摘  要  總結(jié)了特大型天然氣凈化裝置利用液力透平回收富胺液進(jìn)入再生塔前釋放的巨大靜壓能的技術(shù)特點(diǎn)：只有液力透平轉(zhuǎn)速高于電動機(jī)轉(zhuǎn)速時，超速離合器才能嚙合實(shí)現(xiàn)能量回收。針對該技術(shù)存在的能量傳遞效率低和液力透平驅(qū)動受工藝波動影響較大、外輸功率不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，從儀表控制方式和工藝設(shè)計角度對液力透平進(jìn)行了優(yōu)化：增設(shè)了2條不同尺寸的透平跨線和配套的復(fù)雜控制回路，并將一級主吸收塔底出口的DN500 mm管線設(shè)置為3路。應(yīng)用結(jié)果表明，此舉避免了工藝波動，穩(wěn)定了液力透平輸出功率，自2009年10月第一套液力透平機(jī)組投入運(yùn)行至今，液力透平一直運(yùn)行平穩(wěn)，從未出現(xiàn)超速離合器頻繁嚙合和脫開現(xiàn)象。最后結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了液力透平單機(jī)試車及聯(lián)動試車操作步驟及注意事項(xiàng)，為該項(xiàng)技術(shù)在特大型天然氣凈化廠裝置的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞  天然氣凈化  富胺液  液力透平  靜壓能  能耗  電能  控制優(yōu)化  普光氣田

利用液力透平(Power Recovery Turbine，PRT)收靜壓能是近年來發(fā)展起來的新興節(jié)能技術(shù)^[1-3]。由于液力透平裝置運(yùn)行平穩(wěn)，節(jié)能效果明顯，已被中國石油長慶油田公司天然氣凈化廠^[4-6]、上海高橋石化、海南煉化、大慶石化、青島大煉油等企業(yè)相繼引進(jìn)。

中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠(以下簡稱普光天然氣凈化廠)是我國高壓高含硫天然氣凈化企業(yè)，工藝流程繁雜，自動化控制程度高，大型機(jī)組設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，共有6套聯(lián)合裝置，高含硫原料氣處理能力為l20×10⁸ m³／a，硫磺產(chǎn)量為240×10⁴ t／a，脫硫單元共設(shè)置液力透平12臺，回收靜壓能用于驅(qū)動貧胺液泵，自2009年10月投產(chǎn)至今，運(yùn)轉(zhuǎn)良好。

1  液力透平技術(shù)

1．1液力透平技術(shù)簡介

普光天然氣凈化廠液力透平裝置由FLOWSERVE公司生產(chǎn)，型號為HD0-BB5，為4級臥式反轉(zhuǎn)泵透平。根據(jù)流體力學(xué)相似理論，透平葉輪采用離心泵葉輪的可逆式設(shè)計，其他部件與離心泵完全相同(圖1)。

富胺液力透平機(jī)組示意圖如圖2所示，貧胺液泵 (高壓離心泵)和液力透平位于兩側(cè)外端，中間為電動機(jī)，電動機(jī)與液力透平中間設(shè)有超速離合器。貧胺液泵采用雙驅(qū)動模式，電動機(jī)為主驅(qū)動機(jī)，液力透平為第二驅(qū)動裝置。主驅(qū)動機(jī)設(shè)計的額定功率在無液力透平的協(xié)助下可以單獨(dú)驅(qū)動貧胺液泵，液力透平與貧胺液泵組之間設(shè)有超速離合器，當(dāng)液力透平的轉(zhuǎn)速高于主電動機(jī)的轉(zhuǎn)速時，離合器閉合；當(dāng)液力透平的轉(zhuǎn)速低于主電動機(jī)的轉(zhuǎn)速時，離合器脫開。

液力透平位于脫硫單元一級主吸收塔C-101的下游，富胺液自一級吸收塔底出來后進(jìn)人液力透平膨脹做功，所產(chǎn)生的動能用以驅(qū)動貧胺液泵，做功后的低壓富胺液送至閃蒸罐。液力透平的DCS流程如圖3所示。

