液力透平在环氧乙烷/乙二醇装置中的应用

翁 阳

(中韩(武汉)石油化工有限公司，湖北 武汉 430000)

液力透平能量回收装置把流体压力能转化成机械能或电能，工作过程是高压液体作用于透平轮，产生轴的输出功率，来驱动其它耗能机械。EOEG装置C-115压力约为1.7MPa，其中EO吸收段和CO2吸收段液体去往C-220和C-310，其压力均接近常压，EO吸收段富吸收水进入液力透平PT-312B，为汽提塔底泵P-310B和循环水泵P-312B提供部分动力，以回收液体能量；CO2吸收段富碳酸盐进入液力透平PT-220B为P-220B提供部分动力，本文主要以PT-312B为例。

1 液力透平的原理及结构

1.1 工艺流程

来自洗涤器段底部的富环氧乙烷循环水，先经过换热器对原料气进行冷却。然后循环水再进入水力透平，该水力透平通过其中串联的循环水泵和洗涤塔泵的电机提供部分动力。

1.2 PT-312B原理及布置

PT-312B选用BB2型反转泵做液力透平，输送介质为含ω(EO)=3%的水溶液，压力1.86MPa富循环水从入口进，推动叶轮旋转通过轴向外输出功率，做完功后压力降为0.78MPa从出口排出，操作流量1215 m3/h，采用分程控制方案，设置流量调节阀和旁通阀，控制EO吸收段的液位，溶液流经液力透平来回收能量，为泵提供部分动力，如图1所示，透平布置在机组的外端，然后连接离合器、泵和电机。

图1 透平布置图

表1 透平设计参数

1.3 透平的型式

PT-312B采用API610/BB2系列卧式、两端支撑、径向剖分、双涡壳单级双吸叶轮离心泵作为液力透平结构型式，可输送带固体颗粒的腐蚀性或强腐蚀性介质、液化石油气和其它易燃、易爆或有毒的介质，如图2所示。

泵出口作为液力透平的入口，泵入口作为液力透平的出口，操作参数如表1。

图2 透平泵结构图

1.4 联接传动装置

1.4.1 超越离合器

透平轮轴与泵轴之间设有超越离合器。超越离合器是机械式的单向离合器，如图3所示。

图3 离合器示意图

离合器联接的特点是可控制转速，保持透平稳定，拆装简便灵活；但效率与同轴直联相比相对较低。

离合器由凸轮轴、外环、保持架和弹簧-销机构等主要零部件组成。凸轮部分可以做成凸轮轴或者凸轮环的形式，为便于加工，因此凸轮部分一般做成凸轮轴。凸轮轴上具有一段棱边数与滚柱数目相等的正多棱柱，多棱柱的棱面上制造出用于离合器装配的凹槽。一系列滚柱通过保持架定位于凸轮轴上，而弹簧销机构在保持架上作用一个恒定力矩，迫使滚柱在任何情况下都与凸轮面、外环保持接触。当凸轮轴相对外环朝正向转动时，滚柱就被楔紧在凸轮轴和外环之间，使零件结合成一个整体，此时离合器处于楔合状态。如果凸轮轴相对外环反向旋转，滚柱就从楔合状态脱开，并在外环和凸轮轴的滑动面上滚动或滑动，此时凸轮轴与外环分离，离合器不承受扭矩，处于超越状态。

1.4.2 超速保护装置

设置超速保护设施，来保证水力透平能在所有规定操作条件下，转速达到其飞逸转速时而不至于损坏。这种超速保护设施可以提供给操作者一个超速报警信号，超过规定转速时立即连锁关闭透平入口阀。

1.5 密封形式

环氧乙烷为易燃易爆的有毒液体，沸点10.7℃，闪点-17.8℃，爆炸极限体积分数为3%～100%，温度高于40℃时开始聚合，环氧乙烷为强麻醉剂，能引起急性中毒和慢性中毒，由于介质中ω(EO)=3%，不允许泄漏到空气中，采用API682第三版plan53B强制循环密封液的双端面密封，密封流程图如图4所示，运行时加压的隔离液通过泵内部的泵送环进行循环，隔离输送介质确保其不向外泄露，蓄能器维持隔离液压力，及时补充轻微泄露造成的压降，当发生大量泄漏时，隔离液的压力迅速下降，检测变送器报警操作人员可迅速采取措施，极大地保证了安全性。

