｜ Pump Engineer Magazine ｜ October 201726 离心泵反转作为液力透平在工程实践中的应用探讨 文/谢小青 上海电气凯士比核电泵阀有限公司 背景 2017年8月号总第64期《泵工程 师》刊登了“云天化合成氨装置水力透 平运行情况简述”一文，该文作者就 《水泵技术》2015年第一期“离心泵 反转作为液力透平的汽蚀性能及粘度影 响的CFD解析”的文章中 “涉及泵反 转透平汽蚀性能方面的研究目前还没 有”的描述，发现本厂使用的水力透平 未出现过汽蚀现象，且不了解炼油、石 化行业离心泵反转作为液力透平是否有 汽蚀发生？是否有高粘度介质必须考虑 对液力透平的影响？ 现根据个人工程实践经验，对离 心泵反转作为液力透平在工程实践中的 应用进行探讨，并就“离心泵反转作为 液力透平的汽蚀性能及粘度影响的CFD 解析”中所提及的汽蚀性能及粘度对性 能影响的问题提出个人看法 液力透平的类型及使用方式 ■ 液力透平的类型 能量回收液力透平的结构形式主 要为离心式，有两种类型：佩尔顿水轮 机和泵反转式透平 1）佩尔顿水轮机 优点：从小流量到大流量都具有 【摘要】根据工程实践经验，对离心泵反转作为液力透平在工程实践中的应用进行探讨，并就“离心泵反转作 为液力透平的汽蚀性能及粘度影响”提出看法。
较高的效率；入口处设计的控制阀方便 调整负荷 缺点：出口侧必须进行排气，因 此使用的液体有限制；另外，由于叶片 要承受高速喷流，极易受到冲刷腐蚀 2）泵反转式液力透平 优点：不用打开出口侧排气，对 使用的液体通常没有限制；由于压力能 是在蜗壳以及叶轮内部逐步转换成动 能，所以不易受到冲刷腐蚀 缺点：仅适用于流量相对稳定的 工况，且运行区间比较窄小流量时效 率低，当流量下降至最佳效率点的40 % 时，输出功率及效率均为零[1]；当 流量低于该值时，液力透平即处于耗功 状态、对整个机组起着刹车的作用，所 以必须设置单向离合器另外，装置要 比佩尔顿水轮机所占的空间大 油和气体装置输送的液体因为不 能和空气接触，通常使用泵反转作为液 力透平；海水淡化是将减压的液体送回 海里，对于此类能与空气接触的液体， 多数使用佩尔顿水轮机 ■ 液力透平的使用方式 石化化工、化肥、煤化工行业中 所使用的液力透平，通常利用性能良好 的相似系列泵（进行较小修改）反转来 实现，无需进行特殊设计投资成本 低，安装维护（与泵一样）非常方便 此类液力透平的使用方式有两 种： 1）使用双轴伸电动机，液力透 平作为辅助动力使用（大概能回收 30~40%的能量）。
这种情况下，启动 时液力透平会承受负荷，所以要在液力 透平与电动机之间设置单向离合器 典型的布置方式为： 离心泵 + （增速齿轮箱） + 电动 机 + 离合器 + 液力透平 由于液力透平的轴与主电动机轴 相连接，液力透平的转速等同于电机的 运转速度，所以，在这种布置方式中通 常不需要配置速度控制系统 2）将液力透平作为主驱动机使 用，所需要的动力全部来自于液力透 平这种情况下，必须确保液力透平的 输出功率始终大于被驱动设备的轴功 率同时，为了保证液力透平的转速需 要配置调速装置 布置方式为： 离心泵 + （增速齿轮箱） + 液力 透平 由于很多流程液体并非一直可 用，或者其压力可能是变化的，或者液 表 1 BB5 型泵反转作为液力透平时局部的修改 零部件名称 机组类型 泵 + 电动机 + 离合器 + 液力透平泵 + 齿轮箱 + 电动机 + 离合器 + 液力透平 轴螺纹旋向反向螺纹旋向不修改 叶轮水力设计不修改水力设计反向 导叶水力设计不修改水力设计反向 中段不修改不修改 外筒体如果进 / 出口管径不变，则不修改 机械密封（带泵送环）泵送环旋向反向泵送环旋向不修改 专题研讨Discussion 2017 年 10 月号 总第 65 期 ｜ 泵工程师 ｜ 27 力透平产生的轴功率不足以驱动被驱动 设备，因此，液力透平通常不被用作独 立的驱动器，而是作为辅助驱动器与其 它驱动设备（如电动机）一起使用。
