两种液体透平膨胀机的工程应用比较分析
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* 设计制造*
两种液体透平膨胀机的工程应用比较分析
吴 岩1 ，张华涛2 ，黄 辉3 ，何梅勇4 ，刘 俊5 ，蔡 毅6
（ 1，3，4，5. 杭州制氧机研究所有限公司，浙江省杭州市中山北路 592 号弘元大厦 310014； 2，6. 杭州杭氧股份有限公司设计院，浙江省杭州市中山北路 592 号弘元大厦 310014）
收稿日期： 2013-11-18； 修回日期： 2014-06-24 作者简介： 吴岩，男，1982 年生，助理工程师，2011 年毕业于浙江理工大学流体机械及工程专业，现在杭州制氧机研 究所有限公司从事机器选型、成套技术工作。
·23·
图 1 液体膨胀机流程简图
2 两种不同机型对比
在杭氧成套的空分设备中，已经使用过或者确
of two types of liquid turbine expander
Wu Yan1，Zhang Huatao2，Huang Hui3，He Meiyong4，Liu Jun5，Cai Yi6
（ 1，3，4，5． Hangzhou Oxygen Generator Ｒesearch Institute Co． ，Ltd． ，Hongyuan Building，592# North Zhongshan Ｒoad， Hangzhou 310014， Zhejiang， P． Ｒ． China； 2，6． Designing Institute， Hangzhou Hangyang Co． ，Ltd． ，Hongyuan Building，592# North Zhongshan Ｒoad，Hangzhou 310014， Zhejiang，P． Ｒ． China）
目前，液体透平膨胀机越来越多地应用于内压 缩流程的大中型空分项目中，用它来代替常规内压 缩流程中的高压节流阀 （ 如图 1 所示） ，不但可以 降低能耗，还可以避免由节流阀带来的汽蚀问题。 液体膨胀机的技术基本上被国外厂商所垄断，因此 国内空分项目中配备的液体膨胀机主要还是靠进口 机组，而且由于各个厂商设计理念、应用对象等因 素的差异，机器的结构和性能也有很大的差别，这 就对空分设备成套时液体膨胀机的选型提出了比较
两种机型的液体膨胀机在调节范围对效率的影 响上差别也比较大，液体膨胀机 A 在 75% 工况时， 效率为 75% ，在 110% 工况时，效率为 80% ； 而 液体膨胀机 B 在 75% 工况时，效率只有 36% ，在 110% 工况时，效率为 65. 3% 。
从表 1 中设计工况的等熵效率、制冷量等参数 的比较也看出，液体膨胀机 A 的性能明显优于液 体膨胀机 B。 2. 3 投资比较
高的要求。
1 液体膨胀机工作原理
高压液空通过喷嘴叶片获得加速度，然后径向 流入膨胀机的叶轮，在叶轮内液空的压力能和动能 逐渐减小，至工质出口处达到工艺流程对静压的要 求。与此同时这部分液体压力能和动能驱动叶轮高 速旋转，转化成机械能。机械能的利用可采取不同 的形式，可以拖动发动机发电，也可以拖动其他耗 能旋转机械，如风机、泵等。
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10. 85
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75% 110% 75% 110%
7. 102
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6. 699
98. 67
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0. 67
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97. 59
100%
100%
79%
62. 6%
248
196. 2
229
186. 4
不同机型液体膨胀机对能耗的影响主要为： （ 1） 发电机的输出功率不同，液体膨胀机 A 的输出功率高。由表 1 中数据可以看出液体膨胀机 A 比液体膨胀机 B 每小时多发电 42. 6 kW。 （ 2） 制冷量不同，液体膨胀机 A 的输出制冷 量大。由表 1 中数据可以看出液体膨胀机 A 在制
