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一、前言 中國空分制造業(yè)已經(jīng)經(jīng)過了整整五十年了?；仡櫸迨辏覈目辗中袠I(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備進行操作，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、內壓縮流程等等。既能達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備的心臟，它是空分設備中最主要的冷源。它的技術性能水平直接反映出空分設備的水準。我國60年代初尚處于仿造當時蘇聯(lián)3

2、0、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)在空氣液化分離設備；石油氣天然氣的液化及分離；氮、氦氣體的液化；氦制冷設備；航空航天環(huán)境擬設備上的廣泛應用，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，在當時的機械部的大力支持下，當時杭州制氧機研究所第一副所長陳大慈積極指導下，我們幾位剛畢業(yè)的大學生接受了開發(fā)低溫透平膨脹機的任務。在當時缺乏資料情況下，通過不同途徑從各個方面收集相關資

3、料，開始了國內首臺自行設計低溫透平膨脹機的研制，并進行了大量的試驗研究。完成了噴咀相關閉對效率的影響試驗；噴咀葉片高度對葉輪進口葉高過蓋度對效率的影響試驗；反動度對效率的影響試驗；制動風機對透平膨脹機的調節(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計研究還有一定指導意義的單級向心式空氣透平膨脹機的試驗研究學術論文。2、1970年我國首臺配自行設計中壓流程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/h大型氦液化設備中二臺高速氦氣軸承氦透平膨脹機（轉速分別為10.2104r/m

4、in和12104r/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16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術論文。4、1980年江西制氧機廠與西安交通大學合作研制成配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的研制配進口的

5、20L/h氦液化設備的2臺超高速高穩(wěn)定性的氣體軸承氦透平膨脹機（轉速分別為25104r/min和36104r/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。6、80年代初，杭州制氧機廠從德國Linder公司（后為AtlasCopco公司）引進了透平膨脹機的設計和制造技術，這使我國在以后的透平膨脹機的整體水平（包括設計、制造工藝、質控等方面）有了明顯的提高。特別是1987年杭州制氧機廠率先在國內開發(fā)成功增壓膨脹流程6000m3/h空分設備中的增壓透平膨脹機，這不僅為節(jié)能型的增壓流程在我國予以實現(xiàn)，更使我國空分設備和透平膨脹機的技術又上了一個臺階。繼后10000、3200、15

6、000和30000m3/h空分設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，其進口壓力為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備和液化設備中應用具有一定的優(yōu)勢，繼“150m3/h”空分設備氣體軸承透平膨脹機取代活塞式膨脹機后，90年代國內又在300、800m3/h空分設備中，甚至在1000空分設備中也配用氣體軸承透平膨脹機。杭

7、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、小型可調噴咀、增壓制動風機和氣體軸承四項新技術為一體的小型增壓透平膨脹機用于150L/h的液氧液氮設備中，獲得國內外同行的贊賞。9、四川空分設備廠在80年代初研制成配7104m3/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所都引進了美國Rotoflow透平膨脹機技術。四川空分廠在80年代末90年代初又研制成配50104m3/d等級的天然氣分離裝置的天然氣透平膨脹機。但從90年代以后，這方面軍發(fā)展不快，我國內像150104m3/d250104m3/d等級的石油氣、天然氣分離裝置都從國外大公司引進設備的。三

8、、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和專業(yè)知識，而在設計過程中很重要的一點，那就是不但會設計，而且要知道設計出來的圖紙是怎么制造出來（加工工藝）；還要知道設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備中的地位，什么時候啟動透平膨脹機，怎么啟動，怎么配合空分設備調節(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，提高感性認識，再在理論高度上給予總結，

9、再來指導以后的開發(fā)，不斷提高解決實際問題的能力。從國外引進先進的產(chǎn)品（技術），對我們是個學習的好機會，通過深入了解，學習他們的先進設計方法、合理的結構，引進到我們自己設計中來，這當中，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題。同樣，我們在看到了國外透平膨脹機結構設計時，應常用“為什么是這樣設計的？”來問自己，了解別人的設計意圖。只有這樣才能把國外先進的、合理的、行之有效的設計方法引為我用，不斷提高難度們的設計

