杭氧膨脹機(jī)課件

1、孫 武透平膨脹機(jī)系統(tǒng)孫 武透平膨脹機(jī)系統(tǒng) 眾所周知，絕熱等熵膨脹（氣體在膨脹機(jī)中絕熱膨脹對(duì)外做功，由于同外界沒(méi)有熱量的交換，是個(gè)等熵過(guò)程）是獲得低溫的重要效應(yīng)之一,也是對(duì)外做功的一個(gè)重要熱力過(guò)程,而透平膨脹機(jī)則是實(shí)現(xiàn)接近絕熱等熵膨脹過(guò)程的一種有效機(jī)械.目前,從空調(diào)設(shè)備、低溫環(huán)境模擬到空氣與多組分氣體的液化分離以及極低溫氫、氦的液化制冷,都有透平膨脹機(jī)的實(shí)際應(yīng)用。 在能源的綜合利用方面,透平膨脹機(jī)作為回收能量的機(jī)械也得到了廣泛的應(yīng)用.例如石油催化裂解再生氣透平膨脹機(jī)、化工尾氣透平膨脹機(jī)、煙氣透平膨脹機(jī)、天燃?xì)馔钙脚蛎洐C(jī)、液化天燃?xì)馔钙脚蛎洐C(jī)、液化天燃?xì)饫錈岚l(fā)電透平膨脹機(jī)等。 眾所周知，絕熱等熵膨

2、脹（氣體在膨脹機(jī)中絕熱膨脹 透平膨脹機(jī)是利用工質(zhì)流動(dòng)時(shí)速度的變化進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的,因此也稱為速度型膨脹機(jī).工質(zhì)在透平膨脹機(jī)的流通部分中膨脹獲得動(dòng)能,并由工作軸輸出外功,因而降低了膨脹機(jī)出口工質(zhì)的內(nèi)能和溫度.工質(zhì)在工作輪中膨脹的程度稱為反動(dòng)度.具有一定反動(dòng)度的膨脹機(jī)就稱為透平膨脹機(jī)。 空壓站膨脹機(jī)為杭氧生產(chǎn)的透平膨脹機(jī)，利用工質(zhì)污氮作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，使膨脹機(jī)高速旋轉(zhuǎn)。膨脹機(jī)的主要目的是為海南煉化提供液氮及氮?dú)狻?透平膨脹機(jī)是利用工質(zhì)流動(dòng)時(shí)速度的變 利用有一定壓力的氣體（氮?dú)猓┰谕钙脚蛎洐C(jī)內(nèi)進(jìn)行絕熱膨脹對(duì)外做功而消耗氣體本身的內(nèi)能，從而使氣體自身強(qiáng)烈地冷卻而達(dá)到制冷的目的。透平膨脹機(jī)輸出的能量由同軸的增

3、壓機(jī)、發(fā)電機(jī)回收或制動(dòng)風(fēng)機(jī)等消耗（本空壓站為制動(dòng)風(fēng)機(jī)）。 膨脹機(jī)主要是被用來(lái)生產(chǎn)冷量造成低溫，其工作的對(duì)象主要是氣體。當(dāng)氣體具有一定的壓力和溫度時(shí)。就具有一定的能量，即由壓力而體現(xiàn)的勢(shì)能與由溫度所體現(xiàn)的動(dòng)能。這兩種能量總稱為內(nèi)能，而膨脹機(jī)主要的作用是利用氣體通過(guò)膨脹機(jī)的過(guò)程中的內(nèi)能降低并對(duì)外輸出功。并由于氣體內(nèi)能的降低并對(duì)外輸出功使氣體的壓力和溫度大幅度降低從而達(dá)到制冷與降溫的目的。 膨脹機(jī)主要的工作是在噴嘴及葉輪中完成。噴嘴是一種由多個(gè)精心設(shè)計(jì)的葉片所組成的噴射通道（即噴嘴流道）。當(dāng)高壓的氣體通過(guò)噴嘴流道時(shí)，由于噴射作用使氣體的速度迅速上升并可達(dá)到音速，而氣體的壓力和溫度則很快下降。從而達(dá)到

