1、透平膨胀机培训资料一、膨胀机的工作原理工作原理透平膨胀机是空气分离设备及天然气（石油气）液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键部机，是保证整套设备稳定运行的心心脏。其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。透平膨胀机输出的能量由同轴的增压机、发电机回收或制动风机、油等消耗。膨胀机主要是被用来生产冷量造成低温，其工作的对象主要是气体。当气体具有一定的压力和温度时。就具有一定的能量，即由压力而体现的势能与由温度所体现的动能。这两种能量总称为内能，而膨胀机主要的作用是利用气体通过膨胀机的过程中的内能降低
2、并对外输出功。并由于气体内能的降低并对外输出功使气体的压力和温度大幅度降低从而达到制冷与降温的目的。膨胀机主要的工作是在喷咀及叶轮中完成。喷咀是一种由多个精心设计的叶片所组成的喷射通道（即喷咀流道）。当高压的气体通过喷咀流道时，由于喷射作用使气体的速度迅速上升并可达到音速。而气体的压力和温度则很快下降。从而达到降温的目的。叶轮则是接受从喷咀出来的高速气体，由于喷咀出来的气体其速度达到或超过音速，而且温度已经大幅度降低，当高速气体冲击叶轮的叶片时，使叶轮高速转动。叶轮是一个由多个叶片所组成轮子，气体从半径方向流入，而从与主轴轴线平行方向流出，称为径轴流叶轮。叶轮中每两个叶片围成一个通道。叶轮的通
3、道是经过精心的设计，而且是渐渐扩大的。当高速、低温的气体通过叶轮通道时，由于高速转动。使气体的速度很快下降，同时气体在不断变大的通道中流动时压力也进一步下降，因为压力与速度下降使气体的内能的降低，这样气体温度进一步大幅度降低。从而达到降温与制冷的目的。由于膨胀机轮子的飞速转动，带动了与膨胀机轮子在同一轴上另一端的增压机叶轮的转动，增压机叶轮的转动压缩了通过增压机叶轮气体，增压机叶轮不仅压缩了气体，利用了膨胀发出的功率，而且也控制了膨胀机的转速。由于膨胀机中气体通过的时间极短，来不及与周围环境交换热量所以可以认为它是在接近绝热等熵的条件下工作的。因而具有很高的绝热效率。二、膨胀机主机的结构与主要
4、另部件膨胀机是一种高速转动的机械，为了保证它的效率与可靠性，必须特别注重其叶轮、喷咀、轴承、密封的 设计与制造。图一是一台膨胀机主机的基本结构的剖面图。主机主要由膨胀机蜗壳、机身、增压机蜗壳、转 子、可 调喷 咀、 轴承、及密封件等 组成。下面分别介绍这些另部件的工作原理，基本结构及要求。1、转子；转子是膨胀机的最重要部件。它直接关系到膨胀机的制冷效果、运转的稳定性、可靠性及使用寿命。转子是由膨胀机叶轮，增压机叶轮、密封轴 套、螺帽及主轴组成。 见图二。由于 转子是在高速下运转，所以其高速下的稳定性是十分重要的，除了要提高其整个转子的抗振动性能外， 还应对转子上的叶轮、主轴及转子的整体分别作动
5、平衡试验，其允许 的重心偏移量0.3m.。2、可调喷咀；可调喷咀是由几个可以转动的喷咀叶片、装有叶片转动轴销的定位盘、活动盘、盖板等另件组成。由于叶片可以围绕定位盘的轴销转动，因而其由两叶片围成的喷咀流道面积的大小可以调节（见图三）。从而达到改变气量的目的。但是由于喷咀另件都是由不锈钢制成，相对 活动过多容易造成磨损、拉毛而咬合。所以喷咀不适宜经常调节。3、轴承；膨胀机的转子是由轴承来支承的，为了使转子能长期稳定可靠地运转，轴 承是个十分重要的另件。膨胀机的轴承多数采用动压油轴承，其结构及 轴承与主轴之间的间隙大小对运转的稳定性及寿命有十分重要的关系，因而不能任意改变。动压油轴承是一种非接触式
