液力透平在渣油加氢装置中的应用

蔡学

【摘 要】介绍了液力透平的结构、原理和在石家庄分公司150万吨/年渣油装置的应用情况及节能效果,并对运行中存在的问题进行分析,提出改进措施,达到安全平稳运行的目的.

【期刊名称】《安徽化工》 【年(卷),期】2017(043)001 【总页数】3页(P71-73)

【关键词】渣油加氢;液力透平;机械密封;节能 【作 者】蔡学

【作者单位】中国石化石家庄炼化分公司,河北石家庄050099 【正文语种】中 文 【中图分类】TE624.43

石家庄炼化分公司150万吨/年渣油加氢处理装置于2014年9月建成投产，装置操作压力16.5MPa，反应器出口温度380℃。为回收热高压分离器到热低压分离器物料的势能，降低装置能耗，设计了反应进料泵由电机和液力透平共同驱动的泵组形式。从技术成熟可靠、业绩优良的原则考虑，经过询比价最终选用了福斯公司的高压进料泵和液力透平机组。在装置正常运行负荷下，液力透平可回收电机功率的30%左右，节能效果明显。 1.1 原理

液力透平是将流体工质中蕴有的能量转换成机械功的机器，又称涡轮机。其原理是以高压的反应产物作为介质，从透平的吸入口流入，再从透平出口排出，流体所具有的能量在流动中，经过蜗壳时转换成动能，流过叶轮时流体冲击叶片，推动叶轮转动，从而驱动转子旋转。 1.2 结构形式和特点

液力透平的设计参数和液力透平、主电机和反应进料泵的布置方式分别见表1和图1。

透平的结构：液力透平执行AP1610第10版标准，泵型为BB5形式，双壳，内壳水平剖分，叶轮背靠背设置。此种设计可平衡转子大部分轴向力，外壳为筒形结构，多级两端支撑；内部壳体只承受中间段出口压力与总的出口压力的压差，外部壳体承受出口与外部的压差；泵体拆装较为简单，转子可整体装入或取出，保证了转子的动平衡精度。 1.3 机械密封的结构特点

1.3.1 液力透平机械密封各参数（表2） 1.3.2 密封布置图（图2） 1.3.3 密封冲洗方案的选择

根据API682，冲洗方案53C如图所示，隔离液通过泵送环循环，并通过冷却器冷却后进入密封中间冷却密封面。隔离液的加压方式是通过活塞式蓄能器的级差式活塞，引液力透平密封腔压力作为压力源，通过级差活塞，将隔离液压力提高到高于密封腔0.15倍左右，内侧密封波纹管只承受两侧的压差，大概0.3MPa左右，外侧选用弹簧式机械密封。操作中注意蓄能器从密封腔的引压线保证一定的温度，防止介质冷凝后无法传递压力而使两侧压力相差较大，致使内侧密封过早损坏。此处引压线设计使用了电伴热，巡检时应注意检查该处温度。

液力透平内介质温度大概360℃左右，介质温度较高，机械密封的工作环境较恶

劣，为降低密封腔温度，增加32外冲洗方案，选用常减压装置洁净蜡油，降低密封腔温度，改善内侧密封工况，由于常减压来蜡油压力仅有0.7MPa左右，而密封腔压力大概2.8～3.0MPa，需通过增压泵加压到3.0MPa以上才能注入密封腔。 该机械密封首级采用波纹管密封，主要用来承受高温，二级采用弹簧式密封，主要目的是承受高压，这种结构的密封腔可以承受6.0MPa压力，远远高于plan53B冲洗方案所允许的密封腔压力[1]。

机械密封53C方案相比53B降低了内部波纹管的工作压力，仅承受两侧压差，对压力变化不敏感，能延长机械密封的使用寿命。

辅助密封：由于机械密封在运行过程中密封面温度很高，隔离液泄漏出来后与大气接触，结焦的可能性很大，因此此次设计了62方案，使用氮气作为隔离气，防止氧气与漏液接触后结焦，并将漏液吹出密封腔。

由于plan32冲洗蜡油装置外来压力低，需封油泵进行增压，液力透平自12月投用后共开停5次，其中由于封油泵问题停泵2次，机械密封泄漏停泵1次，由于生产安排调整，装置正常安排停泵2次。 2.1 封油泵的停运问题分析

