透平泵的结构(透平泵工作原理)

什么是泵作透平？终于说清楚了

01 泵和泵作透平的区别与联系

泵是可逆式旋转机械，泵反向用作透平运行称为泵作透平（Pump As Turbine，PAT），泵作透平是液力透平或水力透平的一种类型。泵正向运转时，低压液体从吸入口进入叶轮，叶轮旋转对液体做功，泵轴的旋转机械能转化为液体的压力能和动能，蜗壳收集高速流体并将液体具有的动能进一步转化为压力能，高压流体从蜗壳出口位置排出，如图1a所示。泵反向运转作透平运行时内部流动方向与泵内流动方向相反，高压液体从蜗壳进入，流体冲击叶轮旋转对叶轮做功，液体的压力能转化为轴系的旋转机械能，最后从叶轮出口流出，如图1b所示。

图1 泵和泵作透平示意图

a）泵；b）泵作透平

普通离心泵外特性曲线如图2a所示，泵作透平时的外特性曲线如图2b所示，透平的扬程和轴功率随流量的增加而增加，效率在高效点之前随着流量的增加迅速增加，高效点之后随流量增加缓慢减小。在流量小于30%~40%额定流量左右时，透平不产生功率，所消耗的液体压力能主要用于克服透平内部的各种损失。根据透平的外特性曲线，通常选用小透平在大流量工况下运行，这样当系统流量减小时，透平的轴功率不至于迅速下降甚至成为负载。泵作透平运行时最高效率点的流量、扬程和轴功率通常高于泵工况最高效率点的流量、扬程和轴功率。

图2 泵和泵作透平外特性曲线

a）泵；b）泵作透平

02 泵作透平利用压力能的优点

目前对小功率液体压力能开发利用技术主要有微型水轮机和泵作透平等技术。与微型水轮机相比，泵作透平具有下列优点：

（1）价格较低

由于泵分布广泛、没有调节机构等优点，相对于水轮机而言，泵的设计、制造成本较低，这是选用泵作透平的一个重要因素之一。

（2）体积小、结构简单

微型冲击式水轮机一般通过布置喷嘴的数量和喷嘴的位置等来实现对水轮机输出功率的调节。微型反击式水轮机，通过调节导叶操作机构来调节导叶的开度，实现对水轮机的调节。泵作透平无调节机构，其流量调节主要是通过进出口管路设置调节阀实现，因此具有体积小、结构简单、调节方便的优点。

（3）分布广泛

泵在全球范围内都有分布，分布较为广泛，相应零部件、易损件等分布也较为广泛。

（4）制造、使用和维修方便

泵具有结构简单、易安装、易操作、易维修的特点。泵作透平也具有与泵相同的优点。

（5）流量、扬程范围广

泵的类型多样性，相应泵作透平时的流量、扬程覆盖范围较为宽广。

03 泵作透平的使用场合

泵作透平是液体压力能利用机械，在有流体压力降的地方，可以考虑使用泵作透平开发利用液体压力能。常见的泵作透平应用场合有以下几个方面。

（1）工业流程

在工业流程中，有些反应必须在高压条件下才能进行，高压反应之后又需要对输送介质降压，泵作透平可应用于这类系统中，回收利用系统中的压力能。常见的应用场合如下：

a）加氢裂化流程中，进料罐压力为100~140MPa，从反应塔流出的流体压力仍很高，用泵作透平能回收一大部分液体能量。

b）海水反渗透淡化系统中，反渗透膜的工作压力为5.8~8.0MPa，排放的浓海水的压力为5.0~6.0MPa，用泵作透平回收利用压力能，将显著降低淡水的生产成本，经济效益非常明显。

c）在气体工艺流程中，为去掉多余的成分，用高压介质洗涤原料气体，通过安装泵作透平回收利用含原料气体介质的高压能，实现对高压介质的重新利用。

d）在地下矿场挖掘时，需要往井下（地面以下1000~3000m深）输水。当水到达矿井底部时压力很高，用泵作透平可以实现对压力能的利用。

（2）供水

a）在水资源丰富的地区，用泵作透平驱动泵开发利用低水头、大流量的液体能量，将小流量的水流输送到较高的田地里用于灌溉。

b）在有压力水的地方，可以用泵作透平驱动高压泵，用于消防或城市管网供水等。

（3）离网和并网发电

在水资源丰富的地区，可以利用泵作透平驱动发电机发电，为居民提供生活和生产用电，或者并入电网发电。

04 泵作透平的使用形式

（1）透平驱动泵时常用的机组配置方案

a）透平+（变速箱）+泵

当系统中富余的压力能较多时，可以采用透平驱动泵的配置方案。这时透平的轴功率和泵的轴功率相等。透平和泵之间设置变速箱，可提高泵的转速。对于透平直接驱动泵的配置方案，也可以将透平和泵设计为一个整体。

（2）透平+超越离合器+电动机+（变速箱）+泵

透平、电动机和泵的布置方式多样。如图3所示，泵作透平通过超越离合器和电动机一起驱动一台大功率增压泵。当透平产生的轴功率小于泵的轴功率时，常采用这种形式的布置方式。当透平的转速小于电动机的额定转速时，离合器分离，透平不工作。透平的转速等于电动机的额定转速时，超越离合器闭合，透平和电动机一起驱动泵运行。设置超越离合器的原因主要是因为当透平在小流量运行时，透平将消耗能量成为负载，这时电动机需要同时驱动泵和透平工作，增加了电动机的能耗。由于透平处于间歇工作状态，因此要求电动机的额定功率大于等于泵的最大轴功率，即电动机能够独立驱动增压泵运行。

图3 泵作透平、电动机和泵配置方案

（2）透平驱动发电机发电

采用泵作透平驱动发电机发电如图4所示。泵作透平发电时，需要配置电负荷自动控制器，可消耗产生的多余电能和控制发电机转速恒定。

图4 泵作透平驱动发电机发电

05 泵作透平的应用范围

根据泵内部流动状态，可将泵分为离心泵、混流泵和轴流泵三种。通常根据比转速的不同对泵的具体形式进行划分。低比转速意味着高扬程、小流量；高比转速意味着低扬程、大流量。一般认为比转速低于50的泵不适用于透平工况运行，原因主要是比转速较低时，效率较低，这时采用微型冲击式水轮机较为合适。图5所示为不同形式泵作透平的应用范围。

图5 不同形式泵作透平的应用范围

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