4、降溫的目的。 利用有一定壓力的氣體（氮?dú)猓┰谕钙脚蛎洐C(jī)內(nèi)進(jìn)行 葉輪則是接受從噴嘴出來(lái)的高速氣體，由于噴嘴出來(lái)的氣體其速度達(dá)到或超過(guò)音速，而且溫度已經(jīng)大幅度降低，當(dāng)高速氣體沖擊葉輪的葉片時(shí)，使葉輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)。葉輪是一個(gè)由多個(gè)葉片所組成的轉(zhuǎn)子，氣體從半徑方向流入，而從與主軸軸線平行方向流出，稱為徑軸流葉輪。葉輪中每?jī)蓚€(gè)葉片圍成一個(gè)通道。葉輪的通道是經(jīng)過(guò)精心的設(shè)計(jì)，而且是漸漸擴(kuò)大的。當(dāng)高速、低溫的氣體通過(guò)葉輪通道時(shí)，由于高速轉(zhuǎn)動(dòng)。使氣體的速度很快下降，同時(shí)氣體在不斷變大的通道中流動(dòng)時(shí)壓力也進(jìn)一步下降，因?yàn)閴毫εc速度下降使氣體的內(nèi)能的降低，這樣氣體溫度進(jìn)一步大幅度降低。從而達(dá)到降溫與制冷的目的。由于膨脹

5、機(jī)葉輪的飛速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)了與膨脹機(jī)葉輪在同一軸上另一端的制動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，利用了膨脹機(jī)發(fā)出的功率，而且也控制了膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速。（本膨脹機(jī)制動(dòng)風(fēng)機(jī)端出、入口都連接大氣） 由于膨脹機(jī)中氣體通過(guò)的時(shí)間極短，來(lái)不及與周圍環(huán)境交換熱量所以可以認(rèn)為它是在接近絕熱等熵的條件下工作的。因而具有很高的絕熱效率。 葉輪則是接受從噴嘴出來(lái)的高速氣體，由于噴嘴出一、按結(jié)構(gòu)形式分1、活塞式膨脹機(jī)：通稱容積型，其特點(diǎn)是適宜于小流 量、高壓力、大膨脹比工況；缺點(diǎn)是復(fù)雜、體積大、易損件多、操作維護(hù)復(fù)雜。2、透平膨脹機(jī)：通稱速度型，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、因而制造維修工作量小，適宜于大流量、中高壓力而

6、初溫較低。二、按工作原分1、沖動(dòng)式：膨脹過(guò)程幾乎完全在靜止的噴嘴中進(jìn)行。2、反作用式：膨脹過(guò)程不僅在靜止的噴嘴中進(jìn)行，還在葉輪中進(jìn)一步膨脹。三、按氣流流動(dòng)方向分1、徑流式：氣體在垂直于旋轉(zhuǎn)軸的平面 內(nèi)沿半徑方向流動(dòng)；2、軸流式：氣體沿著平行于工作輪旋轉(zhuǎn) 軸方向流動(dòng)；3、徑軸流式：氣體由徑向流入工作輪而 由軸向流出。一、按結(jié)構(gòu)形式分四、按照透平膨脹機(jī)制動(dòng)方式1、可分為風(fēng)機(jī)制動(dòng)透平膨脹機(jī)、增壓機(jī)制動(dòng)透平膨脹機(jī)、電機(jī)制動(dòng)透平膨脹機(jī)和油制動(dòng)透平膨脹機(jī)。五、按照透平膨脹機(jī)軸承的不同形式1、可分為油軸承透平膨脹機(jī)、氣體軸承透平膨脹機(jī)和磁軸承透平膨脹機(jī)等。六、按照工作輪（膨脹端葉輪）結(jié)構(gòu)分 1、如果工作輪葉

7、片的兩側(cè)具有輪背和輪蓋,則稱為閉式工作輪, 2、輪蓋沒(méi)有只有輪背的稱為半開式工作輪, 3、輪蓋和輪背都沒(méi)有的,或輪背只有中心部分而外緣被切除的,則稱為開式工作輪.只有在應(yīng)力很大的場(chǎng)合才采用開式工作輪,利用外緣的切除來(lái)降低離心力.低溫裝置中開式工作輪的應(yīng)用并不普遍。四、按照透平膨脹機(jī)制動(dòng)方式1、氣體在蝸殼中的流動(dòng)： 進(jìn)入蝸殼的介質(zhì)速度較小，蝸殼一般設(shè)計(jì)成無(wú)能量轉(zhuǎn)換型，只是將氣流均勻地分配并導(dǎo)入噴嘴環(huán)，起導(dǎo)向作用。圓形和矩形截面使用的較多，其他還有梯形、三角形截面。2、氣體在噴嘴中的流動(dòng)：在透平膨脹機(jī)中為了使工作輪能有效地獲得盡可能大的動(dòng)量矩。噴嘴總是按圓周分布、且有一定的傾斜角。氣體在噴嘴中完成

