《透平膨胀机培训资料最新版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《透平膨胀机培训资料最新版（17页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、天然气透平膨胀机培训教程四川空分设备（集团）有限责任公司2010年 04月5第一部分 基础理论简介一、 概述目前低温技术应用非常广泛，从航天到超导，从气体分离到能量回收等，而低温能量的获得主要靠气体的膨胀，特别是气体的等熵绝热膨胀，透平膨胀机则是实现这一膨胀的有效设备，现已广泛用到气体液化分离、能量综合利用等方面。二、 膨胀机的形式1、 活塞式膨胀机：通称容积型，其特点是适宜于小流量、高压力、大膨胀比工况；缺点是复杂、体积大、易损件多、操作维护复杂。2、 透平膨胀机：通称速度型，其特点是转速高、体积小、重量轻、结构简单、易损件少、因而制造维修工作量小，适宜于大流量、中高压力而初温较低。按工作原
2、理分：1） 冲动式：膨胀过程几乎完全在静止的喷嘴中进行；2） 反作用式：膨胀过程不仅在静止的喷嘴中进行，还在叶轮中进一步膨胀。 按气流流流动方向分：1） 径流式：气体在垂直于旋转轴的平面内沿半径方向流动；2） 轴流式：气体沿着平行于工作轮旋转轴方向流动；3） 径轴流式：气体由径向流入工作轮而由轴向流出。4） 透平膨胀机基本结构及工作原理1） 基本结构膨胀机由通流部分、制动器及机身三部分组成膨胀机通流部分：蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器制动器：1）压缩机入口管、叶轮、扩压器、蜗壳 2）风机入口管、叶轮、扩压器、蜗壳 3）电机或油制动器机身：支撑和隔热作用3、 工作原理1） 气体在喷嘴中流动设置喷嘴的
3、目的是使气流的动力能转变为气流的速度能并且使气流降温，在喷嘴前后存在着压差，这些压差推动着气流流动。当气流通过喷嘴时由于减压膨胀而使焓值降低，即使压力、温度下降，这些焓降转变成气流的动能，使在喷嘴出口处气流获得巨大的速度，因此喷嘴主要解决的问题是保持合理的形状以减小各种损失。喷嘴在结构上可分为三段：即进口段、主体段、出口段主体段又可分为2类：渐缩喷嘴（当喷嘴出口马赫数小于等于1） 缩放喷嘴（当喷嘴出口马赫数大于1）2） 气体在工作轮中的流动（反动式透平膨胀机）工作轮的作用：（1） 把喷嘴出来的高速气体的动能，通过工作轮转化为机械能并由主轴外输出做功，以降低内能使温度进一步降低。（2） 使气体在
4、工作轮进一步膨胀做功，进一步降低气体的焓值和温度；（3） 改变气体的流动方向，使它由径向转化为轴向流动反动度：气体在工作轮中膨胀的程度反动度（）=工作轮内的等熵焓降（h2s）/总的等熵焓降（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 工作轮可分为主体段：使气流由外圆向中心的径向流动 导流段：使气流由径向转为轴向流动（减少流动损失，提高效率）4、 气体在扩压器中的流动为了使工作轮流道避免减速运动，以减少流动损失（工作轮出口速度可达到5080米/秒，甚至更大），为了充分利用能量及减少管道流动摩擦损失，在工作轮出口外设置扩压器（与喷嘴作用相反）。三、 透平膨胀机的组成主机、密封气系
5、统、供油系统、仪控系统1、 主机：主机由蜗壳、转子、喷嘴、传动机构、轴承、密封、机身1） 蜗壳；它是为了使气流顺利改变方向并均匀分配给喷嘴，原则上保证气流在出口内圆上成轴对称流动。材料为铝合金、铜合金或不锈钢。2） 喷嘴：透平能量转换的主要部件，近年来均采用叶片可以转动的可调喷嘴，以调节流道的通流面积，从而调节气量。材料为3Cr13或2 Cr13等。3） 转子：由主轴、膨胀机工作轮、增压机工作轮及轴封组成。通常采用的双旋臂转子，即两个工作轮外伸在两个轴承之外，转子是透平的核心部件，除要求有良好的空气动力性能外，由于它是高速转动零件，还要求有较高的动平衡精度及要求自振频率（临界转速）远离其工作转
