1、天然氣渦輪膨脹機(jī)培養(yǎng)例子教成四川空分設(shè)備(集團(tuán))有限公司2010年4月第一部分是基礎(chǔ)理論簡(jiǎn)介一.概述目前，低溫技術(shù)被廣泛應(yīng)用，從航空航天到超導(dǎo)，從氣體分離到能量回收等。低溫能量主要取決于氣體的膨脹，尤其是氣體的等熵絕熱膨脹。透平膨脹機(jī)是實(shí)現(xiàn)這種膨脹的有效裝置，已廣泛應(yīng)用于氣體液化分離和能源綜合利用。二、擴(kuò)大器的形式1.活塞式膨脹機(jī)：俗稱容積式，其特點(diǎn)是適用于小流量、高壓、大膨脹率的工況；缺點(diǎn)是復(fù)雜、體積大、易損件多、操作和維護(hù)復(fù)雜。2.透平膨脹機(jī)：又稱速度型，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易損件少，制造和維護(hù)工作量小，適用于大流量、中高壓和低初始溫度。根據(jù)工作原理：1)脈沖型：膨脹

2、過(guò)程幾乎完全在靜態(tài)噴嘴中進(jìn)行；2)反應(yīng)型：膨脹過(guò)程不僅在固定噴嘴中進(jìn)行，而且在葉輪中進(jìn)一步膨脹。根據(jù)氣流方向：1)徑向流動(dòng)：氣體在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面內(nèi)沿徑向流動(dòng)；2)軸向流動(dòng)：氣體沿平行于工作輪轉(zhuǎn)軸的方向流動(dòng)；3)徑向-軸向流動(dòng)：氣體徑向流入工作輪，軸向流出。4)透平膨脹機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1)基本結(jié)構(gòu)膨脹機(jī)由流道、制動(dòng)器和機(jī)身組成膨脹機(jī)流道：蝸殼、噴嘴、工作輪和擴(kuò)散器制動(dòng)器：1)壓縮機(jī)入口管、葉輪、擴(kuò)散器和蝸殼2)風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣管、葉輪、擴(kuò)散器和蝸殼3)電機(jī)或油制動(dòng)器機(jī)身：支撐和隔熱3.工作原理1)氣體在噴嘴中流動(dòng)設(shè)置噴嘴的目的是將氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為氣流的速度能，并冷卻氣流。噴嘴前后有壓力差，推

3、動(dòng)氣流流動(dòng)。當(dāng)氣流通過(guò)噴嘴時(shí)，由于減壓膨脹，焓降低。即使壓力和溫度降低，這些焓降也轉(zhuǎn)化為氣流的動(dòng)能，這使得氣流在噴嘴出口處獲得很大的速度。因此，噴嘴要解決的主要問(wèn)題是保持合理的形狀以減少各種損失。噴嘴在結(jié)構(gòu)上可分為三段：進(jìn)口段、主體段和出口段主要部分可分為兩類：錐形噴管(當(dāng)噴管出口馬赫數(shù)小于或等于1時(shí))縮放噴管(當(dāng)噴管出口馬赫數(shù)大于1時(shí))2)工作輪中的氣流(反應(yīng)渦輪膨脹機(jī))工作輪的作用：(1)來(lái)自噴嘴的高速氣體的動(dòng)能通過(guò)工作輪轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從主軸外部輸出做功，從而降低內(nèi)能，進(jìn)而降低溫度。(2)進(jìn)一步膨脹工作輪中的氣體做功，進(jìn)一步降低氣體的焓和溫度；(3)改變氣體的流向，使其由徑向流變?yōu)檩S向流反