8、的能量轉(zhuǎn)換約占總量的50%左右，它是膨脹機(jī)的重要部件之一。 3、氣體在工作輪中的流動(dòng)： 工作輪的作用主要是使工質(zhì)在葉輪中進(jìn)一步有效膨脹做功，并同時(shí)把這部分能量和工質(zhì)動(dòng)能有效地轉(zhuǎn)換為機(jī)械功，并通過(guò)軸輸出，同時(shí)，還應(yīng)把膨脹后的氣體平穩(wěn)地導(dǎo)入到擴(kuò)壓器中。主體段中氣體的流向主要是輪緣處向中心的徑向流動(dòng)，而導(dǎo)流段氣體為軸向流動(dòng)。1、氣體在蝸殼中的流動(dòng)：4、氣體在擴(kuò)壓管中的流動(dòng)： 為了使工作輪的設(shè)計(jì)具有較高的效率，現(xiàn)代透平膨脹機(jī)的葉輪出口排出的氣流絕對(duì)速度可達(dá)45-70m/s。若直接將工質(zhì)排到管道中，將會(huì)引起很大的摩擦損失，從而增大冷損，為此設(shè)擴(kuò)壓器，將氣流速度降到5-10m/s，起降速擴(kuò)壓的作用。杭氧膨

9、脹機(jī)課件 膨脹機(jī)是一種高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械，為了保證它的效率與可靠性，必須特別注重其葉輪、噴嘴、軸承、密封的設(shè)計(jì)與制造。 一臺(tái)膨脹機(jī)主機(jī)的基本結(jié)構(gòu)的剖面圖。主機(jī)主要由膨脹機(jī)蝸殼、轉(zhuǎn)子、噴嘴、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、軸承、密 封、機(jī)身及密封件等組成。下面分別介紹這些另部件的工作原理，基本結(jié)構(gòu)及要求。 膨脹機(jī)是一種高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械，為了蝸殼 ：蝸殼直接固定在底架上并支承膨脹機(jī)主機(jī)及增壓機(jī)（制動(dòng)風(fēng)機(jī)端）。蝸殼內(nèi)容納了膨脹機(jī)葉輪和噴嘴環(huán)。在排氣側(cè)有一壓圈借助一彈性壓緊機(jī)構(gòu)而壓在噴嘴葉片上，使噴嘴葉片的端面沒(méi)有間隙。（現(xiàn)場(chǎng)為單蝸室蝸殼）彈簧壓縮量：1.62.0mm，壓縮量變小必須更換，不然將因?yàn)閲娮炫c擴(kuò)壓器不平行，導(dǎo)致噴嘴間

10、隙過(guò)大，造成氣量損失，及噴嘴與相對(duì)擴(kuò)壓機(jī)摩擦。蝸殼 ：蝸殼直接固定在底架上并支承膨脹機(jī)主機(jī)及增壓機(jī)（制動(dòng)風(fēng)當(dāng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)21030r/min時(shí)，膨脹機(jī)連鎖停機(jī)。轉(zhuǎn)子：由主軸、膨脹機(jī)工作輪、制動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪及軸封組成，通常采用的是雙旋臂轉(zhuǎn)子，即兩個(gè)工作輪外伸在兩個(gè)軸承之外，轉(zhuǎn)子式透平膨脹機(jī)的核心部件，除要求良好的空氣動(dòng)力性能外，由于它是高速轉(zhuǎn)動(dòng)零件，還要求有較高的動(dòng)平衡精度及要求自振頻率（臨界轉(zhuǎn)速）遠(yuǎn)離其工作轉(zhuǎn)速。當(dāng)膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)21030r/min時(shí)，膨脹機(jī)連鎖停機(jī)。轉(zhuǎn)子 噴嘴：透平能量轉(zhuǎn)換的主要部件，近年來(lái)均采用葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng) 的可調(diào)噴嘴，以調(diào)節(jié)流道的通流面積，從而調(diào)節(jié)氣量。 材料為3Cr13或

11、2 Cr13等。 噴嘴：透平能量轉(zhuǎn)換的主要部件，近年來(lái)均采用葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng) 密封：一般分為內(nèi)密封和軸密封。內(nèi)密封為膨脹端葉輪與擴(kuò)壓器之間的密封，減小驅(qū)動(dòng)氣體泄漏，如圖（5-39）。軸密封為膨脹機(jī)軸承箱兩端密封，避免膨脹段的冷氣體向常溫段的軸封泄漏，不僅造成冷損失而且會(huì)使軸承的潤(rùn)滑油凍結(jié)而造成損壞，因而采用軸封加以阻止。軸封形式為迷宮密封，一種非接觸式動(dòng)態(tài)密封，圖（5-40）（本站膨脹機(jī)軸封形式為a，中間通密封氣）。密封器徑向間隙為：0.040.06mm，間隙超標(biāo)必須更換密封器。膨脹端及風(fēng)機(jī)端軸密封都通有密封氣，密封氣壓力0.04MPa。密封氣小于該壓力可能導(dǎo)致密封不嚴(yán)，可能導(dǎo)致軸承箱進(jìn)入冷態(tài)介質(zhì)

