Abstract：
The developed single-drive hydraulic turbine has successfully broken through limit of flow change to single-drive hydraulic turbine operation, and it improved energy recovery efficiency. The safety, high efficiency and reliable operation of hydraulic turbine unit is ensured through continuous optimization design and self-developed control software. Through long-term operation comparison, the hydraulic turbine unit has remarkable economic benefits.
四川美青化工有限公司(以下简称美青化工公司)是主要从事合成氨、尿素、碳酸氢铵、三聚氰胺及其下游产品开发、生产和销售的综合型化工企业，目前已经建成200 kt/a合成氨、300 kt/a尿素、100 kt/a车用尿素溶液、45 kt/a三聚氰胺、120 kt/a碳酸氢铵和氨碳分离等生产装置。
美青化工公司合成氨装置采用苯菲尔脱碳工艺，脱碳液流量730 m3/h(密度1.21 t/m3)，吸收塔工作压力3.00 MPa，再生塔工作压力0.08 MPa，扣除管道压降，两端压差为2.30 MPa。如何回收压差达2.30 MPa的富液能量，对液力透平的需求因此产生。
液力透平是利用高压富能流体经转轮相互作用，将液压能转换为机械能以实现能量回收的装置。液力透平可广泛应用于具有高压富能剩余流体的回收工段中，以此降低企业生产成本。离心泵反转作为液力透平，即此时泵的进口为透平的出口，泵的出口为透平的进口。当高压富能流体进入透平时，推动叶轮旋转，叶轮则带动主轴旋转，末端通过外接受能装置实现机械能的回收。
一直以来，单驱动液力透平机组只能依赖进口，国内只能生产双驱动液力透平机组[1]。美青化工公司于2006年建设的200 kt/a合成氨项目采用国产双驱动液力透平机组，投产几年来运行断断续续，节能效果不明显。为了进一步降低合成氨能耗，美青化工公司与四川省自贡工业泵有限责任公司(以下简称自贡工业泵公司)达成合作协议，共同研发单驱动液力透平机组。通过近3年的研发，单驱动液力透平机组(图 1)于2016年3月试车成功，并于同年通过四川省科技成果鉴定。
图 1
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液力透平测试技术
在5 000 m3开式A级精度水泵试验平台上，采用中国农业科学院PSM泵自动检测系统[2]，四川省自贡工业泵有限责任公司拥有的6个测试台位最大测试当量直径可达DN 2 000 mm，测试压力可达25 MPa。测试中心动力配电采用工频和变频2套运行系统，动力总配0~10 kV可调电源，装机容量达2 500 kW。泵进行透平测试时，安装1台透平机组，透平所需富液由2台多级泵供给。在透平联轴器一侧安放扭矩测量仪，富液压力通过压力控制装置进行调节，可控制在0~5 MPa。
采用2台多级泵并联形式向透平注水，辅以调节阀、泄流阀及旁通管路控制注水量。测试对象为同一叶轮的4种改进形式，所有测试都是在转速2 950 r/min下进行。对测试得到的流量、扬程、轴功率和效率进行了计算，测试误差在5%以内，可认为测试结果是可靠的。
2
投运后的效果及比对
2.1
双驱动液力透平机组的缺陷
(1) 需要设置全功率电机，回收的能量只能部分被有效利用。按API 610标准附录C的C3.4.2，主驱动机的额定功率应在无液力透平机的协助下能驱动机组，即主驱动电机应按全功率选取，造成电机在低负载率下运行。
(2) 液力透平机流量或压力的波动引起超速离合器的脱开或啮合，从而影响超速离合器的使用寿命。该超速离合器大多从国外进口，价格昂贵。
(3) 半贫液泵、电机、超速离合器、液力透平机用3套联轴器将4个转子串联，机组很长，不仅影响机组运行的稳定性和可靠性，而且对维修要求较高。
(4) 需要为全功率电动机增设配电设施。
2.2
工艺对比
如图 2所示，采用国产双驱动液力透平机组时的设备配置：国产双驱动液力透平机2台，2开1备；电动半贫液泵(630 kW)2台，2开1备；液力透平机带动半贫液泵(630 kW)2台，2开1备。投用液力透平机组前，先启用电机带动半贫液泵，待电机及泵运行正常后对液力透平机冲转，液力透平转速达到电机转速时离合器咬合，配合电机起到节电的效果。
图 2
如图 3所示，采用国产单驱动液力透平机组时的设备配置：国产单驱动液力透平机1台；电动半贫液泵(630 kW)2台，2开1备；液力透平机带动半贫液泵1台。利用富液对液力透平机冲转，通过能量转换带动半贫液泵A，在转速增加过程中待半贫液泵出口压力达到工艺指标后并入管网。
图 3
3
优势及经验总结
3.1
提供试验平台和数据
该项目能够取得成功，除了自贡工业泵公司的创新研发、不断改进、持续投入外，美青化工公司作为联合开发该项目的第1用户，凭借多年的现场运行经验及优秀的管理团队，让国产第1台单驱动液力透平机从试验阶段就应用于工业化装置中。通过在工业装置中的多次投运试验，积累了试验数据，然后反馈给自贡工业泵公司不断优化透平自身的设计，使之适应不同生产负荷下的循环量及压差。
3.2
不断优化工艺流程并完善控制手段
3.2.1
自主编制透平机组及配套电驱泵联动控制软件
国外的半贫液泵-液力透平机组在转速较低时，透平驱动的A泵与电驱动的B泵无法并联运行，液力透平机须脱开，只用2台电驱动的B泵和C泵并联运行，造成富液能量的浪费。当透平的转速超过2 980 r/min时，为防止飞车危险，按API 610标准规定, 应将富液旁路阀打开，也造成富液能量的浪费。
而国产的单驱动液力透平机组在转速较低时，液力驱动的A泵出口调节阀自动关小，使所需功率减小，转速不再下降，虽然转速略低，因工作点移向小流量区域，扬程上升，仍可与电驱动的B泵并联运行(两泵的出口压力相同)；而电驱动的B/C泵出口调节阀自动开大，使流量增加，A+B/C泵的总流量不变，从而满足工艺要求。即液力透平机工作液(富液)的流量和压力在较大范围内波动时，国产的半贫液泵-液力透平机组仍可运行，实现了富液能量的充分利用。
3.2.2
设备自适应能力强
通过不断摸索，液力透平机组可以在压差1.9~2.3 MPa、循环量600~800 t/h、转速2 850 ~3 150 r/min的条件下均能适应并满足生产装置不同负荷要求，与进口设备相比适应性更强。
3.3
能量回收充分
国外半贫液泵-液力透平机组在转速高于2 980 r/min时，液力透平机的旁路阀必须打开, 富液走旁路，造成能量浪费。
国产单驱动液力透平机组可在转速2 850~3 150 r/min下运行，实现了能量回收的最大化。
3.4
节能效果显著
国产单驱动液力透平机组投运之前，同时开2台电动泵，其中：B泵电机电流30 A，功率490 kW；C泵电机电流32 A，功率520 kW。国产单驱动液力透平机组投运后，只开1台电动泵，其电流为37 A，功率580 kW。
经测定，相同工况(天然气负荷570 000 m3/d)下，国产单驱动液力透平机组比双驱动机液力透平机组节电约500 kW·h。按吨氨耗天然气940 m3/h、日产合成氨607 t、电价0.5元/(kW·h)计，吨氨节电19.8 kW·h，年节电3 600 000 kW·h，年节约电费约180万元。单套国产单驱动液力透平机组总投资约250万元，18个月左右即可收回全部投资，经济效益显著。
沪公网安备 31010702007066号