1、孙孙 武武透平膨胀机系统透平膨胀机系统 众所周知，绝热等熵膨胀（气体在膨胀机中绝热膨胀对外做功，由于同外界没有热量的交换，是个等熵过程）是获得低温的重要效应之一,也是对外做功的一个重要热力过程,而透平膨胀机则是实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械.目前,从空调设备、低温环境模拟到空气与多组分气体的液化分离以及极低温氢、氦的液化制冷,都有透平膨胀机的实际应用。在能源的综合利用方面,透平膨胀机作为回收能量的机械也得到了广泛的应用.例如石油催化裂解再生气透平膨胀机、化工尾气透平膨胀机、烟气透平膨胀机、天燃气透平膨胀机、液化天燃气透平膨胀机、液化天燃气冷热发电透平膨胀机等。透平膨胀机是利用工质流动时
2、速度的变化进行能量转换的,因此也称为速度型膨胀机.工质在透平膨胀机的流通部分中膨胀获得动能,并由工作轴输出外功,因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度.工质在工作轮中膨胀的程度称为反动度.具有一定反动度的膨胀机就称为透平膨胀机。空压站膨胀机为杭氧生产的透平膨胀机，利用工质污氮作为驱动介质，使膨胀机高速旋转。膨胀机的主要目的是为海南炼化提供液氮及氮气。利用有一定压力的气体（氮气）在透平膨胀机内进行利用有一定压力的气体（氮气）在透平膨胀机内进行绝热膨胀绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。透平膨胀机输
3、出的能量由同轴的增压机、发电机回到制冷的目的。透平膨胀机输出的能量由同轴的增压机、发电机回收或制动风机等消耗（本空压站为制动风机）。收或制动风机等消耗（本空压站为制动风机）。膨胀机主要是被用来生产冷量造成低温，其工作的对象主要是膨胀机主要是被用来生产冷量造成低温，其工作的对象主要是气体。当气体具有一定的压力和温度时。就具有一定的能量，即由气体。当气体具有一定的压力和温度时。就具有一定的能量，即由压力而体现的势能与由温度所体现的动能。这两种能量总称为内能，压力而体现的势能与由温度所体现的动能。这两种能量总称为内能，而膨胀机主要的作用是利用气体通过膨胀机的过程中的内能降低并而膨胀机主要的作用是利用
4、气体通过膨胀机的过程中的内能降低并对外输出功。并由于气体内能的降低并对外输出功使气体的压力和对外输出功。并由于气体内能的降低并对外输出功使气体的压力和温度大幅度降低从而达到制冷与降温的目的。温度大幅度降低从而达到制冷与降温的目的。膨胀机主要的工作是在喷嘴及叶轮中完成。喷嘴是一种由多个膨胀机主要的工作是在喷嘴及叶轮中完成。喷嘴是一种由多个精心设计的叶片所组成的喷射通道（即喷嘴流道）。当高压的气体精心设计的叶片所组成的喷射通道（即喷嘴流道）。当高压的气体通过喷嘴流道时，由于喷射作用使气体的速度迅速上升并可达到音通过喷嘴流道时，由于喷射作用使气体的速度迅速上升并可达到音速，而气体的压力和温度则很快下
5、降。从而达到降温的目的。速，而气体的压力和温度则很快下降。从而达到降温的目的。叶轮则是接受从喷嘴出来的高速气体，由于喷嘴出来的气体其叶轮则是接受从喷嘴出来的高速气体，由于喷嘴出来的气体其速度达到或超过音速，而且温度已经大幅度降低，当高速气体冲击速度达到或超过音速，而且温度已经大幅度降低，当高速气体冲击叶轮的叶片时，使叶轮高速转动。叶轮是一个由多个叶片所组成的叶轮的叶片时，使叶轮高速转动。叶轮是一个由多个叶片所组成的转子，气体从半径方向流入，而从与主轴轴线平行方向流出，称为转子，气体从半径方向流入，而从与主轴轴线平行方向流出，称为径轴流叶轮。叶轮中每两个叶片围成一个通道。叶轮的通道是经过径轴流叶
