透平膨胀机培训资料最新版

1、天然气涡轮膨胀机培养例子教成四川空分设备(集团)有限公司2010年4月第一部分是基础理论简介一.概述目前，低温技术被广泛应用，从航空航天到超导，从气体分离到能量回收等。低温能量主要取决于气体的膨胀，尤其是气体的等熵绝热膨胀。透平膨胀机是实现这种膨胀的有效装置，已广泛应用于气体液化分离和能源综合利用。二、扩大器的形式1.活塞式膨胀机：俗称容积式，其特点是适用于小流量、高压、大膨胀率的工况；缺点是复杂、体积大、易损件多、操作和维护复杂。2.透平膨胀机：又称速度型，其特点是转速高、体积小、重量轻、结构简单、易损件少，制造和维护工作量小，适用于大流量、中高压和低初始温度。根据工作原理：1)脉冲型：膨胀

2、过程几乎完全在静态喷嘴中进行；2)反应型：膨胀过程不仅在固定喷嘴中进行，而且在叶轮中进一步膨胀。根据气流方向：1)径向流动：气体在垂直于旋转轴的平面内沿径向流动；2)轴向流动：气体沿平行于工作轮转轴的方向流动；3)径向-轴向流动：气体径向流入工作轮，轴向流出。4)透平膨胀机的基本结构和工作原理1)基本结构膨胀机由流道、制动器和机身组成膨胀机流道：蜗壳、喷嘴、工作轮和扩散器制动器：1)压缩机入口管、叶轮、扩散器和蜗壳2)风机的进气管、叶轮、扩散器和蜗壳3)电机或油制动器机身：支撑和隔热3.工作原理1)气体在喷嘴中流动设置喷嘴的目的是将气流的动能转化为气流的速度能，并冷却气流。喷嘴前后有压力差，推

3、动气流流动。当气流通过喷嘴时，由于减压膨胀，焓降低。即使压力和温度降低，这些焓降也转化为气流的动能，这使得气流在喷嘴出口处获得很大的速度。因此，喷嘴要解决的主要问题是保持合理的形状以减少各种损失。喷嘴在结构上可分为三段：进口段、主体段和出口段主要部分可分为两类：锥形喷管(当喷管出口马赫数小于或等于1时)缩放喷管(当喷管出口马赫数大于1时)2)工作轮中的气流(反应涡轮膨胀机)工作轮的作用：(1)来自喷嘴的高速气体的动能通过工作轮转化为机械能，从主轴外部输出做功，从而降低内能，进而降低温度。(2)进一步膨胀工作轮中的气体做功，进一步降低气体的焓和温度；(3)改变气体的流向，使其由径向流变为轴向流反

4、应性：工作轮中气体膨胀的程度反应性()=工作轮中的等熵焓降(H2S)/总等熵焓降(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部分：使空气从外圆向中心径向流动分流段：使气流由径向流变为轴向流(减少流量损失，提高效率)4.扩散器中的气流为了避免工作轮通道的减速运动，减少流量损失(工作轮出口速度可达50-80m/s甚至更高)，为了充分利用能量，减少管道流的摩擦损失，在工作轮出口外设置了扩散器(与喷嘴的作用相反)。三.透平膨胀机的组成主机、密封气系统、供油系统和仪表控制系统1.主机：主机由蜗壳、转子、喷嘴、传动机构、轴承、密封件和机体组成1)蜗壳；这是为了使气流平稳地改

5、变方向并均匀地分布到喷嘴上，原则上保证气流轴对称地流动2)喷嘴：涡轮能量转换的主要部件。近年来，已经采用带有可旋转叶片的可调节喷嘴来调节流动通道的流动面积，从而调节气体体积。材料为3Cr13或2 Cr13等。3)转子：由主轴、膨胀机工作轮、增压器工作轮和轴封组成。通常使用的双臂转子，即两个工作轮延伸超过两个轴承，是涡轮机的核心部件。除了良好的空气动力学性能外，由于它是一个高速旋转部件，它还要求高动平衡精度，并要求固有振动频率(临界速度)远离其工作速度。4)轴封：避免膨胀段的冷气泄漏到常温段的轴封，这样不仅会造成冷损，还会冻结轴承润滑油，造成损坏，所以轴封可以防止。轴封是迷宫式密封，一种非接触式

