透平膨胀机技术现状
天然气差压发电项目用膨胀机介绍与关键技术问题研究
天然气差压发电项目用膨胀机介绍与关键技术问题研究摘要：天然气差压发电技术，是一种低碳能源创新技术, 天然气差压发电作为高效、洁净的优质能源将得到越来越广泛的应用，在我国电力行业具有广阔的市场前景,天然气差压发电用向心膨胀机是透平机械中一个重要分支，是一种把流体能量转换为机械能的原动机，膨胀机在天然气差压发电项目中应用的主要目的是尽可能多的回收天然气能量用来发电。
关键词：差压发电膨胀机装置天然气技术问题1、引言当今工业领域全面聚焦“双碳”目标，积极探索能源供给侧减碳新路径，积极构建天然气创新创效模式，加速差压发电项目落地，全力拓展新能源业务，实现天然气产业链价值最大化提升，成为目前诸多公司参与的重点项目，天然气差压发电项目利用压力差能量，通过膨胀机将其转化为机械能驱动发电机发电，本文就差压发电用膨胀机进行介绍与关键技术问题展开研究。
2、天然气差压发电用膨胀机介绍在天然气、油田气这些自然气源方面，往往具有很高的能头，因此比较多使用向心式透平膨胀机，这里膨胀机的功率常常可直接用来发电，膨胀机从天然气中回收动力带动发电机发电，并使气体降低至下游管网压力。
典型的天然气膨胀机是齿轮组装式向心膨胀机，主要由以下部件构成。
1、定子：定子主要包括机壳、型环、入口导叶及导叶调节机构等，机壳是透平机最重要的承压部件，经过精密加工，以防泄漏。
型环可设计成可磨涂层结构，从而减小叶轮与定子间的间隙，提高膨胀机效率。
导叶调节机构是用来控制导叶开度，从而控制进气流量。
2、转子：转子由叶轮、锁紧螺母、主轴组成，膨胀机通常使用半开式叶轮，叶轮与主轴采用端齿形式连接。
3、轴承：采用压力油润滑的滑动轴承，支撑轴承为四油叶轴承，推力轴承为金斯贝雷式轴承。
4、轴端密封：因介质为天然气，膨胀机要求无泄漏，因此轴端密封使用干气密封。
5、底座：膨胀机配置整体撬装钢结构底座，带地脚螺栓、调平垫块。
底座配置有吊耳6、油系统：整个油系统撬装在膨胀机与发电机的公共底座上，包含油箱、管道、管件、阀门等，主要向膨胀机润滑系统、发电机润滑系统供油。
透平膨胀机运行效率低的原因及解决方法
The causes and solution for low run efficiency of turbine expander Zhu Bin1, 2
( 1 Oxygen Fact ory , Shougang Group Guiyang Special I ron & Steel Co. , L td . , 10 Youz ha Street , G uiyang 550005 , Guiz hou, P . R . Chi na; 2 School of Mechani cal Engineer ing, G ui zhou Uni versity , H uax i , G uiyang 550025 , Guiz hou, P. R . China) Abstract: Aft er repair, t he run ef ficiency of Model PL K2500 2 4 83/ 0 37 t urbine expander is slig ht ly low,
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PL K2500 2 4 83/ 0 37 型透平膨胀机结构如 图 1 所示 , 其特点为 : ( 1) 工作 轮采用 半开式、径 ! 轴流 向心式 叶 轮, 叶片数为 12, 材料采用 ZL Zn7, 精密浇 铸而 成。 ( 2) 风机叶轮叶片数为 14, 材料采用 LD5 锻 铝件 , 叶片进口扭曲部分用靠模弯曲。
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w hich is increased by replacing flow guider, decreasing t he pressure aft er t he flow guider, adjusting t he gap bet ween the working wheel and diff user and reducing t he inner leakag e loss. H ere, t he st ruct ure, t echnical paramet ers and operating parameters of t urbine ex pander are brief ed, the low run efficiency and it s causes are analyzed and the correct ive measures and eff ect s are described. Keywords: T urbine ex pander; Eff iciency; Dy namic balance; Flow guider; Inner leakagn。 # 在开机过程中发现 1 透平膨胀机的运行效率 比 2 透平膨胀机低, 由于空分设备开车时需要大 # 量冷量 , 无法停运 1 透平膨胀机 , 只能在出氧后 停运 , 然后扒砂、拆检。 10 月 12 日 , 空分设备顺 利生产出氧气, 氧气产量为 1000 m 3 / h, 停运 1 透 # 平膨胀机 , 2 透平膨胀机维持运 行。经过近 一周 时间的调整, 空分设备各参数达到设计工况 , 氧气 产量达到 1700 m / h 、纯度 99 8% 。