参考文献：
［1］ 毛绍融，朱朔元，周智勇． 现代空分设备技术与操作 原理 ［M］． 杭州： 杭州出版社，2005．
［2］ 张华涛． 液体膨胀机在内压缩流程空分设备中的应用 ［M］ ∥边瑾． 深冷技术： 故障排除． 杭州： 杭州 出 版社，2012： 24-27．
·25·
表 1 两种不同机型液体膨胀机主要参数比较
参数 膨胀量 / （ 万 m3 / h）
调节范围 设计入口压力 / MPa （ A） 实际入口压力 / MPa （ A）
入口温度 /K 出口压力 / MPa （ A）
出口温度 /K 出口液体百分比
等熵效率 制冷量 / kW 发电机输出功率 / kW
液体膨胀机 A 液体膨胀机 B
摘要： 比较了两种不同机型液体透平膨胀机的配置结构和性能参数，针对某 60000 m3 / h 空
分设备，通过流程计算进行实例分析，比较了节能效果，最后提出这两种液体透平膨胀机的适用
范围。
关键词： 空分设备; 液体透平膨胀机; 节能; 工程应用
中图分类号： TB653
文献标识码： B
Comparison and analysis of engineering application
定使用的液体膨胀机有两个国外厂商的品牌 （ 以 下分别简称 A、B） ，下面就以某 60000 m3 / h 空分 设备为例对 A、B 两个厂商的机组进行比较分析。 2. 1 结构对比
A 厂商竞标的液体膨胀机组组成如图 2 所示， 液空 经 过 滤 器 进 入 到 可 调 节 喷 嘴，在 通 流 部 分 （ 喷嘴、工作轮和扩压管） 中膨胀获得动能，并由 工作轮轴端输出外功，经过齿轮箱减速，驱动发电 机发电。其中轴承、齿轮等零件的润滑和冷却由供 油系统完成。
冷量输出上大 51. 8 kW。因为空分设备的冷量需求 主要由气体增压透平膨胀机和液体膨胀机来满足， 空分设备采用不同的液体膨胀机会影响到气体增压 透平膨胀机制冷量的大小，所以采用液体膨胀机 A 时，空分设备采用的气体增压透平膨胀机的制冷量 要小。通过流程计算，可算出采用液体膨胀机 A 时，增压机可减小轴功率约 155 kW （ 注： ①由于 增压机为汽轮机驱动，根据压缩机组的蒸汽耗比 较，此处节约的能耗为蒸汽耗； ②空压机轴功率变 化微小，可忽略不计） 。
液体膨胀机 A 的价格 600 万元左右，B 产品的 价格约为其一半，但是由于 B 产品的喷嘴为非可 调节形式，需要用户自己购买调节阀，而即使加上 阀门的费用，也还是与 A 的价格相差甚远。
3 结束语
从以上 的 比 较 可 以 看 出， 只 有 针 对 不 同 的 项 目，并且从投资预算、节能效果、运行维护费用和 投资回报比等角度综合考虑，才能为空分设备选择 合适的液体膨胀机。?
Abstract： The allocation，structure and performance parameters of two types of liquid turbine expander are compared． For a 60000 m3 / h air separation plant，the energy saving effects are compared through the example analysis and process calculation，and finally the applicable range of the two types of liquid turbine expander is pointed． Keywords： Air separation plant； Liquid turbine expander； Energy-saving； Engineering application
（ 1） 没有喷嘴调节阀。采用固定式喷嘴，流 量变化由入口管道上的控制阀来完成。
（ 2） 无齿轮箱。膨胀机与发电机采用直接耦 合式设计。
（ 3） 无供油系统。轴承润滑采用润滑脂。 从以上的对比可以看出，B 机组比 A 机组的结 构简化许多，配置简单，生产制造的成本会大大降 低； 另外机组结构配置简单，使机组的安装、操作 和维护也方便许多，大大提高了设备的安全性和稳 定性。 2. 2 参数及节能效果对比 两种不同机型液体膨胀机的主要参数比较见 表 1。
B 厂商竞标的液体膨胀机组组成如图 3 所示， 液空经过滤器进入到非可调节喷嘴，在通流部分 （ 喷嘴、工作轮和扩压管） 中膨胀获得动能，并由 工作轮轴端输出外功，通过直接耦合的方式，驱动 发电机发电。