4、應(yīng)性：工作輪中氣體膨脹的程度反應(yīng)性()=工作輪中的等熵焓降(H2S)/總等熵焓降(h0)工作輪結(jié)構(gòu)：目前常用的是帶徑向葉片的半開(kāi)式和閉式葉輪工作輪可分為主體部分：使空氣從外圓向中心徑向流動(dòng)分流段：使氣流由徑向流變?yōu)檩S向流(減少流量損失，提高效率)4.擴(kuò)散器中的氣流為了避免工作輪通道的減速運(yùn)動(dòng)，減少流量損失(工作輪出口速度可達(dá)50-80m/s甚至更高)，為了充分利用能量，減少管道流的摩擦損失，在工作輪出口外設(shè)置了擴(kuò)散器(與噴嘴的作用相反)。三.透平膨脹機(jī)的組成主機(jī)、密封氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和儀表控制系統(tǒng)1.主機(jī)：主機(jī)由蝸殼、轉(zhuǎn)子、噴嘴、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承、密封件和機(jī)體組成1)蝸殼；這是為了使氣流平穩(wěn)地改

5、變方向并均勻地分布到噴嘴上，原則上保證氣流軸對(duì)稱地流動(dòng)2)噴嘴：渦輪能量轉(zhuǎn)換的主要部件。近年來(lái)，已經(jīng)采用帶有可旋轉(zhuǎn)葉片的可調(diào)節(jié)噴嘴來(lái)調(diào)節(jié)流動(dòng)通道的流動(dòng)面積，從而調(diào)節(jié)氣體體積。材料為3Cr13或2 Cr13等。3)轉(zhuǎn)子：由主軸、膨脹機(jī)工作輪、增壓器工作輪和軸封組成。通常使用的雙臂轉(zhuǎn)子，即兩個(gè)工作輪延伸超過(guò)兩個(gè)軸承，是渦輪機(jī)的核心部件。除了良好的空氣動(dòng)力學(xué)性能外，由于它是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)部件，它還要求高動(dòng)平衡精度，并要求固有振動(dòng)頻率(臨界速度)遠(yuǎn)離其工作速度。4)軸封：避免膨脹段的冷氣泄漏到常溫段的軸封，這樣不僅會(huì)造成冷損，還會(huì)凍結(jié)軸承潤(rùn)滑油，造成損壞，所以軸封可以防止。軸封是迷宮式密封，一種非接觸式

6、動(dòng)態(tài)密封。5)壓輪：它只是一種從膨脹機(jī)回收功的制動(dòng)器。6)主軸：傳遞動(dòng)力的零件，一個(gè)在常溫下工作，另一個(gè)在低溫下工作，需要足夠的剛度和強(qiáng)度。材料是不銹鋼或合金鋼。7)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)葉片的角度來(lái)改變噴嘴流道的面積來(lái)設(shè)定，通常有手動(dòng)和遙控兩種類型。8)軸承：支撐主軸，保證其平穩(wěn)運(yùn)行。為了保證主軸的軸向定位和承受一定的軸向力，除了徑向軸承外，還有推力軸承和常用的油氣軸承。含油軸承：承載能力大，可靠性好。軸承的線速度可達(dá)70米/秒。含油軸承的承載能力有三個(gè)條件：油楔、相對(duì)運(yùn)動(dòng)和油的粘度。氣體軸承：小型高速轉(zhuǎn)子9)機(jī)身：水平分體式和整體式2.密封氣體系統(tǒng)由于透平膨脹機(jī)側(cè)通常在低溫下工作，其軸承體

7、處于常溫環(huán)境中，為了減少高壓低溫氣體通過(guò)迷宮密封的泄漏，減少冷卻能力的損失，防止軸承潤(rùn)滑油凍結(jié)造成整個(gè)機(jī)組的故障，在機(jī)組中間密封段引入常溫密封氣體，防止低溫氣體泄漏到軸承段，保證機(jī)組的安全。3.潤(rùn)滑油系統(tǒng)油田燃?xì)廨啓C(jī)膨脹機(jī)一般工作在高壓高轉(zhuǎn)速的環(huán)境中，因此對(duì)軸承的潤(rùn)滑和供油系統(tǒng)有較高的要求，主要包括供油壓力、油量、清潔度和油氣分離。供油系統(tǒng)主要由以下部分組成：1)油箱：采用密封壓力油箱，有利于回收進(jìn)入油箱的氣體，防止可燃?xì)怏w泄漏。2)油泵：持續(xù)提供一定壓力和油量的潤(rùn)滑油3)油冷卻器：冷卻通過(guò)軸承后溫度上升的油，確保油的粘度。4)濾油器：過(guò)濾油中的固體顆粒，確保潤(rùn)滑油的清潔度。5)蓄電池：可儲(chǔ)油

