液力透平研究综述

J-20

液力透平研究综述

摘要  从液力透平的设计方法、布置方式、工况调节等方面对液力透平进行研究。液力透平的研究应用尚处于发展阶段，采用新的设计理论与方法提高性能是研究的趋势。介绍了应用前景及后续研究应关注的问题。

   

关键词  液力透平  类型  布置  工况调节  能量回收

一、前言

       液力透平是将流体工质中蕴含的能量转换成机械能的机器。工作过程是高压液体作用于透平轮，产生轴的输出功率。主要对采用减压阀或孔板减压的连续工艺流程中的高压流体回收可供回收的压力能, 目前广泛应用于石油化工加氢裂化装置、大型合成氨装置以及海水淡化装置等，以前这些能量大都通过减压阀或孔板而被浪费掉。现从设计方法、布置方式、工况调节、应用现状等方面对液力透平进行研究。

二、液力透平设计方法研究

2.1         液力透平的类型

     液力透平按设计方法的不同分为液力涡轮、反转泵和专用液力透平。

（1）        液力涡轮

     液力涡轮是一种透平机械，其工作原理与普通水轮机相似。目前国外公司多按涡轮机理论设计液力涡轮，其特点是效率高、工作稳定性好; 国内也有直接采用水轮机作液力透平使用的研究与应用，这种形式的透平有冲击式、轴流转桨式及混流式等。

冲击式透平用于小流量、高水头的工况，最高效率超过80%。轴流转桨式透平多为立式轴结构，桨叶可调，能适应流量与水头的变化; 用于较低水头、大流量的工况。混流式透平流动状态好，适用工况范围较宽; 应用于中高水头的工况，效率最高达到85%。

（2）        反转泵

       反转泵的使用最广泛。优点是泵的运行工况符合工业流程要求; 使用普遍、经济; 泵反转运行的性能好。比转速在35 ～ 500 之间的普通泵都可作为透平使用。在文献［1］中给出离心泵正反转模式水头比值( Ht /Hp) 和流量比值( Qt /Qp) 在2． 2 ～ 1． 1之间; 效率比值( ηt /ηp) 在0． 92 ～ 0． 99 之间。液力透平根据回收功率大小分为单级和多级透平，单级透平回收功率大于22kW，多级透平回收功率大于75kW。根据叶轮结构又分为径流式、混流式和轴流式，常采用径流式与混流式泵作透平使用。

（3）        专用液力透平

       普通水轮机做液力透平使用时，液流一般为法向出口，出口压力很低，而化工工艺流程则要求液流出口具有0． 2 ～ 0． 3MPa 的压力。直接采用普通水轮机做透平使用时，不能较好地满足工艺流程要求。反转泵在使用时工作不稳定、效率较低，且存在结构强度不足等问题，因而采用新的理论与方法设计适用于工业流程的液力透平是目前研究的热点。对于小流量、高水头的工况来说，需要专门的小型高速透平来回收能量，现已成功开发的高性能叶轮有径向叶轮、可逆式叶轮等。为进一步缩小透平结构、减少容积损失及机械损失，美国PEI公司研制了运行安全可靠、总体效率高的一体式结构透平增压泵、透平发电机等。其中透平轮同轴装成一体式，总体效率80% 以上。透平发电机的电机与透平装在同一壳体内，叶轮带动直流电机发电，适合在大流量下工作。

                                                                          

2.2        液力透平的性能

2.2.1  研究概况

       研究透平性能常采取理论、试验及计算机模拟等方法。研究的内容包括: 采用新的理论与方法，设计新型透平叶轮; 建立运行试验装置，全面测试透平的运行特性、汽蚀特性及工作稳定性等;

目前，对反转泵的研究讨论较多。国外Hitoshi INHAMA 在文献［2］中研究了反转泵的径向推力、飞逸转速等特性; 分析进出口流态，比较2种摸式的性能。Shahram Derakhsha 等在文献［3，4］中预测不同比转速离心泵2 种工况无量纲性能参数关系; 建立叶轮结构参数的目标函数，用梯度算法优化设计叶轮水力模型。