6、轮。叶轮中每两个叶片围成一个通道。叶轮的通道是经过精心的设计，而且是渐渐扩大的。当高速、低温的气体通过叶轮通精心的设计，而且是渐渐扩大的。当高速、低温的气体通过叶轮通道时，由于高速转动。使气体的速度很快下降，同时气体在不断变道时，由于高速转动。使气体的速度很快下降，同时气体在不断变大的通道中流动时压力也进一步下降，因为压力与速度下降使气体大的通道中流动时压力也进一步下降，因为压力与速度下降使气体的内能的降低，这样气体温度进一步大幅度降低。从而达到降温与的内能的降低，这样气体温度进一步大幅度降低。从而达到降温与制冷的目的。由于膨胀机叶轮的飞速转动，带动了与膨胀机叶轮在制冷的目的。由于膨胀机叶轮的
7、飞速转动，带动了与膨胀机叶轮在同一轴上另一端的制动风机叶轮的转动，利用了膨胀机发出的功率，同一轴上另一端的制动风机叶轮的转动，利用了膨胀机发出的功率，而且也控制了膨胀机的转速。（本膨胀机制动风机端出、入口都连而且也控制了膨胀机的转速。（本膨胀机制动风机端出、入口都连接大气）接大气）由于膨胀机中气体通过的时间极短，来不及与周围环境交换热由于膨胀机中气体通过的时间极短，来不及与周围环境交换热量所以可以认为它是在接近绝热等熵的条件下工作的。因而具有很量所以可以认为它是在接近绝热等熵的条件下工作的。因而具有很高的绝热效率。高的绝热效率。一、按结构形式分1、活塞式膨胀机：通称容积型，其特点是适宜于小流
8、量、高压力、大膨胀比工况；缺点是复杂、体积大、易损件多、操作维护复杂。2 2、透平膨胀机：通称速度型，其特点是转速高、体积小、重量轻、结构简单、易损件少、因而制造维修工作量小，适宜于大流量、中高压力而初温较低。二、按工作原分1、冲动式：膨胀过程几乎完全在静止的喷嘴中进行。2、反作用式：膨胀过程不仅在静止的喷嘴中进行，还在叶轮中进一步膨胀。三、按气流流动方向分1、径流式：气体在垂直于旋转轴的平面 内沿半径方向流动；2、轴流式：气体沿着平行于工作轮旋转 轴方向流动；3、径轴流式：气体由径向流入工作轮而 由轴向流出。四、按照透平膨胀机制动方式1、可分为风机制动透平膨胀机、增压机制动透平膨胀机、电机制
9、动透平膨胀机和油制动透平膨胀机。五、按照透平膨胀机轴承的不同形式1、可分为油轴承透平膨胀机、气体轴承透平膨胀机和磁轴承透平膨胀机等。六、按照工作轮（膨胀端叶轮）结构分 1、如果工作轮叶片的两侧具有轮背和轮盖,则称为闭式工作轮,2、轮盖没有只有轮背的称为半开式工作轮,3、轮盖和轮背都没有的,或轮背只有中心部分而外缘被切除的,则称为开式工作轮.只有在应力很大的场合才采用开式工作轮,利用外缘的切除来降低离心力.低温装置中开式工作轮的应用并不普遍。1、气体在蜗壳中的流动：进入蜗壳的介质速度较小，蜗壳一般设计成无能量转换型，只是将气流均匀地分配并导入喷嘴环，起导向作用。圆形和矩形截面使用的较多，其他还有
