一种基于合成氨脱碳系统的透平增压泵两侧参数匹配方法与流程

本发明公开了一种基于合成氨脱碳系统的透平增压泵两侧参数匹配方法，属于液体余压能量回收利用领域。

背景技术：

合成氨是一个高耗能的产业，每生产1t的0.1mpa、298k的气态氨，能耗大约20gj。其中合成氨脱碳工艺更是一个能量密集且非自发的过程，其能耗约占整个合成氨耗能的10%。在脱碳工艺中，富液从吸收塔排出时需要经过减压阀进入再生塔。如果将减压阀耗散的余压能回收再利用，可节省庞大的能源成本。因而，合成氨脱碳工艺中的余压能量回收极具社会和经济价值。。

目前能量回收装置总体上分为两类，正位移式和透平式。正位移能量回收装置只能应用在液体流量和压力均良好匹配的工艺环境中，在使用的时候有明显的压力波动，还存在废液和原料液混合的问题，某些正位移式能量回收装置还需要非常复杂的仪表和控制设计才能良好运行，应用场合较为局限。而透平增压泵作为一种新型的能量回收装置应用在合成氨脱碳工艺中有很明显的优势，透平增压泵合成氨脱碳装置结构简单、操作方便、能耗低、使用范围十分广泛。但透平增压泵存在两侧参数不能良好匹配导致其能量回收效率低的问题。

技术实现要素：

为了克服两侧参数不能良好匹配导致透平增压泵能量回收效率低的缺陷，本发明公开了一种基于合成氨脱碳系统的透平增压泵两侧参数匹配方法，以解决上述问题。

为了实现上述目的，提供了一种基于合成氨脱碳的透平增压泵两侧参数匹配方法，应用于透平增压泵设计优化过程中。

本发明的一种基于合成氨脱碳系统的透平增压泵两侧参数匹配方法包括：基于合成氨脱碳系统工艺要求，确定透平增压泵透平侧与泵侧的设计参数。依据设计参数利用pro/engineer软件建立透平增压泵的三维模型，利用ansys-turbogrid软件对pro/engineer软件建立的三维模型进行网格划分，利用ansys-cfx16.0求解器进行求解得到两侧的全流场外特性数据，通过origin软件将求解器求解得到的外特性数据绘制成曲线，依据origin软件绘制的外特性曲线确定高效率区间。

所述的建立透平增压泵三维模型，通过使用pro/engineer软件来建立透平增压泵的三维模型，该软件具有很强的曲面造型功能，且通用性好、功能强大。

所述的利用ansys-turbogrid软件对pro/engineer软件建立的三维模型进行网格划分，网格划分直接影响着计算量的大小和计算精度，合理的划分网格可以控制网格数并且提高模拟收敛的速度。通过利用turbogrid软件对过流部件进行结构化网格划分，可以按叶轮流道结构自动划分结构化网格，在降低网格数量的同时提升了网格的质量，且可自动处理壁面，在叶片边角部分自动进行网格层数加密，保证了叶轮部分网格的独立性。

所述的利用ansys-cfx16.0求解器进行求解得到两侧的全流场外特性数据，基于ansys平台，采用ansys-cfx16.0求解器求解，在cfx中选择tools-turbomode模式设置前处理参数。turbomode模块是针对泵、透平、风机等旋转机械专门设置的一个流程模块，具有精准的计算功能、稳健的收敛性。计算使用了rngk-ɛ湍流模型，选择定常计算，参考压力设置为0，近壁面区域设置为标准壁面函数，过流表面的粗糙度设计为50μm，设置收敛残差值标准为1×10^-5，设置为压力进口质量出口的边界条件，通过调节流量得到透平增压泵两侧的全流场外特性数据。

所述的通过origin软件将求解器求解得到的外特性数据绘制成曲线，由于透平侧与泵侧流量在对应工况下流量比值为常数，所以通过origin软件按照以流量比例为x轴绘制透平增压泵两侧的外特性曲线，包括效率、扬程及轴功率随着流量的变化趋势。

所述的依据origin软件绘制的外特性曲线确定高效率区间，以最高效率为基础，效率在最高效率90%-100%的区间称为高效率区间。观察效率-流量曲线，找出透平侧与泵侧的高效率区间，然后找出两侧的共同高效率区间。泵侧及透平侧在进行设计时是按相同转速进行设计且通过同一根固定轴传递能量。透平的作用是给泵侧一个助推的力，透平输出的扭矩需大于泵侧所需扭矩才能实现泵侧对过流液体的增压要求。角速度相同，所以透平侧的轴功率要保证大于泵侧轴功率，才能实现透平助推的目的。所以，在两侧共同的高效率区间内还需要确保轴功率-流量曲线满足透平侧输出轴功率大于泵侧所需的轴功率。

所述的合成氨脱碳系统包括脱碳吸收塔，脱碳再生塔，供料泵，管道阀门，透平增压泵。合成氨脱碳系统的具体流程就是脱碳吸收塔底部吸收了酸性气体高压富液经过快速切断阀和节流阀进入透平增压泵透平侧，经透平增压泵回收成为低压富液，经过闪蒸成为低压贫液，液体再次进入脱碳再生塔，经过1号供料泵和透平增压泵共同加压进入脱碳吸收塔进行反应。以此不断循环，透平增压泵在整个合成氨脱碳系统中起到一个能量回收装置的作用。所以透平增压泵是合成氨脱碳整个系统的核心装置，透平增压泵的能量回收效率决定着整个系统的节能效果和经济效益。