2.2.2        能量特性

  （1）  流量: 流量增加到一定值 ，才有功率输出并逐渐增加。在 之前的液流能量主要用来克服机械摩擦损失。

  （2）  水头: 水头与功率近似直线规律变化。存在最小水头点 ，该点之前无功率输出，水头能量用于克服转动阻力。

  （3）  转速: 转速为零时无功率输出，水头能量用于克服转动阻力; 转速达到一定值 以后也无功率输出，液流能量消耗在转动上，出现飞逸现象。

  （4）  功率：输出功率大小与流量、压差及转速有关，N = f( H，Q，n) 。

  （5）  效率：效率是衡量性能高低的主要参数。

2.2.3        汽蚀特性

       汽蚀对叶片破坏很大，设计时应使汽蚀系数σ 最小。叶轮汽蚀系数与叶片参数以及压水室的动力特性有关，比转速越大，汽蚀系数越大。泵反转运行不易发生汽蚀。文献［5］推导出泵模式的汽蚀系数σp比透平模式的汽蚀系数σt高出一倍或更多。

三、    液力透平装置配置

3.1        布置方式

       能量回收装置的基本布置方式有直驱式和辅助驱动式两种。透平输出功率大于负载时用直驱式，如透平驱动风机、发电机及泵等机械，最简单的布置是同轴直联，只要有功率输出，就可带动负载工作; 输出功率小于负载时用辅助驱动式，辅助式中透平是第二动力设备，其转速高于负载转速时联入系统，与第一动力设备共同带动负载，例如与电动机或蒸汽机联合驱动式结构如图7所示。电动机能自动补偿功率输出的不足，达到节约电量的目的。

透平外形结构与普通泵相似，布置于轴端，为悬臂式结构。由于运行工况为高水头、小流量，液流对叶轮和主轴的冲击力较大，可采用双吸式进口平衡轴向力或双蜗壳结构平衡径向力，减少对轴和轴承的损坏。

3.2        连接转动装置

       透平轮轴与电机主轴或泵轴之间常有超越离合器或液力偶合器联接。超越离合器是机械式的单向离合器，利用棘轮－棘爪的啮合传递扭矩。液力偶合器通过壳体间的液体传递动力，特点是柔性传动，起动性能好。

超越离合器一般推荐用于带有辅助驱动电动机或汽轮机的液力透平组合中。经验证明, 新装置开车会出现许多工艺混乱和不稳定现象, 流量和压力的变化使得液力透平的操作不稳定, 有时还会对辅助驱动装置形成阻力。而安装了超越离合器, 既使在没有足够能量驱动液力透平的情况下, 也能保证泵和辅助驱动装置的稳定操作。同时, 安装超越离合器可使液力透平的维修不影响泵的运转。总之, 超越离合器使液力透平的操作具有极大的灵活性。

四、        运行工况调节

4.1        液力透平系统

       液力透平系统包括调节阀、调速器及超速保护器等调节控制装置。其中节流阀用于调节流向液力透平的流量，如果液流中富含气体，节流阀可释放气体; 若液力透平达到飞逸转速，超速保护装置能迅速切断液流; 在透平启动前，备用泵可向系统供应物流或在透平功率降低时向高压容器输送物流。

4.2        系统工况调节

       流程参数发生变化时，装置运行工况也要作相应的调节，这种调节可能会使回收效率降低，文献［8］中把调节分为变转速调节和恒转速调节两种，并对两种调节方式做了相应的对比。

变转速调节中，当系统流量小于设计流量时，调节透平转速能使流量处于最优工况点，回收效率等于透平效率，即ηs = ηt; 当系统流量大于设计流量时，通过旁流阀分流多余流量可以保证流量、压差、转速在最优工况点，回收效率为ηs = ηt × 。

恒转速调节中，当流量小于设计流量时，由减压阀释放部分压力，回收效率为ηs = ηt × ; 当系统流量大于设计流量时，通过旁流阀分流多余流量，回收效率为ηs = ηt × 。