8、、儲(chǔ)能，因停電等突發(fā)故障，可向機(jī)組供油約1分鐘，確保機(jī)組安全。6)油氣分離器：分離進(jìn)入油箱的潤(rùn)滑油中的氣體。7)流量閥或安全閥：調(diào)節(jié)供油壓力或保證油泵出口壓力不太高。4.儀表電子控制系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行，及時(shí)收集機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)，確保機(jī)組安全運(yùn)行。四.透平膨脹機(jī)的調(diào)整渦輪膨脹機(jī)提供低溫設(shè)備所需的主要冷卻能力。為了保持設(shè)備的制冷量平衡，適應(yīng)設(shè)備工況的變化，需要調(diào)整膨脹工況，尤其是天然氣透平膨脹機(jī)，這就要求機(jī)組適應(yīng)氣源和設(shè)備工況的變化。膨脹機(jī)的制冷量q決定了以下因素：q=千兆赫sg:通過(guò)膨脹機(jī)的氣體體積Hs:通過(guò)膨脹機(jī)的工作質(zhì)量的等熵焓降s:膨脹機(jī)的等熵效率1.透平膨脹機(jī)的特性曲線為了充分利用壓力能，最大

9、限度地提供冷量，提高整個(gè)裝置的經(jīng)濟(jì)性，要求透平膨脹機(jī)具有高效率，并在最佳工況下運(yùn)行。對(duì)透平膨脹機(jī)運(yùn)行效率影響最大的一個(gè)因素是特征比U1/C0，其中U1是工作輪外圓周處的線速度，C0是當(dāng)透平級(jí)工作介質(zhì)的理論等熵焓降Hs在理想條件下完全轉(zhuǎn)化為工作介質(zhì)的動(dòng)能時(shí)獲得的理論速度。根據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)，我們?nèi)∵@個(gè)值來(lái)得到機(jī)組轉(zhuǎn)速，所以我們必須保證一定的轉(zhuǎn)速，這相當(dāng)于保證一定的U1/C0特性比，以保證機(jī)組的最高運(yùn)行效率。由于天然氣環(huán)境條件的頻繁變化，機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)有一定程度的波動(dòng)，在一定范圍內(nèi)的波動(dòng)也能保證較高的效率，從而滿足整個(gè)裝置的需要。2.透平膨脹機(jī)的調(diào)整由于各種原因，機(jī)組的工況會(huì)發(fā)生變化，這將影響膨脹機(jī)的工況，使

10、膨脹機(jī)偏離設(shè)計(jì)工況，導(dǎo)致?lián)p失增加，效率降低。因此，為了提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，應(yīng)盡量調(diào)整膨脹機(jī)的運(yùn)行工況。由于Hs是由裝置提供給膨脹機(jī)的入口和出口狀態(tài)參數(shù)決定的，一般不希望改變?nèi)肟诤统隹跔顟B(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但對(duì)于油田氣體膨脹機(jī)，由于其特殊的環(huán)境和要求，調(diào)整的主要目的是最大化制冷量。介紹了天然氣透平膨脹機(jī)的幾種調(diào)節(jié)方法；1)改變機(jī)組的進(jìn)出口壓力，以改變整個(gè)機(jī)組的膨脹比，并在工況允許的條件下節(jié)流或增壓，以改變機(jī)組的進(jìn)出口壓力，從而增加或減少機(jī)組的制冷量，以滿足機(jī)組對(duì)制冷量的需求。2)改變可調(diào)噴嘴的開(kāi)度，以改變裝置的氣體通過(guò)量，從而獲得裝置所需的冷卻能力。3)壓縮機(jī)旁路用于改變機(jī)組速度，使機(jī)組能