1．2輔助系統(tǒng)

1．2．1  油路系統(tǒng)

油路系統(tǒng)主要是給泵和電機(jī)的軸承提供潤滑油。潤滑油系統(tǒng)主要由油箱、潤滑油主油泵(軸頭泵)、輔助油泵、油冷卻器、過濾器、電加熱器等組成。

1．2．2機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)

液力透平采用了API682標(biāo)準(zhǔn)中的plan53B沖洗方案，其機(jī)械密封輔助沖洗系統(tǒng)主要由密封罐、水冷卻器、壓力表、壓力遠(yuǎn)傳報警裝置、手動補(bǔ)液泵組成。密封罐在有一定壓力(一般高于被密封介質(zhì)壓力)的條件下工作。如果出現(xiàn)壓力低報警，且不能維持壓力，則表明機(jī)械密封出現(xiàn)泄漏。

1．3主要參數(shù)說明

液力透平的主要參數(shù)見表l。

2液力透平技術(shù)應(yīng)用與控制優(yōu)化

基于液力透平驅(qū)動的特點(diǎn)，只有液力透平轉(zhuǎn)速高于電動機(jī)轉(zhuǎn)速時，超速離合器才能嚙合實(shí)現(xiàn)能量回收。因此，其存在2個缺點(diǎn)：①能量傳遞效率低。如石家莊化肥廠應(yīng)用蘇爾壽公司設(shè)計制造的透平能量回收系統(tǒng)，透平效率為69％，電動機(jī)效率為93％，超速離合器效率為95％，離心泵效率為78％，能量回收總傳遞效率為47.5％(69％×93％×95％×78％)。②液力透平驅(qū)動受工藝波動影響較大、外輸功率不穩(wěn)定。由于脫硫單元富液壓力和流量經(jīng)常受到工況影響發(fā)生波動，富液中有時還夾帶氣泡，易造成透平工作時脫離設(shè)計流量和壓力工況，從而使透平轉(zhuǎn)速和輸出功率發(fā)生較大變化，超速離合器經(jīng)常處于高速嚙合和脫開工況的交替中，導(dǎo)致超速離合器經(jīng)常損壞，設(shè)備被迫停工檢修，影響正常生產(chǎn)。

2．1液力透平的控制優(yōu)化

針對上述問題，普光天然氣凈化廠從儀表控制角度對液力透平進(jìn)行了優(yōu)化，增設(shè)了2條不同尺寸的透平跨線和配套的復(fù)雜控制回路(圖4)，實(shí)現(xiàn)在保證裝置生產(chǎn)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，液力透平能穩(wěn)定、有效地回收利用富胺液的靜壓能。

2．2液力透平的工藝設(shè)計優(yōu)化

一級主吸收塔底出口的DN500 mm管線設(shè)置為3路：第1路變徑為DN450 mm，將富胺液依次通過楔形流量計Fl-l0903、電動閘閥MV-10911、緊急切斷閥XV-10901與一級吸收塔液位調(diào)節(jié)閥LV-10305A后進(jìn)入液力透平回收能量，稱為A路；第2路變徑為DNl50 mm稱為B路；第3路管徑為DN500 mm，將富胺液依次通過雙手動閘閥組與一級吸收塔液位調(diào)節(jié)閥(高壓角型減壓閥)LV-10305C后，與液力透平出口低壓富液管線匯合，稱為C路。

正常運(yùn)行情況下，一級主吸收塔底部出來的富胺液其流量的85％經(jīng)過液力透平。吸收塔液位控制器LC-10305輸出液位信號進(jìn)入分程控制器LY-10305D與LY-l0305E，每個分程分別對應(yīng)不同的輸出控制。當(dāng)LC-10305輸出范圍為0～33％時，透平入口管線調(diào)節(jié)閥LV-10305A開度為0～100％；LC-10305輸出范圍為33％～66％時，透平15％跨線調(diào)節(jié)閥LV-10305B開度為0～100％；LC-10305輸出范圍為66％～l00％時，透平85％跨線調(diào)節(jié)閥LV-l0305C開度為0～l00％。