油气混合氦透平膨胀机在EAST低温系统中应用现状研究
油气 混 合 氦 透 平膨 胀 机在 Ｅ Ｓ Ａ Ｔ低 温 系统 中应 用现 状研 究
王 学敏 朱 平 付 豹
安徽合肥 ２０ ３ ） ３０ １
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ 中国科学 院等离子体物理研究所
摘 要 ：介 绍 用 于 Ｅ Ｓ （ ｘｅ ｍ ｎａ Ａ ｖｎｅ ｕ ｅｃｎ ｕｔ ｇＴｋｍ ｋ 低 温 系 统 中特 殊 结构 的氦 透平 膨 胀 机 ，并 Ａ Ｔ Ｅ ｐｒ ｅ ｔ ｄａｃｄｓ ｐｒ ｄ ｃ ｎ ｏ ａ ａ ） ｉ ｌ ｏ ｉ 且指出在当前 降温过程中氦透平膨胀机不稳定性问题。分析 ２种降温模式 （ 使用透平 Ｄ和不使用透平 Ｄ）对制冷机性 能的影响 ，结果表明不使用透平 Ｄ将会大大降低制冷 机的性能。在 现有条件下提 出对静压气体轴承 的改进设计 ，试验 结 果表 明此 方 法能 有 效 改善 氦 透平 膨 胀 机 的稳 定 性 。 关键 词 ：Ｅ Ｓ ；低 温 氦 透平 膨 胀 机 ；静 压 气体 轴 承 ；稳定 性 ＡＴ
2023年工业透平机械行业市场发展现状
2023年工业透平机械行业市场发展现状工业透平机械行业是一个关键的技术和设备领域，在国民经济和社会发展中具有重要的地位和作用。
该行业的产品广泛应用于电力、航空、船舶、汽车、石化、冶金、医药等众多领域。
目前，我国的透平机械行业发展火热，市场前景广阔，但中高档产品依然面临市场垄断和压价烦恼。
一、市场需求近年来，我国新能源、生态环保、高端装备、现代制造业等行业的快速发展，对透平机械行业发展提出了更高的要求和更严峻的挑战。
同时，我国透平机械行业需求来源国外，市场需求也受到国际经济形势的影响。
根据统计，近年来，透平机械行业需求增长的主要领域为：发电行业、石化行业、船舶行业、冶金行业以及新能源领域。
二、行业主要发展方向当前，透平机械行业的主要发展方向为：一是产品向多元化、高档化、高效化、自动化、信息化、智能化方向发展；二是创新型企业不断涌现，研发能力得到提升；三是产业集群和优势产业链不断形成，具有重要的区域性和产业性。
三、行业难点问题透平机械行业在发展过程中还存在着一些难点问题：一是中高档产品的国内市场垄断现象较为突出；二是一些中小型企业生产线存在问题，还需要进行技术改造和更新换代；三是金属材料高昂，加工难度较大，导致生产成本相对较高。
四、应对措施要解决透平机械行业面临的问题，需要采取以下措施：一是通过资金投入和税收优惠政策鼓励企业开展技术创新和新产品开发；二是推进机械行业转型升级，促进行业发展得到更大提升；三是鼓励企业通过技术创新、科研开发等手段降低生产成本，实现效益最大化。
总之，透平机械行业在我国的市场发展前景广阔，未来还需要各界的共同努力，促进行业创新发展和优势突出，提高核心竞争力，以适应经济全球化的市场竞争压力，实现行业良性、稳健发展。
氦透平膨胀机在我国的发展
１ 引言
近年来 ， 随着超导技术 、 太空探索以及大型低 温项 目的发展 的需 要 ， 氦 制冷／ 液化 系统 发挥 着至
关重 要 的作用 ， 而 高 效 稳定 的氦 透 平 膨胀 机是 氦
以及在制冷温度和制冷 量上有着不可替 代 的优 势， 小型氦膨胀机也可用于卫星和飞船 的空 间红 外遥感 以及深空探测 ， 如哈勃太空望远镜 （ Ｈ Ｓ Ｔ ） 中红外照相机和多 目标频谱 仪（ Ｎ Ｉ Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ ） 的冷却
系统就 采用 了小 型氦 膨胀 机 。
因此 ， 开展具 有 高 性 能 的 键设 备 。 在９ ． ６ Ｋ和 １ ８ Ｋ时， Ｎ ｂ Ｔ ｉ 和Ｎ ｂ ｓ ｎ分 别成 为
究， 对 国 内在超 导 、 加速器、 空 间 环境 模 拟 等重 大 国防科 研 项 目的研究 具有 非 常重要 的意 义 。 国内从 事 氦气 透 平 膨胀 机 的研 究 较 晚 ， 目前 从事 氦透 平膨 胀机 研 究 的单 位 主要 有 ： 中国科 学
低 温 与 超 导 第４ ２卷 第 ２期
低 温 技 术
Ｃｒ ｙ ｏ ｇ ｅ ｎ ｉ ｃ ｓ
Ｃ ｒ ｙ ｏ ． ＆Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｄ Ｖｏ １ ． ４ ２ Ｎｏ ． ２
氦透 平膨 胀 机在 我 国 的发 展
常旭 宁 ， 孙俊芳 ， 乔佳 ， 程进 杰 ， 孙郁 ， 孙立佳 ， 张武
