特大型天然气净化装置液力透平能量回收技术优化_技术研究

摘要

总结了特大型天然气净化装置利用液力透平回收富胺液进入再生塔前释放的巨大静压能的技术特点：只有液力透平转速高于电动机转速时，超速离合器才能啮合实现能量回收。

摘要 总结了特大型天然气净化装置利用液力透平回收富胺液进入再生塔前释放的巨大静压能的技术特点：只有液力透平转速高于电动机转速时，超速离合器才能啮合实现能量回收。针对该技术存在的能量传递效率低和液力透平驱动受工艺波动影响较大、外输功率不稳定的缺点，从仪表控制方式和工艺设计角度对液力透平进行了优化：增设了2条不同尺寸的透平跨线和配套的复杂控制回路，并将一级主吸收塔底出口的DN500 mm管线设置为3路。应用结果表明，此举避免了工艺波动，稳定了液力透平输出功率，自2009年10月第一套液力透平机组投入运行至今，液力透平一直运行平稳，从未出现超速离合器频繁啮合和脱开现象。最后结合现场实际运行经验，提出了液力透平单机试车及联动试车操作步骤及注意事项，为该项技术在特大型天然气净化厂装置的推广应用提供了技术支持。

关键词 天然气净化富胺液液力透平静压能能耗电能控制优化普光气田

利用液力透平(Power Recovery Turbine，PRT)收静压能是近年来发展起来的新兴节能技术^[1-3]。由于液力透平装置运行平稳，节能效果明显，已被中国石油长庆油田公司天然气净化厂^[4-6]、上海高桥石化、海南炼化、大庆石化、青岛大炼油等企业相继引进。

中国石化中原油田普光分公司天然气净化厂(以下简称普光天然气净化厂)是我国高压高含硫天然气净化企业，工艺流程繁杂，自动化控制程度高，大型机组设备技术先进，共有6套联合装置，高含硫原料气处理能力为l20×10⁸ m³／a，硫磺产量为240×10⁴ t／a，脱硫单元共设置液力透平12台，回收静压能用于驱动贫胺液泵，自2009年10月投产至今，运转良好。

1 液力透平技术

1．1液力透平技术简介

普光天然气净化厂液力透平装置由FLOWSERVE公司生产，型号为HD0-BB5，为4级卧式反转泵透平。根据流体力学相似理论，透平叶轮采用离心泵叶轮的可逆式设计，其他部件与离心泵完全相同(图1)。

富胺液力透平机组示意图如图2所示，贫胺液泵 (高压离心泵)和液力透平位于两侧外端，中间为电动机，电动机与液力透平中间设有超速离合器。贫胺液泵采用双驱动模式，电动机为主驱动机，液力透平为第二驱动装置。主驱动机设计的额定功率在无液力透平的协助下可以单独驱动贫胺液泵，液力透平与贫胺液泵组之间设有超速离合器，当液力透平的转速高于主电动机的转速时，离合器闭合；当液力透平的转速低于主电动机的转速时，离合器脱开。

液力透平位于脱硫单元一级主吸收塔C-101的下游，富胺液自一级吸收塔底出来后进人液力透平膨胀做功，所产生的动能用以驱动贫胺液泵，做功后的低压富胺液送至闪蒸罐。液力透平的DCS流程如图3所示。

1．2辅助系统

1．2．1 油路系统

油路系统主要是给泵和电机的轴承提供润滑油。润滑油系统主要由油箱、润滑油主油泵(轴头泵)、辅助油泵、油冷却器、过滤器、电加热器等组成。

1．2．2机械密封辅助冲洗系统

液力透平采用了API682标准中的plan53B冲洗方案，其机械密封辅助冲洗系统主要由密封罐、水冷却器、压力表、压力远传报警装置、手动补液泵组成。密封罐在有一定压力(一般高于被密封介质压力)的条件下工作。如果出现压力低报警，且不能维持压力，则表明机械密封出现泄漏。

1．3主要参数说明

液力透平的主要参数见表l。

2液力透平技术应用与控制优化

基于液力透平驱动的特点，只有液力透平转速高于电动机转速时，超速离合器才能啮合实现能量回收。因此，其存在2个缺点：①能量传递效率低。如石家庄化肥厂应用苏尔寿公司设计制造的透平能量回收系统，透平效率为69％，电动机效率为93％，超速离合器效率为95％，离心泵效率为78％，能量回收总传递效率为47.5％(69％×93％×95％×78％)。②液力透平驱动受工艺波动影响较大、外输功率不稳定。由于脱硫单元富液压力和流量经常受到工况影响发生波动，富液中有时还夹带气泡，易造成透平工作时脱离设计流量和压力工况，从而使透平转速和输出功率发生较大变化，超速离合器经常处于高速啮合和脱开工况的交替中，导致超速离合器经常损坏，设备被迫停工检修，影响正常生产。

