压缩机（K-502）联锁自保停机，自动启动反应进料泵联锁系统，通过联锁停反应进料泵来联锁液力透平，自动关闭液力透平入口切断阀，停运液力透平。（7）、当反应进料泵P-501/1流量低至最小流量值28150Kg/h时，自动启动反应进料泵联锁系统，通过联锁停反应进料泵来联锁液力透平，自动关闭液力透平入口切断阀，停运液力透平。（8）、当反应进料泵P-501/1润滑油总管压力≤0.05Mpa时，自动启动反应进料泵联锁系统，通过联锁停反应进料泵来联锁液力透平，自动关闭液力透平入口切断阀，停运液力透平。（9）、当反应进料泵P-501/1或者液力透平本体出现故障时，如泵的轴承温度或者电机轴承温度达到联锁停机值等，其联锁系统启动，自动关闭液力透平入口切断阀，停运液力透平。液力透平本体联锁参数见表-3。表3液力透平本体联锁参数透平推力轴承≥80℃报警≥90℃联锁停机透平非驱动侧径向轴承≥70℃报警≥80℃联锁停机透平驱动侧径向轴承≥70℃报警≥80℃联锁停机润滑油供油总管压力≤0.1Mpa报警，自动启动辅助油泵润滑油供油总管压力≤0.05Mpa停机润滑油供油总管温度≥30℃允许启动润滑油供油总管温度≥50℃报警油站油箱温度温度≤30℃起动加热器≥40℃停加热器油站过滤器差压≥0.15Mpa报警5液力透平的投用及日常维护5.1液力透平的投用液力透平的机械密封是液力透平最主要的部件，也是故障率发生最高的部件。为了防止液力透平的机械密封腔因为压力过高而损坏机械密封，液力透平在通用的过程中必须使液力透平出口阀及其出口管路上的所有阀门都处于打开状态。液力透平在开启或停机过程中每次最多开或关5%的刻度，等待其转速稳定后再继续开或关调节阀，严禁升速或降速过快，避免损坏设备。液力透平在升速过程中必须一直观察液力透平机械密封腔的压力，决不允许使液力透平机械密封的压力高于其要求值，避免液力透平的机械密封受损坏。5.2液力透平的日常维护在工艺操作中，必须严格按照工艺参数要求，保证高压分离器的液位、压力、流量等参数的稳定，避免出现大幅波动冲击液力透平。如果液位、压力、流量等参数达到系统联锁值时，液力透平会自保停机。液力透平投用后，机组各润滑部位的运行参数见表-4。表-4液力透平润滑参数部位润滑油量（L/min）润滑油进油压力（MPa）液力透平径向轴承10×20.07～0.15液力透平止推轴承200.07～0.15单向离合器11.50.10～0.14液力透平的机械密封是其最主要且故障率最高的部件，据相关文献介绍国内其它装置的液力透平均是由于机械密封泄漏，无法实现安全平稳长周期运行〔1〕。因此，液力透平日常维护的主要任务就是严格按照表3中的参数对机组进行维护。必须保证机组各润滑部位的润滑油量和进油压力在要求范围之内，如果润滑油量和进油压力过高，则会使机组发生漏油；如果润滑油量和进油压力过低，则润滑部位的温度可能会过高，当其温度达到机组联锁停机值时，液力透平会自保停机。从投用液力透平至今，没有出现过由于液力透平自身故障而停机的现象，说明该液力透平在使用期间比较平稳。6液力透平投用后的经济性分析柴油加氢改质降凝装置投用液力透平后，反应进料泵P-501/1主电机的电流发生变化，其变化参数见表-5。表-5液力透平投用前后主电机电流变化参数项目名称液力透平投用前液力透平投用后反应进料泵主电机电压6000V6000V反应进料泵主电机41A35A液力透平入口流量059m3/h液力透平在设计条件下运行的经济性分析计算方法如下〔2〕：)3600102/()(11HQNR（1）上式中：NR——液力透平在设计条件下每小时所能回收的功率；单位为：KWQ1——液力透平的入口流量；单位为：m3/hH1——通过液力透平的扬程降；单位为：m——液体密度；单位为：Kg/m3——液力透平的效率；液力透平在投用正常运转后，按照三相电机功率计算公式如下〔2〕：cos)(732.121IIUW（2）上式中：W——液力透平实际投用后回收能量；单位为：kWU——泵主电机电压；单位为：kV；I1——液力透平投用之前泵主电机电流；单位为：AI2——液力透平投用之后泵主电机电流；单位为：A——电流相对电压的滞后弧度数；cos——功率因数，通常取1；柴油加氢改质降凝装置的液力透平投用后各生产运行参数没有达到其设计条件下的运行参数，所以液力透平在投用正常运转后，按照三相电机功率计算公式来进行计算其实际投用后回收能量。根据表-5和公式（2），可以计算出液力透平正常运转后每小时实际回收的能量。故有：W=1.7326（41—35）1=62.35kW柴油加氢改质降凝装置按照年运行8000小时计算，投用该液力透平一年可节约电能为：W1=49.88104kW.h由以上计算可以得知，柴油加氢改质降凝装置投用该液力透平一年可节约电能49.88104kW.h，节能效果明显，为降低该装置能耗做出了重要贡献。7结论柴油加氢改质降凝装置液力透平的安全平稳长周期运行对降低该装置能耗具有重要的作用。该液力透平于2012年6月成功投用后，截至到2012年12月，除了自保停机外，液力透平已经运行180天，节约电能约26.9104kW.h。液力透平的成功投用所显现突出的节能效果，显示出液力透平是该装置的重要节能设备，它的安全平稳长周期运行是降低装置综合能耗的重要保障。参考文献〔1〕刁望升高压加氢装置应用液力透平可行性研究〔J〕炼油技术与工程2008.38（7）：33-35〔2〕荣国参杨玉国田喜磊液力