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｈｅ ｌ ｉ ｕ ｍ ｅ ｘ ｐ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ ｉ ｓ ａ ｋ ｅ ｙ ｃ ｏ ｍｐ ｏ ｎ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｈ ｅ ｌ ｉ ｕ ｍ ｒ ｅ ｆ ｒ ｉ ｇ ｅ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ ｌ ｉ ｑ ｕ ｅ ｆ ｉ ｅ ｒ ．Ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ｒ ｅ ｖ ｉ ｅ ｗ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｈ ｅ ｌ ｉ ｕ ｍ ｅ ｘ ｐ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ａ ｓ ｔ ３ ０ ｙ ｅ ａ ｒ ｓ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ， ａ ｎ ｄ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｇ ａ ｓ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｅ ｓ ｔ ｂ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｂ ｕ ｇ ｇ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ ，ａ ｎ ｄ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｆ ｕ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｈ ｅ ｌ ｉ ｕ ｍ ｅ ｘ ｐ ｎｄ ａ ｅ ｒ ． Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｈｅ ｌ ｉ ｕ ｍ ｔ ｕ ｒ ｂ ｏ—ｅ ｘ ｐ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ ，Ｇ ａ ｓ ｂ ｅ ａ ｒ ｉ ｎ ｇ ｓ ，Ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｂ ｅ ｄ
orc系统向心透平膨胀机动态特性研究
摘要应用有机朗肯循环（ORC）将低品位热能转换为高品位电能，适用于工业废热、地热能、海洋温差能等领域。
ORC系统具有结构简单、环境友好、无有害气体排放等特点，其关键的换能设备是有机工质膨胀机。
本文在实验室搭建的ORC低温余热发电实验平台上，对自主设计的向心透平膨胀机进行性能研究。
分别研究了向心透平的工作性能和转子系统的振动特性；对向心透平流动特性、转子系统临界转速以及不平衡响应特性进行了实验和数值研究，并优化了透平的结构。
以R123为工质，实验研究了向心透平及其系统的性能变化规律。
对向心透平转轴的径向振动进行了测量，研究了转子系统的振动特性。
结果表明：随着工质流量的增加，透平转速增大，存在最佳转速，使得向心透平等熵效率最大；随着热源温度的升高，最佳转速不断增大；随着冷源流量的增加，向心透平的压比、转速以及膨胀功率不断增加，系统热效率逐渐升高；随着透平转速的增加，转轴径向振动幅值增加，振动峰值的特征频率增大；向心透平的最高转速达到54850r/m，等熵效率最大值为83.6%，膨胀机最大功率为3.041kW，达到设计要求。
使用ANSYS Fluent 软件，建立向心透平内部流动的单流道数值计算模型，研究不同的导叶安装角、导叶静叶数以及动叶的非可展直纹抛物面对内部流动特性的影响；根据实验数据，对比工质流量、膨胀功率以及等熵效率等参数的计算值，验证了单流道模型的正确性；根据数值研究结果，对透平结构进行了优化，导叶优化后，周向速度提高7.4%，速度系数提高1.12%；动叶优化后，叶轮效率提高 1.05%，最大叶轮效率为90.3%。
向心透平整级优化后，总-静效率提高1.7%。
利用ANSYS Workbench软件，对叶轮进行了模态分析，得到叶轮和转子前八阶固有频率及振型，并对向心透平转子系统进行临界转速分析。
结果表明：预应力下的叶轮固有频率大于无预应力的情况，离心力对叶轮的刚化作用明显；实验用转子系统一阶临界转速为33218r/min，二阶临界转速为65061 r/min；随着轴承支撑刚度的增加，临界转速先快速增大后逐渐缓慢增加，选取转子系统的轴承刚度为1×108N/m较为合理；随着转轴轴尾伸长量的增加，转子临界转速不断减小；随着叶轮密度的增加，临界转速将逐渐减小。
透平膨胀机生产运行过程中异常原因及解决办法
透平膨胀机生产运行过程中异常原因及解决办法摘要：透平膨胀机在长期的工作运转中，难免会出现各种故障与问题，文章结合透平膨胀机的结构与运行特点，介绍了透平膨胀机在运行过程中出现异常问题的原因，并提出了改进方案与效果，以保证设备稳定和安全运行。
关键词：透平膨胀机改进方案问题分析一、叶轮轴向窜动1.叶轮轴向窜动的因素分析透平膨胀机在变工况运行时，要求轴承具有较高的可靠性。
尤其是在开、停机时，膨胀空气量和压差波动较大，使止推轴承承受较大交变推力负荷，使膨胀机轴向推力不平衡值超过正常允许值，转子振动值超标，轴承和转子的稳定性和适应性遭到破坏，设备损坏，引起叶轮轴向窜动的原因主要有：通常膨胀机增压端叶轮在轮盖上设计有迷宫式密封，虽然减少了空气泄漏，但却导致了叶轮前后压差过大，从而导致增压轮产生较大轴向力，易使止推轴承损坏。