6、速。4） 轴封：避免膨胀段的冷气体向常温段的轴封泄漏，不仅造成冷损失而且会使轴承的润滑油冻结而造成损坏，因而采用轴封加以阻止。轴封形式为迷宫密封，一种非接触式动态密封。5） 压机轮：回收膨胀机发出的功，仅是一种制动器。6） 主轴：传递功率的零件，一段在常温，另一段在低温下工作，要求有足够的刚性、强度。材料为不锈钢或合金钢。7） 传动机构：调节转动叶片的角度，以改变喷嘴流道的面积而设定，通常有手动及遥控两种。8） 轴承：支撑主轴并保证主轴顺利稳定运转，为了保证主轴的轴向定位并承受一定的轴向力，除径向轴承外，还有推力轴承，常用的有油及气体轴承。油轴承：承载能力大，可靠性好，轴承线速度可达70米/秒
7、。油轴承具有承载能力必须具备三个条件：存在油楔、具有相对运动、油有一定的粘性。气体轴承：小型高速转子9） 机身：水平剖分式及整体式2、 密封气系统由于透平膨胀机侧通常工作在低温状况之下，而其轴承机身有处在常温环境之中，为了减少高压低温气体通过迷宫密封的泄漏而降低冷量损失，防止轴承润滑油冻结造成整个机组失效，在机组中采用常温的密封气体通入密封中段，以阻止低温气体向轴承段泄漏，保证机组的安全。3、 润滑油系统油田气透平膨胀机一般工作在压力高、转速高的环境下，因此对轴承的润滑供油系统有比较高的要求，主要是供油压力、油量、清洁度及油气分离等。供油系统主要有以下几部分组成：1）油箱：采用密封的压力油箱，
8、有利于进入油箱气体的回收利用，防止可燃气体的外漏。2） 油泵：连续提供应具有一定压力、油量的润滑油3） 油冷却器：冷却通过轴承后温度上升的油，保证油的粘度。4） 油过滤器：过滤油中的固体微粒，保证润滑油的清洁度。5） 蓄能器：贮油蓄能作用，保证因停电等突然故障能向机组有一分钟左右供油量，从而保证机组的安全。6） 油气分离器：分离进入油箱的润滑油中的气体。7） 液流阀或安全阀：调节供油压力或保证油泵出口压力不过高。4、 仪电控系统适时监控机组运转情况及采集机组运行数据，保证机组安全运行。四、 透平膨胀机的调节透平膨胀机提供了低温装置所需的主要冷量，为了维持装置的冷量平衡及适应装置工况的改变，要求
9、对膨胀工况能进行调节，特别是天然气透平膨胀机，更要求机组能适应气源及装置的工况变化。 膨胀机的制冷量Q决定下列因素：Q=GHssG：通过膨胀机的气量Hs：通过膨胀机工质的等熵焓降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来最大限度地提供冷量，提高整个装置的经济性，要求透平膨胀机有较高的效率，并使透平膨胀机在最佳工况下运行，在透平膨胀机运行中影响效率最大的一个因素是特性比U1/C0，U1是工作轮外圆处的线速度，C0是在理想状态下，通过透平级工质的理论等熵焓降Hs全部转化为工质动能时获得的理论速度，在设计时根据设计点我们已取好该值，从而得到机组的转速，因此必须保证一定的转速，
10、相当于保证一定的特性比U1/C0，才能保证机组的运行效率最高，由于天然气环境工况变化频繁，所以机组转速有一定的波动，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、 透平膨胀机的调节 由于各种原因会使装置工况发生变化，从而波及膨胀机工况变化，使膨胀机偏离设计工况，造成损失的增加，效率的降低，因此为了提高装置运行的稳定性、经济性，应设法调节膨胀机的运行工况。由于Hs是由装置提供给膨胀机进出口状态参数决定的，在一般情况下不希望改变进出口状态参数进行调节，但对于油田气膨胀机来说，由于其特殊环境与要求，调节的主要目的是最大限度地提高制冷量。 介绍几种天然气透平膨胀机的调节方法：1）