11、在最佳工況下運(yùn)行。也就是說(shuō)，通過(guò)改變旁路的風(fēng)量和制動(dòng)力來(lái)改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組能夠穩(wěn)定高效地運(yùn)行。第二部分操作和維護(hù)一、儀表控制系統(tǒng)作為該套設(shè)備的重要組成部分，儀表控制系統(tǒng)用于有效監(jiān)控整套設(shè)備中各主要單元的工藝參數(shù)，自動(dòng)控制或手動(dòng)遙控主閥，同時(shí)通過(guò)邏輯控制和聯(lián)鎖保護(hù)設(shè)施保證整套設(shè)備長(zhǎng)期、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。油田膨脹機(jī)的儀表控制系統(tǒng)基于可編程控制器集中控制和儀表盤操作相結(jié)合的原理，主要工藝參數(shù)通過(guò)通信進(jìn)入集散控制系統(tǒng)。根據(jù)工藝要求顯示、報(bào)警和調(diào)整所有工藝參數(shù)。儀表控制系統(tǒng)中使用的各種儀表的具體型號(hào)規(guī)格和配置請(qǐng)參考帶控制和儀表清單的工藝流程圖。1.系統(tǒng)描述1.1膨脹機(jī)1.1.1膨脹機(jī)入口緊急切斷閥控制

12、膨脹機(jī)入口緊急切斷閥又稱靜電放電緊急切斷閥，由二位三通電磁閥、閥體、手輪等組成。當(dāng)本地/離線鑰匙開(kāi)關(guān)處于本地位置時(shí)，只有在聯(lián)鎖條件消除后，才能打開(kāi)靜電放電緊急切斷閥的二位三通電磁閥；當(dāng)轉(zhuǎn)速大于或等于聯(lián)鎖設(shè)定值時(shí)，如：50，000轉(zhuǎn)/分，油壓差小于或等于0.6兆帕，推力負(fù)荷大于1.9兆帕，膨脹機(jī)X、Y軸振動(dòng)大于或等于48微米，膨脹端軸承溫度大于或等于75，增壓端軸承溫度大于或等于80，油箱溫度小于10， 膨脹機(jī)回油溫度大于等于80，現(xiàn)場(chǎng)PLC柜或DCS上的停止信號(hào)可以控制ESD緊急切斷閥，一般情況下，膨脹機(jī)通常在膨脹機(jī)ESD緊急切斷閥關(guān)閉后5秒內(nèi)停止運(yùn)行膨脹機(jī)入口和出口旁路調(diào)節(jié)閥由集散控制系統(tǒng)控

13、制，膨脹端入口壓力由膨脹機(jī)噴嘴和膨脹端入口和出口旁路調(diào)節(jié)閥共同控制。通常，當(dāng)膨脹機(jī)運(yùn)行時(shí)，膨脹端入口和出口的旁路調(diào)節(jié)閥基本上是完全關(guān)閉的。注：膨脹機(jī)緊急停機(jī)時(shí)，由于膨脹機(jī)緊急停機(jī)，膨脹端進(jìn)出口旁路調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度可以快速滿足膨脹端入口壓力的穩(wěn)定。膨脹機(jī)停機(jī)時(shí)，應(yīng)避免因膨脹端進(jìn)出口旁通調(diào)節(jié)閥開(kāi)度不足或過(guò)大而導(dǎo)致膨脹端進(jìn)口壓力過(guò)高或過(guò)低。1.1.3膨脹端入口壓力調(diào)節(jié)噴嘴機(jī)構(gòu)檢測(cè)膨脹端的入口壓力，通過(guò)PLC控制柜對(duì)膨脹機(jī)入口壓力的采樣信號(hào)進(jìn)行分析，然后利用輸出信號(hào)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)噴嘴執(zhí)行器。1.1.4油箱壓力調(diào)節(jié)閥檢測(cè)油箱壓力，通過(guò)PLC控制柜對(duì)油箱壓力采樣信號(hào)進(jìn)行分析，然后利用輸出信號(hào)手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)油箱