分子筛吸附器操作不当或净化失效，二氧化碳进入低温系统，在不同温度和压力下，二氧化碳由气体变成固体并聚集成大块的干冰，当温度升高时又急剧汽化膨胀，对工作轮产生一个径向和轴向作用力，破坏转子旋转轨迹，引起轴向窜动。
燥塔分子筛失效，脱水效果不佳，在膨胀轮叶片上形成水化物，堵塞叶轮流道，造成膨胀端轮背压力升高，使轴向力不平衡值指向膨胀端。
透平膨胀机轴向推力平衡器调节阀关闭不严，平衡作用失效，内漏造成增压端轮背压力降低，使轴向力不平衡值指向膨胀端。
2.改进方案2.1改进转子结构：取消增压端叶轮轮盖密封，以降低轴向推力；更换主轴材质，以增强其强度和刚度，降低叶轮摆动。
2.2当透平膨胀机内出现液体造成振动时，压力表会急速跳动，温度指示波动，应迅速降低膨胀机转速，或停止膨胀机运行，并打开蜗壳吹除阀和出口吹除阀，排尽液体，同时设法提高膨胀机进口温度。
2.3在膨胀轮背开平衡孔，使膨胀端与出口处接通，保持轮背压力和出口压力基本平衡，从而消除膨胀端的不平衡轴向力。
2.4增强密封轴套的强度。
加大轴套止推面厚度，使其能承受较大轴向推力。
透平膨胀机
透平膨胀机1、空分设备配套膨胀机的基本要求及工作原理绝热等熵膨胀是获得低温的重要途径之一，也是对外做功的一个重要热力过程。
而作为用来使气体膨胀输出外功以产生冷量的膨胀机，则是能够实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。
膨胀机可分为活塞式和透平式两大类。
一般来说，活塞式膨胀机多用于中高压、小流量领域。
而低中压、流量相对较大的领域则多用于透平膨胀机。
随着透平技术的进一步发展，中高压、小流量的大膨胀比的透平膨胀机在各领域也有越来越多的应用。
与活塞膨胀机相对比，透平膨胀机具有占地面积小（体积小），结构简单，气流无脉动，振动小，无机械磨损部件，连续工作周期长，操作维护方便，工质不污染，调节性能好和效率高等特点。
对空分设备来说，低温精馏装置冷量损失的及时补流，产品产量的有效调节等都使得为其提供充足冷量的膨胀机显得尤为重要，可以说它是空分设备的心脏部件之一。
随着科学技术的不断进步，现代空分设备对膨胀机提出了更高的要求，更高的整机效率，更好的稳定剂调节性能，更安全级可靠的保护系统，更长的运行周期及使用寿命等等。
特别是随着内压缩流程空分设备和液体、液化设备等广泛使用，中压甚至更高等级透平膨胀机使用的越来越多。
这类产品膨胀机出口气体常带一部分液体，有的具有很大的膨胀比。
活塞膨胀机是利用工质在可变容积中进行膨胀输出外功，也称为容积型膨胀机。
工质在冷钢内推动活塞输出外功， 同时本身内能降低。
透平膨胀机是利用工质在流道中流动时速度的变化来进行能量 转换，也称为速度型膨胀机。
工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获 得动能，并由工作轮轴端输出外功， 因而降低了膨胀机出口工质的内 能和温度。
2、透平膨胀机的分类工质在工作轮中膨胀的程度， 称为反动度。
具有一定反动度的透 平膨胀机就称为反动式透平膨胀机。
如果反动度很小甚至接近于零， 工作轮基本上由喷嘴出口的气体推动而转动， 并对外做功， 这种透平 膨胀机被称为冲动式透平膨胀机。
低温氦透平膨胀机的研究进展
1 大型变容量氦透平膨胀机
在一些热核聚变反应堆中 , 需要采用工作温度 在 4 K 左右的大型低温氦制冷装置 ; 同时考虑到反 应堆在备用状态下的热负荷较工作时的波动较大 , 因此希望氦制冷装置能够在较大的冷量范围内进行 调节 , 从而减少额外的能量消耗 , 提高装置经济 性。
表 3 美国 Creare 公司研制的氦透平膨胀机设计参数
工作轮 氦气流量 进口温度 出口温度 进口压力 膨胀比 制冷量 等熵效率 工作转速
直径/ mm g/ s
K
K MPa
W % r/ min
4176 5010 6 51025 119 816 444 7212 384 000
摘要 :对低温氦透平膨胀机的近期研究进展进行了介绍 ,特别指出了动压气体轴承在透平膨胀机中的应用现状与 前景 。 关键词 :氦透平膨胀机 ;动压气体轴承 ;研究进展 中图分类号 : TB651 文献标识码 :A 文章编号 :100727804 (2003) 0120001206
The Research Development of Cryogenic Hel ium Turboexpander
0 前 言
近年来 , 随着宇宙开发 、核物理和超导技术的 飞跃发展 , 对氦制冷 (或液化) 设备的要求越来越 迫切 。众所周知 , 随着温度的降低 , 一般金属和合 金的电阻也随之下降 , 大多数金属在液氦温度附近 会出现超导现象 ; 另外在液氦温度附近其它气体都 已固化 , 因而在低温空间可造成很高的真空 。根据 氦的这些特性 , 人们将氦液化制冷技术应用于包括 新式换能装置 、气泡室 、加速器 、超导电机 、核磁 共振 、电力输送 、高速计算机 、磁悬浮列车 、宇宙 开发等在内的国防和国民经济的众多部门和领域 。
2024年工业透平机械市场发展现状
2024年工业透平机械市场发展现状介绍工业透平机械是一种重要的能源转换设备，广泛应用于发电、航空航天、石化等行业。
本文将对工业透平机械市场的发展现状进行探讨，包括市场规模、发展趋势以及存在的挑战。
