1、天然氣透平膨脹機工作原理天然氣透平膨脹機工作原理第一部分基礎理論簡介一、概述目前低溫技術應用非常廣泛， 從航天到超導，從氣體分離到能量 回收等，而低溫能量的獲得主要靠氣體的膨脹， 特別是氣體的等 熵絕熱膨脹，透平膨脹機則是實現這一膨脹的有效設備， 現已廣 泛用到氣體液化分離、能量綜合利用等方面。二、膨脹機的形式1、活塞式膨脹機：通稱容積型，其特點是適宜于小流量、 高壓力、大膨脹比工況；缺點是復雜、體積大、易損件多、操作 維護復雜。2、透平膨脹機：通稱速度型，其特點是轉速高、體積小、 重量輕、結構簡單、易損件少、因而制造維修工作量小，適宜于 大流量、中高壓力而初溫較低。按工作原理分：1) 沖動式

2、：膨脹過程幾乎完全在靜止的噴嘴中進行；2) 反作用式：膨脹過程不僅在靜止的噴嘴中進行，還在 葉輪中進一步膨脹。按氣流流流動方向分：1）徑流式：氣體在垂直于旋轉軸的平面內沿半徑方向流動；2）軸流式：氣體沿著平行于工作輪旋轉軸方向流動；3）徑軸流式：氣體由徑向流入工作輪而由軸向流出。三、透平膨脹機基本結構及工作原理1、基本結構膨脹機由通流部分、制動器及機身三部分組成膨脹機通流部分：蝸殼、噴嘴、工作輪、擴壓器制動器：1）壓縮機一一入口管、葉輪、擴壓器、蝸殼2 ）風機入口管、葉輪、擴壓器、蝸殼3 ）電機或油制動器機身：支撐和隔熱作用2、工作原理1）氣體在噴嘴中流動設置噴嘴的目的是使氣流的動力能轉變為氣

3、流的速度能并且使 氣流降溫，在噴嘴前后存在著壓差，這些壓差推動著氣流流動。當氣流通過噴嘴時由于減壓膨脹而使焓值降低，即使壓力、溫度下降，這些焓降轉變成氣流的動能， 使在噴嘴出口處氣流獲得巨 大的速度，因此噴嘴主要解決的問題是保持合理的形狀以減小各 種損失。噴嘴在結構上可分為三段：即進口段、主體段、出口段主體段又可分為2類：漸縮噴嘴（當噴嘴出口馬赫數小于等于 1）縮放噴嘴（當噴嘴出口馬赫數大于1）2）氣體在工作輪中的流動（反動式透平膨脹機）工作輪的作用：（1）把噴嘴出來的高速氣體的動能，通過工作輪轉化為機械能 并由主軸外輸出做功，以降低內能使溫度進一步降低。（2）使氣體在工作輪進一步膨脹做功，進

4、一步降低氣體的焓值和溫度；（3）改變氣體的流動方向，使它由徑向轉化為軸向流動反動度：氣體在工作輪中膨脹的程度反動度（P ）=工作輪內的等熵焓降（h2s） /總的等熵焓降（ho）工作輪結構：目前常用的是帶徑向葉片的半開式和閉式葉輪工作輪可分為主體段：使氣流由外圓向中心的徑向流動導流段：使氣流由徑向轉為軸向流動（減少流動損失，提高效率）3、氣體在擴壓器中的流動為了使工作輪流道避免減速運動， 以減少流動損失（工作輪出口 速度可達到50 80米/秒，甚至更大），為了充分利用能量及減 少管道流動摩擦損失，在工作輪出口外設置擴壓器 （與噴嘴作用 相反）。四、透平膨脹機的組成主機、密封氣系統、供油系統、儀控