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图 2 液体膨胀机组 A 图 3 液体膨胀机组 B
与图 2 对比可得出液体膨胀机组 B 的结构 差异：
两种液体透平膨胀机的工程应用比较分析
吴 岩1 ，张华涛2 ，黄 辉3 ，何梅勇4 ，刘 俊5 ，蔡 毅6
（ 1，3，4，5. 杭州制氧机研究所有限公司，浙江省杭州市中山北路 592 号弘元大厦 310014； 2，6. 杭州杭氧股份有限公司设计院，浙江省杭州市中山北路 592 号弘元大厦 310014）
收稿日期： 2013-11-18； 修回日期： 2014-06-24 作者简介： 吴岩，男，1982 年生，助理工程师，2011 年毕业于浙江理工大学流体机械及工程专业，现在杭州制氧机研 究所有限公司从事机器选型、成套技术工作。
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图 1 液体膨胀机流程简图
2 两种不同机型对比
在杭氧成套的空分设备中，已经使用过或者确
of two types of liquid turbine expander
Wu Yan1，Zhang Huatao2，Huang Hui3，He Meiyong4，Liu Jun5，Cai Yi6
（ 1，3，4，5． Hangzhou Oxygen Generator Ｒesearch Institute Co． ，Ltd． ，Hongyuan Building，592# North Zhongshan Ｒoad， Hangzhou 310014， Zhejiang， P． Ｒ． China； 2，6． Designing Institute， Hangzhou Hangyang Co． ，Ltd． ，Hongyuan Building，592# North Zhongshan Ｒoad，Hangzhou 310014， Zhejiang，P． Ｒ． China）
目前，液体透平膨胀机越来越多地应用于内压 缩流程的大中型空分项目中，用它来代替常规内压 缩流程中的高压节流阀 （ 如图 1 所示） ，不但可以 降低能耗，还可以避免由节流阀带来的汽蚀问题。 液体膨胀机的技术基本上被国外厂商所垄断，因此 国内空分项目中配备的液体膨胀机主要还是靠进口 机组，而且由于各个厂商设计理念、应用对象等因 素的差异，机器的结构和性能也有很大的差别，这 就对空分设备成套时液体膨胀机的选型提出了比较
两种机型的液体膨胀机在调节范围对效率的影 响上差别也比较大，液体膨胀机 A 在 75% 工况时， 效率为 75% ，在 110% 工况时，效率为 80% ； 而 液体膨胀机 B 在 75% 工况时，效率只有 36% ，在 110% 工况时，效率为 65. 3% 。
从表 1 中设计工况的等熵效率、制冷量等参数 的比较也看出，液体膨胀机 A 的性能明显优于液 体膨胀机 B。 2. 3 投资比较
高的要求。
1 液体膨胀机工作原理
高压液空通过喷嘴叶片获得加速度，然后径向 流入膨胀机的叶轮，在叶轮内液空的压力能和动能 逐渐减小，至工质出口处达到工艺流程对静压的要 求。与此同时这部分液体压力能和动能驱动叶轮高 速旋转，转化成机械能。机械能的利用可采取不同 的形式，可以拖动发动机发电，也可以拖动其他耗 能旋转机械，如风机、泵等。
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不同机型液体膨胀机对能耗的影响主要为： （ 1） 发电机的输出功率不同，液体膨胀机 A 的输出功率高。由表 1 中数据可以看出液体膨胀机 A 比液体膨胀机 B 每小时多发电 42. 6 kW。 （ 2） 制冷量不同，液体膨胀机 A 的输出制冷 量大。由表 1 中数据可以看出液体膨胀机 A 在制
参考文献：
［1］ 毛绍融，朱朔元，周智勇． 现代空分设备技术与操作 原理 ［M］． 杭州： 杭州出版社，2005．
［2］ 张华涛． 液体膨胀机在内压缩流程空分设备中的应用 ［M］ ∥边瑾． 深冷技术： 故障排除． 杭州： 杭州 出 版社，2012： 24-27．
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表 1 两种不同机型液体膨胀机主要参数比较