绝大多数石油化工流程中所采用 的是1）的使用布置方式当液力透平 的转速低于电动机的额定转速时，离合 器分离，液力透平不工作；当液力透平 的转速等于电动机的额定转速时，离合 器闭合，液力透平与电动机一起驱动被 驱动设备运行因此，液力透平应置于 整套机组的最外侧 在1）的使用布置方式的基础上， 还有一种变种的布置方式得到一些国外 厂家的应用： 电动机 + 离心泵 + 离合器 + 液力 透平 但应用这种布置方式时要特别注 意：离心泵必须为轴向剖分式，否则， 在不拆除离合器的情况下，无法对泵的 转子（或内部零部件）进行检修、更 换 泵反转式液力透平在工程实 践中的应用 凡是存在液体压力差的地方，都 有能量可以回收利用至于回收功率达 到多大时才有经济效益？应根据设备生 命周期成本来评估据前美国I.D.P公 司经验，单级泵功率在22 kW以上、多 级泵功率在75 kW以上时，用作反转运 行的能量回收液力透平在经济上是合理 的瑞士苏尔寿公司则将反转离心泵经 济运行功率下限定为50 kW 能量回收液力透平在各类工业装 置中得到了广泛的应用，石油化工、化 肥、煤化工等常用的流程液体有： 1）加氢装置：高分油（含H2S和 H2）、富胺液、贫胺液、汽柴油等。
2）甲醇装置：MDEA（含CO2和 H2）、甲醇（含CO2和H2） 3）低温甲醇洗装置：贫甲醇、半 贫甲醇 4）合成氨装置：K2CO3溶液、 MDEA富液（含CO2） 近年来，应用泵反转作为液力透 平技术已经成为能源石化行业能量回收 的主要技术 其它可以应用到液力透平的流程 或系统还有[2]： 1）气体工艺流程：为去掉多余成 分，用高压碳酸钾溶液或氨水来洗涤原 料气体，为循环使用碳酸钾溶液或氨 水，必须降低压力，故可安装能量回收 液力透平 2）反渗透海水淡化系统：反渗透 膜的工作压力为5.8~8.0 MPa，排放的 浓盐水的压力为5.0~6.0 MPa，如按照 通常40%的能量回收计算，具有巨大的 回收价值 泵反转式液力透平的结构特点 几乎所有的离心泵通过较小的修 改都可以作为能量回收液力透平使用， 因此液力透平的结构特点与离心泵相 同国际上，石油化工行业用液力透平 与离心泵一样，也执行API610[3]标准； 我们国家化工行业专门编制了“化工液 力透平”标准HG/T 4591-2014 离心泵反转作为液力透平的型式 多样：卧式或立式；轴向剖分或径向剖 分式；单级、两级或多级；单吸或双 吸；悬臂式或两端支撑式；底脚安装或 中心线安装方式。
■ 泵反转作为液力透平注意事项 1）BB5型泵反转作为液力透平 时，不同的机组配置，泵的部分设计需 做局部修改，见表1 2）泵反转作为液力透平后，轴功 率会增加，轴向力和径向力也比泵工况 大，因此，应对轴和壳体的强度、转子 的临界转速、轴承的承载能力重新进行 校核 3）如果流程液体中夹带有气体 或蒸汽，推荐的机械密封冲洗方案为 PLAN53或54 泵反转式液力透平的选型 在一些既定的能量回收场合（流 量Q、扬程H、转速n一定时），如何 根据这些参数选择合适的泵反转作为液 力透平使用，是液力透平研究中最重要 的课题如果选型合理，液力透平运行 稳定、可靠，同时具有较高的效率，一 般两年左右即可收回投资成本；如果选 型不合理，则会出现机组运行不稳定、 效率低下，不仅达不到能量回收的目 的，甚至还会耗功 ■ 选型程序 泵反转作为液力透平，其性能特 征不同于沿正向旋转的离心泵的性能 现以EBARA公司的产品为例，谈一谈 如何合理选型 通常选型程序如下： 根据泵的性能求得透平性能，这 种方法是通过透平的比转速NSt求出泵 的比转速NSp，然后在已有的泵型中进 行选型 比转速按下列公式进行计算： 其中，n为透平转速（rpm），Qt 为透平流量（m3/min），Ht为透平扬 程（m） 泵和液力透平性能换算依据于简 单的初等数学关系换算，流量换算系 数Kq（= Qp/Qt）和扬程换算系数Kh（= Hp/Ht）随液力透平比转速的变化而变 化，且流量换算系数和扬程换算系数主 要来自于运行经验。