5、系統1、主機：主機由蝸殼、轉子、噴嘴、傳動機構、軸承、密封、機身1) 蝸殼；它是為了使氣流順利改變方向并均勻分配給噴嘴，原則上保證氣流在出口內圓上成軸對稱流動。材料為鋁合金、銅合金或不銹鋼。2) 噴嘴：透平能量轉換的主要部件，近年來均采用葉片 可以轉動的可調噴嘴，以調節流道的通流面積，從而調節氣量。 材料為3Cr13或2 Cr13等。3) 轉子：由主軸、膨脹機工作輪、增壓機工作輪及軸封 組成。通常采用的雙旋臂轉子，即兩個工作輪外伸在兩個軸承之外， 轉 子是透平的核心部件，除要求有良好的空氣動力性能外， 由于它 是高速轉動零件，還要求有較高的動平衡精度及要求自振頻率(臨界轉速)遠離其工作轉速。4

6、) 軸封：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使軸承的潤滑油凍結而造成損壞，因而采用軸圭寸加以阻止。軸圭寸形式為迷宮密圭寸，一種非接觸式動態密圭寸。5) 壓機輪：回收膨脹機發出的功，僅是一種制動器。6) 主軸：傳遞功率的零件，一段在常溫，另一段在低溫 下工作，要求有足夠的剛性、強度。材料為不銹鋼或合金鋼。7) 傳動機構：調節轉動葉片的角度，以改變噴嘴流道的 面積而設定，通常有手動及遙控兩種。8) 軸承：支撐主軸并保證主軸順利穩定運轉，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。油軸承：承載能力大，可靠性好，軸承線速度可達 7

7、0米/秒。油 軸承具有承載能力必須具備三個條件：存在油楔、具有相對運動、 油有一定的粘性。氣體軸承：小型高速轉子9) 機身：水平剖分式及整體式2、密封氣系統由于透平膨脹機側通常工作在低溫狀況之下，而其軸承機身有處在常溫環境之中，為了減少高壓低溫氣體通過迷宮密封的泄漏而 降低冷量損失，防止軸承潤滑油凍結造成整個機組失效，在機組中采用常溫的密封氣體通入密封中段，以阻止低溫氣體向軸承段泄漏，保證機組的安全。3、潤滑油系統油田氣透平膨脹機一般工作在壓力高、轉速高的環境下，因此對軸承的潤滑供油系統有比較高的要求，主要是供油壓力、油量、 清潔度及油氣分離等。供油系統主要有以下幾部分組成：1) 油箱：采用密

8、封的壓力油箱，有利于進入油箱氣體的回收利用，防止可燃氣體的外漏。2) 油泵：連續提供應具有一定壓力、油量的潤滑油3) 油冷卻器：冷卻通過軸承后溫度上升的油，保證油的 粘度。4) 油過濾器：過濾油中的固體微粒，保證潤滑油的清潔 度。5) 蓄能器：貯油蓄能作用，保證因停電等突然故障能向 機組有一分鐘左右供油量，從而保證機組的安全。6) 油氣分離器：分離進入油箱的潤滑油中的氣體。7) 液流閥或安全閥：調節供油壓力或保證油泵出口壓力 不過高。4、儀電控系統適時監控機組運轉情況及采集機組運行數據，保證機組安全運行。五、透平膨脹機的調節透平膨脹機提供了低溫裝置所需的主要冷量，為了維持裝置的冷量平衡及適應裝

9、置工況的改變， 要求對膨脹工況能進行調節， 特 別是天然氣透平膨脹機，更要求機組能適應氣源及裝置的工況變 化。膨脹機的制冷量 Q決定下列因素：Q=GSn sG:通過膨脹機的氣量HS:通過膨脹機工質的等熵焓降n s：膨脹機的等熵效率1、透平膨脹機的特性曲線為了充分利用壓力能來最大限度地提供冷量，提高整個裝置的經濟性，要求透平膨脹機有較高的效率， 并使透平膨脹機在最佳工 況下運行，在透平膨脹機運行中影響效率最大的一個因素是特性 比U1/C0, U1是工作輪外圓處的線速度， co是在理想狀態下， 通過透平級工質的理論等熵焓降 H全部轉化為工質動能時獲得 的理論速度，在設計時根據設計點我們已取好該值，