6、的液体润滑轴承，它是依靠转子转动时的动压作用，使转子浮动在轴承上面，它依靠润滑油来维持轴与轴承之间的间隙。使轴与轴承不会由于接触而磨损，而且润滑油还冷却轴承，带走主轴因高速转动时与润滑油的磨擦而产生的热量。所以向轴承供给一定量的清洁的润滑油也是轴承正常工作的非常重要的工作。4、密封件；（这里主要是指主轴与机身之间的动密封）膨胀机是在高速低温的环境下工作的，如何阻止因低温气体进入轴承而使轴承润滑油冻结，及阻止因润滑油进入低温端因冻结而造成运行不正常及堵塞。所以膨胀机的密封也是很重要的工作。膨胀机的密封通常采用迷宫密封，即在主轴上或转子的轴套上设置居剌形的密封剌，而在机身上装有相对较软的用石墨或铅
7、基合金制成的密封件。迷宫密封是一种动密封，它依靠密封剌与密封件间的0.010.05mm 的间隙，使气体产生节流作用并造成压力的降低。达到密封的效果。所以迷宫密封一定有少量的气体的漏泄，为了减少气体的漏泄量，除了加强密封外，还应该尽可能降低密封气的入口压力，一般情况下，要求密封气的入口压力仅高于喷咀后压力约为0.05Mpa。5、机身；机身组成了膨胀机的外壳，并提供轴承、密封件、隔板、隔热板等等另件的安装场所。6、膨胀机蜗壳；膨胀机蜗壳主要是膨胀机工作气体的进出口通道，并使膨胀气体均匀地分配给喷咀的各个通道。同时当低温气体流出膨胀机叶轮时通过一个扩张的锥管使气体的流速进一步下降，从而使压力有所上升
8、。7、增压机蜗壳；增压机蜗壳主要是增压机工作气体的进出口通道。蜗壳在增压机叶轮的出口处设置有无叶扩压器，使增压后的气体减速，从而使增压后气体的压力进一步上升。三、膨胀机的供油系统；1、供油系统的要求；供油系统主要为膨胀机轴承提供一定数量的清洁的，又有一定温度要求的润滑油。由于膨胀机轴承的间隙仅为几十微米，而轴承对温度又有一定的要求，当温度过高时，润滑油会变稀，使轴承工作恶化甚至损坏。而温度过低时，润滑油会变稠，使转子转动阻力增加，轴 承的功率损耗增加，不利膨胀机的工作，当温度低于10还会因润滑油流动困难而使机器损坏。因此要求供油温度在30-50之间。由于 轴承的间隙仅为几十微米，所以要求润滑油
9、内所含的固体粒子直径应当少于5微米。为了使轴承能正常工作还必须保证有一定的供油压力及供油量。一般的供油压力应大于0.5Mpa,供油量为2060升/秒。2、供油系统的组成及工作；供油系统由油泵、油箱、油冷却器、油压容器、油过滤器、油气分离器、溢流阀、 单向阀，测 量仪表及其它的管道、阀门等组成。、油泵；目前多数采用三螺杆泵，要求供油压力为2.5Mpa,供油量为60升/秒。三螺杆泵主要的优点是运行燥音少，密封好，基本上不漏油。、油箱；油箱不仅要求贮存油泵5分钟以上的油量，还兼作第一级油器分离器。它还必须承受一定的压力。中低压膨胀机的油箱通常的工作压力低于0.6Mpa,容积为800升左右。、油冷却器
10、；出机组的润滑油必须进过冷却，以保证进机组的润滑油温度低于50。冷却通常用水或空气。为保证冷却效果，通常多用水冷却。、油压容器；油压容器为封闭的压力容器，其下部设置有进出口。主要是为保证油泵突然停电或者迂到其它故障而不能继续供油时，依靠油压容器内贮存的压力油，继续供给主机一到二分钟的润滑油，以保证主机的安全。、油过滤器；设置油过滤器是为了过滤润滑油中的固体颗粒。以防止这些颗粒进入油泵及主机的轴承，以保护油泵及轴承的安全运行，本系统共设置有三组油过滤器。第一组在油箱出口与油泵入口处，由不锈钢丝网滤芯制成，功能是防止较大的固体颗粒进入油泵而损坏油泵，第二组 在油冷却器出口处，是系统的主过滤器。主过
11、滤器为双筒过滤器，二 组可以切换使用，它要求的过滤精度为5m。主要是保护主机的轴承。第三组在主机的供油口前。主要为防止主过滤器后的管道及油压容器内的残留的少量机械固体颗粒进入主机，一般用单筒过滤器。、油气分离器；主机的密封气往往与润滑油一起进入油箱，经过油箱的初步分离后，再进入油气分离器后进一步分离，使排出的密封气中基本上不含润滑油。、溢流阀；为保护油泵及供油系统的容器的安全，在油泵出口处设置有一溢流阀，当管道因某钟原因而不畅通时，在油泵的供油压力超过油泵的最高工作压力时，能自动的打开泄油孔，使油压很快下降，以保护油泵及设备。四、膨胀机的密封供气系统；密封供气系统由进口阀、节流减压阀、密封气过