6、动态密封。5)压轮：它只是一种从膨胀机回收功的制动器。6)主轴：传递动力的零件，一个在常温下工作，另一个在低温下工作，需要足够的刚度和强度。材料是不锈钢或合金钢。7)传动机构：通过调节旋转叶片的角度来改变喷嘴流道的面积来设定，通常有手动和遥控两种类型。8)轴承：支撑主轴，保证其平稳运行。为了保证主轴的轴向定位和承受一定的轴向力，除了径向轴承外，还有推力轴承和常用的油气轴承。含油轴承：承载能力大，可靠性好。轴承的线速度可达70米/秒。含油轴承的承载能力有三个条件：油楔、相对运动和油的粘度。气体轴承：小型高速转子9)机身：水平分体式和整体式2.密封气体系统由于透平膨胀机侧通常在低温下工作，其轴承体

7、处于常温环境中，为了减少高压低温气体通过迷宫密封的泄漏，减少冷却能力的损失，防止轴承润滑油冻结造成整个机组的故障，在机组中间密封段引入常温密封气体，防止低温气体泄漏到轴承段，保证机组的安全。3.润滑油系统油田燃气轮机膨胀机一般工作在高压高转速的环境中，因此对轴承的润滑和供油系统有较高的要求，主要包括供油压力、油量、清洁度和油气分离。供油系统主要由以下部分组成：1)油箱：采用密封压力油箱，有利于回收进入油箱的气体，防止可燃气体泄漏。2)油泵：持续提供一定压力和油量的润滑油3)油冷却器：冷却通过轴承后温度上升的油，确保油的粘度。4)滤油器：过滤油中的固体颗粒，确保润滑油的清洁度。5)蓄电池：可储油

8、、储能，因停电等突发故障，可向机组供油约1分钟，确保机组安全。6)油气分离器：分离进入油箱的润滑油中的气体。7)流量阀或安全阀：调节供油压力或保证油泵出口压力不太高。4.仪表电子控制系统监控机组运行，及时收集机组运行数据，确保机组安全运行。四.透平膨胀机的调整涡轮膨胀机提供低温设备所需的主要冷却能力。为了保持设备的制冷量平衡，适应设备工况的变化，需要调整膨胀工况，尤其是天然气透平膨胀机，这就要求机组适应气源和设备工况的变化。膨胀机的制冷量q决定了以下因素：q=千兆赫sg:通过膨胀机的气体体积Hs:通过膨胀机的工作质量的等熵焓降s: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，最大

9、限度地提供冷量，提高整个装置的经济性，要求透平膨胀机具有高效率，并在最佳工况下运行。对透平膨胀机运行效率影响最大的一个因素是特征比U1/C0，其中U1是工作轮外圆周处的线速度，C0是当透平级工作介质的理论等熵焓降Hs在理想条件下完全转化为工作介质的动能时获得的理论速度。根据设计点，我们取这个值来得到机组转速，所以我们必须保证一定的转速，这相当于保证一定的U1/C0特性比，以保证机组的最高运行效率。由于天然气环境条件的频繁变化，机组转速会有一定程度的波动，在一定范围内的波动也能保证较高的效率，从而满足整个装置的需要。2.透平膨胀机的调整由于各种原因，机组的工况会发生变化，这将影响膨胀机的工况，使

10、膨胀机偏离设计工况，导致损失增加，效率降低。因此，为了提高机组运行的稳定性和经济性，应尽量调整膨胀机的运行工况。由于Hs是由装置提供给膨胀机的入口和出口状态参数决定的，一般不希望改变入口和出口状态参数进行调整，但对于油田气体膨胀机，由于其特殊的环境和要求，调整的主要目的是最大化制冷量。介绍了天然气透平膨胀机的几种调节方法；1)改变机组的进出口压力，以改变整个机组的膨胀比，并在工况允许的条件下节流或增压，以改变机组的进出口压力，从而增加或减少机组的制冷量，以满足机组对制冷量的需求。2)改变可调喷嘴的开度，以改变装置的气体通过量，从而获得装置所需的冷却能力。3)压缩机旁路用于改变机组速度，使机组能

11、在最佳工况下运行。也就是说，通过改变旁路的风量和制动力来改变机组的转速，使机组能够稳定高效地运行。第二部分操作和维护一、仪表控制系统作为该套设备的重要组成部分，仪表控制系统用于有效监控整套设备中各主要单元的工艺参数，自动控制或手动遥控主阀，同时通过逻辑控制和联锁保护设施保证整套设备长期、安全、稳定运行。油田膨胀机的仪表控制系统基于可编程控制器集中控制和仪表盘操作相结合的原理，主要工艺参数通过通信进入集散控制系统。根据工艺要求显示、报警和调整所有工艺参数。仪表控制系统中使用的各种仪表的具体型号规格和配置请参考带控制和仪表清单的工艺流程图。1.系统描述1.1膨胀机1.1.1膨胀机入口紧急切断阀控制