10、水平。我們有信心，在不久的將來，逐步使我們設計透平膨脹機水平達到、甚至超過國外先進水平。2、要重視科技情報的收集我國工廠企業(yè)的技術人員，他們常常被日常的生產(chǎn)任務所牽制，不夠重視當前國內外同行的各種信息，不收集這方面的科技情報（如國內外同行近期產(chǎn)品的資料和發(fā)展、趨向；國內外相關的學術交流信息等）。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果的，更多的還是通過前人研究成果的基礎上再來發(fā)展，只有這樣才能達到又快又好又省的發(fā)展新產(chǎn)品、新技術。我們以前搞一項重大項目，在全國各地收集相關情報資料，有時找了幾十篇文章，找到了一條相關的信息，結果可使我們少化

11、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年代初引進德國Linder公司技術后，葉輪流道采用了準三元設計，透平膨脹機效率在82%左右，到90年代初，引進了美國NREC設計軟件及五座標加工設備后，透平膨脹機絕熱效率可達到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)的不同的設計人員的設計方法缺乏穩(wěn)定性，

12、對同一等級的透平膨脹機設計中，有的設計出來的效率可很高，有時卻較低。現(xiàn)在我們設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)往往沒有達到設計要求，有的甚至相差很多。我還觀察到噴咀后壓力越接近設計值的透平膨脹機絕熱效率越高，相差多的效率也就越低。這是我們透平膨脹機設計人員在提高絕熱效率中一個重要課題。4、關于石油氣、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備的開發(fā)在我國的巨大的市場。而且至今國內

13、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。這些設備最關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備中透平膨脹機有幾個重要的關鍵問題需解決：多組分熱力計算方法；單級大焓降引出的高轉速葉輪的結構及軸承穩(wěn)定性；帶液引出的復什葉型及侵蝕問題；高進口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。國內主要是四川空分設備廠和航天部609所在70年代已經(jīng)進行這方面透平膨脹機的研制工作，80年代已有配1010450104m3/d天然氣分離設備中透平膨脹機的產(chǎn)品。80年代末，這兩

14、單位前后從Rotoflow公司引進了部分技術，這對提高我國天然氣、石油氣透平膨脹機的技術水平起到一定的作用，但從整體來看，與國外一些先進水平還存在較大的差距。應該說，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年代來進行這種透平膨脹機的研制困難是非常大的。然而，通過三四十年的探索和國外部分技術的引進，相關科學的發(fā)展，特別是國外先進的設計軟件（NREC）和加工硬件（五座標數(shù)控加工機床）的引進，無疑這些為天然氣透平膨脹機關鍵技術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，實際上將為空分設備上用的透平膨脹機的

15、先進性和穩(wěn)定性提供了可*的保證。所以，我認為攻克天然氣、石油氣透平膨脹機的關鍵作為提高透平膨脹機總水平的目標來抓。5、關于氣體軸承透平膨脹機在空分設備中的應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、液氫設備中的應用，不僅解決了低溫軸承不發(fā)熱，不污染介質，而且還解決了密封問題（軸承氣、透平介質和制動風機介質均為同一種氣體），因此，在這些特殊領域內在國外已普遍應用，國內目前也類同。（2）在空分設備中透平膨脹機應用氣體軸承問題我認為在二種場合可加

16、以考慮的，一是在中小型空分設備為了降低能耗指標，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機增壓上。因此，這種透平膨脹機因其流量不太大，透平絕熱效率不是很高，然而它的功轉換率卻是很高。這就是說明應用氣體軸承透平膨脹機在中小型空分設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/時液氮液氧設備、1000、350m3/h空分設備就是例子。二是在生產(chǎn)高純度氣體的分離或液化設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）

17、空分設備中透平膨脹機上用的氣體軸承穩(wěn)定性問題1）中小型空分設備中透平膨脹機上采用氣體軸承完全是可能的。而且設計得合理，在三五年內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口的氣體軸承透平膨脹機，找出了原故障原因，經(jīng)過改進，并幫助重新造了一臺，結果，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秒種轉速快速升到510-4r/min以上，這臺透平已穩(wěn)定運行五年以上不出故障。2）在空分設備中應用氣體軸承透平膨脹機應配有可*的安全措施（軸承氣的上下限壓力等）和合理的流程相結合。我們曾為另一廠家解決進口空分設備的氣體軸承透平膨脹機故障時，發(fā)現(xiàn)原因外技術人員來現(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)過仔細了解、分析、發(fā)現(xiàn)該流程設計對氣體軸承運行穩(wěn)定性不利，后經(jīng)