12、滤器及分配管组成。密封气过滤器是由滤芯及壳体组成。由于密封气直接进入主轴密封轴套处，因而要求密封气内的固体颗粒直径少于5m。五、膨胀机的仪控保护系统；为了膨胀机的安全运行，膨胀机机组设置了一系列安全保护系统，首先机组要求在膨胀机入口处设置有紧急切断阀，并由仪控系统来控制紧急切断阀，也可以用手动按钮来控制。并要求该阀在给予切断信号后，在6秒 钟内关闭，以保护膨胀机不被损坏。膨胀机组要求在下列工况下进行报警及切断停车。项目 正常参数 报警参数 切断停车参数膨胀机转速 设计转速1.1设计转 速1.15设计转速前轴承温度 70 70 75后轴承温度 70 70 75膨胀机供油压力 0.8Mpa0.4M
13、pa0.2Mpa(当油箱 压力 为0.0Mpa,的条例下,否则应加上油箱压力)停电 切断停车六、膨胀机主机的操作及注意事项；1、膨胀机的正常开车6.1.1启动供油系统，保证供油压力在1.2-1.5Mpa(G)之间，供油温度在35左右（不低于20），必要时可调节油冷却器的水量及油冷却器的旁通阀，油箱的油面应保持在液面计的2/3处，油过滤器两端的差压不得大于0.25Mpa，并检查各油压表是否正常，油路是否畅通。6.1.2检查膨胀机入口调节阀应处于全闭状态，增压机旁路调节阀应处于全开状态。6.1.3打开膨胀机、增压机端进出口管道旁通阀。开启膨胀机出口阀及增压机进出口阀.6.1.4缓缓开启膨胀机进口处
14、调节阀，第一次开度约为1020%，仔细观察主机启动情况，当转速达到50%的设计转速时，保持1030分钟观察各仪表，判断运转是否正常，如有异常情况即关闭入口调节阀作紧急停车，待排除故障后再进行启动，然后缓慢升速到75%的设计转速,保持1小时，一切正常后再缓慢升速,并逐步升速到设计转速，以后逐步关闭增压机及膨胀机的旁通阀，并调节喷嘴开度以维持适当的进口压力及转速。注意;第一次开车应严格按此程序 进行,以后日常开车可以直接缓慢地升速到规定转速.2、正常运转6.2.1正常运转的操作条件;轴承温度 70密封气压力 高于喷咀后压力0.05Mpa供油压力1.21.5Mpa(G)6.2.2膨胀机工况的调节6.
15、2.2.1膨胀机入口压力、气量的调节当膨胀机入口压力及流量波动较大时，可以调节可调喷咀执行机构手柄来调节可调喷嘴的开度，达到所需要的压力及流量，正常情况下应尽量减少喷嘴的调节。当手柄以逆时针方向转动时喷咀开大，气量增加、进口压 力下降。反之气量减少、膨 胀机入口压力上升。膨胀机入口压力、气量的调节主要是为了在现有的工况下最大地提高产量，因而调节时应尽可能保证较大的膨胀比，膨胀比越大，焓降也越大，产生的冷量也越大，产量也越高。但是如果为了提高膨胀机的入口压力，增大膨胀比而将喷咀关得过少，那麽会使膨胀机远离其设计工况，使膨胀机的效率大幅度下降，这样反而会减少膨胀机的产冷量，而使装置的产量下降。所以
16、膨胀机工况的调节必须视各装置的各个时期的具体情况而定。6.2.2.2主机转速的调节维持机组适当的转速是提高膨胀机效率及延长主机寿命的重要途径，转速的调节可通过下列三种途径来实现。调节喷嘴开度以改变机组的膨胀比及效率，从而改变转速；调节增压机旁通阀的开度改变增压机气量以调节转速；特别是当装置的处理量增大时,这时由于膨胀机的总功率增大,膨胀机要吸收这些功率,就会使转速升高,甚至于超过允许的转速,这时就需要开大增压机旁通阀,增加增压机的回流气量,也就是增加增压机的制动功率,从而使膨胀机的转速下降。调节干气外输压力，以调节膨胀比，从而改变转速。6.2.3膨胀机正常运行时几个工况的处理6.2.3.1冻结与加温吹除膨胀机在长期运转中如果有水及烃类化合物冻结在喷嘴叶片上，甚至冻结在叶轮叶片上时，会造成喷嘴堵塞，转子动力性能变坏，使膨胀