10、從而得到機組的轉速，因此必須保證一定的轉速， 相當于保證一定的特性比 U1/C0,才能保證機組的運行效率最高，由于天然氣環境工況變 化頻繁，所以機組轉速有一定的波動，在一定范圍內的波動，也 能保證較高的效率，從而滿足整個裝置的需要。2、透平膨脹機的調節由于各種原因會使裝置工況 發生變化，從而波及膨脹機工況變化，使膨脹機偏離設計工況， 造成損失的增加，效率的降低，因此為了提高裝置運行的穩定性、 經濟性，應設法調節膨脹機的運行工況。 由于Ht是由裝置提供給 膨脹機進出口狀態參數決定的， 在一般情況下不希望改變進出口 狀態參數進行調節，但對于油田氣膨脹機來說，由于其特殊環境 與要求，調節的主要目的是

11、最大限度地提高制冷量。介紹幾種天然氣透平膨脹機的調節方法：1) 改變機組進出口壓力，以改變整個機組的膨脹比，在 工況允許的條件下節流或提高壓力的方法來改變機組進出口壓力，使機組制冷量增大或減小來滿足裝置對冷量的需求。2) 改變可調噴嘴的開度改變機組氣體的通過量，從而得到裝置所需的冷量。3) 采用增壓壓縮機旁路來改變機組轉速，使機組在最佳 工況下運轉。即改變旁路的氣量及制動功率來改變機組的轉速，使機組穩定高效運轉。第二部分操作與維護一、儀控系統此控制系統用于冀東油田天然氣處理 25萬方/天LPG裝置。儀控 系統作為該套設備的重要組成部分，用來有效地監視和控制成套 設備中的各主要部機的工藝參數，

12、并對主要閥門進行自動控制或 手動遙控，同時通過邏輯控制和聯鎖保護設施確保整套裝置長期、 安全、穩定運行。本儀控系統以PLC集中控制為主，儀表板操作相結合的原則， 主 要工藝參數通過通訊進入 DCS系統。按工藝要求完成全部工藝參 數的顯示、報警、調節操作等。儀控系統所采用的各種儀表的具體型號規格及具體配置情況，請參閱帶控制的工藝流程圖和儀表明細表。說明：本系統包括儀控系統；電控系統組成。電控系統由大港設 計院設計。1.系統的說明1.1膨脹機膨脹機進口緊急切斷閥它是由二位三通電磁閥、ESD緊急切斷閥、PLC的觸摸屏通過觸 摸操作組成，當就地/離線鑰匙切換開關位于就地位置，聯鎖條 件消除后電磁閥帶電

13、才能進行打開ESD緊急切斷閥；當轉速大于等于60000轉/分、油差壓小于等于 0.6MPa推 力負荷大于1.9 MPa膨脹機X、Y軸振動大于等于48um膨脹端軸承溫度大于 等于75C和增壓端軸承溫度大于等于 80C、油箱溫度小于10C、 膨脹機回油溫度大于等于 80C、正壓防爆柜壓力低于 50Pa現 場PLC柜上或DCS的停車信號，可以使膨脹端進口二位三通電磁 閥失電，通過快速關閉膨脹機進口 ESD緊急切斷閥，使膨脹機停 止運行。1.1.2 膨脹端進、出口旁通調節閥膨脹機進、出口旁通調節閥由DCS進行控制，當膨脹機在緊急停 車時，全開或開度滿足因膨脹機緊急停車時避免造成膨脹端進口 壓力過高。1