10、梯形、三角形截面。2、气体在喷嘴中的流动：在透平膨胀机中为了使工作轮能有效地获得尽可能大的动量矩。喷嘴总是按圆周分布、且有一定的倾斜角。气体在喷嘴中完成的能量转换约占总量的50%左右，它是膨胀机的重要部件之一。3、气体在工作轮中的流动：工作轮的作用主要是使工质在叶轮中进一步有效膨胀做功，并同时把这部分能量和工质动能有效地转换为机械功，并通过轴输出，同时，还应把膨胀后的气体平稳地导入到扩压器中。主体段中气体的流向主要是轮缘处向中心的径向流动，而导流段气体为轴向流动。4、气体在扩压管中的流动：为了使工作轮的设计具有较高的效率，现代透平膨胀机的叶轮出口排出的气流绝对速度可达45-70m/s。若直接将
11、工质排到管道中，将会引起很大的摩擦损失，从而增大冷损，为此设扩压器，将气流速度降到5-10m/s，起降速扩压的作用。膨胀机是一种高速转动的机械，为了保证它的效率与可靠膨胀机是一种高速转动的机械，为了保证它的效率与可靠性，必须特别注重其叶轮、喷嘴、轴承、密封的设计与制造。性，必须特别注重其叶轮、喷嘴、轴承、密封的设计与制造。一台膨胀机主机的基本结构的剖面图。主机主要由膨胀机一台膨胀机主机的基本结构的剖面图。主机主要由膨胀机蜗壳、转子、喷嘴、传动机构、轴承、密蜗壳、转子、喷嘴、传动机构、轴承、密 封、机身及密封件等封、机身及密封件等组成。下面分别介绍这些另部件的工作原理，基本结构及要求组成。下面分
12、别介绍这些另部件的工作原理，基本结构及要求。蜗壳：蜗壳直接固定在底架上并支承膨胀机主机及增压机（制动风机端）。蜗壳内容纳了膨胀机叶轮和喷嘴环。在排气侧有一压圈借助一弹性压紧机构而压在喷嘴叶片上，使喷嘴叶片的端面没有间隙。（现场为单蜗室蜗壳）弹簧压缩量：1.62.0mm，压缩量变小必须更换，不然将因为喷嘴与扩压器不平行，导致喷嘴间隙过大，造成气量损失，及喷嘴与相对扩压机摩擦。当膨胀机转速超过当膨胀机转速超过21030r/min21030r/min时，膨胀机连锁停机。时，膨胀机连锁停机。转子：由主轴、膨胀机工作轮、制动风机叶轮及轴封组成，通转子：由主轴、膨胀机工作轮、制动风机叶轮及轴封组成，通常采
13、用的是双旋臂转子，即两个工作轮外伸在两个轴承之外，常采用的是双旋臂转子，即两个工作轮外伸在两个轴承之外，转子式透平膨胀机的核心部件，除要求良好的空气动力性能外，转子式透平膨胀机的核心部件，除要求良好的空气动力性能外，由于它是高速转动零件，还要求有较高的动平衡精度及要求自由于它是高速转动零件，还要求有较高的动平衡精度及要求自振频率（临界转速）远离其工作转速。振频率（临界转速）远离其工作转速。喷嘴：透平能量转换的主要部件，近年来均采用叶片可以转动 的可调喷嘴，以调节流道的通流面积，从而调节气量。材料为3Cr13或2 Cr13等。密封：一般分为内密封和轴密封。内密封为膨胀端叶轮与扩压器之间的密封，减
14、小驱动气体泄漏，如图（5-39）。轴密封为膨胀机轴承箱两端密封，避免膨胀段的冷气体向常温段的轴封泄漏，不仅造成冷损失而且会使轴承的润滑油冻结而造成损坏，因而采用轴封加以阻止。轴封形式为迷宫密封，一种非接触式动态密封，图（5-40）（本站膨胀机轴封形式为a，中间通密封气）。密封器径向间隙为：0.040.06mm，间隙超标必须更换密封器。膨胀端及风机端轴密封都通有密封气，密封气压力0.04MPa。密封气小于该压力可能导致密封不严，可能导致轴承箱进入冷态介质气。在膨胀机（膨胀端）排气侧，为防止喷嘴与工作轮间的气体不经工作轮而直接泄入扩压室，在工作轮端设置了密封，同时在工作轮背面，为防止低温带压气体向