本发明具有的优点及积极效果是：本发明提供了一种基于合成氨脱碳系统的透平增压泵两侧参数匹配方法，保证了透平增压泵两侧参数良好匹配，两侧均在高效率区间运行。两侧参数良好匹配的高效率透平增压泵作为一种能量回收装置，应用在合成氨脱碳系统中，调节控制简单，适应性强，运行平稳，故障率低，综合回收效率高，带来良好的节能效果和可观的经济效益，对余压能量回收工程有很大的参考意义。

附图说明

附图1为透平增压泵两侧外特性曲线对比示意图；

附图2为合成氨脱碳系统示意图；

附图3为透平增压泵结构示意图；

附图中：1-脱碳吸收塔、2-液位调节阀、3-快速切断阀、4-节流阀、5-辅助阀、6-透平增压泵、7-旁通阀、8-循环供料泵#1、9-循环供料泵#2、10-脱碳再生塔、11-泵壳、12-透平蜗壳、13-中心轴、14-泵蜗壳、15-泵端盖、16-泵轴承、17-泵叶轮、18-中心轴承、19-透平叶轮、20-推力轴承。

具体实施方式

一种透平增压泵透平侧与泵侧参数匹配方法，该方法由以下步骤实现：

步骤（1）：基于合成氨脱碳工艺流程，确定透平增压泵设计参数。透平侧的设计流量为425m³/h，扬程140m，转速3000rpm；泵侧的设计流量为500m³/h，扬程70m，转速3000rpm。依据这些设计参数利用曲面造型功能很强、应用较为普遍的pro/engineer软件来建立透平增压泵三维模型；

步骤（2）：将pro/engineer软件建立的三维模型采用ansys-turbogrid软件进行网格划分；ansys-turbogrid软件可以对回转类机械划分很好的结构化网格。网格的质量和数量对模拟的运算速度和收敛性有着很大的影响。较少的网格数量较高的网格质量能更准确更快的得到运算结果。turbogrid可以按叶轮流道结构自动划分结构化网格，在降低网格数量的同时提升了网格的质量，且可自动处理壁面，在叶片边角部分自动进行网格层数加密，保证了叶轮部分网格的独立性；

步骤（3）：利用ansys-cfx16.0求解器对ansys-turbogrid软件划分的网格模型进行求解，计算使用了rngk-ɛ湍流模型，选择定常计算，参考压力设置为0，近壁面区域设置为标准壁面函数，过流表面的粗糙度设计为50μm。设置收敛残差值标准为1×10^-5。设置为压力进口质量出口的边界条件，通过调节流量的到透平增压泵两侧全流场外特性数据；

步骤（4）：利用origin软件对ansys-cfx16.0求解器求解得到的透平增压泵两侧的外特性数据进行描绘，按照以流量比例为x轴绘制透平增压泵两侧的外特性曲线，如图1所示，包括效率、扬程及轴功率随着流量的变化趋势；

步骤（5）：依据origin软件绘制的两侧外特性曲线确定高效率区间（即图1中1-2区间），以最高效率为基础，效率在最高效率90%-100%的区间称为高效率区间。由图1中透平增压泵两侧效率-流量曲线可以得到泵侧最高效率为87.2%，透平侧最高效率为69.5%，找出两侧共同的高效率区间，由图1可看出透平侧高效率区间要宽于泵侧的高效率区间，共同区间为0.84q到1.23q之间（1-2）。泵侧及透平侧在进行设计时是按相同转速进行设计且通过同一根固定轴传递能量。透平的作用是给泵侧一个助推的力，透平输出的扭矩需大于泵侧所需扭矩才能实现泵侧对过流液体的增压要求。角速度相同，所以透平侧输出的轴功率要保证大于泵侧所需轴功率，才能实现透平助推的目的。由图1可以看出，两侧轴功率曲线均是呈上升趋势。在0.84q到1.23q之间（1-2），泵侧轴功率范围为94.2kw~135.3kw，若要实现助推目的，计算得到透平侧输出轴功率范围为103.6~148.8kw，由特性曲线看到在区间内透平侧输出轴功率为109.6~163.4kw，可以满足条件。在此区间两侧参数可以良好匹配，两侧也均在高效率区间运行。

所述的合成氨脱碳系统如图2所示，包括脱碳吸收塔1、液位调节阀2、快速切断阀3、节流阀4、辅助阀5、透平增压泵6、旁通阀7、1号循环供料泵8、2号循环供料泵9、脱碳再生塔10。合成氨脱碳系统的具体流程就是脱碳吸收塔底部吸收了酸性气体的高压富液经过快速切断阀和节流阀进入透平增压泵透平侧，经透平增压泵回收成为低压富液，经过闪蒸成为低压贫液，液体再次进入脱碳再生塔，经过1号供料泵和透平增压泵共同加压进入脱碳吸收塔进行反应。以此不断循环，透平增压泵在整个合成氨脱碳系统中起到一个能量回收装置的作用。所以透平增压泵是合成氨脱碳整个系统的核心装置，透平增压泵的能量回收效率决定着整个系统的节能效果和经济效益。

所述的透平增压泵6的结构如图3所示。透平增压泵包括泵壳11、透平蜗壳12、中心轴13、泵蜗壳14、泵端盖15、泵轴承16、泵叶轮17、中心轴承18、透平叶轮19、推力轴承20。其工作原理是通过脱碳吸收塔1底部的高压液体冲击透平叶轮19旋转，带动同轴的泵叶轮17转动，从而给泵侧低压液体加压。经历了压力能-机械能-压力能的转换，实现了对高压液体压力能的再利用。透平增压泵通过回收再利用脱碳吸收塔底部的高压液体能量，为合成氨脱碳整个系统带来良好的节能效果和可观的经济效益。所以透平增压泵能量回收效率越高，整个系统的节能效果就更加明显。