11、 改变机组进出口压力，以改变整个机组的膨胀比，在工况允许的条件下节流或提高压力的方法来改变机组进出口压力，使机组制冷量增大或减小来满足装置对冷量的需求。2） 改变可调喷嘴的开度改变机组气体的通过量，从而得到装置所需的冷量。3） 采用增压压缩机旁路来改变机组转速，使机组在最佳工况下运转。即改变旁路的气量及制动功率来改变机组的转速，使机组稳定高效运转。第二部分 操作与维护一、仪控系统仪控系统作为该套设备的重要组成部分，用来有效地监视和控制成套设备中的各主要部机的工艺参数，并对主要阀门进行自动控制或手动遥控，同时通过逻辑控制和联锁保护设施确保整套装置长期、安全、稳定运行。油田膨胀机仪控系统以PLC集
12、中控制为主，仪表板操作相结合的原则，主要工艺参数通过通讯进入DCS系统。按工艺要求完成全部工艺参数的显示、报警、调节操作等。仪控系统所采用的各种仪表的具体型号规格及具体配置情况，请参阅带控制的工艺流程图和仪表明细表。1. 系统的说明1.1膨胀机1.1.1 膨胀机进口紧急切断阀控制膨胀机进口紧急切断阀由又称为ESD紧急切断阀，它是控制气缸的二位三通电磁阀、阀体、手轮等组成。当就地/离线钥匙切换开关位于就地位置，联锁条件消除后ESD紧急切断阀的二位三通电磁阀带电才能进行打开；当转速大于等于联锁设定值 如：50000转/分、油差压小于等于0.6MPa、推力载荷大于1.9 MPa、膨胀机X、Y轴振动大
13、于等于48um、膨胀端轴承温度大于等于75和增压端轴承温度大于等于80、油箱温度小于10、膨胀机回油温度大于等于80、现场PLC柜上或DCS的停车信号，可以使ESD紧急切断阀控制开、关的二位三通电磁阀失电，通过快速关闭膨胀机进口ESD紧急切断阀，使膨胀机停止运行。一般情况下膨胀机进口ESD紧急切断阀关闭后，膨胀机通常在5秒内停止运行。1.1.2 膨胀端进、出口旁通调节阀控制膨胀机进、出口旁通调节阀由DCS进行控制，膨胀端入口压力由膨胀机的喷嘴和膨胀端进、出口旁通调节阀共同控制的。通常情况下膨胀机机组运行时，膨胀端进、出口旁通调节阀基本为全关。注意：当膨胀机在紧急停车时，膨胀端进、出口旁通调节阀
14、开度快速满足因膨胀机紧急停车时膨胀端入口压力稳定。避免膨胀机停运时膨胀端进、出口旁通调节阀开度不足或太大造成膨胀端进口压力过高或过低。1.1.3 膨胀端进口压力调节喷嘴机构检测膨胀端进口压力，膨胀机进口压力取样信号通过PLC控制柜分析后输出信号进行手动或自动调节喷嘴执行机构。1.1.4 油箱压力调节阀检测油箱压力,油箱压力取样信号通过PLC控制柜分析后输出信号进行手动或自动调节油箱压力调节阀.1.1.5 增压端旁通调节阀增压端进、出口旁通调节阀由PLC柜输出控制信号进行自动或手动进行调节，膨胀机停车时旁通阀要求全开，不能进行手/自动调节。启动膨胀机组后，通过手动控制使增压端旁通调节阀的开度满足
15、机组运行要求。在机组运行稳定平稳后，增压端进、出口旁通调节阀投入自动控制，由增压端进口流量取样信号通过PLC控制柜分析后，输出信号自动控制增压端旁通调节阀。在机组运行时出现增压端出现流量小于机组正常流量的70%，机组可能出现喘振现象、另外转速高报警、机组ESD紧急切断阀的电磁阀关闭都会全开增压端旁通调节阀。1.2 供油系统1.2.1 油箱油温大于等于40停电加热器，小于等于30启动电加热器，加热器现场设有手/停/自动转换开关。现场有运行显示和启停按钮。电加热器供电：380V 功率：5KW。1.2.2油差压控制油差压取样信号进PLC柜，由PLC控制柜输出控制信号调节润滑油差压调节阀开度，控制润滑油进膨胀机的流量，膨胀机二台油泵一台为主泵，另一台为备用泵（可以互为主泵和备用泵）。主泵的启、停可以通过就地启、停按钮。在主泵正常工作，辅助油泵处于备用状态