15、外泄漏，设置了石墨衬料内轴封，能保证很小的间隙值。因此，为了控制气体的泄漏，必须向轴封中通入密封气体（干燥空气或氮气），其压力要根据间隙压力的大小来控制。因此设置一差压控制阀，调整时应使密封气压力比间隙压力高。以防止轴封中发生窜流。4间隙压差是间隙压力和膨胀机出口的压差，当膨胀机间隙压力与膨胀端出口压力压差0.21MPa时，压缩机连锁停机，并及时查明原因，从根本上解决问题。间隙压力是指膨胀机叶轮背面与涡壳之间的压力，是进入膨胀机的压力空气经喷嘴与叶轮之间的间隙漏入的，它的高低与机前压力、膨胀机转速、密封气压力都有关系，如果间隙压力大幅增高，或剧烈抖动，说明膨胀机已经带液，原因是机内液滴在高速旋
16、转叶轮的离心力作用下，被甩到叶轮边缘并急剧汽化压力迅速提高，并通过喷嘴与叶轮之间的间隙进入叶轮背面与涡壳之间，造成间隙压力升高并抖动。间隙压差指间隙压力与出口压力的差值。4对间隙压力特别注意，间隙压力与出口压力之间的压差与止推轴承的负荷有直接关系，提供一控制器（压力表）来监视该压差。该压差不得超过其规定的最大值。4如果测得的间隙压力高于正常值，可能有以下原因：（1）实际运行参数偏离设计值。（2）安装不正确。（3）液体进入喷嘴和叶轮间的空间。（4）膨胀机叶轮流道有“冰”堵现象。为防止间隙压力过高引起机器故障，因此在出现间隙压力过高时必须查明原因，及时处理。传动机构：调节转动喷嘴的角度，以改变喷嘴
17、流道的面积而设定，膨胀机流量调节是通过一执行机构改变喷嘴角度来实现的。喷嘴宽度与阀杆行程的设定有关阀杆通常有手动及遥控两种。4轴承：支撑主轴并保证主轴顺利稳定运转，为了保证主轴的轴向定位并承受一定的轴向力，除径向轴承外，还有推力轴承，常用的有油及气体轴承。4油轴承（润滑油润滑轴承）：承载能力大，可靠性好，轴承线速度可达70米/秒。油轴承具有承载能力必须具备三个条件：存在油楔、具有相对运动、油有一定的粘性。4气体轴承（空气润滑）：用于小型高速转子4空压站透平膨胀机径向和止推轴承，是按水力学油膜润滑理论设计的，只要安装正确并提供清洁而充足的润滑油，它们就能保证转子的良好运转而不致磨损。轴承的排油经
18、回油管回入油箱。轴承温度用铂电阻温度计测量。4膨胀机径向支持轴承、推力支持轴承监测温度75时，膨胀机连锁停机。4膨胀机膨胀端轴承（内轴承）温度15 时（冷态介质气可能进入轴承箱），仪表连锁低报。轴承使用标准如下：轴承使用标准如下：径向轴承间隙：径向轴承间隙：0.040.040.056mm0.056mm，推力轴承间隙：，推力轴承间隙：0.1350.1350.175mm0.175mm。轴承超过标准必须更换，因该轴承为不可修复轴承。轴承超过标准必须更换，因该轴承为不可修复轴承。4润滑油自油箱由油泵输入进油管，经油冷却器和切 换式滤油器后分配到各润滑点，再经回油管回到油 箱。另外，设置一蓄油器，油泵开
19、动时，自行充油，再以保证油压降低联锁停车时必要的润滑。通过回 流阀(控制油箱回流阀开度)可以调整油压。4润滑油要求使用按GB11120-89的L-TSA32汽轮机油。为保证机器用油的品质，在运行200小时后要进行 第一次油更换，此后在滤油器清洁的前提下，至少 一年换油一次。只有在油的特性经检查确认良好的 前提下，才可延长换油时间。4润滑油供油压力为：0.18-0.3MPa，润滑油压力低于0.18MPa时，系统油压低报，另外一台油泵自动启动。润滑油压力高于0.30MPa时，系统油压高报，安全阀自动打开。4润滑油箱油温15 时，仪表连锁低报。润滑油箱油温 25 时，仪表连锁高报。4在膨胀机膨胀端进