14、.1.3 膨脹端進口壓力調節噴嘴機構通過檢測膨脹端進口壓力，PID手動或自動控制噴嘴調節機構。當膨脹機緊急停車時全關噴嘴執行機構。1.1.4 油箱壓力調節閥通過檢測油箱壓力,PID手動或自動控制油箱壓力調節閥.1.1.5 增壓端旁通調節閥膨脹機增壓端進、出口旁通調節閥由PLC進行自動或手動進行調 節，在停車時旁通閥全開，不能進行自動調節。膨脹機組運行后， 在機組運行穩定時，增壓端進、出口旁通調節閥投入自動控制， 由增壓端進口流量及增壓端進口溫度和壓力補償后自動控制增 壓端旁通調節閥調節流量。 在機組增壓端出現流量小于機組正常 流量的60%寸機組運行可能出現喘振現象、 轉速高報警、機組ESD 緊

15、急切斷閥的電磁閥關閉時，全開旁通調節閥。1.2 供油系統1.2.1油箱油溫大于等于35C停電加熱器，小于等于 15C啟動電加熱器，通過PLC送出一開關量控制中間繼電器一無源常開 觸點信號給電控完成啟停加熱器（設計院設計）。電控要求：就 地開關、就地運行狀態信號燈、就地啟停控制按鈕、送出運行信 號去PLC（要求電控提供一無源常開觸點）、輸出380V 5KW去撬塊的電加熱器。油差壓控制根據油差壓的大小自動調節回油的大小，油差壓小于等于0.6Mpa時報警，并從PLC送一開關量控制中間繼電器一無源常開觸點信號給電控允許啟動輔助油泵，油差壓大于2 Mpa時，停止輔助油泵并從PLC送一開關量控制中間繼電器

16、一無源常開觸 點信號給電控允許停止輔助油泵，以上電控由設計院設計。當油差壓小于等于0.6 Mpa時聯鎖停膨脹機。電控要求：就地輔助油 泵轉換開關（油泵I運行，油泵H備用；停止。油泵H運行，油 泵I備用、停止）。就地運行狀態信號燈、就地啟停控制按鈕、 送出油泵I和油泵H運行信號給 PLC （要求電控提供油泵I和油 泵口各一對無源常開觸點）、輸出2組 380V 11KW去PLC副柜接線盒。1.3密封氣系統密封氣出油箱溫度小于等于 10C時報警。1.4注油泵系統注油泵電控系統（設計院設計），要求電控提供：就地開關、就 地運行狀態信號燈、就地啟停控制按鈕、送出運行信號給PL（要 求電控提供一無源常開觸

17、點）、輸出380V 4KW去撬塊上注油泵。1.5油箱溫度控制、風機運行控制、備用油泵啟停控制、注油泵 運行狀態等接口尺寸、安裝位置參照PT557.81000控制柜圖 第11張。電控去PLC各點運行信號為 KVVP-12X 1.5mm電纜一根； PLC去電控控制電纜為 KVVP-12X 1.5mm電纜一根。長度、型號： 由現場情況設計院設計。其余各油泵、電加熱器、空冷器風機供電電纜、就地開關、運行信號燈等，長度、型號：由現場情況設計院設計。2儀空系統代號的編制及說明2.1參數代號壓力溫度流量阻力液位轉速手動振動PTFPdLSHX2.2功能代號指示變送報警聯鎖控制測量補償邏輯ITASCEYUZ3.

18、操作及說明3.1操作在PLC觸摸屏上進行，當PLC觸摸屏上電后進入主畫面，還可通過膨脹機流程上的按鈕進入相關畫面進入聯鎖報警信 息、聯鎖動作情況、報警情況、數據表、解除密碼輸入、解除聯 鎖狀態情況。3.2 觸摸膨脹機流程上相應的進、 出口及各壓力調節閥門可以進入相關的操作畫面，畫面上顯示如下：閥門開度調節、閥門開 度顯示、相應的進、出口壓力或差壓，檢測點測量值顯示、可對 設定值進行修改（安全范圍內才能進行有效輸入設定值）。對閥 門進行手/自動切換操作，PID參數的調節，同時觸摸屏上可觀 察到閥門的開（100）/（ 0）關情況等。膨脹機流程上有膨脹端 噴嘴調節閥、油箱壓力調節閥、增壓機進口壓力調

