CN108869317A - 一种串联前置泵的主泵加液力回收透平机组及其设计方法 - Google Patents

一种串联前置泵的主泵加液力回收透平机组及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种串联前置泵的主泵加液力回收透平机组及其设计方法，属于液力能量回收技术领域。针对国内外使用普遍的“离心泵+电机+超速离合器+液力回收透平”机组存在的按满功率选型的电机在部分负荷下运行，电机效率和功率因数降低，液力回收透平回收的能量不能有效利用、超速离合器不易实现机组长周期安全运行的缺陷，公开了一种主泵仅由液力回收透平驱动，前置泵转速根据抗汽蚀要求决定，主泵转速的提高不受汽蚀性能的限制。前置泵、主泵和液力回收透平的泵体均为轴向剖分结构，进出口接管在下泵体上。本发明具有机组制造费大幅降低、泵效率提高、便于维修等优点。本发明对现有机组的技改和新机组的设计，节能和节资效果明显。

Description

一种串联前置泵的主泵加液力回收透平机组及其设计方法
技术领域
本发明属于能量回收技术领域，具体涉及离心泵反向流动作为液力透平驱动离心泵机组。
背景技术
在合成氨原料气脱碳净化、炼油厂加氢和加氢裂化等石化装置中，工艺介质从高压到低压的能量都需要利用液力回收透平来回收。绝大多数用于驱动离心泵，少数用来驱动发电机，但因液力回收透平工作液流量和压差的波动使发电机转速控制精度不满足电网对电频率指标的要求。此外，由于有发电机和电机两次功率损失，液力回收效果降低，又需配电设施，不经济。因此，目前国内外绝大多数液力回收透平是采用离心泵反向流动作为液力回收透平，用来驱动单级或多级离心泵。
通常，液力回收透平回收的功率不能满足被驱动离心泵所需功率，必须与电机共同驱动离心泵，国内外普遍采用权威的API 610-2010《石油、石化和天然气工业用离心泵》标准附录C “液力回收透平”。该附录C对液力回收透平的设计、制造、试验、选型和使用作了详细规定，是液力回收透平的指导性标准。但尚存在不足，如说明书附图1所述的配置方式“离心泵11+电机3+超速离合器10+液力回收透平6”，它们之间通过联轴器2连接，存在以下缺陷：
1. 回收的能量不能有效利用：按API 610-2010附录C的条款“C.3.4.2，主驱动机的额定功率应在无液力回收透平的协助下能驱动机组”。因为主驱动机绝大多数是用电机，按满功率选型的电机在部分负荷下运行，电机的效率和功率因数都要降低。
液力收回透平工作液能量不足时必须从机组中脱开：按API 610-2010“，C 3.4.4条，流往液力回收透平的流量可能会大幅度或频繁变化。如果流量降到额定流量的大约40%时，液力回收透平停止输出功率，并对主驱动机产生阻尼，用超速离合器可防止这种阻尼”。
超速离合器不易实现机组长周期安全。液力回收透平工作液的流量或压力的波动会引起齿式超速离合器的棘爪与棘轮齿脱开或啮合，将缩短其使用寿命，而这种超速离合器大多从国外进口，价格较贵。
API 610标准附录C，之所以列出液力回收透平与按满功率选型的电机，共同驱动离心泵这种机组型式，是因为一些工艺设计的原因，造成液力回收透平回收的功率小于被驱动离心泵所需的功率。
《石油化工设计》2012年2期，P.1-4“炼油装置液力回收透平的设计探析”文章介绍了国內外炼油厂普遍采用的柴油加氢、蜡油加氢裂化和重油加氢装置的工艺流程。高压反应生成的油降压至热低分系统，高压的富胺液需要降压进入到再生系统,采用了大型液力回收透平及其被驱动多级离心泵机组，机组的布置形式绝大多数是“离心泵+齿轮箱+电机+单向离合器+液力回收透平”,单向离合器是超速离合器的另一种名称，其实质相同。
2011.10.19授权公告号为CN101614137B的发明专利“液力回收透平装置”，是一种双层泵体的BB5型多级离心泵反向流动作为液力回收透平，叶轮同向布置，因轴向力叠加必须用平衡部件，属于国内外比较落后的BB5型液力回收透平。石化行业对于高扬程高压液力回收透平，近年来大多引进叶轮背对背布置、轴向力自平衡不用平衡部件的BB5型液力回收透平。
2013.04.03授权公告号为CN203175627U的实用新型专利“液力回收透平装置”也是和上面发明专利相同型式的液力回收透平，涉及轴承的测温、测振、轴位移监测的常规技术。