12、氣。密封：一般分為內(nèi)密封和軸密封。內(nèi)密封為膨脹端葉輪與擴(kuò)壓器之間 在膨脹機(jī)（膨脹端）排氣側(cè)，為防止噴嘴與工作輪間的氣體不經(jīng)工作輪而直接泄入擴(kuò)壓室，在工作輪端設(shè)置了密封，同時(shí)在工作輪背面，為防止低溫帶壓氣體向外泄漏，設(shè)置了石墨襯料內(nèi)軸封，能保證很小的間隙值。因此，為了控制氣體的泄漏，必須向軸封中通入密封氣體（干燥空氣或氮?dú)猓鋲毫σ鶕?jù)間隙壓力的大小來(lái)控制。因此設(shè)置一差壓控制閥，調(diào)整時(shí)應(yīng)使密封氣壓力比間隙壓力高。以防止軸封中發(fā)生竄流。間隙壓差是間隙壓力和膨脹機(jī)出口的壓差，當(dāng)膨脹機(jī)間隙壓力與膨脹端出口壓力壓差0.21MPa時(shí)，壓縮機(jī)連鎖停機(jī)，并及時(shí)查明原因，從根本上解決問(wèn)題。 在膨脹機(jī)（膨脹端）

13、排氣側(cè)，為防止 間隙壓力是指膨脹機(jī)葉輪背面與渦殼之間的壓力，是進(jìn)入膨脹機(jī)的壓力空氣經(jīng)噴嘴與葉輪之間的間隙漏入的，它的高低與機(jī)前壓力、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速、密封氣壓力都有關(guān)系，如果間隙壓力大幅增高，或劇烈抖動(dòng)，說(shuō)明膨脹機(jī)已經(jīng)帶液，原因是機(jī)內(nèi)液滴在高速旋轉(zhuǎn)葉輪的離心力作用下，被甩到葉輪邊緣并急劇汽化壓力迅速提高，并通過(guò)噴嘴與葉輪之間的間隙進(jìn)入葉輪背面與渦殼之間，造成間隙壓力升高并抖動(dòng)。間隙壓差指間隙壓力與出口壓力的差值。對(duì)間隙壓力特別注意，間隙壓力與出口壓力之間的壓差與止推軸承的負(fù)荷有直接關(guān)系，提供一控制器（壓力表）來(lái)監(jiān)視該壓差。該壓差不得超過(guò)其規(guī)定的最大值。 如果測(cè)得的間隙壓力高于正常值，可能有以下原因：

14、 （1）實(shí)際運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值。 （2）安裝不正確。 （3）液體進(jìn)入噴嘴和葉輪間的空間。 （4）膨脹機(jī)葉輪流道有“冰”堵現(xiàn)象。 為防止間隙壓力過(guò)高引起機(jī)器故障，因此在出現(xiàn)間隙壓力過(guò)高時(shí)必須查明原因，及時(shí)處理。 間隙壓力是指膨脹機(jī)葉輪背面與渦殼傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴的角度，以改變噴嘴流道的面積而設(shè)定，膨脹機(jī)流量調(diào)節(jié)是通過(guò)一執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變噴嘴角度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。噴嘴寬度與閥桿行程的設(shè)定有關(guān)閥桿通常有手動(dòng)及遙控兩種。 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴的角度，以改變噴嘴流道的面積而設(shè)定，膨軸承：支撐主軸并保證主軸順利穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，為了保證主軸的軸向定位并承受一定的軸向力，除徑向軸承外，還有推力軸承，常用的有油及氣體軸承。油

15、軸承（潤(rùn)滑油潤(rùn)滑軸承）：承載能力大，可靠性好，軸承線速度可達(dá)70米/秒。油軸承具有承載能力必須具備三個(gè)條件：存在油楔、具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)、油有一定的粘性。氣體軸承（空氣潤(rùn)滑）：用于小型高速轉(zhuǎn)子空壓站透平膨脹機(jī)徑向和止推軸承，是按水力學(xué)油膜潤(rùn)滑理論設(shè)計(jì)的，只要安裝正確并提供清潔而充足的潤(rùn)滑油，它們就能保證轉(zhuǎn)子的良好運(yùn)轉(zhuǎn)而不致磨損。軸承的排油經(jīng)回油管回入油箱。軸承溫度用鉑電阻溫度計(jì)測(cè)量。 膨脹機(jī)徑向支持軸承、推力支持軸承監(jiān)測(cè)溫度75時(shí)，膨脹機(jī)連鎖停機(jī)。膨脹機(jī)膨脹端軸承（內(nèi)軸承）溫度15 時(shí)（冷態(tài)介質(zhì)氣可能進(jìn)入軸承箱），儀表連鎖低報(bào)。軸承：支撐主軸并保證主軸順利穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，為了保證主軸的軸向定位軸承使用標(biāo)準(zhǔn)