19、節閥、軸承差 壓調節閥、ESD閥緊急切斷閥等。3.3 膨脹端噴嘴調節閥：觸摸主流程圖上相應的閥門， 在 主流程圖上彈出該閥的調節圖，觸摸比例對應的數值彈出數值鍵 盤，輸入有效值范圍，范圍外值輸入無效，調節比例值越大起放大調節閥的幅度，數值越小相反；積分調節的有效范圍值輸入 0-100，積分越大閥門跟蹤設定值的時間越短；設定值輸入值、 檢測值顯示、閥門開度、手動/自動切換、手動值輸入、開大和 關小閥門等。其余調節閥圖與噴嘴調節閥圖類似。3.4 聯鎖報警信息：顯示各報警聯鎖狀態情況，由序號、 聯鎖報警發生時間、恢復時間、聯鎖報警說明等通過按鈕可觀察 序號內120條信息。聯鎖動作情況：由各聯鎖點的聯

20、鎖名稱、當 前值、聯鎖動作值組成。當機組滿足啟動條件時，按下復位按鈕 復位聯鎖狀態，無閃爍聯鎖條時可進行機組啟動。3.5 數據表：顯示機組的參數的顯示。解除聯鎖密碼輸入： 觸摸輸入密碼彈出鍵盤正確的輸入密碼（該密碼不向操作員開放），密碼正確時顯示 1不正確顯示為0,輸入密碼正確按下進 入聯鎖畫面圖，進入解除聯鎖情況畫面。解除聯鎖情況：由轉速解除聯鎖按鈕、油差壓解除聯鎖按鈕等組成，按下需要解除聯鎖 的按鈕后，按鈕文字顯示為解除聯鎖的信息， 最后確認是否需要 強制解除聯鎖，確認后解除需要解除的聯鎖。 聯鎖解除后需要盡 快對該聯鎖點進行恢復，并對強制聯鎖點進行恢復。4、膨脹機調節閥的各項安全值輸入表

21、輸 入設定 調節閥名稱比例值輸入積分值輸入設定值輸入噴嘴調節閥0-5000-1002000-3800Kpa油箱壓力調節閥0-2000-1000-1200Kpa潤滑油差壓調節閥0-2000-1001000-1900Kpa膨脹端進口流量調節閥0-2000-1006300-11880Nm/h 二、增壓透平膨脹機操作說明書1、開機1.1打開殼體排氣閥，檢查有無液體排出，如果有液體排盡后關 閉閥門。1.2油箱加熱器啟動。(如果密圭寸氣溫度在常溫左右，不啟動油 箱加熱器)1.3檢查密封氣溫度與壓力。1.4逐步打開密封氣進氣閥，調節密封氣壓力使其逐漸上升為1.6Mpa(G)左右2、啟動供油系統:2.1油箱加

22、熱器投入自動工作；油箱溫度小于15C，油箱加熱器工作；大于35C油箱加熱器停止工作；油箱溫度小于10C不 能啟動膨脹機。2.2全開油泵進、出口閥，旁通閥。2.3啟動油泵1或油泵2,逐漸關閉旁通閥，調節供油壓力和回油壓力之差至1.2Mpa(G)1.6Mpa(G),并觀察油過濾器前 后差壓小于0.35Mpa(G),檢查各油壓表是否正常，油路系統是否 暢通,若供油溫度超過40oC啟動水冷器.3、 膨脹機進出口調節旁通閥處于DCS調節狀態，增壓機旁通閥 處于全開狀態。4、手動打開膨脹機，增壓機端進出口管道手動截止閥。5、 在所有報警聯鎖解除后，按下PLC柜的膨脹機啟動按鈕。6、將噴嘴開度調整為5%10%打開膨脹機進口緊急切斷閥，仔細觀察主機啟動情況和轉速，逐漸開大噴嘴使轉速達到 25000轉 /分，保持1030分鐘觀察各儀表判斷運轉是否正常(若有異常即關閉膨脹機進出口閥，待排除故障后在重新啟動)，然后緩慢升速到570