市场规模近年来，随着全球能源需求的不断增长，工业透平机械市场呈现出良好的发展态势。
根据市场研究机构的数据显示，2019年全球工业透平机械市场规模达到了X亿美元，预计到2025年将以X%的复合年增长率继续增长。
发展趋势1. 清洁能源的推动随着环境保护意识的增强，清洁能源的需求逐渐增加。
工业透平机械作为清洁能源的重要转换设备，将得到更广泛的应用。
尤其是在风能、太阳能等可再生能源领域，工业透平机械将发挥重要作用。
2. 数据驱动的智能化发展工业透平机械领域也面临着智能化的转型。
通过采集、分析运行数据，提高机械的运行效率和可靠性，减少故障发生率，提高维护效率。
随着物联网技术和人工智能技术的不断成熟，工业透平机械将实现更高程度的自动化和智能化。
3. 区域市场的差异化需求不同地区的经济发展水平和能源结构差异巨大，对工业透平机械的需求也有所不同。
发达地区强调高效节能，发展中地区注重透平机械的可靠性和经济性。
因此，透平机械制造商需要根据地区差异来满足市场需求。
存在的挑战虽然工业透平机械市场发展前景广阔，但面临一些挑战：1. 技术难题透平机械的制造和运行需要高精密度和高可靠性，对材料、制造工艺、几何设计等方面提出了更高的要求。
解决这些技术难题需要大量的研发投入和时间。
2. 国际竞争加剧工业透平机械市场是一个国际化竞争的市场，来自发达国家的制造商具有技术和品牌的优势。
国内制造商在技术和品质方面需要不断提升，以在激烈的市场竞争中占有一席之地。
3. 环境法规压力随着环境保护的要求提高，对透平机械的排放和能效等方面提出了更高的要求。
制造商需要积极应对环境法规的压力，提升产品的环保性能。
总结工业透平机械市场在清洁能源推动、智能化发展和区域市场需求差异化的趋势下呈现出良好的发展态势。
透平膨胀机及发展动态_江楚标
油田气
71 04
21 99
- 421 0
1910
31 10
31 609
- 751 76
36121
27122
26666
011397
\80
\74
27440
27440
该膨胀机从 1999 年 11 月 2 日起在吐哈油田试 车运行, 于 2000 年 1 月 6 日由用户验收投产 ( 其 中经 72 小时满负荷 运行验收合格) 。机 器运转稳 定, 振动小, 仪控系统操作简单可靠, 完全满足工 艺流程和现场生产的要求。
表 2 是笔者为某厂做 30000m3/ h ( 氧) 外压缩 空分流程的设计方案时, 对其中的增压透平膨胀机 所做询价结果的比较。
出口带一定比例液体的增压透平膨胀机, 即带 液透平膨胀机, 四川空分设备集团公司有较多的业 绩, 积累了较多的设计制造和开车运转的经验。该 公司从 80 年代初开发 油田气丙丁烷 ( LPG) 回收 装置时, 就研制开发出带液量 [ 8% 的带液透平膨
向心径流式透平膨胀机这门技术可以 追溯到 1930 年。透平 膨胀机 首先 应用 于空 气分 离工业, 而后在 1960 年又被用于天然气工业。现在, 透平 膨胀机已不仅用于空气分离、天然气液化、乙烯冷 箱、氢氦液化等低温装置中制取各种温度级的低温 冷量, 在国外还已广泛应用于余压、废热的能量回
收。近几年, 笔者就膨胀机的有关问题与 ATLAS、 CRYOSTAR 及 LOTOFLOW 等公司的 专家进行 过技 术交流, 对几种类型的透平膨胀机进行过询价, 还 得到了几篇这些公司赠阅的有关论文和介绍资料。 笔者越来越感到我国透平膨胀机的设计技术水平、 研究开发能力及应用领域与国外相比, 存在着很大 的差距。因此, 尽管笔者只是从空分流程和液化设 备的角度对透平膨胀机有所了解, 而对透平膨胀机 本身的设计制造技术知之甚少, 但为了促进我国透 平膨胀机的发展和进步, 笔者还是想把我对国外透 平膨胀机目前了解的一些情况介绍给读者, 希望能 对读者, 尤其是对从事透平膨胀机研究开发和设计 的同仁有所启发和帮助。由于笔者不是这方面的专 家, 信息不完整和错误恐所难免, 望读者见谅。
透平膨胀机在节能工艺过程中的应用
透平膨胀机在节能工艺过程中的应用近些年来，化工节能工艺已然成为社会绝大部分领域关注的重点，并促使透平膨胀机在节能工艺过程中的应用得到了弥足发展。
本文就基于以上因素，对当前透平膨胀机在节能工艺过程中的具体应用进行相关研讨，旨在从根本上提升该机械设备自身的运行效率质量，使其能够发挥出重要的实际价值，以期为相关工作人员提供帮助。
标签：透平膨胀机；节能工艺；应用就目前来看，透平膨胀机在实际应用过程中具有能源回收效率高、污染物排放量低等特点，并且其对废弃能源的循环利用也能够充分改善当前存在于社会生产过程中的能源消耗问题，为进一步巩固及夯实节能工艺在社会主义市场经济中的重要地位奠定了坚实的基础，但就目前来看，由于各领域生产需求的日趋增长，透平膨胀机在节能工艺过程中的应用也应进行不断的完善及优化。
1 透平膨胀机的相关概述1.1 透平膨胀机的结构及运行原理透平膨胀机是空气及天然气分离设备的重要组成部分之一，并能够确保相关设备实现稳定及正常的运行。
而透平膨胀机主要的运行原理是结合气体内部自身所产生的压强，并利用设备自身的作用，对气体进行低能耗的转化作用，从而带动起其他机械设备的正常运行[1]。
举例而言，我们在使用车轮打气筒时会发现其外部出现发热情况，这主要是气体在经过一定规律的运动及挤压过程中转化为热量导致，而透平膨胀机则是与之相反，使其气体冷却并产生一定的功率能量，以供正常生产使用。
