天然气透平膨胀机工作原理.docx

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天然气透平膨胀机工作原理

天然气透平膨胀机工作原理

天然气透平膨胀机工作原理

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。

三、 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

2、   工作原理

1）   气体在喷嘴中流动

设置喷嘴的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（ρ）=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）

3、   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50—80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）。

四、 透平膨胀机的组成

主机、密封气系统、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2Cr13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。

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，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。

五、 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=GHsηs

G：

通过膨胀机的气量

Hs：

通过膨胀机工质的等熵焓降

ηs：

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，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）   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

此控制系统用于冀东油田天然气处理25万方/天LPG装置。

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。

本仪控系统以PLC集中控制为主，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。

说明：

本系统包括仪控系统；电控系统组成。

电控系统由大港设计院设计。

1.系统的说明

1.1膨胀机

1.1.1膨胀机进口紧急切断阀

它是由二位三通电磁阀、ESD紧急切断阀、PLC的触摸屏通过触摸操作组成，当就地/离线钥匙切换开关位于就地位置，联锁条件消除后电磁阀带电才能进行打开ESD紧急切断阀；当转速大于等于60000转/分、油差压小于等于0.6MPa、推力负荷大于1.9MPa、膨胀机X、Y轴振动大于等于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℃、正压防爆柜压力低于50Pa、现场PLC柜上或DCS的停车信号，可以使膨胀端进口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。

1.1.2 膨胀端进、出口旁通调节阀

膨胀机进、出口旁通调节阀由DCS进行控制，当膨胀机在紧急停车时，全开或开度满足因膨胀机紧急停车时避免造成膨胀端进口压力过高。

1.1.3 膨胀端进口压力调节喷嘴机构

通过检测膨胀端进口压力，PID手动或自动控制喷嘴调节机构。

当膨胀机紧急停车时全关喷嘴执行机构。

1.1.4 油箱压力调节阀

通过检测油箱压力,PID手动或自动控制油箱压力调节阀.

1.1.5 增压端旁通调节阀

膨胀机增压端进、出口旁通调节阀由PLC进行自动或手动进行调节，在停车时旁通阀全开，不能进行自动调节。

膨胀机组运行后，在机组运行稳定时，增压端进、出口旁通调节阀投入自动控制，由增压端进口流量及增压端进口温度和压力补偿后自动控制增压端旁通调节阀调节流量。

在机组增压端出现流量小于机组正常流量的60%时机组运行可能出现喘振现象、转速高报警、机组ESD紧急切断阀的电磁阀关闭时，全开旁通调节阀。

1.2 供油系统

1.2.1 油箱油温大于等于35℃停电加热器，小于等于15℃启动电加热器，通过PLC送出一开关量控制中间继电器一无源常开触点信号给电控完成启停加热器（设计院设计）。

电控要求：

就地开关、就地运行状态信号灯、就地启停控制按钮、送出运行信号去PLC（要求电控提供一无源常开触点）、输出380V5KW去撬块的电加热器。

1.2.2油差压控制

  根据油差压的大小自动调节回油的大小，油差压小于等于0.6Mpa时报警，并从PLC送一开关量控制中间继电器一无源常开触点信号给电控允许启动辅助油泵，油差压大于2Mpa时，停止辅助油泵并从PLC送一开关量控制中间继电器一无源常开触点信号给电控允许停止辅助油泵，以上电控由设计院设计。

当油差压小于等于0.6Mpa时联锁停膨胀机。

电控要求：

就地辅助油泵转换开关（油泵Ⅰ运行，油泵Ⅱ备用；停止。

油泵Ⅱ运行，油泵Ⅰ备用、停止）。

就地运行状态信号灯、就地启停控制按钮、送出油泵Ⅰ和油泵Ⅱ运行信号给PLC（要求电控提供油泵Ⅰ和油泵Ⅱ各一对无源常开触点）、输出2组  380V11KW去PLC副柜接线盒。

1.3密封气系统

    密封气出油箱温度小于等于10℃时报警。

1.4注油泵系统

注油泵电控系统（设计院设计），要求电控提供：

就地开关、就地运行状态信号灯、就地启停控制按钮、送出运行信号给PLC（要求电控提供一无源常开触点）、输出380V 4KW去撬块上注油泵。

1.5油箱温度控制、风机运行控制、备用油泵启停控制、注油泵运行状态等接口尺寸、安装位置参照PT557.81000控制柜图第11张。

电控去PLC各点运行信号为KVVP-12×1.5mm电缆一根；PLC去电控控制电缆为KVVP-12×1.5mm电缆一根。

长度、型号：

由现场情况设计院设计。

其余各油泵、电加热器、空冷器风机供电电缆、就地开关、运行信号灯等，长度、型号：

由现场情况设计院设计。

2仪空系统代号的编制及说明

2.1参数代号

     压力  温度   流量    阻力  液位   转速   手动   振动

     P       T      F       Pd     L      S        H      X

2.2 功能代号

    指示  变送   报警    联锁  控制   测量   补偿   逻辑

      I      T        A       S      C      E      Y       UZ

3.操作及说明

3.1 操作在PLC触摸屏上进行，当PLC触摸屏上电后进入主画面，还可通过膨胀机流程上的按钮进入相关画面进入联锁报警信息、联锁动作情况、报警情况、数据表、解除密码输入、解除联锁状态情况。

