張立勝 裴愛霞 術(shù)阿杰 李楊濤

中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠

特大型天然氣凈化裝置液力透平能量回收技術(shù)優(yōu)化

張立勝 裴愛霞 術(shù)阿杰 李楊濤

中國石化中原油田普光分公司天然氣凈化廠

張立勝等.特大型天然氣凈化裝置液力透平能量回收技術(shù)優(yōu)化.天然氣工業(yè)，2012，32（7）：72-76.

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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，超速離合器才能嚙合實(shí)現(xiàn)能量回收。針對(duì)該技術(shù)存在的能量傳遞效率低和液力透平驅(qū)動(dòng)受工藝波動(dòng)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(jì)角度對(duì)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(jí)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(dòng)，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(dòng)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。

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）回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(dòng)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120×108m3／a，硫磺產(chǎn)量為240×104t／a，脫硫單元共設(shè)置液力透平12臺(tái)，回收靜壓能用于驅(qū)動(dòng)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(hào)為 HDO-BB5，為4級(jí)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(jì)，其他部件與離心泵完全相同（圖1）。

圖2 富胺液力透平機(jī)組示意圖

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(dòng)機(jī)，電動(dòng)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(dòng)模式，電動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)機(jī)，液力透平為第

二驅(qū)動(dòng)裝置。主驅(qū)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的額定功率在無液力透平的協(xié)助下可以單獨(dú)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器閉合；當(dāng)液力透平的轉(zhuǎn)速低于主電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，離合器脫開。

液力透平位于脫硫單元一級(jí)主吸收塔C-101的下游，富胺液自一級(jí)吸收塔底出來后進(jìn)入液力透平膨脹做功，所產(chǎn)生的動(dòng)能用以驅(qū)動(dòng)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。

圖3 液力透平DCS流程圖

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(bào)警裝置、手動(dòng)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(bào)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1。

表1 液力透平主要參數(shù)表1）

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(dòng)的特點(diǎn)，只有液力透平轉(zhuǎn)速高于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，超速離合器才能嚙合實(shí)現(xiàn)能量回收。因此，其存在2個(gè)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(jì)制造的透平能量回收系統(tǒng)，透平效率為69%，電動(dòng)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(dòng)受工藝波動(dòng)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(dòng)，富液中有時(shí)還夾帶氣泡，易造成透平工作時(shí)脫離設(shè)計(jì)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(duì)上述問題，普光天然氣凈化廠從儀表控制角度對(duì)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。

圖4 液力透平控制優(yōu)化示意圖

2.2 液力透平的工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化

一級(jí)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(jì) FI-10903、電動(dòng)閘閥 MV-10911、緊急切斷閥XV-10901與一級(jí)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DN150 mm稱為B路；第3路管徑為DN500 mm，將富胺液依次通過雙手動(dòng)閘閥組與一級(jí)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(jí)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(hào)進(jìn)入分程控制器LY-10305D與LY-10305E，每個(gè)分程分別對(duì)應(yīng)不同的輸出控制。當(dāng)LC-10305輸出范圍為0～33%時(shí)，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(shí)，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%～100%時(shí)，透平85%跨線調(diào)節(jié)閥LV-10305C開度為0～100%。

為滿足開工需要，在富胺液透平入口閥LV-10305A控制信號(hào)上設(shè)置了手操器HC-10305A與低選HY-10305A。當(dāng)處于現(xiàn)場操作模式時(shí)，手動(dòng)操作器可以通過調(diào)節(jié)供給LV-10305A的儀表風(fēng)壓力，調(diào)整調(diào)節(jié)閥LV-10305A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(dòng)為自動(dòng)控制。為保證透平平穩(wěn)操作，一級(jí)吸收塔液位控制LC-10305的輸出信號(hào)與手動(dòng)輸入信號(hào)HC-10305A進(jìn)行低值選擇，使輸出至LV-10305A的控制信號(hào)不會(huì)因液位波動(dòng)而頻繁變化。

通過上述工藝設(shè)計(jì)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(dòng)，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(dòng)潤滑油泵并切換至手動(dòng)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(dòng)