就目前来看，膨胀机依据其自身结构的不同可分透平及活塞两种方式，同时相较于活塞式而言，透平膨胀机具有运行效率高、能源消耗量少等特征，因此并广泛应用在包括节能工艺中的各个领域之间。
1.2 透平膨胀机的发展现状透平膨胀机理念最早在十九世纪末期被提出，并在几十年后成功研发而出。
同时，由于当时世界各地均以工业生产为主，因此透平膨胀机的使用为改善当时能源危机起到了重要作用。
而随着社会科技水平的不断发展，透平膨胀机也顺应着时代发展的潮流不段进行自我完善与优化，并在原有基础上进一步提升透平膨胀机所产生能量的功率，使其发展为集动力系统、应力分析系统、能源消耗系统、流体计算系统等于一身的综合设备。
透平膨胀机及发展动态
文章编号:100929425(2001)0520001209收稿日期:2001204219作者简介:江楚标(19412 ),男,1965年春毕业于武汉机械学院制冷与深冷专业,本科,原任中国空分设备公司总工程师(退休留用),教授级高级工程师。
透平膨胀机及发展动态江 楚 标(中国空分设备公司,杭州市东新路152号 310004) 摘要 比较了国内外常规透平膨胀机的主要技术参数;重点介绍了国外带液透平膨胀机、全液体透平膨胀机、能量回收用透平膨胀机和磁悬浮轴承透平膨胀机的发展动态。
关键词:透平膨胀机;出口带液量;能量回收;磁悬浮轴承;动态中图分类号:T B653 文献标识码:ATurboexpanders and recent developmentsJiang Chu -biao(China National Air Separation Plant Corporation ,152Dong Xin Road ,Hangzhou 310004,Zhejiang Province ) Abstract :The paper makes a com paris on between the major technical parameters of the conventionalturboexpanders at home and abroad.It hightlights the recent developments in the w orld concerning turboexpanders with condensing liquid ,and those with full condensing liquid turbine expansion and energy recovery and those using active magnetic bearings.K eyw ords :Turboexpander ;Am ount of condensing liquid at outlet ;Energy recovery ;Active Magnetic bearing ;Development1 前言透平膨胀机是低温法空分装置及气体分离和液化装置中的重要部机之一。
透平膨胀机
透平膨胀机透平膨胀机是空气分离设备及天然气（石油气）液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。
透平膨胀机 Turboexpanders1939年，Kapitsa(卡皮查)院士发明了世界上第一台高效率(等熵效率>80％)径流向心反动式透平膨胀机，从而，实现了空分装置的全低压液化循环，即卡皮查循环。
目前向心度较大的反动式透平膨胀机并没有达到它本身通过气量的极限值，特别是因为它的结构简单，又有很高的等熵效率，所以它被广泛地应用在目前国、内外低温技术上。
作用空分设备的心脏部机之一，由气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量，补充系统冷损。
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。
工作原理根据能量转换和守恒定律可知，气体在透平膨胀机内进行绝热膨张对外作功时，气体的能量焓值一定要减少，从而使气体本身强烈地冷却，而达到制冷的目的。
透平膨胀机的实际制冷量总比理论制冷量要小，因此，膨胀机的效率总是小于1。
膨胀机的效率越低，则在相同进、出口压力和进口温度下，膨胀机的单位工质制冷量越小，反映出膨胀机的温降效果越小。
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、油等消耗。
工作方式气体降温在喷咀及叶轮中完成。
喷咀是一种由多个精心设计的叶片所组成的喷射通道（即喷咀流道）。
当高压的气体通过喷咀流道时，由于喷射作用使气体的速度迅速上升并可达到音速。
叶轮是一个由多个叶片所组成轮子，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。
叶轮的通道是经过精心的设计，而且是渐渐扩大的。
叶轮接受从喷咀出来的高速气体，由于喷咀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，当高速气体冲击叶轮的叶片时，使叶轮高速转动。
透平膨胀机技术现状
<透平膨胀机技术现状>关键字：透平,膨胀机,技术现状透平膨胀机按结构可分为轴流式和径流式透平膨胀机。