包括有气囊式蓄能器、散热器以及压力、温度测量监控系统，还配备有手动补液系统。包含补液箱和手动泵，这种形式结构简单，操作便利，如图5所示。

图4 PT-312B PLAN53B密封流程图

图5 配备手动泵和补液箱的PLAN53B

2 操作与控制

2.1 设备检查确认

检查机械密封流程正确，冷却水管路通畅，润滑油油质、油位正常，离合器的手柄由“LOCK”位切换到“FREE”位，并锁紧手柄，泵系统的倒淋阀、排气阀关闭，盲板位置正确。

2.2 仪表联锁与工艺流程检查

与仪表专业工程师确认泵联锁及远程仪表完好。泵进出口管线倒淋、排气阀关闭，盲板位置正确，全开泵出口手阀，全开泵进口手阀。

2.3 设备操作

(1)开泵：慢慢开透平入口阀门，然后慢慢关闭旁路阀，保持大部分物料走透平，少部分物料去旁路。期间观察泵的转速，泵速控制在1493r/min，控制好液位。

(2)停透平泵泵：慢开旁路阀，同时慢关透平入口阀，直至全关透平入口阀，期间控制好塔的液位,。泵停稳后，离合器的手柄由“FREE”位切换到“LOCK”位，并锁紧手柄。。

2.4 紧急处理

(1)如检查发现泵运转出现异常，通知内操正常停泵。如果遇到紧急情况，现场紧急拍停透平泵。

(2)P-312B联锁停车时，透平入口阀会自动快速关闭，此时快速通过旁路阀调整塔的液位。

2.5 性能曲线

图6 液力透平相对流量-效率曲线

当流量从0到满负荷的过程中，流体逐渐克服内部摩擦损失，并向外部提供能量，转折点在设计流量的40%即486m3/h时，开始对外输出功率，到达设计流量时达到最大效率，如图6所示。

3 维护与保养

(1)轴承温度

正常运行中的轴承温度允许值不高于70℃。若轴承温度偏高，除轴承的制造和检修是否有问题以外，润滑油的质量和供油量是主要原因。

(2)振动

引起水力透平振动的原因很多，例如对中不良，转子不平衡，工艺系统波动，轴承故障，地脚螺栓松动等。如果出现振动，应对现象进行分析，查出导致振动的主要原因，进行消除。

(3) 冲洗

要保证冲洗液管道畅通，压力大于1.15MPa，压力低时及时补液保证有充裕的冷却冲洗液量，以延长机械密封的使用寿命。

4 回收压力能功率

透平入口流量1215m3/h，温度63℃，压力1.86MPa，出口压力0.78MPa，查得63℃水溶液的密度972kg/m3,则根据伯努利方程得：

(1)

式(1)中：Z1、Z2分别是透平进出口水平高度；P 、P 分别是透平进出口介质压力；Σhf为流体经过阀门损失的能量，J/kg；U1 、U2分别是进出口流体速度。

入口10",出口12"，则U1=6.75m/s,U2=4.75m/s；

进出位置高度相等，则Z1 =Z2；

带入以上数据统一量纲后得：

Σhf=1122.6J/kg；

损失总功率：Ne=Σhf×Ws

(2)

Ws =1180980kg÷3600s=328.05kg/s

因此，Ne=Σhf×Ws

= 1122.6 J/kgX328.05kg/s = 368.27kW

水力透平工作效率取0．78(根据设计厂家数据) ；

实际输出轴功率Pt=368.27 X0.78=287.3kW

5 结语

液力透平能量回收装置广泛应用于石油化工、冶金、废水处理及海水淡化等行业的生产过程中，EOEG装置采用水力透平回收富循环水压力能，为泵提供部分动力，安全可靠，具有一定经济效益，按一年工作时长4000h，可节约用电量115万kW·h，在当下大力提倡节能环保的情况下，事实证明该项技术是化工企业节能降耗的有效途径之一。