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-101液位做好投用準(zhǔn)備。

3）全開 MV-10912（透平出口電動(dòng)閥）。

4）復(fù)位XV-10901（透平入口切斷閥）。

5）稍開LV-10305A（透平入口調(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(dòng)閥）付線閥（DN25 mm）。

7）全開MV-10911（透平入口電動(dòng)閥）付線閥后緩慢打開MV-10911（透平入口電動(dòng)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(dòng)、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(dòng)。

9）逐步開大MV-10911（透平入口電動(dòng)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／min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／min時(shí)，做報(bào)警實(shí)驗(yàn)。

12）升速至3 150 r／min時(shí)，做跳閘實(shí)驗(yàn)。如果轉(zhuǎn)速超過3 150 r／min沒有自動(dòng)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LV10305A（透平入口調(diào)節(jié)閥），降低PRT轉(zhuǎn)速，當(dāng)閥LV10305A（透平入口調(diào)節(jié)閥）關(guān)閉時(shí)，PRT停運(yùn)。關(guān)閉切斷閥XV10901（透平入口切斷閥）、MV10911（透平入口電動(dòng)閥），將超速離合器置于剎車位置。

3.2 PRT-電動(dòng)機(jī)－泵聯(lián)動(dòng)試車

3.2.1 試車準(zhǔn)備

復(fù)測PRT、電機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī)—機(jī)組聯(lián)運(yùn)

按正常啟動(dòng)步驟啟動(dòng)電動(dòng)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(dòng)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(dòng)閥）付線閥（DN25 mm）。

4）全開MV-10911（透平入口電動(dòng)閥）付線閥后緩慢打開MV-10911（透平入口電動(dòng)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(dòng)、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(dòng)。

6）逐步開大MV-10911（透平入口電動(dòng)閥）及LV－10305A（透平入口調(diào)節(jié)閥）。當(dāng)PRT速度達(dá)到2 900 r／min時(shí)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（透平入口調(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(shí)平穩(wěn)運(yùn)行2 h，在此期間對(duì)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(shí)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(shí)PRT速度降到低于離合器的連接速度，離合器會(huì)斷開，然后慢慢將入口閥全關(guān)。不要將PRT在低于400 r／min（臨界轉(zhuǎn)速）的工況下運(yùn)行太長時(shí)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(shí)，若C-101液位控制LC-10305A為自動(dòng)控制時(shí)，C閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，操作一定要緩慢；若自動(dòng)控制液位波動(dòng)大，則改為手動(dòng)控制，開A閥時(shí)，手動(dòng)關(guān)C閥，以控制C-101液位。

2）打開電動(dòng)閥 MV-10911，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／min，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(shí)，快速打開LV-10305A閥位，使透平快速通過2 500 r／min（臨界轉(zhuǎn)速）區(qū)域。透平轉(zhuǎn)速升至2 900 r／min時(shí)，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(shí)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(dòng)造成的流量波動(dòng)，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(dòng)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(shí)；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(jì)入口壓力為8.371 MPa，出口壓力為1.110 MPa，壓力差為7.261 MPa，設(shè)計(jì)流量為596 t／h，回收能量1 006 k W，主電機(jī)輸出功率為104 k W。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(dòng)機(jī)輸出功率平均值為248.31 k W，單臺(tái)液力透平回收能量為861.69 k W。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(dòng)模式，且裝置工藝運(yùn)行無波動(dòng)，透平外輸功率平穩(wěn)。

表2 液力透平機(jī)組運(yùn)行參數(shù)表

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(tái)液力透平，貧胺液泵全部采用液力透平驅(qū)動(dòng)，每套聯(lián)合裝置共運(yùn)行334 d，3套裝置共節(jié)約4 144.38×104k W·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(jì)可達(dá)6 927.98×104k W·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(shí)，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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（修改回稿日期 2012-05-11 編輯 何 明）

10.3787／j.issn.1000-0976.2012.07.017

張立勝，1982年生，工程師，碩士；主要從事高含硫天然氣凈化及硫磺回收工藝、設(shè)備技術(shù)研究與應(yīng)用工作。地址：（636156）四川省達(dá)州市宣漢縣土主鄉(xiāng)普光天然氣凈化廠生產(chǎn)管理中心B-515。電話：15982981922。E-mail：zls198201＠163.com