2021年低溫透平膨脹機成長的五十載

1、低溫透平膨脹機成長的五十載歐陽光明(2021.03.07)一、前言中國空分制造業(yè)已經(jīng)經(jīng)過了整整五十年了。回顧五十年，我國的 空分行業(yè)從無到有，從仿造到自行開發(fā)研究，制氧容量從小型的幾 十立方每小時到目前已經(jīng)能生產(chǎn)每小時三萬等級，從整套制氧機運 行需由三五個人手工操作發(fā)展到今天在控制室電腦屏幕前由一個人 可對整套空分設(shè)備進(jìn)行操作，從流程上來說從一般簡單節(jié)流流程已 經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在根據(jù)不同需要可采用不同流程：如正流膨脹流程、反 流膨脹流程、增壓膨脹流程、內(nèi)壓縮流程等等。既能達(dá)到高的提取 率又能節(jié)省能耗的新流程。低溫透平膨脹機是空分設(shè)備的心臟，它是空分設(shè)備中最主要的冷 源。它的技術(shù)性能水平直接反映出空分

2、設(shè)備的水準(zhǔn)。我國60年代 初尚處于仿造當(dāng)時蘇聯(lián)30、40年代3350m3/h制氧機，其中配套的 透平膨脹機還是沖動式(反動度為零)的型式，絕熱效率在70%左 右。經(jīng)過這四十年的發(fā)展，我國的低溫透平膨脹機已經(jīng)從原只能仿 造逐步發(fā)展成完全可以自行開發(fā)在空氣液化分離設(shè)備；石油氣天然 氣的液化及分離；氮、氦氣體的液化；氦制冷設(shè)備；航空航天環(huán)境 擬設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，為我國在冶金、化工、石化、核物理和航空 航天事業(yè)上揮了重大的作用。二、我國低溫透平膨脹機發(fā)展的主要里程1、60年代初，在當(dāng)時的機械部的大力支持下，當(dāng)時杭州制氧機 研究所第一副所長陳大慈積極指導(dǎo)下，我們幾位剛畢業(yè)的大學(xué)生接 受了開發(fā)低溫透平膨脹

3、機的任務(wù)。在當(dāng)時缺乏資料情況下，通過不 同途徑從各個方面收集相關(guān)資料，開始了國內(nèi)首臺自行設(shè)計低溫透 平膨脹機的研制，并進(jìn)行了大量的試驗研究。完成了噴咀相關(guān)閉對 效率的影響試驗；噴咀葉片高度對葉輪進(jìn)葉高過蓋度對效率的影 響試驗；反動度對效率的影響試驗；制動風(fēng)機對透平膨脹機的調(diào)節(jié) 性能試驗；常溫與低溫對比效率試驗等，并寫出了至今為止研究低 溫透平膨脹機的設(shè)計研究還有一定指導(dǎo)意義的單級向心式空氣透 平膨脹機的試驗研究學(xué)術(shù)論文。2、1970年我國首臺配自行設(shè)計中壓流程300m3/h制氧機的中壓 透平膨脹機研制成功，為我國自行研發(fā)中壓透平膨脹機邁出了和一 步。3、1979年研制成用于核物理研究的100L

4、/h大型氦液化設(shè)備中二 臺高速氦氣軸承氦透平膨脹機（轉(zhuǎn)速分別為10.2x104r/min和120 4r/min）,填補了重大空白，其中采用了獨特的方法解決了理論和 實踐證明是行之有效的關(guān)鍵穩(wěn)定性問題。寫出了氦透平膨脹機及 其氣體軸承穩(wěn)定性試驗研究論文，在1983年法國巴黎召開的第1 6屆國際制冷大會上宣讀，在國際同行中得到一致好評。這也是我 國空分行業(yè)第一次在國際性會議上宣讀學(xué)術(shù)論文。4、1980年江西制氧機廠與西安交通大學(xué)合作研制成配150m3/h 小空分的氣體軸承中壓透平膨脹機，至今全國配150m3/h制氧機幾 乎全部都配上這種透平膨脹機代替活塞膨脹機。因為它比活塞式效 率大為提高，節(jié)電顯

5、著，而且維修方便，占地面積小，噪音低。5、1985年，杭州制氧機研究所完成機械部下達(dá)的研制配進(jìn)的 20L/h氦液化設(shè)備的2臺超高速高穩(wěn)定性的氣體軸承氦透平膨脹機（轉(zhuǎn)速分別為25x104r/min和36x104r/min）,為我國以后研制超高 速氣體軸承透平膨脹機打下了良好的基礎(chǔ)。6、80年代初，杭州制氧機廠從德國Linder公司（后為AtlasCop co公司）引進(jìn)了透平膨脹機的設(shè)計和制造技術(shù)，這使我國在以后的 透平膨脹機的整體水平（包括設(shè)計、制造工藝、質(zhì)控等方面）有了 明顯的提高。特別是1987年杭州制氧機廠率先在國內(nèi)開發(fā)成功增 壓膨脹流程6000m3/h空分設(shè)備中的增壓透平膨脹機，這不僅為