液力透平投用后，由于封油泵自停，为保证机械密封的运行寿命，停运液力透平共三次，经分析，有的是由于蜡油粘度的变化引起封油泵的功率增加，导致电机自停，有的是由于联轴器发生问题导致封油泵自停。该泵联轴器为齿式联轴器，内齿套为胶木材质，强度低，易老化，运行中电机泵负荷变化时对内齿的冲击较大，且胶木强度较低，多次负荷变化后对内齿造成损伤，最终在齿轮泵负荷发生变化时内齿断裂，导致联轴器脱开。 解决措施：

（1）封油罐增加伴热线，防止新鲜蜡油在输送过程中由于温度降低造成粘度增大而增加泵的功率。

（2）增加一台备用封油泵，当压力低时报警，及时启动备用泵，保证封油的注入，此项目正在实施过程中。

（3）联轴器材质升级，将内齿套材质由胶木更换为45#钢材质。 以上措施实施后，未再发生由于封油泵停运造成液力透平停车的现象。 2.2 机械密封问题

机械密封投用共运行2500h左右，机械密封泄漏1次，经拆检未发现结焦，动静环未发现明显损坏。分析原因认为：一方面是由于液力透平进料量的波动对密封的稳定运行有一定的影响，在密封泄漏前有几次透平进料量的变化，最大波动20M3/h左右，流量波动引起密封腔的压力波动，引起摩擦副上的密封比压变化，加速了密封的失效；其次由于透平出口压力低，由16.5MPa降到2.8MPa，压力下降使介质中气体析出，使出口压力不稳定，使密封腔的压力有一定波动，反复作用使摩擦副过早失效，造成机封的泄漏。

泵体温差应力变形对密封的影响：泵体长2900mm，介质温度360℃左右，运行中上下壳体有一定的温差，在环境温度急剧变化时，对泵体的挠度产生一定的影响，外壳体会随着温度发生变形，机械密封静环固定在壳体上也会随着产生一个微小角度，而固定在挠性轴上的动环不能及时补偿，仍按原来的平衡轨迹旋转，这样动静环间隙发生变化，可能会引起密封的泄漏，其他厂发生过此类情况[2]。

为防止由于环境温度急剧变化引起密封泄漏，建议液力透平增设防雨棚，减小环境变化对液力透平密封系统运行平稳性的影响。 2.3 液力透平入口调节阀及快速切断阀泄漏问题

目前液力透平入口控制阀为流量控制阀，该处介质压力为16.0MPa，温度为330℃，且含硫化氢。控制阀无前手阀，阀前法兰及阀本体法兰泄漏情况下无法切除处理；且由于其前部管线无手阀，预热时只能将控制阀开一定的阀位对后部的管路进行预热，预热速度不好控制，使阀门法兰泄漏的风险增加。在液力透平投用和

停用期间，控制阀前后法兰及本体法兰多次出现泄漏。高温渣油泄漏后极易自燃，威胁装置安全运行。 液力透平功率计算公式：

式中:NR-液力透平在设计条件下每小时所能回收的功率,kW；Qt-进入液力透平流量，m3/h；Ht-通过液力透平的扬程降m；ρ-液体密度，kg/m3，η-液力透平的效率，%。

根据表1的设计参数和以上公式，可以计算出液力透平在设计条件下每小时所能回收的功率：

Qt=140m3/h；Ht＝1530m；ρ ＝900kg/m3；η ＝0.60（查性能曲线）；NR=(140*1530*900*0.60)/（102*3600）=315kW

按照每年8000h计算，年节省8000*315*0.5=126万元，节能效果明显。 （1）由于泵体温差应力变形的问题，建议对液力透平泵组增加防雨罩，以减少环境变化产生的温差应力对机械密封、泵体及各密封点的影响。 （2）增上一台封油泵，可互为备用，防止由于封油问题停泵。

（3）进口机封供货周期较长，价格高，建议对机封进行国产化改造，以免由于机封供应不上造成泵组停运，并减少备件费用。

（4）液力透平泵组的应用大幅降低装置能耗，蜡油加氢装置相同热高分至热低分处压差大概8.0MPa，也可增上液力透平，回收中间的势能，降低装置能耗；重油加氢装置高压循环氢脱硫塔底富胺液至富胺液收集罐间处压差达13MPa左右，如增上液力透平，还可用以驱动高压贫胺液泵，从而大幅降低贫胺液进料泵的电耗。 （5）液力透平选型时建议选择排出口双吸叶轮，减小出口气体产生对转子轴向力的冲击。

【相关文献】

[1]郑学鹏.重油加氢装置液力透平的机械密封选型与探讨[J].石油化工设备技术，2012，33：39-43. [2]徐彬.高压加氢装置液力透平长周期运行措施[J].石油化工设备技术，2012，33：18-23.□