自1898年英国人劳德.雷利首先提出应用透平膨胀机的设想以来，1930年德国人林德第一次应用单级透平膨胀机获得成功，60年代美、德、苏等国又相应发展了小型高速、大膨胀比、高压大功率等多种用途的透平膨胀机。
70年代能源危机促进了透平膨胀机在能量回收方面的应用。
但是除了大流量、大功率以及高温条件下的膨胀机采用轴流式之外，绝大多数透平膨胀机采用向心径—轴流式。
国外膨胀机制造商在工艺流程的匹配、特殊材料的选用、制造工艺、叶片的设计试验、转子稳定性分析等关键技术方面一直没有停止过进步和发展。
特别是CFD等粘性流场分析软件和ANSYS有限元分析软件的迅速发展更是为透平膨胀机研究、设计、制造提供了强有力的技术基础。
2.1 美国GE公司动力系统成员之一Rotoflow公司是世界上最大的烯烃透平膨胀机生产基地。
该公司研制了世界上第一台天然气压缩机，自此该公司就一直引领烯烃透平膨胀机技术的发展，特别是在两相流—气体带液膨胀技术上居于领先地位。
其透平膨胀机进口压力最高可达到200bar(A)；进口温度最高可达到475℃，最低可达到-270℃；流量最大可达到50万kg/h，转速最高可达到12万r/min，介质范围包含所有碳氢化合物。
40年来，该公司共设计制造了3500余台高技术含量的膨胀机设备。
一般情况下，其膨胀机主要采用向心透平，制动设备包括离心压缩机、发电机以及其他转动设备。
但是，在精炼厂等环境下的高温尾气能量回收膨胀机中也采用轴流透平膨胀机。
2.2美国德莱赛兰公司在能量回收透平膨胀机领域一直是杰出的供应商之一，基本可以满足用户的各种工艺要求。
其透平膨胀机可分为高温（870℃）与中温（535℃）两种类型，输出功率最高可达13万KW，典型应用主要在流化床催化裂化装置（FCC）、硝酸装置、压缩空气蓄能发电装置（CAES）和航空发动机等能量回收装置中。
低温透平膨胀机成长的五十载
低温透平膨胀机成长得五十载一、前言中国空分制造业已经经过了整整五十年了。
回顾五十年,我国得空分行业从无到有,从仿造到自行开发研究,制氧容量从小型得几十立方每小时到目前已经能生产每小时三万等级,从整套制氧机运行需由三五个人手工操作发展到今天在控制室电脑屏幕前由一个人可对整套空分设备进行操作,从流程上来说从一般简单节流流程已经发展到现在根据不同需要可采用不同流程:如正流膨胀流程、反流膨胀流程、增压膨胀流程、内压缩流程等等。
既能达到高得提取率又能节省能耗得新流程。
低温透平膨胀机就是空分设备得心脏,它就是空分设备中最主要得冷源。
它得技术性能水平直接反映出空分设备得水准。
我国6０年代初尚处于仿造当时苏联30、４0年代33５0m３/h制氧机,其中配套得透平膨胀机还就是冲动式(反动度为零)得型式,绝热效率在7０%左右。
经过这四十年得发展,我国得低温透平膨胀机已经从原只能仿造逐步发展成完全可以自行开发在空气液化分离设备;石油气天然气得液化及分离;氮、氦气体得液化;氦制冷设备;航空航天环境拟设备上得广泛应用,为我国在冶金、化工、石化、核物理与航空航天事业上挥了重大得作用。
二、我国低温透平膨胀机发展得主要里程1、6０年代初,在当时得机械部得大力支持下,当时杭州制氧机研究所第一副所长陈大慈积极指导下,我们几位刚毕业得大学生接受了开发低温透平膨胀机得任务。
在当时缺乏资料情况下,通过不同途径从各个方面收集相关资料,开始了国内首台自行设计低温透平膨胀机得研制,并进行了大量得试验研究。
完成了喷咀相关闭对效率得影响试验;喷咀叶片高度对叶轮进口叶高过盖度对效率得影响试验;反动度对效率得影响试验;制动风机对透平膨胀机得调节性能试验;常温与低温对比效率试验等,并写出了至今为止研究低温透平膨胀机得设计研究还有一定指导意义得《单级向心式空气透平膨胀机得试验研究》学术论文。
2、19７0年我国首台配自行设计中压流程300m3/h制氧机得中压透平膨胀机研制成功,为我国自行研发中压透平膨胀机迈出了与一步。
膨胀机的发展趋势
膨胀机的发展趋势
1. 自动化和智能化：随着工业生产的自动化和智能化趋势，膨胀机也会不断向自动化和智能化方向发展。
通过搭载各种传感器和控制系统，实现自动调节生产参数和监控生产过程，提高生产效率和产品质量。
2. 环保和节能：随着环保意识的增强，膨胀机的发展将更加注重节能和减少排放。
采用高效能的加热系统和节能型的运转装置，减少能源消耗和减少排放，符合绿色制造的要求。
3. 多功能化：膨胀机将不再局限于单一的生产功能，而是向多功能化发展。
可以根据不同的原材料和生产需求，灵活调整工艺参数和生产方式，实现多种产品的生产。
4. 自适应生产：膨胀机将会向自适应生产方向发展，实现根据市场需求快速调整生产线，适应市场的变化，提高生产的灵活性和适应性。
5. 精密化和高效化：膨胀机将不断提高生产精度和效率，通过优化设计和使用先进的制造技术，提高设备的精度和生产效率，实现高质量、高产量的生产。
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透平膨胀机技术现状
关键字：透平,膨胀机,技术现状
透平膨胀机按结构可分为轴流式和径流式透平膨胀机。
自1898年英国人劳德.雷利首先提出应用透平膨胀机的设想以来，1930年德国人林德第一次应用单级透平膨胀机获得成功，60年代美、德、苏等国又相应发展了小型高速、大膨胀比、高压大功率等多种用途的透平膨胀机。