為滿足開工需要，在富胺液透平入口閥LV-10305A控制信號上設(shè)置了手操器HC-l0305A與低選HY-l0305A。當(dāng)處于現(xiàn)場操作模式時，手動操作器可以通過調(diào)節(jié)供給LV-l0305A的儀表風(fēng)壓力，調(diào)整調(diào)節(jié)閥LV-l0305A的開度，使富液進(jìn)入透平。當(dāng)透平操作穩(wěn)定后，改現(xiàn)場手動為自動控制。為保證透平平穩(wěn)操作，一級吸收塔液位控制LC-10305的輸出信號與手動輸入信號HC-10305A進(jìn)行低值選擇，使輸出至LV-10305A的控制信號不會因液位波動而頻繁變化。

通過上述工藝設(shè)計與控制方式優(yōu)化，將富胺液分為3條回路，通過B回路來進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免了工藝波動，穩(wěn)定了液力透平輸出功率。自2009年10月第一套液力透平機(jī)組投入運(yùn)行至今，液力透平一直運(yùn)行平穩(wěn)，從未出現(xiàn)超速離合器頻繁嚙合和脫開現(xiàn)象。

3液力透平試車投運(yùn)操作

3．1液力透平單機(jī)試車

3．1．1  試車準(zhǔn)備

1)仔細(xì)檢查機(jī)組有關(guān)工藝管線是否安裝、打壓、沖洗完畢，彈簧支吊架是否調(diào)整到位，試運(yùn)流程是否打通。

2)拆除PRT與離合器相連的聯(lián)軸器。

3)啟動潤滑油泵并切換至手動位置，檢查油溫，確定油壓正常。

4)機(jī)組相關(guān)儀表完好并已投用。

5)機(jī)組相關(guān)聯(lián)鎖已測試調(diào)校完畢。

6)機(jī)組各潤滑點(diǎn)及機(jī)械密封輔助系統(tǒng)投用。

7)投用循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，調(diào)整好流量。

8)工藝相關(guān)條件確認(rèn)完畢。

9)灌泵。打開PRT出口除鹽水閥門灌泵，PRT進(jìn)出口管線放空見水后關(guān)閉放空。

3．1．2 PRT啟動

1)盤車。

2)聯(lián)系室內(nèi)操作人員，將C-101液位控制在70％，平穩(wěn)C一101液位做好投用準(zhǔn)備。

3)全開MV-10912(透平出口電動閥)。

4)復(fù)位XV-10901(透平入口切斷閥)。

5)稍開LV-10305A(透平人El調(diào)節(jié)閥)，建議開度介于3％～5％。

6)緩慢打開MV-10911(透平入口電動閥)付線閥(DN25 mm)。

7)全開MV-l0911(透平入El電動閥)付線閥后緩慢打開MV-10911(透平入口電動閥)，使高壓水進(jìn)入PRT，使PRT機(jī)沖轉(zhuǎn)。

8)檢查PRT運(yùn)轉(zhuǎn)情況，確認(rèn)良好、無雜音，軸承溫度、振動、密封泄漏等均正常后才能提速，提速要與室內(nèi)操作人員聯(lián)系好，防止塔C-101液位出現(xiàn)大的波動。

9)逐步開大MV-10911(透平入口電動閥)及LV-10305A(透平入口調(diào)節(jié)閥)。

10)當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 000 r／rain后平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)15 min，并檢查運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

11)升速至3 100 r／rain時，做報警實(shí)驗(yàn)。

12)升速至3 150 r／rain時，做跳閘實(shí)驗(yàn)。如果轉(zhuǎn)速超過3 150 r／rain沒有自動跳車，則應(yīng)迅速關(guān)閉LV-10305A(透平入口調(diào)節(jié)閥)，使PRT停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

3．1．3停機(jī)