2017.07.14授权公告号为CN104847415B的发明专利“一种轴流式液力回收透平装置”，涉及低压差、回收功率0.2KW至25KW的小型液体能量回收的液力回收透平。
上述两个已授权的发明专利和实用新型专利，均未涉及API 610标准附录C，以及工业生产实际使用的至少包含液力回收透平和被驱动离心泵的完整机组。
《泵工程师》2018年2月号，P.46-47“升转速、减级数、降成本是液力回收透平-离心泵机组技改的方向”文章，简介了近年来两套引进的大型合成氨装置的双驱动型机组的布置图和技术数据，工程实例一机组，（如说明书附图2所示），部分技术数据是：液力回收透平6的流量2514m3/h、额定扬程206.4m、输出功率1227.5kW。半贫液泵(离心泵11)额定流量1200m3/h、额定扬程357.6m、需要功率1641.4kW。差值1641.4-1227.5=413.9kW由1950kW的电机3来承担，电机3的负载率为413.9÷1950=0.21。按《电机工程手册》第4卷，电机（1982：P.20-14，北京，机械工业出版社），因电机3的负载率低，电机3的效率和功率因数都要降低，造成“大马拉小车”， 液力回收透平6回收的能量不能有效利用。
某些项目由于工艺、设备布置、工艺管路设计等原因，要增加离心泵的有效汽蚀余量有困难，造成离心泵和液力回收透平只能选慢转速，形成了机组是双驱动型的现状，要改造成取消满功率电机，仅用液力回收透平驱动的型式，既要稳妥可靠，不能影响生产，又要大幅度节能才有技改价值，其难度很大。
发明内容
本发明的目的在于克服以上述“离心泵+电机+超速离合器+液力回收透平”机组存在的不足，为解决上述技术问题，首先分析产生这种缺陷的根源在哪里,用什么可靠的设计方法才能将缺陷避免,然后从其中抽出区别于现有技术的创新点，形成本发明的权利要求。
因为液力回收透平进口处液体是高压，远高于液体的汽化压力，液体就不会汽化生成汽泡，工艺设计上使液力回收透平出口处液体的压力也高于液体的汽化压力，不会出现汽蚀危险。但离心泵要考虑汽蚀问题。有些双驱动型机组是由于工艺设计条件的原因，受汽蚀性能的制约，离心泵转速取得低，使同轴的液力回收透平也是慢转速，限制了两者效率的提高，造成离心泵所需的功率要增加，液力回收透平的输出功率又要减少，使两者功率之差拉大。
本发明的思路是将离心泵分为两台，前置泵按慢转速设计，满足抗汽蚀要求，因是低扬程、小功率泵，占机组总价的比例不高。由于主泵的进口压力是前置泵的出口压力，远高于液体的汽化压力，不必担心汽蚀问题，主泵和液力回收透平都可采用快速型，两者的效率均提高，两者的级数减少，重量大幅度减轻，价格大幅下降。另外，根据液力回收透平的输出功率，确定主泵的扬程，工艺要求不够的扬程则由前置泵承担，主泵和液力回收透平为单驱动型，取消了满功率大电机和超速离合器。前置泵由小功率电机驱动，避免了双驱动型满功率大电机的效率和功率因数都低的缺陷。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种串联前置泵的主泵加液力回收透平机组，包括离心泵、联轴器、电机、液力回收透平和底座，其特征在于，前置泵用联轴器与电机直联，前置泵和电机装在第一底座上；主泵用联轴器与液力回收透平直联并装在第二底座上，前置泵出口与主泵进口串联。
进一步地，前置泵、主泵和液力回收透平的泵体均为轴向剖分结构，前置泵、主泵和液力回收透平的进口接管和出口接管均在下泵体上面。
本发明还提供了一种采用上述串联前置泵的主泵加液力回收透平机组的设计方法，其特征在于，前置泵的流量与主泵的流量相同，前置泵的扬程等于工艺要求的离心泵总扬程减去主泵扬程之差，前置泵的转速根据抗汽蚀性能要求来决定，主泵仅用液力回收透平驱动，主泵转速的提高不受汽蚀性能的限制。
本发明与现有技术相比，带来的有益效果是：
本发明彻底解决了“离心泵+电机+超速离合器+液力回收透平”双驱动机组存在的缺陷，尤其是避免了满功率电机在部分负荷下运行，效率和功率因数都低的问题，使液力回收透平回收的能量得到了有效利用，并且本发明所花的费用较低，这是因为前置泵扬程低，规格较小，用慢转速保证不汽蚀，泵价占机组总价的比例不高，更重要的是，因主泵进口压力高，完全无汽蚀问题，主泵和液力回收透平都可用高转速、少级数方案，带来机组的制造费用大幅度降低、泵效率提高、机组缩短土建费用降低、机组便于维修等好处。本发明对新机组的设计，节能和节资效果明显，也适合现有机组的技改。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了API 610-2010标准附录C中液力回收透平机组的布置示意图；