12、膨胀机入口紧急切断阀又称静电放电紧急切断阀，由二位三通电磁阀、阀体、手轮等组成。当本地/离线钥匙开关处于本地位置时，只有在联锁条件消除后，才能打开静电放电紧急切断阀的二位三通电磁阀；当转速大于或等于联锁设定值时，如：50，000转/分，油压差小于或等于0.6兆帕，推力负荷大于1.9兆帕，膨胀机X、Y轴振动大于或等于48微米，膨胀端轴承温度大于或等于75，增压端轴承温度大于或等于80，油箱温度小于10， 膨胀机回油温度大于等于80，现场PLC柜或DCS上的停止信号可以控制ESD紧急切断阀，一般情况下，膨胀机通常在膨胀机ESD紧急切断阀关闭后5秒内停止运行膨胀机入口和出口旁路调节阀由集散控制系统控

13、制，膨胀端入口压力由膨胀机喷嘴和膨胀端入口和出口旁路调节阀共同控制。通常，当膨胀机运行时，膨胀端入口和出口的旁路调节阀基本上是完全关闭的。注：膨胀机紧急停机时，由于膨胀机紧急停机，膨胀端进出口旁路调节阀的开度可以快速满足膨胀端入口压力的稳定。膨胀机停机时，应避免因膨胀端进出口旁通调节阀开度不足或过大而导致膨胀端进口压力过高或过低。1.1.3膨胀端入口压力调节喷嘴机构检测膨胀端的入口压力，通过PLC控制柜对膨胀机入口压力的采样信号进行分析，然后利用输出信号手动或自动调节喷嘴执行器。1.1.4油箱压力调节阀检测油箱压力，通过PLC控制柜对油箱压力采样信号进行分析，然后利用输出信号手动或自动调节油箱

14、压力调节阀。1.1.5增压器端的旁通控制阀增压端入口和出口的旁路调节阀由可编程控制器柜输出的控制信号自动或手动调节。当膨胀机停止时，旁通阀需要完全打开，不能进行手动/自动调节。启动膨胀机组后，通过手动控制，升压端旁路控制阀的开度可以满足机组的运行要求。机组稳定运行后，升压端进出口旁路调节阀投入自动控制。升压端入口流量采样信号经可编程控制器控制柜分析后，输出信号自动控制升压端旁路调节阀。机组运行过程中，升压端的流量小于机组正常流量的70%，可能会出现机组喘振现象。此外，高速报警和机组静电放电紧急切断阀电磁阀的关闭将完全打开升压端的旁路调节阀。1.2供油系统1.2.1如果油箱中的油温大于或等于40

15、，关闭加热器电源，如果小于或等于30，启动电加热器。加热器配有手动/停止/自动转换开关。现场有操作显示和启停按钮。电加热器电源：380伏电源：5KW。1.2.2机油压差控制油差压采样信号进入PLC柜，PLC柜输出控制信号，调节润滑油差压调节阀的开度，控制润滑油流入膨胀机。膨胀机的两个油泵中的一个是主泵，另一个是备用泵(可以是主泵和备用泵)。主泵可以通过本地启动和停止按钮启动和停止。当主泵正常工作时，辅助油泵处于备用状态。当油泵出现故障或失灵时，当润滑油压差低于报警值(0.8兆帕)时，油泵会自动启动。当油的压差大于1.6Mpa时，辅助油泵停止。辅助油泵也可以手动启动和停止。注：润滑油压差是保证膨胀机稳定运行的关键。关注单元的运行。1.3密封气体系统当油箱外密封气体温度小于或等于10时报警。密封气体加热器系统利用密封气体被油箱润滑油加热。膨胀机正常工作时，受油箱温度控制的电加热器一般不启动，因为机组润滑油产生大量热量。密封气体通过油箱中的线圈，并通过油箱中的润滑油将从膨胀端入口引入的低温干燥气体加热到常温。减少润滑油通过水冷却器或空气冷却器的负荷。1.4喷油泵系统润滑油可以通过膨胀机注油泵系统在线添加到膨胀机单元的油箱中。避免因膨胀机运行期间润滑油减少而被迫停机。现场提供手动启动和操作显示。1.5空气冷却器系统管束材料：板翅式3.1操作在可编程控制器柜的