3.2 触摸膨胀机流程上相应的进、出口及各压力调节阀门可以进入相关的操作画面，画面上显示如下：

阀门开度调节、阀门开度显示、相应的进、出口压力或差压，检测点测量值显示、可对设定值进行修改（安全范围内才能进行有效输入设定值）。

对阀门进行手/自动切换操作，PID参数的调节，同时触摸屏上可观察到阀门的开（100）/（0）关情况等。

膨胀机流程上有膨胀端喷嘴调节阀、油箱压力调节阀、增压机进口压力调节阀、轴承差压调节阀、ESD阀紧急切断阀等。

3.3   膨胀端喷嘴调节阀：

触摸主流程图上相应的阀门，在主流程图上弹出该阀的调节图，触摸比例对应的数值弹出数值键盘，输入有效值范围，范围外值输入无效，调节比例值越大起放大调节阀的幅度，数值越小相反；积分调节的有效范围值输入0-100，积分越大阀门跟踪设定值的时间越短；设定值输入值、检测值显示、阀门开度、手动/自动切换、手动值输入、开大和关小阀门等。

其余调节阀图与喷嘴调节阀图类似。

3.4   联锁报警信息：

显示各报警联锁状态情况，由序号、联锁报警发生时间、恢复时间、联锁报警说明等通过按钮可观察序号内120条信息。

联锁动作情况：

由各联锁点的联锁名称、当前值、联锁动作值组成。

当机组满足启动条件时，按下复位按钮复位联锁状态，无闪烁联锁条时可进行机组启动。

3.5   数据表：

显示机组的参数的显示。

解除联锁密码输入：

触摸输入密码弹出键盘正确的输入密码（该密码不向操作员开放），密码正确时显示1不正确显示为0，输入密码正确按下进入联锁画面图，进入解除联锁情况画面。

解除联锁情况：

由转速解除联锁按钮、油差压解除联锁按钮等组成，按下需要解除联锁的按钮后，按钮文字显示为解除联锁的信息，最后确认是否需要强制解除联锁，确认后解除需要解除的联锁。

联锁解除后需要尽快对该联锁点进行恢复，并对强制联锁点进行恢复。

4、膨胀机调节阀的各项安全值输入表

           输入设定

调节阀名称    

比例值输入

积分值输入

设定值输入

喷嘴调节阀

0-500

0-100

2000-3800Kpa

油箱压力调节阀

0-200

0-100

0-1200Kpa

润滑油差压调节阀

0-200

0-100

1000-1900Kpa

膨胀端进口流量调节阀

0-200

0-100

6300-11880Nm3/h

二、增压透平膨胀机操作说明书

1、开机

1.1打开壳体排气阀，检查有无液体排出，如果有液体排尽后关闭阀门。

1.2油箱加热器启动。

（如果密封气温度在常温左右，不启动油箱加热器）

1.3检查密封气温度与压力。

1.4逐步打开密封气进气阀，调节密封气压力使其逐渐上升为1.6Mpa（G）左右

2、启动供油系统:

2.1油箱加热器投入自动工作；油箱温度小于15℃，油箱加热器工作；大于35℃油箱加热器停止工作;油箱温度小于10℃不能启动膨胀机。

2.2全开油泵进、出口阀，旁通阀。

   2.3启动油泵1或油泵2,逐渐关闭旁通阀,调节供油压力和回油压力之差至1.2Mpa（G）~1.6Mpa（G）,并观察油过滤器前后差压小于0.35Mpa（G）,检查各油压表是否正常,油路系统是否畅通,若供油温度超过40ºC启动水冷器.

3、膨胀机进出口调节旁通阀处于DCS调节状态，增压机旁通阀处于全开状态。

4、手动打开膨胀机，增压机端进出口管道手动截止阀。

5、在所有报警联锁解除后，按下PLC柜的膨胀机启动按钮。

6、将喷嘴开度调整为5%~10%。

打开膨胀机进口紧急切断阀，仔细观察主机启动情况和转速，逐渐开大喷嘴使转速达到25000转/分，保持10     ~30分钟观察各仪表判断运转是否正常（若有异常即关闭膨胀机进出口阀，待排除故障后在重新启动），然后缓慢升速到57000转/分，保持一小时，一切正常后在逐渐关闭增压机及膨胀机的旁通阀，并适当调整喷嘴开度，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，以后日常开车可直接缓慢地升速到规定转速。

7、膨胀机报警值：

下图只为PLC面板示意图，所标的值非本机组的准确值，准确值以PLC面板为准。

8、膨胀机联锁值：

下图只为PLC面板示意图，所标的值非本机组的准确值，准确值以PLC面板为准。

9、喷嘴DCS和现场PLC切换控制

膨胀机喷嘴控制需要交付DCS控制，先把膨胀机喷嘴控制切换到手动控制状态，DCS需要对喷嘴手动控制允许，并对喷嘴开度按输出值设定后，通知现场的操作人员，按下切换喷嘴现场控制到DCS控制，现场的喷嘴手动输入就移交到DCS控制了。

膨胀机喷嘴控制交付PLC控制，先把膨胀机喷嘴控制切换到自动控制状态，通知DCS操作人员，DCS需要对喷嘴手动控制切换到不允许，通知现场操作人员按下切换DCS控制到喷嘴现场控制，并对喷嘴开度按输出值设定后，最后把膨胀机喷嘴控制切换到手动控制状态，喷嘴手动输入就移交到PLC控制了。

10、停车

 10.1 正常停车    逐步关闭喷嘴至全关

打开增压机及膨胀机的旁通阀

关闭膨胀机进出口阀

关闭增压机进出口阀

确认主机停止转动后停油泵

关闭密封气

关闭水冷器

10.2  紧急停车：

出现下列情况时因在主控室或现场进行紧急停车。

发现机组有异常声音或发出大量烟雾

出现及不正常运转记录，威胁机组安全

机组运转而无转速显示或显示不正常

喘振而无法排除

膨胀机进口带液，使机组运行声音沉闷而无法在2分钟内排除

11、其他事项（如维护）参照使用维护说明书及工艺流程。