图1标记：11-离心泵；2-联轴器；3-电机；6-液力回收透平；10-超速离合器。
图2示出了某项目“离心泵11+电机+超速离合器+液力回收透平”机組布置示意图；
图2标记：11-离心泵；2-联轴器；3-电机；4-底座；6-液力回收透平；10-超速离合器。
图3示出了本发明的串联前置泵的主泵加液力回收透平机组的布置示意图。
图3的标记：1-前置泵；2-联轴器；3-电机；4-第一底座；5-主泵；6-液力回收透平；7-第二底座；8-前置泵出口；9-主泵进口。
具体实施方式
为了更清楚定量深入理解本发明，现以本说明书附图2某项目现有技术作为实例，给出采用本发明的详细技术方案。为确保本发明的实施方案稳妥可靠，本发明的机组选用本公司定型产品进行组合设计。
先将说明书附图2机组图上的数据整理如下：
半贫液泵(离心泵11)：
流量：正常1040m3/h，额定1200m3/h，介质比重1.058；
额定扬程357.6m，转速1490RPM，叶轮外径751.3mm，效率75.4%，额定轴功率1641.4kW。
液力回收透平：
流量：正常2514m3/h，额定2514m3/h，介质比重1.072；
额定扬程206.4m，叶轮外径714mm，效率81%，输出功率，1227.5kW。
电机3：YAKK710-4W高压增安型，功率1950kW，1490RPM。
半贫液泵所需额定轴功率为1641.4kW，液力回收透平仅能提供1227.5kW的输出功率，仅管两者差值1641.4-1227.5=413.9kW，很小，但按API 610标准附录C的规定，只好用1950kW的电机来承担，电机的负载率很小，为413.9÷1950=0.21。
由于工艺设计的原因，要求半贫液泵最大允许的NPSHr=8.5m，受汽蚀性能的制约，半贫液泵转速取为1490RPM，首级叶轮还要用双吸，这种慢速型机组限制了效率的提高。从说明书附图2可见，“离心泵+电机+超速离合器+液力回收透平”四个转子串联，又带3套联轴器，转子很长，为提高运转可靠性，又为了防止汽蚀，采用1490RPM慢转速，造成机组的外形尺寸庞大：长10.87m、宽2.3m、高4.2m，机组总重34吨。
本发明的实施方案是：液力回收透平6和主泵5组成一台机组，利用前置泵1提高主泵5的进口压力，防止主泵5汽蚀，又可以降低制造成本，因此采用2980RPM快转速。
液力回收透平6：工作液比重1.072，正常流量和额定流量均为2514m3/h，额定扬程206.4m，选用湖南天一奥星泵业有限公司生产的轴向剖分单级双吸TSY系列泵产品，工作液反向流动作为液力回收透平，所选型号为TSY-HT 350×450，转速2980RPM，叶轮外径354mm，效率82.8%，计算输出功率：
P=1.072×2514×206.4÷3.6÷102×0.828=1254.3kW
主泵5：介质比重1.058，正常流量1040 m3/h，额定流量1200m3/h。
因为主泵5与液力回收透平6的转子部件是刚性联接，无传动损失，两者轴承和机封等处的机械损失都已在两者的效率中计入，因此，主泵5的额定轴功率=1254.3kW。为了使实施例方案的数据准确可靠，选用湖南天一奥星泵业有限公司生产的轴向剖分单级双吸TSY系列泵产品，型号为TSY 350×250-500，转速2980RPM，叶轮外径488 mm，最高效率85%，正常工况效率83.2%，额定工况效率84%，按额定工况计算主泵可提供的扬程：
H=1254.3×3.6×102×0.84÷1.058÷1200=304.7m
所差扬程为357.6-304.7=52.9m由前置泵1提供，加上前置泵1的出口至主泵进口的连接管道的压降0.01MPa相当的扬程0.96m，前置泵的扬程为53.86 m。前置泵的压差为0.56MPa，前置泵1的进口压力为0.73MPa.A，前置泵1的出口压力则为1.29MPa.A，减去前置泵1的出口至主泵5进口的连接管道的压降0.01 MPa，主泵5的进口压力为1.28 MPa.A，远高于介质的蒸汽压0.175MPa.A，计算出NPSHa=（1.28-0.175）×102÷1.058-1=105.5m，查TSY350×250-500泵的性能曲线图，额定工况时NPSHr=10.5m，安全裕量加大为(NPSHa—NPSHr)=95m，主泵5完全不会出现汽蚀。