16、如下： 徑向軸承間隙：0.040.056mm，推力軸承間隙：0.1350.175mm。 軸承超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)必須更換，因該軸承為不可修復(fù)軸承。 軸承使用標(biāo)準(zhǔn)如下：潤(rùn)滑油自油箱由油泵輸入進(jìn)油管，經(jīng)油冷卻器和切 換式濾油器后分配到各潤(rùn)滑點(diǎn)，再經(jīng)回油管回到油 箱。另外，設(shè)置一蓄油器，油泵開動(dòng)時(shí)，自行充油， 再以保證油壓降低聯(lián)鎖停車時(shí)必要的潤(rùn)滑。通過(guò)回 流閥( 控制油箱回流閥開度)可以調(diào)整油壓。潤(rùn)滑油要求使用按GB11120-89的L-TSA32汽輪機(jī)油。 為保證機(jī)器用油的品質(zhì)，在運(yùn)行200小時(shí)后要進(jìn)行 第一次油更換，此后在濾油器清潔的前提下，至少 一年換油一次。只有在油的特性經(jīng)檢查確認(rèn)良好的 前提下，才可延

17、長(zhǎng)換油時(shí)間。 潤(rùn)滑油供油壓力為：0.18-0.3MPa， 潤(rùn)滑油壓力低于0.18MPa時(shí)，系統(tǒng)油壓低報(bào)，另外一臺(tái)油泵自動(dòng)啟動(dòng)。 潤(rùn)滑油壓力高于0.30MPa時(shí)，系統(tǒng)油壓高報(bào)，安全閥自動(dòng)打開。潤(rùn)滑油箱油溫15 時(shí)，儀表連鎖低報(bào)。潤(rùn)滑油箱油溫 25 時(shí)，儀表連鎖高報(bào)。 潤(rùn)滑油自油箱由油泵輸入進(jìn)油管，經(jīng)油冷卻器和切在膨脹機(jī)膨脹端進(jìn)口處設(shè)置一緊急切斷閥，其目的是在膨脹機(jī)處于危險(xiǎn)狀態(tài)時(shí)，能在很短的時(shí)間（1.0秒）內(nèi)切斷氣源（氮?dú)猓┒蛊淇焖偻＼?，起到安全保護(hù)作用。 在膨脹機(jī)膨脹端進(jìn)口處設(shè)置一緊急切斷閥，其目的是在膨脹機(jī)處于危杭氧膨脹機(jī)課件杭氧膨脹機(jī)課件 杭氧膨脹機(jī)課件從膨脹機(jī)制冷量的公式，可以看出Q=G

18、h0s如果改變制冷量Q，可以通過(guò)改變氣體的流量G、等熵焓降h0及其等熵效率s三個(gè)因素中的任何一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常把改變膨脹氣體在進(jìn)出口狀態(tài)參數(shù)的調(diào)節(jié)，稱為質(zhì)的調(diào)節(jié)；改變氣體流量的調(diào)節(jié)稱為量的調(diào)節(jié)。 1、進(jìn)口節(jié)流調(diào)節(jié) 通過(guò)進(jìn)口調(diào)節(jié)閥開度的變化，改變膨脹機(jī)前的氣流壓力，從而膨脹機(jī)的焓降h0及其等熵效率s同時(shí)發(fā)生變化，以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)產(chǎn)冷量的目的。 、轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴葉片角的流量調(diào)節(jié) 這種調(diào)節(jié)是利用轉(zhuǎn)動(dòng)噴嘴葉片，因而改變其流通面積，達(dá)到改變膨脹機(jī)的流量，從而改變其制冷量。 、改變轉(zhuǎn)速 通過(guò)關(guān)小回流閥來(lái)改變膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)節(jié)冷量的效果。從膨脹機(jī)制冷量的公式，可以看出Q=Gh0s1、膨脹量： 膨脹量越大，影響氧提取率，氧提取率越底，膨脹量需同時(shí)滿足冷量平衡及精餾工況的需求。2、機(jī)前溫度： 提高機(jī)前溫度，