两相流空气分离透平膨胀机的设计

两相流空气分离透平膨胀机的设计
摘要:使膨胀工质进入两相区域,以制取更多的冷量并提高膨胀机的经济性,是空分设备透平膨胀机的设计人员和用户所共同追求的目标。

文章详细介绍为保证两相流空分设备透平膨胀机在高液体含量下运转的可靠性和效率所做的精确设计,试验结果表明这种设计是成功的。

1概述
在使用透平膨胀机的许多工业领域,如石油化工、能量回收发电、空分等行业,都希望膨胀气体能够进入两相区域。

使膨胀气体进入两相区域的动机是经济利益。

膨胀气体进入湿)汽区越深则得到的焓降越多,更多的焓降表明了膨胀机可从膨胀气流中转移更多的热量,并能够提供更多的制冷量,进而提高整套装置的经济性。

根据用户的要求,欧西透平膨胀机公司一直在从事这项工作,努力增加空分设备用透平膨胀机出口能可靠处理的真实带液量。

不同的研究报告表明:空分设备用透平膨胀机可以毫无困难地取得6%~8%的液体含量[1、2],这也是目前工业标准的限定含量。

但是,文献[1]表示空分设备用透平膨胀机也能够达到更高的带液量,Ardashev认为通过控制冷凝点位置的设计,透平膨胀机的液体含量能够达到20%左右。

笔者根据经验,认为通过详细、精确的设计并在保证可靠、高效的前提下,空分设备用透平膨胀机能够达到15%~20%的带液量。

下面将集中讨论这种精确设计(注:透平膨胀机液体量的取得取决于工艺气体的特性,例如:对于轻质的烃类气体,取得20%的出口含液量,就欧西透平膨胀机公司来说是非常普通的设计)。

欧西透平膨胀机公司设计、制造的空分设备用撬装式膨胀机如图1所示。

装置的特点是2台膨胀机安装在一个底盘上。

当气体膨胀比高于12时,双膨胀机能够取得更高的效率。

膨胀机)增压机机芯带气体流路的剖面如图2所示。

这种工艺特点在于膨胀气体的热量从膨胀端取出,并以功率的形式通过主轴传递,最终被增压机所吸收。

2设计时注意的事项
要使运行的透平膨胀机获得较高的出口含液量,在设计时有2个需注意的事项。

2.1运行可靠性
随着透平膨胀机获得更多的出口液体量,液体可能会聚集并形成液滴,当液滴变得足够大时就会对叶轮的叶片外表面进行冲击、侵蚀。

从本质上讲,较重的液体(液体比气体重)在离心力作用下是径向发散出去进而击打叶片,这会缩短透平膨胀机的使用寿命并降低其运行可靠性。

更进一步说，两相区域中较多液体的形成是不稳定的,不在一个固定的位置,这样会引起流动的振荡,使透平膨胀机的振动值加大。

2.2运行效率
由于两相区域中的液体含量较高,膨胀机就要带走部分工艺气体的蒸发潜热。

当液体(典型的雾、小颗粒结构)开始形成时,膨胀气体的最佳气动流路就会受到干扰,使透平膨胀机的运行效率降低。

对于透平膨胀机的设计,最重要的是保证其可靠性,牺牲机器可靠性是不容许的。

有关效率,所有的目的是使膨胀机在接近等熵膨胀的状态下从膨胀气流中转移热量。

所以,膨胀机效率的降低将抵消两相区域中较多液体量的所得。

因此,两相流透平膨胀机效率的降低也是不能接受的。

3两相流的设计
如果非常认真地进行详细的动力学设计,透平膨胀机就能在高带液量下可靠、高效率运行。

要达到这个目的,需要综合先进的真实气体模型、计算流体力学(CFD)、材料科学和试验结果的反馈。

液滴经过膨胀机叶轮流道时所受作用力的分析如图3所示。

可见,叶片顺时针旋转时液滴不会冲击到叶片。

有资料指出[3],膨胀机叶轮出口流体作用力在有效的角度下可以避免液体对叶片表面的冲击,在图3上可以看出最终作用力(Fresult)的方向。

设液滴质量为m,在叶轮进口切线方向上的速度为250m/s,切线出口速度0m/s,叶轮直径200mm,则在切线减速方向的液滴作用力FH为:
式中:VH为叶轮进口切线方向速度;D为叶轮直径。

在参考坐标系中,FH垂直于液滴流道。

在气流减速方向的液滴作用力FS为:
式中:$V为液滴径向进口速度,70m/s;$t
为液滴经过叶轮的时间,01001秒。

在H)S平面上作角度B1:
在Z方向,用公式计算出Z方向的液滴作用力Fz为：
式中:$Vz为液滴轴向出口速度,50m/s。

由此可以得到H)Z平面上的角度B2:
图3中所示矢量合成后的最终作用力几乎沿着叶片的表面。

如果正确设计叶片,合成力的作用是不会引起液体对叶片的冲击。

事实上,正确的动力学设计是使已经形成的液滴在没有损坏叶轮叶片的时候就已顺着相应的气流急速甩走。

因此,对于处理高液体量的两相流,从空气动力学观点来看,设计的目的是使
液滴离开膨胀机叶轮时,其方向与叶片的方向平行,并被很好地引导出来。

要达到这样的设计目的,通过计算流体力学(CFD),用真实气体模型将工艺气流正确地模型化非常必要。

对于空分设备用透平膨胀机来说,用空气动力学模型化使两相流中液体含量达到20%,采用Lemmon和GERG-2004[4、5]2种真实气体公式是成功的,而其他一些引证的真实气体公式在精确度上则相对差些(如:Peng-Robinson, Soave-Redlich-Kwong)。

使用GERE-2004公式经过计算流体力学(CFD)模型化的结果如图4所示。

可以看出,在膨胀机叶轮叶片出口处的速度矢量是靠近叶轮的轮盖处,这表示在膨胀机的出口流体与叶片平行。

速度矢量平行于叶片表面的结果,使任何已经冷凝的液体都不会冲击叶片。

同样,必须非常清楚地关注对膨胀机叶轮出口导流器和锥型扩压器的高水平
设计。

锥型扩压器在膨胀机叶轮出口扩压时建立压力边界条件。

通过膨胀机喷嘴与叶轮流体的预测温度分布如图5所示,这也是根据GERG-2004公式计算得到的。

由图5可见,膨胀机内流体的温度逐渐降低。

有关材料科学,应选择表面硬度高、能耐普通刮擦与腐蚀的材料作为膨胀机的叶轮。

也可以考虑使用硬镀层的膨胀机叶轮,但是,硬镀层叶轮用在含液量为
15%~20%的空分设备用膨胀机上则毫无必要。

4试验结果
经过4小时两相流状态试验后的膨胀机叶轮如图6所示,叶轮上没有出现任何液体对叶片侵蚀的迹象。

当然,4小时的时间太短,以致不能得出一般性的结论。

试验中得到的轴振动值如图7所示。

这样的振动值水平是可以接受的。

5结束语
受空分设备工艺流程经济利益的驱使,空分设备的用户希望使用的透平膨胀机带有较高的液体含量,但使透平膨胀机的液体含量超出目前大家所接受的8%是有一定难度的。

虽然在轻烃类透平膨胀机中获得较高的液体含量已经有多年的设计制造经验,但在空分领域尚为空白。

目前,欧西透平膨胀机公司将现代的计算机技术与多年的工程经验相结合,并对每台膨胀机进行针对性的动力学设计,能
够做到在不牺牲透平膨胀机运转的可靠性及效率的前提下,使空分设备用透平膨胀机的出口含液量达到15%~20%。