参数 膨胀量 / （ 万 m3 / h）
调节范围 设计入口压力 / MPa （ A） 实际入口压力 / MPa （ A）
入口温度 /K 出口压力 / MPa （ A）
出口温度 /K 出口液体百分比
等熵效率 制冷量 / kW 发电机输出功率 / kW
液体膨胀机 A 液体膨胀机 B
摘要： 比较了两种不同机型液体透平膨胀机的配置结构和性能参数，针对某 60000 m3 / h 空
分设备，通过流程计算进行实例分析，比较了节能效果，最后提出这两种液体透平膨胀机的适用
范围。
关键词： 空分设备; 液体透平膨胀机; 节能; 工程应用
中图分类号： TB653
文献标识码： B
Comparison and analysis of engineering application
定使用的液体膨胀机有两个国外厂商的品牌 （ 以 下分别简称 A、B） ，下面就以某 60000 m3 / h 空分 设备为例对 A、B 两个厂商的机组进行比较分析。 2. 1 结构对比
A 厂商竞标的液体膨胀机组组成如图 2 所示， 液空 经 过 滤 器 进 入 到 可 调 节 喷 嘴，在 通 流 部 分 （ 喷嘴、工作轮和扩压管） 中膨胀获得动能，并由 工作轮轴端输出外功，经过齿轮箱减速，驱动发电 机发电。其中轴承、齿轮等零件的润滑和冷却由供 油系统完成。
冷量输出上大 51. 8 kW。因为空分设备的冷量需求 主要由气体增压透平膨胀机和液体膨胀机来满足， 空分设备采用不同的液体膨胀机会影响到气体增压 透平膨胀机制冷量的大小，所以采用液体膨胀机 A 时，空分设备采用的气体增压透平膨胀机的制冷量 要小。通过流程计算，可算出采用液体膨胀机 A 时，增压机可减小轴功率约 155 kW （ 注： ①由于 增压机为汽轮机驱动，根据压缩机组的蒸汽耗比 较，此处节约的能耗为蒸汽耗； ②空压机轴功率变 化微小，可忽略不计） 。
液体膨胀机 A 的价格 600 万元左右，B 产品的 价格约为其一半，但是由于 B 产品的喷嘴为非可 调节形式，需要用户自己购买调节阀，而即使加上 阀门的费用，也还是与 A 的价格相差甚远。
3 结束语
从以上 的 比 较 可 以 看 出， 只 有 针 对 不 同 的 项 目，并且从投资预算、节能效果、运行维护费用和 投资回报比等角度综合考虑，才能为空分设备选择 合适的液体膨胀机。?
Abstract： The allocation，structure and performance parameters of two types of liquid turbine expander are compared． For a 60000 m3 / h air separation plant，the energy saving effects are compared through the example analysis and process calculation，and finally the applicable range of the two types of liquid turbine expander is pointed． Keywords： Air separation plant； Liquid turbine expander； Energy-saving； Engineering application
（ 1） 没有喷嘴调节阀。采用固定式喷嘴，流 量变化由入口管道上的控制阀来完成。
（ 2） 无齿轮箱。膨胀机与发电机采用直接耦 合式设计。
（ 3） 无供油系统。轴承润滑采用润滑脂。 从以上的对比可以看出，B 机组比 A 机组的结 构简化许多，配置简单，生产制造的成本会大大降 低； 另外机组结构配置简单，使机组的安装、操作 和维护也方便许多，大大提高了设备的安全性和稳 定性。 2. 2 参数及节能效果对比 两种不同机型液体膨胀机的主要参数比较见 表 1。
B 厂商竞标的液体膨胀机组组成如图 3 所示， 液空经过滤器进入到非可调节喷嘴，在通流部分 （ 喷嘴、工作轮和扩压管） 中膨胀获得动能，并由 工作轮轴端输出外功，通过直接耦合的方式，驱动 发电机发电。
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图 2 液体膨胀机组 A 图 3 液体膨胀机组 B
与图 2 对比可得出液体膨胀机组 B 的结构 差异：