6、節(jié) 能型的增壓流程在我國予以實現(xiàn)，更使我國空分設(shè)備和透平膨脹機 的技術(shù)又上了一個臺階。繼后10000、3200、15000和30000m3/h空 分設(shè)備等級的增壓透平膨脹機也前后研制成功。7、杭州制氧機廠在90年代初開發(fā)成高膨脹比（29.6）、大流量的 中壓氮氣增壓透平膨脹機，其進(jìn)壓力為3.7MPa（A）。由于其運行 穩(wěn)定、效率高、易耗件少、維修方便，取代了原三臺活塞膨脹機， 收到了良好的經(jīng)濟效益，同時也實現(xiàn)了透平膨脹機高膨脹比的突 破，為大型液體設(shè)備的流程實現(xiàn)了跨出了重要的一步。8、氣體軸承透平膨脹機在中小型空分設(shè)備和液化設(shè)備中應(yīng)用具 有一定的優(yōu)勢，繼“150m3/h”空分設(shè)備氣體軸承透平膨

7、脹機取代活塞 式膨脹機后，90年代國內(nèi)又在300、800m3/h空分設(shè)備中，甚至在1 000空分設(shè)備中也配用氣體軸承透平膨脹機。杭州制氧機廠在90年代初還成功開發(fā)出集中了80三元葉輪、 小型可調(diào)噴咀、增壓制動風(fēng)機和氣體軸承四項新技術(shù)為一體的小型 增壓透平膨脹機用于150L/h的液氧液氮設(shè)備中，獲得國內(nèi)外同行 的贊賞。9、四川空分設(shè)備廠在80年代初研制成配7x104m3/d等級小型天 然氣分離裝置的天然氣透平膨脹機。80年代中期四川空分廠和航空 部609所都引進(jìn)了美國Rotoflow透平膨脹機技術(shù)。四川空分廠在8 0年代末90年代初又研制成配50 x104m3/d等級的天然氣分離裝置 的天然氣透

8、平膨脹機。但從90年代以后，這方面軍發(fā)展不快，我 國內(nèi)像150 xl04m3/d250 xl04m3/d等級的石油氣、天然氣分離裝置 都從國外大公司引進(jìn)設(shè)備的。三、體會1、要重視試驗研究工作，培養(yǎng)自己解決實際問題的能力從本人從事低溫透平膨脹機試驗研究四十年經(jīng)歷中深深的感受到 試驗研究工作的重要性，對每一個透平膨脹機研發(fā)人員來說，不僅 要有扎實的理論基礎(chǔ)和專業(yè)知識，而在設(shè)計過程中很重要的一點，那就是不但會設(shè)計，而且要知道設(shè)計出來的圖紙是怎么制造出來（加工工藝）；還要知道設(shè)計好的整臺機組是怎么安裝起來的（裝 配工藝）；還要了解透平膨脹機在空分設(shè)備中的地位，什么時候啟 動透平膨脹機，怎么啟動，怎么配

9、合空分設(shè)備調(diào)節(jié)冷量又能保證透 平膨脹機的正常穩(wěn)定運行等等，只有這樣要求自己，才能把自己培 養(yǎng)成一個全面的研究開發(fā)人才。只有通過試驗研究，提高感性認(rèn)識，再在理論高度上給予總結(jié)， 再來指導(dǎo)以后的開發(fā)，不斷提高解決實際問題的能力。從國外引進(jìn) 先進(jìn)的產(chǎn)品（技術(shù)），對我們是個學(xué)習(xí)的好機會，通過深入了解， 學(xué)習(xí)他們的先進(jìn)設(shè)計方法、合理的結(jié)構(gòu)，引進(jìn)到我們自己設(shè)計中 來，這當(dāng)中，我們也不能迷信國外產(chǎn)品。我們通過長期的試驗研 究，總結(jié)了一定的經(jīng)驗，有時我們幫助處理國外產(chǎn)品事故中，剛好 國外產(chǎn)品中犯下了我們曾犯過的錯誤。這樣，用我們的經(jīng)驗解決了 國外產(chǎn)品的問題。本人在處理日本、英國和法國產(chǎn)品故障中就遇到 過這種問

