石油天然气生产设备：MSD泵-电动机-离合器-HST涡轮机

为减小液体介质中的压力而使用减压阀时必然消耗能源。在液力能源回收装置（HPRT）的帮助下可以把多余的压力能转化为机械能，从而提高了整个生产流程的能源利用率。

流程泵是把机械能转化为液压能，提高液体介质压力的液体输送装置。如果流程工艺技术要求把液体介质的压力降低时，可以利用允许逆流的流程泵回收丢失的压力能。在这一能源回收过程中，液压能转化为机械能并驱动发电机发电或者为其他需要旋转动力的机械设备提供动力。

利用液力能源回收装置（HPRT）可以回收节流阀一般情况下所丢失的压力能的85%左右。在流程设备中使用了现代化的标准泵作为液力能源回收装置（HPRT）之后，其投资比常规的流程泵低。即使是在相对压力减少不大的情况下能源回收的收益也是非常大的。

几乎所有的叶片泵都可以当作液力能源回收的涡轮机使用。当叶片泵作为回收能源的涡轮机使用时液体介质的流动方向与正常情况下的叶片泵是相反的。换言之，叶片泵的出口成为HPRT能源回收装置的入口，叶片泵的进口变成出口。在大型的HPRT能源回收装置中，泵体内部结构还需要改进，以保证逆向流动的液体介质作用到叶片上的力均匀分布。

图1 在很多情况下，可以使用单级的HPRT液力能源回收装置回收流程设备生产过程中液体介质中的液压能来驱动多级泵

能源回收设备的选择

传统的液压涡轮机可以分为轴流式、半轴流式和径流式，同时有单级和多级之分。而流程工艺设备中使用的叶片泵类型则取决于其压差、流量和转速。这三个要素决定了叶片泵作为液压机械设备的特定转速。这一特定转速是各种泵及涡轮机都具有的特性参数，表示流量和压差之间的关系，即流量增加时落差降低。在低压差和大流量时，一般使用高转速的轴流式叶轮。

工业应用中，在一些特定的工艺流程中需要很高的压力，例如反渗透设备、石油精炼设备、化肥生产设备和天然气生产设备等。比如在石油天然气生产设备中常常要用胺清洗设备来除去天然气中的CO2和H2S，要求这一清洗设备工作时的管道压力很高，清洗后压力较低，以便能够清除其他的杂质。一般情况下，利用节流装置来降低管道压力，例如节流阀或者节流孔。利用单级HPRT液力能源回收装置可以回收这些由于压力下降而产生的压力能。在石油精炼的加氢脱硫设备中，由于设备的压力降较大，因此要采用多级HPRT液压能源回收设备。

合理的设计

如果要把流程泵当作涡轮机使用，那么必须知道反向流动时不同的功率特性。在转速相同、叶轮直径相同的情况下，两种机械设备通常有以下不同之处：

泵作为涡轮机时的效率在最佳工作点上大体相当于泵的效率，大型泵的效率可能更高一些；

泵作为涡轮机使用时，其工作特性曲线在过载后的下降速度比作为泵要缓慢一些，因为损耗与高效率有关；

涡轮机最佳工作点时的效率在大流量和大落差处，换言之，泵作为涡轮机使用时其功率性能比作为流程泵使用时要高；

图2 在使用了HPRT液体能源回收装置之后某气体洗涤设备可以回收2MW以上的能源

大多数情况下，涡轮机最佳工作点处的输出功率要高于相同工作点处泵的输出功率；

泵作为涡轮机工作时不容易产生气蚀，因为在涡轮机工况下出现气蚀的低压区在叶轮出口处。

Sulzer公司已经开发了上百种不同结构形式，且具有液力能源回收（HPRT）功能的流程泵。若用户还需要更加详细的参数和信息，则可通过试验进行测定。涡轮机性能测试中的外围设备明显高于流程泵的性能测试，且费用更少。为了保障所需的流量和很高的进口压力，必须要用具有足够功率、耐压能力更强的流程泵。HPRT装置输出的功率应由通过计量检定的发电机、扭矩测功仪或测功器进行检测。通过对功率、流量和压力的检测可以计算出涡轮机的效率。为避免HPRT装置出口处的气蚀应对背压进行连续监测。

系统的工作情况

确定最高空载转速是可逆流流程泵的一个重要工作参数，这里的重点是最高空载，即泵在无负载情况下允许的最高转速。泵必须适应一些特殊的工作情况，例如当流程泵作为涡轮机发电时，与发电机连接的电网因种种原因而断电或者因雷击而断电。这些意外情况都可能在一瞬间发生，也必须在设计液力设备时加以考虑。根据不同的特定转速和规格尺寸，径向式工作涡轮机的最高空载转速是其额度转速的140%~200%。