       除了回收效率外还应考虑系统的可靠性和复杂程度。系统越复杂，原始成本越高，维护费用相应地越高，可靠性降低。此外，变速调节系统需要滑环发电机、功率电子仪和调速回路系统，而恒速调节只需要鼠笼发电机和一些常规的管路阀门，变转速调节的装置复杂，造价高。就目前来说，适合采用恒速调节方式，即牺牲一些效率来换取较高的可靠性。

五、        液力透平的应用

   

       为了更好的了解液力透平的应用环境，首先介绍一下流程工业装置中的高压液体情况，其主要是分为两类：一类是介质具有较高的压力能，但是介质内并不含有富裕的气体，或者是经过压力降低后液体内几乎没有气体析出，该种液体在能量回收的过程中运行稳定，完全属于单相流运动。另一类是介质不但具有较高的压力能而且介质内富有大量的气体，例如脱硫、脱碳等富液。该部分液体在能量回收过程中很容易将在高压状态下溶解到介质中的气体析出，同时由于压力降低介质本身也容易汽化，在运行过程中容易造成液力透平的气蚀，并且析出的气体还容易造成密封环等部件脱硫造成振动，液力透平入口属于单相流流体，出口属于两相流流体。

        液力透平能量回收装置应用于石油化工、冶金、煤炭以及废水处理等行业的生产过程中。化工厂高压加氢装置脱硫塔压降为11 ～ 15MPa; 海水淡化系统排放的浓盐水有5． 5 ～ 6． 0MPa 压力，气体处理系统中应用在高压吸收塔与低压分离器之间，合成,氨系统热碱法脱除C O2 工艺流程中，这些都可采用透平回收余压能。炼钢厂采用冲击式透平回收冷却系统的能量; 采矿井中透平用于二次循环水系统; 水力资源丰富的山区，建立分散的小水电站，把多级泵反转作水轮机使用以发电照明。

六、存在的问题与发展

      液力透平的研究中存在一些问题，如: 普通泵反转做透平使用时，性能换算的精确性还有待提高，泵叶轮结构还需做局部优化; 透平运行不稳定，转速常达不到配套电机的转速而不能回收能量，对透平额定转速的设计和控制调节仍要做进一步研究; 在高水头、小流量或大流量及低水头等特殊工况下，回收工业过程中的余压能需开发新型专用液力透平; 由于透平机械尺寸越小效率越低，关于研制小型透平同时提高透平效率的问题也亟待解决。

      液力能量回收透平的技术发展：美国太平洋泵业公司开发的径向叶片涡轮液力透平与可逆泵式液力透平相比具有更高的效率, 并且由于级数减少而提高了可靠性。径向叶片涡轮与泵叶轮相比, 可产生更高的能量转化效率, 回收更大的压差。如采用径向叶片涡轮, 在相同级数下可得到更高效率, 同时可靠性也不降低。由于径向叶片涡轮的直径相对较小, 因此结构紧凑、造价低。径向叶片涡轮设计的更大优点是可以改变喷嘴的大小, 因为环形流道上的喷嘴为螺栓连接,容易更换。这样液力透平就有最佳的工作效率, 同时设计流量的范围也较宽。

总结

        液力能量回收透平是一种非常有效的能量回收机械。它具有节能效果明显、投资回收快以及运行平稳可靠等优点。在石化行业有广泛的应用前途。据有关文献介绍，国内生产的液力透平普遍存在着回收效率低、回收功率小、可靠性差等缺点，大中型企业合成氨用液力透平大都依赖进口，可见国内相关研制生产能力的缺失，严重制约了国产设备在新建和改建合成氨项目中的推广应用，因此开发具有自主知识产权，能够替代进口的高效、可靠的液力透平具有重要意义。液力透平的研究应用尚处于发展阶段，采用新的设计理论与方法提高性能是研究的趋势。

参考文献

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李泰龙   122080704021