14、壓力調(diào)節(jié)閥。1.1.5增壓器端的旁通控制閥增壓端入口和出口的旁路調(diào)節(jié)閥由可編程控制器柜輸出的控制信號(hào)自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)膨脹機(jī)停止時(shí)，旁通閥需要完全打開(kāi)，不能進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)節(jié)。啟動(dòng)膨脹機(jī)組后，通過(guò)手動(dòng)控制，升壓端旁路控制閥的開(kāi)度可以滿足機(jī)組的運(yùn)行要求。機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行后，升壓端進(jìn)出口旁路調(diào)節(jié)閥投入自動(dòng)控制。升壓端入口流量采樣信號(hào)經(jīng)可編程控制器控制柜分析后，輸出信號(hào)自動(dòng)控制升壓端旁路調(diào)節(jié)閥。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，升壓端的流量小于機(jī)組正常流量的70%，可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)組喘振現(xiàn)象。此外，高速報(bào)警和機(jī)組靜電放電緊急切斷閥電磁閥的關(guān)閉將完全打開(kāi)升壓端的旁路調(diào)節(jié)閥。1.2供油系統(tǒng)1.2.1如果油箱中的油溫大于或等于40

15、，關(guān)閉加熱器電源，如果小于或等于30，啟動(dòng)電加熱器。加熱器配有手動(dòng)/停止/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)?，F(xiàn)場(chǎng)有操作顯示和啟停按鈕。電加熱器電源：380伏電源：5KW。1.2.2機(jī)油壓差控制油差壓采樣信號(hào)進(jìn)入PLC柜，PLC柜輸出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油差壓調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制潤(rùn)滑油流入膨脹機(jī)。膨脹機(jī)的兩個(gè)油泵中的一個(gè)是主泵，另一個(gè)是備用泵(可以是主泵和備用泵)。主泵可以通過(guò)本地啟動(dòng)和停止按鈕啟動(dòng)和停止。當(dāng)主泵正常工作時(shí)，輔助油泵處于備用狀態(tài)。當(dāng)油泵出現(xiàn)故障或失靈時(shí)，當(dāng)潤(rùn)滑油壓差低于報(bào)警值(0.8兆帕)時(shí)，油泵會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)。當(dāng)油的壓差大于1.6Mpa時(shí)，輔助油泵停止。輔助油泵也可以手動(dòng)啟動(dòng)和停止。注：潤(rùn)滑油壓差是保證膨脹機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。關(guān)注單元的運(yùn)行。1.3密封氣體系統(tǒng)當(dāng)油箱外密封氣體溫度小于或等于10時(shí)報(bào)警。密封氣體加熱器系統(tǒng)利用密封氣體被油箱潤(rùn)滑油加熱。膨脹機(jī)正常工作時(shí)，受油箱溫度控制的電加熱器一般不啟動(dòng)，因?yàn)闄C(jī)組潤(rùn)滑油產(chǎn)生大量熱量。密封氣體通過(guò)油箱中的線圈，并通過(guò)油箱中的潤(rùn)滑油將從膨脹端入口引入的低溫干燥氣體加熱到常溫。減少潤(rùn)滑油通過(guò)水冷卻器或空氣冷卻器的負(fù)荷。1.4噴油泵系統(tǒng)潤(rùn)滑油可以通過(guò)膨脹機(jī)注油泵系統(tǒng)在線添加到膨脹機(jī)單元的油箱中。避免因膨脹機(jī)運(yùn)行期間潤(rùn)滑油減少而被迫停機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)提供手動(dòng)啟動(dòng)和操作顯示。1.5空氣冷卻器系統(tǒng)管束材料：板翅式3.1操作在可編程控制器柜的