图3 一套HPRT液体能源回收设备的长度很长；其底座由离合器分成两部分，以便于运输、起吊和安装。整体结构包括：HT-MSD离合器- 电动机（缺）- MSD泵

在设计发电机驱动装置和选择瞬时工作的电气开关时就必须考虑这些问题。如果HPRT能源回收装置用于驱动一台发电机，在动力输入与4极或者6极（50Hz时1500r/min或者1000r/min；60Hz时1800r/min或者1200r/min）的发电机之间加入一个减速器是非常有意义的，这样，发电机的转子就可以设计成两极（50Hz时3000r/min；60Hz时3600r/min）。

水利发电涡轮机有一套控制流量的装置，例如：改变叶片形状的装置，能够避免瞬时出现很高的压力过载。在HPRT能源回收装置工作的过程中，涡轮机旁通阀总是处于轻微开启的状态，能够快速对峰值压力做出反应，能够在涡轮机输入阀关闭时及时调节入口处液体容器中的液位。

两相液体流

启动HPRT液力能源回收装置时要特别小心，当HPRT带动发电机工作时，涡轮机一般都要加速到其工作转速。当涡轮机的转速接近同步转速时发电机即与电网接通，从而产生一定的负荷。如果没有负荷，HPRT设备会很快的超速运转。

因此，在使用了HPRT设备后流程设备控制系统扮演着非常重要的角色。当出口容器的压力下降20%时，涡轮机的压差也减小，涡轮机发出的功率比额定流量和额定压差时提高20%。因为涡轮机采用了较大规格尺寸，能够承受更大的扭矩负载。这样便实现了流程设备在不同流量情况下的压力调节。

大多数HPRT液力能源回收设备都必须在流程设备启动之后再开动。在电动机启动流程泵、使整个流程设备开始生产过程后，常常还有一套由HPRT能源回收装置、离合器、电动机和泵组成的平行工作系统在运行。

在一些使用了气体或者水蒸汽的生产流程中，例如在天然气处理、化肥生产或者加氢脱硫的生产过程中，高压侧少量的气体会渗透到低压侧。渗入到低压侧的这一部分气体在低压侧出口处能够对HPRT能源回收造成很大的影响。

图4 闭式控制循环中典型的HPRT检测仪器设备配置方案

如果低压侧轴的强度足够，叶轮由抗气蚀材料制作并经淬火处理，那么当出口处积累的气体量很大时不会对设备造成影响。但在止漏腔中的气泡肯定会给机械密封件造成损伤。因此，建议在流程工业使用的HPRT液力能源回收设备中采用符合美国API-Plan 53或者54标准的双密封带压系统，以保障机械密封件在受控状态下工作。

石油天然气生产中的能源回收

巴西大型的石油天然气生产企业用带节流阀的流程泵作为能源回收和驱动发电机的涡轮机。在某些工况下，洗涤塔中液体介质需要减压，从而把溶解在液体中的气体释放出来。通过与巴西石油天然气生产厂工程技术人员的合作，Sulzer公司掌握了处理这种多相介质的经验和技术。这些经验和技术构成了设计HPRT液力能源回收装置的基础知识。Sulzer公司技术人员运用在HPRT能源回收装置设计中的丰富经验开发出了适合于特殊要求的解决方案。

在涡轮机入口和出口之间，液体介质的压力会在很短的时间内下降。此时，在高压下溶解在液体介质中的气体开始形成气泡并溢出，最终形成双相介质。形成双相介质需要压力从74.8bar（7.48MPa）下降到14.8bar（1.48MPa）。一台带有一个节流孔的五级HPRT能源回收装置即可保证在将来只需增设一个单级回收装置就能满足较低流量时的液体能源回收。由减压而回收的258kW连续电力用于带动升压泵的870kW 电动机运转。作为涡轮机使用的流程泵的控制很难，根据不同的压力降和应用，HPRT能源回收装置的效率在80%~90%之间变动。其余的10%~20%被旁通阀消耗，以便能够对HPRT设备入口处的液体状况进行调节。

在设备启动过程中，泵不能当作涡轮机使用，必须消耗能源。如果需要一台电动机驱动泵运转时，则需要一个超越离合器，使泵能够向涡轮机传递一定的能量。当HPRT能源回收装置入口处的液压能上升到一定水平时涡轮机即可按照电动机的转速高速运行。此时，超越离合器能够保证HPRT能源回收装置不会超速运转，将HPRT能源回收装置回收的液压能传递到驱动链中。

小结

在许多工业生产流程中HPRT液力能源回收能够节约大量的能源，在很短的时间里收回HPRT设备的投资。有的甚至回收高达1.5MW的电力能源。通过仔细的分析流程生产条件和HPRT液力能源回收的条件，能够延长流程设备和能源回收设备的使用寿命。