20、口处设置一紧急切断阀，其目的是在膨胀机处于危险状态时，能在很短的时间（1.0秒）内切断气源（氮气）而使其快速停车，起到安全保护作用。4从膨胀机制冷量的公式，可以看出Q=Gh0s4如果改变制冷量Q，可以通过改变气体的流量G、等熵焓降h0及其等熵效率s三个因素中的任何一个来实现。通常把改变膨胀气体在进出口状态参数的调节，称为质的调节；改变气体流量的调节称为量的调节。1、进口节流调节 通过进口调节阀开度的变化，改变膨胀机前的气流压力，从而膨胀机的焓降h0及其等熵效率s同时发生变化，以实现调节产冷量的目的。、转动喷嘴叶片角的流量调节 这种调节是利用转动喷嘴叶片，因而改变其流通面积，达到改变膨胀机的流量
21、，从而改变其制冷量。、改变转速 通过关小回流阀来改变膨胀机的转速，达到调节冷量的效果。1 1、膨胀量：、膨胀量：膨胀量越大，影响氧提取率，氧提取率越底，膨胀量需同时膨胀量越大，影响氧提取率，氧提取率越底，膨胀量需同时满足冷量平衡及精馏工况的需求。满足冷量平衡及精馏工况的需求。2 2、机前温度：、机前温度：提高机前温度，单位制冷量提高；提高机前温度，单位制冷量提高；3 3、机前压力：、机前压力：提高机前压力，增大膨胀比，单位制冷量提高；提高机前压力，增大膨胀比，单位制冷量提高；4 4、绝热效率。、绝热效率。膨胀机启动前的检查和检修后第一次试机的确认膨胀机启动前的检查和检修后第一次试机的确认膨胀机
22、在启动前，操作人员必须做到如下方面的检查膨胀机在启动前，操作人员必须做到如下方面的检查 日期：日期：1、电气、电气方面的检查：方面的检查：2、仪表、仪表方面的检查：方面的检查：3、静设备、静设备方面的检查：方面的检查：4、动设备、动设备方面的检查：方面的检查：5、操作人员、操作人员的检查：的检查：检查结果：检查结果：检查人签字：检查人签字：运行部六单元运行部六单元3、静设备、静设备方面的检查：方面的检查：4、动设备、动设备方面的检查：方面的检查：检查结果：检查结果：检查人签字：检查人签字：运行部六单元运行部六单元1.1.轴承温度太高：轴承温度太高：（1 1）供油不足。供油不足。（2 2）油路不
23、清洁（油过滤器堵塞）。）油路不清洁（油过滤器堵塞）。2.2.内轴承温度太低，其危害是：温度太低会使轴承间隙太小而影响内轴承温度太低，其危害是：温度太低会使轴承间隙太小而影响正常运行，严重时还会引起润滑油固化。其原因有：正常运行，严重时还会引起润滑油固化。其原因有：（1 1）轴封间隙太大。）轴封间隙太大。（2 2）轴封气压太低。）轴封气压太低。（3 3）停车时装置冷气流的窜流，因此必须启动油泵加温轴承。）停车时装置冷气流的窜流，因此必须启动油泵加温轴承。3.3.膨胀机带液：膨胀机出口带液量较大时（超过设计带液量较多），膨胀机带液：膨胀机出口带液量较大时（超过设计带液量较多），容易打坏喷嘴环和叶轮，同时由于这是叶轮起了容易打坏喷嘴环和叶轮，同时由于这是叶轮起了“泵泵”的作用，会的作用，会使间隙压力增高，加重止推轴承的负荷，可能引起轴承等零件的损使间隙压力增高，加重止推轴承的负荷，可能引起轴承等零件的损坏。坏。4.4.固体颗粒进入膨胀机固体颗粒进入膨胀机 此时也会打坏喷嘴环和叶轮，因此就要检查机前过滤器的工作是此时也会打坏喷嘴环和叶轮，因此就要检查机前过滤器的工作是否良好。否良好。