室內(nèi)操作人員緩慢關(guān)小閥LVl0305A(透平入口調(diào)節(jié)閥)，降低PRT轉(zhuǎn)速，當(dāng)閥LVl0305A(透平入口調(diào)節(jié)閥)關(guān)閉時，PRT停運(yùn)。關(guān)閉切斷閥XVl090l(透平入口切斷閥)、MVl0911(透平人口電動閥)，將超速離合器置于剎車位置。

3．2 PRT-電動機(jī)-泵聯(lián)動試車

3．2．1  試車準(zhǔn)備

復(fù)測PRT、電機(jī)動與機(jī)泵的同心度，連接好聯(lián)軸器。檢查離合器處于松開位置，并已鎖定。其余參照PRT單機(jī)試車準(zhǔn)備工作。

3．2．2 PRT-電動機(jī)-機(jī)組聯(lián)運(yùn)

按正常啟動步驟啟動電動機(jī)和泵，再投用PRT。

1)聯(lián)系室內(nèi)操作人員，控制C-101的液位為70％、系統(tǒng)循環(huán)量為600 m³／h，平穩(wěn)C-101液位，做好投用準(zhǔn)備。

2)全開MV-10912(透平出口電動閥)和復(fù)位XV-10901(透平入口切斷閥)，稍開LV-10305A(透平入口調(diào)節(jié)閥)，建議開度介于3％～5％。

3)緩慢打開MV-10911(透平入口電動閥)付線閥(DN25 ram)。

4)全開MV-10911(透平人口電動閥)付線閥后緩慢打開MV-10911(透平人口電動閥)，使高壓水進(jìn)入PRT，使PRT機(jī)沖轉(zhuǎn)。

5)檢查PRT運(yùn)轉(zhuǎn)情況，確認(rèn)良好、無雜音，軸承溫度、振動、密封泄漏等均正常后才能提速，提速要與室內(nèi)操作人員聯(lián)系好，防止塔C-101液位出現(xiàn)大的波動。

6)逐步開大MV-10911(透平人口電動閥)及LV-10305A(透平人口調(diào)節(jié)閥)。當(dāng)PRT速度達(dá)到2 900r／rain時要盡可能迅速地打開進(jìn)口閥(在15 s之內(nèi))，使流量達(dá)到400 m³／h，之后可以緩慢開大LV-10305A(透平人口調(diào)節(jié)閥)，增加PRT負(fù)荷并最終達(dá)到額定流量560 m³／h。

7)在機(jī)組達(dá)到滿負(fù)荷時平穩(wěn)運(yùn)行2 h，在此期問對機(jī)組進(jìn)行全面檢查與考核。

3．2．3停機(jī)

室內(nèi)操作人員緩慢關(guān)閉LV-10305A(透平入口調(diào)節(jié)閥)，當(dāng)PRT入口流量達(dá)到400 m³／h時盡可能快地關(guān)PRT入口閥，使PRT入口流量迅速降至300 m³／h，現(xiàn)場聲音增大，這時PRT速度降到低于離合器的連接速度，離合器會斷開，然后慢慢將入口閥全關(guān)。不要將PRT在低于400 r／rain(1臨界轉(zhuǎn)速)的工況下運(yùn)行太長時間(30 s)，以免妨礙軸承和PRT的磨損部件的潤滑。

3．3液力透平投運(yùn)注意事項(xiàng)

1)保證胺液系統(tǒng)循環(huán)穩(wěn)定，C-101液位要求超過60％，保持在較高的液位。鑒于A、B、C閥為3分程控制，利用手操器HC-10305A開A閥時，若C-101液位控制LC-10305A為自動控制時，C閥會自動關(guān)閉，操作一定要緩慢；若自動控制液位波動大，則改為手動控制，開A閥時，手動關(guān)C閥，以控制C-101液位。

2)打開電動閥MV-l0911，透平處人員觀察透平是否沖轉(zhuǎn)，室內(nèi)操作人員在DCS上監(jiān)控透平轉(zhuǎn)速，若20 s內(nèi)沒有沖轉(zhuǎn)或者透平轉(zhuǎn)速在20 s內(nèi)沒有迅速超過400 r／rain，室內(nèi)操作人員則迅速將LV-10305A閥位加大1％～2％，保證透平迅速超過400 r／min(臨界轉(zhuǎn)速)。