10、題。同樣，我們在看到了國外透平膨脹機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng) 常用“為什么是這樣設(shè)計的？”來問自己，了解別人的設(shè)計意圖。只 有這樣才能把國外先進(jìn)的、合理的、行之有效的設(shè)計方法引為我 用，不斷提高難度們的設(shè)計水平。我們有信心，在不久的將來，逐 步使我們設(shè)計透平膨脹機水平達(dá)到、甚至超過國外先進(jìn)水平。2、要重視科技情報的收集我國工廠企業(yè)的技術(shù)人員，他們常常被日常的生產(chǎn)任務(wù)所牽制， 不夠重視當(dāng)前國內(nèi)外同行的各種信息，不收集這方面的科技情報 （如國內(nèi)外同行近期產(chǎn)品的資料和發(fā)展、趨向；國內(nèi)外相關(guān)的學(xué)術(shù) 交流信息等）。這些都是我們搞研究開發(fā)所不可缺少的信息源泉。 因為我們不可能什么都通過自己試驗研究才能獲得研究結(jié)果的

11、，更 多的還是通過前人研究成果的基礎(chǔ)上再來發(fā)展，只有這樣才能達(dá)到 又快又好又省的發(fā)展新產(chǎn)品、新技術(shù)。我們以前搞一項重大項目， 在全國各地收集相關(guān)情報資料，有時找了幾十篇文章，找到了一條 相關(guān)的信息，結(jié)果可使我們少化幾萬元錢少化幾個月的時間不去做 國外已經(jīng)做過的，而真正的更多更重要的還是要在網(wǎng)上以外的各種 渠道收集資料。3、提高透平膨脹機絕熱效率的途徑四十年前，我們仿造蘇聯(lián)3350型制氧機的沖動式透平膨脹機的 絕熱效率在70%左右，在70年代末，我們自行設(shè)計的3350型制氧 機的反動式透平膨脹機效率在7880%, 80年代初引進(jìn)德國Linder 公司技術(shù)后，葉輪流道采用了準(zhǔn)三元設(shè)計，透平膨脹機效

12、率在82% 左右，到90年代初，引進(jìn)了美國NREC設(shè)計軟件及五座標(biāo)加工設(shè) 備后，透平膨脹機絕熱效率可達(dá)到85%左右以上。然而，從本人多 年的透平膨脹機的實際運行觀察中，對不同的企業(yè)，甚至同一企業(yè) 的不同的設(shè)計人員的設(shè)計方法缺乏穩(wěn)定性，對同一等級的透平膨脹 機設(shè)計中，有的設(shè)計出來的效率可很高，有時卻較低?，F(xiàn)在我們設(shè) 計人員只知道滿足總體流程的總要求即可了，而忽略了膨脹機本身 有否達(dá)到要求，特別是效率的要求，更很少有人考慮此膨脹機還有 潛力可挖的問題。例如，我在多年的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)許多透平膨脹機運中的噴咀后壓力 數(shù)據(jù)往往沒有達(dá)到設(shè)計要求，有的甚至相差很多。我還觀察到噴咀 后壓力越接近設(shè)計值的透平膨脹機

13、絕熱效率越高，相差多的效率也 就越低。這是我們透平膨脹機設(shè)計人員在提高絕熱效率中一個重要 課題。4、關(guān)于石油氣、天然氣透平膨脹機石油氣、天然氣在我國有豐富的資料，而且還比較落后。因此 石油氣、天然氣的分離和液化設(shè)備的開發(fā)在我國的巨大的市場。而 且至今國內(nèi)絕大部分的分離和液化天然氣裝置還是被國外的大公司 所壟斷。這些設(shè)備最關(guān)鍵部機還是透平膨脹機。這種天然氣、石油 氣透平膨脹機相對于空分設(shè)備中透平膨脹機有幾個重要的關(guān)鍵問題 需解決：多組分熱力計算方法；單級大焓降引出的高轉(zhuǎn)速葉輪的結(jié) 構(gòu)及軸承穩(wěn)定性；帶液引出的復(fù)什葉型及侵蝕問題；高進(jìn)壓力引 出的巨大軸向力；可燃易爆氣體引出的高要求密封及各種防爆措

14、施。此外還有天然氣、石油氣會溶解在透平膨脹機的潤滑油中，時 間長后會引起潤滑性能的下降。國內(nèi)主要是四川空分設(shè)備廠和航天部609所在70年代已經(jīng)進(jìn)行 這方面透平膨脹機的研制工作，80年代已有配10 x10450 xl04m3/d 天然氣分離設(shè)備中透平膨脹機的產(chǎn)品。80年代末，這兩單位前后從Rotoflow公司引進(jìn)了部分技術(shù)，這對提高我國天然氣、石油氣透平 膨脹機的技術(shù)水平起到一定的作用，但從整體來看，與國外一些先 進(jìn)水平還存在較大的差距。應(yīng)該說，石油氣、天然氣透平膨脹機是難度最大的一種透平膨脹 機，它集中了透平膨脹機各個方面的難點。在60、70年代來進(jìn)行 這種透平膨脹機的研制困難是非常大的。然而