查TSY 350×250-500泵的性能曲线图，正常工况效率83.2%，额定工况效率84%，计算出正常工况轴功率1097.4kW，额定工况轴功率1254.3kW。
前置泵1：介质比重1.058，正常流量1040 m3/h，额定流量1200 m3/h，额定扬程53.86m。
选用湖南天一奥星泵业有限公司生产的轴向剖分单级双吸TSY系列泵产品，型号为TSY 450×400-440，转速1470RPM，叶轮外径444 mm。查该泵的性能曲线图，额定流量时NPSHr=5.6m，比工艺要求半贫液泵最大允许的NPSHr=8.5m低2.9m，很安全，不会汽蚀。
查该泵的性能曲线图，正常工况效率85.5%，额定工况效率86%，计算出正常工况轴功率188.8 kW，额定工况轴功率216.5kW。按API 610-2010标准7.1.1条的规定，电机额定功率大于75kW，功率富裕系数为1.1。因此，电机3的额定功率取为250kW，正常工况电机3功率富裕系数为1.32，额定工况电机3功率富裕系数为1.15，符合API 610标准的规定。
针对说明书附图2所示工程实例的半贫液泵（离心泵11）和液力回收透平6的泵体均为径向剖分，检修要轴向抽转子，检修不方便的缺陷，本发明的技术方案前置泵1、主泵5和液力回收透平6的泵体均为轴向水平剖分，进口接管和出口接管都在下泵体上面，不拆卸任何管路，只需吊开上泵体，即可检查转子状态或进行转子零件的检修。
说明书附图2所示工程实例半贫液泵（离心泵11）的另一个缺陷是，两级叶轮，首级叶轮为双吸，次级叶轮为单吸，轴向力不平衡，采用了可倾瓦推力轴承，为此配置了轴承強制润滑用的油站，制造成本增加。本发明技术方案的主泵5转速升为两倍，改用2980RPM，叶轮从两级改为单级双吸叶轮，轴向力自平衡，轴承用自润滑轴承，取消油站。叶轮的外径从最大809mm，额定751.3 mm，减小为488 mm，叶轮的轮盘摩擦损失减小，泵效率提高。
本发明的技术方案与说明书附图2所示机组的年节电费比较：
说明书附图2的某项目半贫液泵（离心泵11）所需额定轴功率为1641.4kW，液力回收透平提供1227.5kW的输出功率，差值1641.4-1227.5=413.9kW由1950kW的电机来承担，电机负载率=413.9÷1950=0.21，电机效率85.1%。电机输入功率=413.9÷0.851=486.4 kW。
本发明的技术方案，前置泵1正常工况轴功率188.8kW，额定工况轴功率216.5kW，电机3额定功率250kW。按额定工况的电机3负载率=216.5÷250=0.866，电机3效率95.8%，电机3输入功率=216.5÷0.958=226kW。
本发明的技术方案节电=486.4-226 = 260.4kW。
按年运行7900小时，每度电价0.78元，一年的节电费为
年节电费=260.4kW×0.79万小时/年×0.78元/kW.小时= 160万元/年。
本发明技术方案与说明书附图2所示其项目机组的设备配置比较表
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种串联前置泵的主泵加液力回收透平机组，包括离心泵（11）、联轴器（2）、电机（3）、液力回收透平（6）和底座（4），其特征在于，前置泵（1）用联轴器（2）与所述电机（3）直联，所述前置泵（1）和所述电机（3）装在第一底座（4）上；
所述主泵（5）用所述联轴器（2）与所述液力回收透平（6）直联，并装在第二底座（7）上，前置泵出口（8）与主泵进口（9）串联。
2.根据权利要求1所述的串联前置泵的主泵加液力回收透平机组，其特征在于，所述前置泵（1）、所述主泵（5）和所述液力回收透平（6）的泵体均为轴向剖分结构，所述前置泵（1）、所述主泵（5）和所述液力回收透平（6）的进口接管和出口接管均在下泵体上面。
3.一种采用上述串联前置泵的主泵加液力回收透平机组的设计方法，其特征在于，前置泵（1）的流量与主泵（5）的流量相同，前置泵（1）的扬程等于工艺要求的离心泵总扬程减去主泵（5）扬程之差，前置泵（1）的转速根据抗汽蚀性能要求来决定，主泵（5）仅用液力回收透平（6）驱动，主泵（5）转速的提高不受汽蚀性能的限制。
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