2．1液力透平的控制优化

针对上述问题，普光天然气净化厂从仪表控制角度对液力透平进行了优化，增设了2条不同尺寸的透平跨线和配套的复杂控制回路(图4)，实现在保证装置生产稳定的基础上，液力透平能稳定、有效地回收利用富胺液的静压能。

2．2液力透平的工艺设计优化

一级主吸收塔底出口的DN500 mm管线设置为3路：第1路变径为DN450 mm，将富胺液依次通过楔形流量计Fl-l0903、电动闸阀MV-10911、紧急切断阀XV-10901与一级吸收塔液位调节阀LV-10305A后进入液力透平回收能量，称为A路；第2路变径为DNl50 mm称为B路；第3路管径为DN500 mm，将富胺液依次通过双手动闸阀组与一级吸收塔液位调节阀(高压角型减压阀)LV-10305C后，与液力透平出口低压富液管线汇合，称为C路。

正常运行情况下，一级主吸收塔底部出来的富胺液其流量的85％经过液力透平。吸收塔液位控制器LC-10305输出液位信号进入分程控制器LY-10305D与LY-l0305E，每个分程分别对应不同的输出控制。当LC-10305输出范围为0～33％时，透平入口管线调节阀LV-10305A开度为0～100％；LC-10305输出范围为33％～66％时，透平15％跨线调节阀LV-10305B开度为0～100％；LC-10305输出范围为66％～l00％时，透平85％跨线调节阀LV-l0305C开度为0～l00％。

为满足开工需要，在富胺液透平入口阀LV-10305A控制信号上设置了手操器HC-l0305A与低选HY-l0305A。当处于现场操作模式时，手动操作器可以通过调节供给LV-l0305A的仪表风压力，调整调节阀LV-l0305A的开度，使富液进入透平。当透平操作稳定后，改现场手动为自动控制。为保证透平平稳操作，一级吸收塔液位控制LC-10305的输出信号与手动输入信号HC-10305A进行低值选择，使输出至LV-10305A的控制信号不会因液位波动而频繁变化。

通过上述工艺设计与控制方式优化，将富胺液分为3条回路，通过B回路来进行调节，避免了工艺波动，稳定了液力透平输出功率。自2009年10月第一套液力透平机组投入运行至今，液力透平一直运行平稳，从未出现超速离合器频繁啮合和脱开现象。

3液力透平试车投运操作

3．1液力透平单机试车

3．1．1 试车准备

1)仔细检查机组有关工艺管线是否安装、打压、冲洗完毕，弹簧支吊架是否调整到位，试运流程是否打通。

2)拆除PRT与离合器相连的联轴器。

3)启动润滑油泵并切换至手动位置，检查油温，确定油压正常。

4)机组相关仪表完好并已投用。

5)机组相关联锁已测试调校完毕。

6)机组各润滑点及机械密封辅助系统投用。

7)投用循环冷却水系统，调整好流量。

8)工艺相关条件确认完毕。

9)灌泵。打开PRT出口除盐水阀门灌泵，PRT进出口管线放空见水后关闭放空。

3．1．2 PRT启动

1)盘车。

2)联系室内操作人员，将C-101液位控制在70％，平稳C一101液位做好投用准备。

3)全开MV-10912(透平出口电动阀)。

4)复位XV-10901(透平入口切断阀)。

5)稍开LV-10305A(透平人El调节阀)，建议开度介于3％～5％。

6)缓慢打开MV-10911(透平入口电动阀)付线阀(DN25 mm)。

7)全开MV-l0911(透平入El电动阀)付线阀后缓慢打开MV-10911(透平入口电动阀)，使高压水进入PRT，使PRT机冲转。

8)检查PRT运转情况，确认良好、无杂音，轴承温度、振动、密封泄漏等均正常后才能提速，提速要与室内操作人员联系好，防止塔C-101液位出现大的波动。

9)逐步开大MV-10911(透平入口电动阀)及LV-10305A(透平入口调节阀)。

10)当转速达到1 000 r／rain后平稳运转15 min，并检查运转情况。

11)升速至3 100 r／rain时，做报警实验。

12)升速至3 150 r／rain时，做跳闸实验。如果转速超过3 150 r／rain没有自动跳车，则应迅速关闭LV-10305A(透平入口调节阀)，使PRT停止运转。

3．1．3停机

室内操作人员缓慢关小阀LVl0305A(透平入口调节阀)，降低PRT转速，当阀LVl0305A(透平入口调节阀)关闭时，PRT停运。关闭切断阀XVl090l(透平入口切断阀)、MVl0911(透平人口电动阀)，将超速离合器置于刹车位置。