3)當(dāng)透平轉(zhuǎn)速快達(dá)到2 500 r／min時，快速打開LV-10305A閥位，使透平快速通過2 500 r／rain(臨界轉(zhuǎn)速)區(qū)域。透平轉(zhuǎn)速升至2 900 r／min時，室內(nèi)操作人員可以適當(dāng)加大A閥開度，加快升速速率，使得透平與超速離合器迅速嚙合(嚙合轉(zhuǎn)速約為2 980 r／min)，離合器嚙合后室內(nèi)操作人員繼續(xù)增加LV-10305A閥位，此時透平轉(zhuǎn)速不再變化，透平開始做功。

4)離合器嚙合后，在LV-10305A閥位繼續(xù)增加過程中，現(xiàn)場外操密切關(guān)注P-101A電機(jī)電流，最終內(nèi)操控制C閥全關(guān)，B閥開度在30％～50％之間，靠B閥來調(diào)節(jié)工藝波動造成的流量波動，停止開A閥，穩(wěn)定液力透平運(yùn)行。

5)出現(xiàn)下列情況應(yīng)立即停機(jī)，以保護(hù)設(shè)備。轉(zhuǎn)動部件出現(xiàn)大的異常聲音；軸承及回油溫度超高；引起聯(lián)鎖停機(jī)的條件出現(xiàn)而未停泵時；機(jī)械密封泄漏嚴(yán)重；現(xiàn)場發(fā)生大的火災(zāi)。

4應(yīng)用效果分析

富胺液透平設(shè)計人口壓力為8.371 MPa，出口壓力為l.110 MPa，壓力差為7.261 MPa，設(shè)計流量為596 t／h，回收能量1 006 kW，主電機(jī)輸出功率為104kW。受上游原料氣壓力調(diào)低的影響，原料氣壓力由8.39 MPa下調(diào)至8.00 MPa，液力透平相關(guān)參數(shù)相應(yīng)有所下降。2010年10月13-16日，第3聯(lián)合裝置進(jìn)行100％負(fù)荷性能考核，液力透平運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，相關(guān)性能參數(shù)如表2所示。在原料氣100％負(fù)荷運(yùn)行工況下，透平入口壓力平均值為7.99 MPa，出口壓力平均為0.74 MPa，壓力差平均為7.25 MPa，主電動機(jī)輸出功率平均值為248.31 kW，單臺液力透平回收能量為861.69 kW。通過優(yōu)化液力透平控制技術(shù)，各系列裝置在正常運(yùn)行期間均采用液力透平驅(qū)動模式，且裝置工藝運(yùn)行無波動，透平外輸功率平穩(wěn)。

2010年，普光天然氣凈化廠平均運(yùn)行3套聯(lián)合裝置，每套聯(lián)合裝置有2臺液力透平，貧胺液泵全部采用液力透平驅(qū)動，每套聯(lián)合裝置共運(yùn)行334 d，3套裝置共節(jié)約4 144.38×10⁴ kW·h，節(jié)約電力成本2 901.07萬元。

2011年，普光天然氣凈化廠平均運(yùn)行5套聯(lián)合裝置，年節(jié)約用電預(yù)計可達(dá)6 927.98×10⁴ kW·h，節(jié)約電力成本4 849.59萬元。

5  結(jié)束語

液力透平回收靜壓能技術(shù)的應(yīng)用與優(yōu)化，既保證了普光天然氣凈化廠裝置的平穩(wěn)運(yùn)行操作，又明顯節(jié)約了裝置電力消耗，降低了工廠運(yùn)行成本。同時，采用液力透平技術(shù)回收高壓富胺液能量是一項(xiàng)符合節(jié)能減排國策的先進(jìn)技術(shù)，在高含硫天然氣勘探開發(fā)力度加快的背景下，具有廣闊的推廣前景。

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本文作者：張立勝  裴愛霞  術(shù)阿杰  李楊濤

作者單位：中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