1）K值可从EBARA公司经验系数 图表中查出 对于EBARA公司的BB5型多级 泵： 透平Qt×0.65≈泵Qp 透平Ht×0.65≈泵Hp 对于大型BB2型单级泵： 透平Qt ×0.75≈泵Qp 透平Ht×0.75≈泵Hp 透平关死点扬程 = 泵关死点扬程 × 0.6，根据这些即可制成透平的性能 曲线 另外，透平的效率曲线以（泵的 流量÷0.65－泵的流量）为起点，基本 和泵的效率曲线形状相同，且最高效率 和泵效率也基本相同 2）K值也可根据（具有完整性能 的）泵的全特性曲线求出 上述两种方式得出的K值通常有较 大出入，也就是说，根据泵的性能换算 成液力透平的性能时，不仅仅取决于 Ns，还与泵的结构形状（蜗壳/导叶、 单吸/双吸）相关 3）K值可借助计算机通过全流场 nst= n Q1 Ht3/4 ｜ Pump Engineer Magazine ｜ October 201728 专题研讨Discussion nst==150.4 n Q1 Ht3/4 = 2980× 177.4/60 (1215.3/11)3/4 图1 流量经验换算系数图图2 扬程经验换算系数图 值，不仅起不到能量回收的效果，而且还使透平出口压力高于设计值，对透平零部 件（如机械密封）及下游系统设备（如低压分离器）造成损坏。
2）最理想的设计流量点应位于最高效率点的右侧 泵反转式液力透平的测试 ■ 性能试验 在完成用工厂电动机进行的泵的性能测试、确定了泵的性能之后，将泵安装到 “工作电机（或试验电机）+工作离合器+液力透平”的成套机组中，在成套机组 中对液力透平的性能进行测试带液力透平的泵组测试示意图见图4 测试程序如下： 1）利用一台辅助给水泵对液力透平提供压力源，该泵运行流量应大于透平的 额定流量 2）通过调节入口阀门和旁路阀门来改变入口流量和透平的扬程，测试液力透 平的性能 液力透平产生的能量以下列方式进行计算： 1.01.0 0.80.8 0.60.6 0.40.4 0.20.2 00 液力透平比转速 Nst液力透平比转速 Nst 流量换算系数 Kq 扬程换算系数 Kh 100100200200300300400400 图3 泵和液力透平性能曲线比较 1215.3 （540） Q-H 效率 功率 流量（m3/h）0 （63.2）177.4 扬程（m） （900） Q-H 效率 流量（m3/h）0117.1 802.1 扬程（m） 图4 带液力透平泵组测试示意图 主泵 水塔 辅助给水泵 电动机 电动机 液力透平 PI PI 离 合 器 和结构网格技术分析得出。
不过，这种 方法前期需进行大量的建模、分析计算 工作，但其所获得的K值与实际结果比 较接近对于缺少设计与应用经验的制 造商，建议使用这种方法获取K值 ■ 选型实例 以某项目加氢处理单元为例，液 力透平性能要求如下： Qt=177.4m3/h； Ht=1215.3m； n= 2980rpm 1）计算液力透平的比转速 从上面的性能要求及使用工况来 看，显然应选用BB5型结构的液力透 平假设）液力透平的级数为11 级，则，其比转速为： 2）确定流量和扬程换算系数 根据Nst值，从图1和图2选取流量 换算系数Kq和扬程换算系数Kh如下： Kq=0.66，Kh=0.66 3）确定泵的性能 根据上述换算系数，可换算出泵 的相应性能如下： Qp=Kq×Qt=0.66×177.4=117. （m3/h） Hp=Kh×Ht=0.66×1215.3=802.1 （m3/h） 4）制作液力透平的性能曲线 按上述性能，可选择出对应的 泵型为11级BB5型泵，转速为2980 rpm结合泵的性能曲线，最终可制作 出液力透平的性能曲线详见图3-泵 。