什么是泵作透平？終于說清楚了

泵是可逆式旋轉機械，泵反向用作透平運行稱為泵作透平（pump as turbine，pat），泵作透平是液力透平或水力透平的一種類型。泵正向運轉時，低壓液體從吸入口進入葉輪，葉輪旋轉對液體做功，泵軸的旋轉機械能轉化為液體的壓力能和動能，蝸殼收集高速流體并將液體具有的動能進一步轉化為壓力能，高壓流體從蝸殼出口位置排出，如圖1a所示。泵反向運轉作透平運行時內部流動方向與泵內流動方向相反，高壓液體從蝸殼進入，流體沖擊葉輪旋轉對葉輪做功，液體的壓力能轉化為軸系的旋轉機械能，最后從葉輪出口流出，如圖1b所示。

圖1 泵和泵作透平示意圖

a）泵；b）泵作透平

普通離心泵外特性曲線如圖2a所示，泵作透平時的外特性曲線如圖2b所示，透平的揚程和軸功率隨流量的增加而增加，效率在高效點之前隨著流量的增加迅速增加，高效點之后隨流量增加緩慢減小。在流量小于30%~40%額定流量左右時，透平不產生功率，所消耗的液體壓力能主要用于克服透平內部的各種損失。根據透平的外特性曲線，通常選用小透平在大流量工況下運行，這樣當系統流量減小時，透平的軸功率不至于迅速下降甚至成為負載。泵作透平運行時最高效率點的流量、揚程和軸功率通常高于泵工況最高效率點的流量、揚程和軸功率。

圖2 泵和泵作透平外特性曲線

（1）價格較低

由于泵分布廣泛、沒有調節機構等優點，相對于水輪機而言，泵的設計、制造成本較低，這是選用泵作透平的一個重要因素之一。

（2）體積小、結構簡單

微型沖擊式水輪機一般通過布置噴嘴的數量和噴嘴的位置等來實現對水輪機輸出功率的調節。微型反擊式水輪機，通過調節導葉操作機構來調節導葉的開度，實現對水輪機的調節。泵作透平無調節機構，其流量調節主要是通過進出口管路設置調節閥實現，因此具有體積小、結構簡單、調節方便的優點。

（3）分布廣泛

泵在全球范圍內都有分布，分布較為廣泛，相應零部件、易損件等分布也較為廣泛。

（4）制造、使用和維修方便

泵具有結構簡單、易安裝、易操作、易維修的特點。泵作透平也具有與泵相同的優點。

（5）流量、揚程范圍廣

泵的類型多樣性，相應泵作透平時的流量、揚程覆蓋范圍較為寬廣。

泵作透平是液體壓力能利用機械，在有流體壓力降的地方，可以考慮使用泵作透平開發利用液體壓力能。常見的泵作透平應用場合有以下幾個方面。

（1）工業流程

在工業流程中，有些反應必須在高壓條件下才能進行，高壓反應之后又需要對輸送介質降壓，泵作透平可應用于這類系統中，回收利用系統中的壓力能。常見的應用場合如下：

a）加氫裂化流程中，進料罐壓力為100~140mpa，從反應塔流出的流體壓力仍很高，用泵作透平能回收一大部分液體能量。

b）海水反滲透淡化系統中，反滲透膜的工作壓力為5.8~8.0mpa，排放的濃海水的壓力為5.0~6.0mpa，用泵作透平回收利用壓力能，將顯著降低淡水的生產成本，經濟效益非常明顯。

c）在氣體工藝流程中，為去掉多余的成分，用高壓介質洗滌原料氣體，通過安裝泵作透平回收利用含原料氣體介質的高壓能，實現對高壓介質的重新利用。

d）在地下礦場挖掘時，需要往井下（地面以下1000~3000m深）輸水。當水到達礦井底部時壓力很高，用泵作透平可以實現對壓力能的利用。

（2）供水

a）在水資源豐富的地區，用泵作透平驅動泵開發利用低水頭、大流量的液體能量，將小流量的水流輸送到較高的田地里用于灌溉。

b）在有壓力水的地方，可以用泵作透平驅動高壓泵，用于消防或城市管網供水等。

（3）離網和并網發電

在水資源豐富的地區，可以利用泵作透平驅動發電機發電，為居民提供生活和生產用電，或者并入電網發電。

（1）透平驅動泵時常用的機組配置方案

a）透平+（變速箱）+泵

當系統中富余的壓力能較多時，可以采用透平驅動泵的配置方案。這時透平的軸功率和泵的軸功率相等。透平和泵之間設置變速箱，可提高泵的轉速。對于透平直接驅動泵的配置方案，也可以將透平和泵設計為一個整體。

（2）透平+超越離合器+電動機+（變速箱）+泵

透平、電動機和泵的布置方式多樣。如圖3所示，泵作透平通過超越離合器和電動機一起驅動一臺大功率增壓泵。當透平產生的軸功率小于泵的軸功率時，常采用這種形式的布置方式。當透平的轉速小于電動機的額定轉速時，離合器分離，透平不工作。透平的轉速等于電動機的額定轉速時，超越離合器閉合，透平和電動機一起驅動泵運行。設置超越離合器的原因主要是因為當透平在小流量運行時，透平將消耗能量成為負載，這時電動機需要同時驅動泵和透平工作，增加了電動機的能耗。由于透平處于間歇工作狀態，因此要求電動機的額定功率大于等于泵的最大軸功率，即電動機能夠獨立驅動增壓泵運行。

圖3 泵作透平、電動機和泵配置方案

（2）透平驅動發電機發電

采用泵作透平驅動發電機發電如圖4所示。泵作透平發電時，需要配置電負荷自動控制器，可消耗產生的多余電能和控制發電機轉速恒定。

圖4 泵作透平驅動發電機發電

根據泵內部流動狀態，可將泵分為離心泵、混流泵和軸流泵三種。通常根據比轉速的不同對泵的具體形式進行劃分。低比轉速意味著高揚程、小流量；高比轉速意味著低揚程、大流量。一般認為比轉速低于50的泵不適用于透平工況運行，原因主要是比轉速較低時，效率較低，這時采用微型沖擊式水輪機較為合適。圖5所示為不同形式泵作透平的應用范圍。

圖5 不同形式泵作透平的應用范圍