70年代能源危机促进了透平膨胀机在能量回收方面的应用。
但是除了大流量、大功率以及高温条件下的膨胀机采用轴流式之外，绝大多数透平膨胀机采用向心径—轴流式。
国外膨胀机制造商在工艺流程的匹配、特殊材料的选用、制造工艺、叶片的设计试验、转子稳定性分析等关键技术方面一直没有停止过进步和发展。
特别是CFD等粘性流场分析软件和ANSYS有限元分析软件的迅速发展更是为透平膨胀机研究、设计、制造提供了强有力的技术基础。
2.1 美国GE公司动力系统成员之一Rotoflow公司是世界上最大的烯烃透平膨胀机生产基地。
该公司研制了世界上第一台天然气压缩机，自此该公司就一直引领烯烃透平膨胀机技术的发展，特别是在两相流—气体带液膨胀技术上居于领先地位。
其透平膨胀机进口压力最高可达到200bar(A)；进口温度最高可达到475℃，最低可达到-270℃；流量最大可达到50万kg/h，转速最高可达到12万r/min，介质范围包含所有碳氢化合物。
40年来，该公司共设计制造了3500
余台高技术含量的膨胀机设备。
一般情况下，其膨胀机主要采用向心透平，制动设备包括离心压缩机、发电机以及其他转动设备。
但是，在精炼厂等环境下的高温尾气能量回收膨胀机中也采用轴流透平膨胀机。
2.2美国德莱赛兰公司在能量回收透平膨胀机领域一直是杰出的供应商之一，基本可以满足用户的各种工艺要求。
其透平膨胀机可分为高温（870℃）与中温（535℃）两种类型，输出功率最高可达13万KW，典型应用主要在流化床催化裂化装置（FCC）、硝酸装置、压缩空气蓄能发电装置（CAES）和航空发动机等能量回收装置中。
在FCC装置能量回收透平膨胀机上，该公司有30余年设计制造、安装维护的经验，在世界FCC市场上占有率超过60%。
在FCC装置用透平膨胀机有以下特点：单级或双级悬臂刚性转子，先进的表面处理技术提高叶片寿命，760 ℃的入口温度，配有叶片视窗、金斯伯雷轴承、机壳热应力最小化设计。
在硝酸装置中，该公司自1956年开始研制出第一台高效高温多级能量回收透平以来，也生产了60余套。
其主要特点有：进口温度最高可达到704℃，进口压力最高可达到1.7MPa，3～5级设计以满足最优能量回收方案，高压低压分体设计，可倾斜瓦块式轴承。
该公司应用于透平机械的领先技术包括：动力学仿真分析系统、叶片应力及频率分析系统、CFD计算流体力学分析、Unigraphics CAD/ CAM软件、转子动力学分析系统、先进的控制理论等。
2.3德国MAN TURBO 公司在透平膨胀机方面也拥有较多的设计制造经验，可以设计制造单级或多级、轴流或向心多种形式的透平膨胀机。
进口温度最高可达760℃，进口压力可达
20bar(A)，输出功率可达30000kw。
应用领域主要有煤气化联合循环发电装置（IGCC）、催化裂化装置(FCC)、硝酸装置、精对苯二甲酸装置（PTA）、高炉炉顶能量回收装置（TRT）。
2.4德国西门子公司合并了德马格公司后在中高温透平膨胀机领域以PRT机型占有相当大的市场份额，PRT是一种组装式透平膨胀机。
根据流程需要，PRT膨胀机可以与组装式压缩机整体组装在一起，也可单独布置。
为提高运行效率，膨胀机通常带有进口导叶调节装置，其进口温度最高可达550℃，气量可达60万m3/h，回收功率最高可达45000kw。
主要应用于精对苯二甲酸（PTA）装置、硝酸装置等。
2.5日本三井造船株式会社透平膨胀机主要应用于高炉顶压能量回收装置（TRT）中，在世界范围有30多台套的应用。
其主要特点有：反动式轴流透平叶片级，轴向环形进气风筒，适应干式湿式两种工艺流程，100%静叶可调以适应各种工况。
此外，国外主要透平膨胀机生产厂商还有日本三菱重工、美国阿特拉斯公司、美国埃理奥特公司等。
国内概况
当前，我国石油、化工、冶金、空分等行业所用的透平膨胀机大部分从国外进口。
特别是应用于石化、天然气领域的低温膨胀机，如液化石油气LPG）、液态天然气（NGL）、液化天然气（LNG）等工艺流程的膨胀机基本完全进口，大型空分用制冷膨胀机也主要为国外厂商垄断。
近年来，国内各透平机械制造商也在透平膨胀机领域加大研发力度，并且已取得了部分成绩。
3.1陕西鼓风机(集团)有限公司在与国外合作生产的基础上，与西安交通大学等科研院所合作，形成了一定的轴流膨胀机设计生产能力。
其主要业务范围在能量回收尾气透平方面，如硝酸三合一尾气透平5台、硝酸四合一尾气透平4台，TRT高炉尾气能量回收透平近70台，其透平膨胀机主要采用轴流式。
3.2各空分公司，如杭州杭氧股份有限公司、开封空分集团有限公司、四川空分设备（集团）有限责任公司等也先后在引进技术基础之上，开发了一系列的空分制冷膨胀机,已达到为4万空分配套膨胀机的能力。
另外四川空分公司在天然气领域也为我国油田研制了一定数量的轻烃回收用天然气膨胀机装置。
这两种膨胀机均采用径流式。
3.3沈阳鼓风机（集团）有限公司在与中科院合作的基础之上，开发了自主知识产权的径流式透平膨胀机气动设计软件和轴流式透平膨胀机气动设计软件。
在能量回收领域，推出了专利产品向心膨胀机+离心压缩机整合机组，以成本较低、稳定运转时间长，检验维护方便的特点在能量回收领域，特别是硝酸三合一机组中的尾气透平上占有一定市场。
总体来看，由于国外膨胀机技术垄断，加上国内各制造厂商在透平膨胀机方面起步较晚，以及透平膨胀机技术的复杂性，与国外相比仍有相当大的技术差距。