天然气透平膨胀机工作原理

天然气透平膨胀机工作原理

天然气透平膨胀机工作原理

第一部分基础理论简介

一、概述

目前低温技术应用非常广泛，从航天到超导，从气体分离到能量回收等，而低温能量的获得主要靠气体的膨胀，特别是气体的等熵绝热膨胀，透平膨胀机则是实现这一膨胀的有效设备，现已广泛用到气体液化分离、能量综合利用等方面。

二、膨胀机的形式

1、活塞式膨胀机：通称容积型，其特点是适宜于小流量、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、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。

按工作原理分：

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。

按气流流流动方向分：

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。

三、透平膨胀机基本结构及工作原理

1、基本结构

膨胀机由通流部分、制动器及机身三部分组成

膨胀机通流部分：蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器

制动器：1）压缩机——入口管、叶轮、扩压器、蜗壳2）风机——入口管、叶轮、扩压器、蜗壳

3）电机或油制动器

机身：支撑和隔热作用

2、工作原理

1）气体在喷嘴中流动

设置喷嘴的目的是使气流的动力能转变为气流的速度能并且使

气流降温，在喷嘴前后存在着压差，这些压差推动着气流流动。当气流通过喷嘴时由于减压膨胀而使焓值降低，即使压力、温度下降，这些焓降转变成气流的动能，使在喷嘴出口处气流获得巨大的速度，因此喷嘴主要解决的问题是保持合理的形状以减小各种损失。

喷嘴在结构上可分为三段：即进口段、主体段、出口段

主体段又可分为2类：渐缩喷嘴（当喷嘴出口马赫数小于等于1）缩放喷嘴（当喷嘴出口马赫数大于1）

2）气体在工作轮中的流动（反动式透平膨胀机）

工作轮的作用：

（1）把喷嘴出来的高速气体的动能，通过工作轮转化为机械能并由主轴外输出做功，以降低内能使温度进一步降低。

（2）使气体在工作轮进一步膨胀做功，进一步降低气体的焓值和温度；

（3）改变气体的流动方向，使它由径向转化为轴向流动

反动度：气体在工作轮中膨胀的程度

反动度（ρ）=工作轮内的等熵焓降（h2s）/总的等熵焓降（h0）工作轮结构：目前常用的是带径向叶片的半开式和闭式叶轮

工作轮可分为主体段：使气流由外圆向中心的径向流动导流段：使气流由径向转为轴向流动（减少流动损失，提高效率）

3、气体在扩压器中的流动

为了使工作轮流道避免减速运动，以减少流动损失（工作轮出口速度可达到50—80米/秒，甚至更大），为了充分利用能量及减少管道流动摩擦损失，在工作轮出口外设置扩压器（与喷嘴作用相反）。

四、透平膨胀机的组成

主机、密封气系统、供油系统、仪控系统

1、主机：主机由蜗壳、转子、喷嘴、传动机构、轴承、密封、机身

1）蜗壳；它是为了使气流顺利改变方向并均匀分配给喷嘴，原则上保证气流在出口内圆上成轴对称流动。材料为铝合金、铜合金或不锈钢。

2）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。

3）转子：由主轴、膨胀机工作轮、增压机工作轮及轴封组成。通常采用的双旋臂转子，即两个工作轮外伸在两个轴承之外，转子是透平的核心部件，除要求有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振频率（临界转速）远离其工作转速。

4）轴封：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。

5）压机轮：回收膨胀机发出的功，仅是一种制动器。

6）主轴：传递功率的零件，一段在常温，另一段在低温下工作，要求有足够的刚性、强度。材料为不锈钢或合金钢。

7）传动机构：调节转动叶片的角度，以改变喷嘴流道的面积而设定，通常有手动及遥控两种。

8）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。

油轴承：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。

气体轴承：小型高速转子

9）机身：水平剖分式及整体式

2、密封气系统

由于透平膨胀机侧通常工作在低温状况之下，而其轴承机身有处在常温环境之中，为了减少高压低温气体通过迷宫密封的泄漏而降低冷量损失，防止轴承润滑油冻结造成整个机组失效，在机组中采用常温的密封气体通入密封中段，以阻止低温气体向轴承段泄漏，保证机组的安全。

3、润滑油系统

油田气透平膨胀机一般工作在压力高、转速高的环境下，因此对轴承的润滑供油系统有比较高的要求，主要是供油压力、油量、清洁度及油气分离等。

供油系统主要有以下几部分组成：

1）油箱：采用密封的压力油箱，有利于进入油箱气体的回收利用，防止可燃气体的外漏。

2）油泵：连续提供应具有一定压力、油量的润滑油

3）油冷却器：冷却通过轴承后温度上升的油，保证油的粘度。4）油过滤器：过滤油中的固体微粒，保证润滑油的清洁度。

5）蓄能器：贮油蓄能作用，保证因停电等突然故障能向机组有一分钟左右供油量，从而保证机组的安全。

6）油气分离器：分离进入油箱的润滑油中的气体。

7）液流阀或安全阀：调节供油压力或保证油泵出口压力不过高。

4、仪电控系统

适时监控机组运转情况及采集机组运行数据，保证机组安全运行。

五、透平膨胀机的调节

透平膨胀机提供了低温装置所需的主要冷量，为了维持装置的冷量平衡及适应装置工况的改变，要求对膨胀工况能进行调节，特别是天然气透平膨胀机，更要求机组能适应气源及装置的工况变化。

膨胀机的制冷量Q决定下列因素：

Q=GH sηs

G：通过膨胀机的气量

H s：通过膨胀机工质的等熵焓降

ηs：膨胀机的等熵效率

1、透平膨胀机的特性曲线

为了充分利用压力能来最大限度地提供冷量，提高整个装置的经济性，要求透平膨胀机有较高的效率，并使透平膨胀机在最佳工况下运行，在透平膨胀机运行中影响效率最大的一个因素是特性比U1/C0，U1是工作轮外圆处的线速度，C0是在理想状态下，