15、，通過三四十年的探 索和國外部分技術(shù)的引進(jìn)，相關(guān)科學(xué)的發(fā)展，特別是國外先進(jìn)的設(shè) 計軟件（NREC）和加工硬件（五座標(biāo)數(shù)控加工機床）的引進(jìn)，無 疑這些為天然氣透平膨脹機關(guān)鍵技術(shù)的解決提供了有利的條件。至 今，有理由說，如果在石油氣、天然氣透平膨脹機上有所突破，實 際上將為空分設(shè)備上用的透平膨脹機的先進(jìn)性和穩(wěn)定性提供了可* 的保證。所以，我認(rèn)為攻克天然氣、石油氣透平膨脹機的關(guān)鍵作為 提高透平膨脹機總水平的目標(biāo)來抓。5、關(guān)于氣體軸承透平膨脹機在空分設(shè)備中的應(yīng)用問題這一問題曾在一段時期引起一些爭論。根據(jù)本人從事透平膨脹機 中氣體軸承及其穩(wěn)定性研究近三十年的經(jīng)驗，談一些看法。（1）由于氣體相對潤滑油來說

16、粘度極小在極低溫場合下，特別能發(fā)揮其特長，如液氦、液氮、液氫設(shè)備 中的應(yīng)用，不僅解決了低溫軸承不發(fā)熱，不污染介質(zhì)，而且還解決 了密封問題（軸承氣、透平介質(zhì)和制動風(fēng)機介質(zhì)均為同一種氣體），因此，在這些特殊領(lǐng)域內(nèi)在國外已普遍應(yīng)用，國內(nèi)目前也類 同。（2）在空分設(shè)備中透平膨脹機應(yīng)用氣體軸承問題我認(rèn)為在二種場合可加以考慮的，一是在中小型空分設(shè)備為了降 低能耗指標(biāo)，而采用增壓膨脹流程時，按普通油軸承在透平膨脹機 要耗功810KW，這樣，透平發(fā)出功率增壓制動風(fēng)機已經(jīng)沒有什么 意義了，而采用氣體軸承后，氣體軸承耗功只有0.2kW左右，這樣 幾乎可以把透平發(fā)出全部功率去制動風(fēng)機增壓上。因此，這種透平膨脹機因其

17、流量不太大，透平絕熱效率不是很 高，然而它的功轉(zhuǎn)換率卻是很高。這就是說明應(yīng)用氣體軸承透平膨 脹機在中小型空分設(shè)備中采用增壓膨脹流程成為現(xiàn)實的主要原因。 杭州制氧機廠的150升/時液氮液氧設(shè)備、1000、350m3/h空分設(shè)備 就是例子。二是在生產(chǎn)高純度氣體的分離或液化設(shè)備中采用氣體軸 承透平膨脹機有利于系統(tǒng)純度的保證。（3 ）空分設(shè)備中透平膨脹機上用的氣體軸承穩(wěn)定性問題1）中小型空分設(shè)備中透平膨脹機上采用氣體軸承完全是可能 的。而且設(shè)計得合理，在三五年內(nèi)不出故障是完全可能的。我們曾 經(jīng)幫助一廠家搶修過一臺進(jìn)的氣體軸承透平膨脹機，找出了原故 障原因，經(jīng)過改進(jìn)，并幫助重新造了一臺，結(jié)果，這臺氣體軸承透 平膨脹機因生產(chǎn)需要，每半個月左右需停幾天再啟動，而且每次啟 動時，總需在35秒種轉(zhuǎn)速快速升到5xl0-4r/min以上，這臺透平已 穩(wěn)定運行五年以上不出故障。2）在空分設(shè)備中應(yīng)用氣體軸承透平膨脹機應(yīng)配有可*的安全措施（軸承氣的上下限壓力等）和合理的流程相結(jié)合。我們曾為另一廠 家解決進(jìn)空分設(shè)備的氣體軸承透平膨脹機故障時，發(fā)現(xiàn)原因外技 術(shù)人員來現(xiàn)場試車二次都因氣體軸承故障未試成功，我們到現(xiàn)場后 經(jīng)過仔細(xì)了解、分析、發(fā)現(xiàn)該流程設(shè)計對氣體軸承運行穩(wěn)定性不 利，后