3．2 PRT-电动机-泵联动试车

3．2．1 试车准备

复测PRT、电机动与机泵的同心度，连接好联轴器。检查离合器处于松开位置，并已锁定。其余参照PRT单机试车准备工作。

3．2．2 PRT-电动机-机组联运

按正常启动步骤启动电动机和泵，再投用PRT。

1)联系室内操作人员，控制C-101的液位为70％、系统循环量为600 m³／h，平稳C-101液位，做好投用准备。

2)全开MV-10912(透平出口电动阀)和复位XV-10901(透平入口切断阀)，稍开LV-10305A(透平入口调节阀)，建议开度介于3％～5％。

3)缓慢打开MV-10911(透平入口电动阀)付线阀(DN25 ram)。

4)全开MV-10911(透平人口电动阀)付线阀后缓慢打开MV-10911(透平人口电动阀)，使高压水进入PRT，使PRT机冲转。

5)检查PRT运转情况，确认良好、无杂音，轴承温度、振动、密封泄漏等均正常后才能提速，提速要与室内操作人员联系好，防止塔C-101液位出现大的波动。

6)逐步开大MV-10911(透平人口电动阀)及LV-10305A(透平人口调节阀)。当PRT速度达到2 900r／rain时要尽可能迅速地打开进口阀(在15 s之内)，使流量达到400 m³／h，之后可以缓慢开大LV-10305A(透平人口调节阀)，增加PRT负荷并最终达到额定流量560 m³／h。

7)在机组达到满负荷时平稳运行2 h，在此期问对机组进行全面检查与考核。

3．2．3停机

室内操作人员缓慢关闭LV-10305A(透平入口调节阀)，当PRT入口流量达到400 m³／h时尽可能快地关PRT入口阀，使PRT入口流量迅速降至300 m³／h，现场声音增大，这时PRT速度降到低于离合器的连接速度，离合器会断开，然后慢慢将入口阀全关。不要将PRT在低于400 r／rain(1临界转速)的工况下运行太长时间(30 s)，以免妨碍轴承和PRT的磨损部件的润滑。

3．3液力透平投运注意事项

1)保证胺液系统循环稳定，C-101液位要求超过60％，保持在较高的液位。鉴于A、B、C阀为3分程控制，利用手操器HC-10305A开A阀时，若C-101液位控制LC-10305A为自动控制时，C阀会自动关闭，操作一定要缓慢；若自动控制液位波动大，则改为手动控制，开A阀时，手动关C阀，以控制C-101液位。

2)打开电动阀MV-l0911，透平处人员观察透平是否冲转，室内操作人员在DCS上监控透平转速，若20 s内没有冲转或者透平转速在20 s内没有迅速超过400 r／rain，室内操作人员则迅速将LV-10305A阀位加大1％～2％，保证透平迅速超过400 r／min(临界转速)。

3)当透平转速快达到2 500 r／min时，快速打开LV-10305A阀位，使透平快速通过2 500 r／rain(临界转速)区域。透平转速升至2 900 r／min时，室内操作人员可以适当加大A阀开度，加快升速速率，使得透平与超速离合器迅速啮合(啮合转速约为2 980 r／min)，离合器啮合后室内操作人员继续增加LV-10305A阀位，此时透平转速不再变化，透平开始做功。

4)离合器啮合后，在LV-10305A阀位继续增加过程中，现场外操密切关注P-101A电机电流，最终内操控制C阀全关，B阀开度在30％～50％之间，靠B阀来调节工艺波动造成的流量波动，停止开A阀，稳定液力透平运行。

5)出现下列情况应立即停机，以保护设备。转动部件出现大的异常声音；轴承及回油温度超高；引起联锁停机的条件出现而未停泵时；机械密封泄漏严重；现场发生大的火灾。

4应用效果分析

富胺液透平设计人口压力为8.371 MPa，出口压力为l.110 MPa，压力差为7.261 MPa，设计流量为596 t／h，回收能量1 006 kW，主电机输出功率为104kW。受上游原料气压力调低的影响，原料气压力由8.39 MPa下调至8.00 MPa，液力透平相关参数相应有所下降。2010年10月13-16日，第3联合装置进行100％负荷性能考核，液力透平运转平稳，相关性能参数如表2所示。在原料气100％负荷运行工况下，透平入口压力平均值为7.99 MPa，出口压力平均为0.74 MPa，压力差平均为7.25 MPa，主电动机输出功率平均值为248.31 kW，单台液力透平回收能量为861.69 kW。通过优化液力透平控制技术，各系列装置在正常运行期间均采用液力透平驱动模式，且装置工艺运行无波动，透平外输功率平稳。