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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
1:.
2010年04月
2:.
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。
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(h)/总的等熵焓降(h)
2s0
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)。
三、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。
4:.
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:
5:.
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。
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=GHη
ss
G:通过膨胀机的气量
H:通过膨胀机工质的等熵焓降
s
η:膨胀机的等熵效率
s
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H全部转化为工质动能时获得的理论速度,
s
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
6:.
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
H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
s
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。
7:.
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。
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、、
MPa、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℃、
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。
、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。
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。
8:.
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.
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。
℃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。
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,当油
泵出现故障或误动作,使润滑油差压低于报警值()以下可自动
启动,,辅助油泵停运。辅助油泵也可以手动启、
停。注意:润滑油差压是膨胀机确保稳定运行非常关键的一个点。机组
运行时要求重点关注。
密封气出油箱温度小于等于10℃时报警。
密封气加热器系统采用密封气通过油箱润滑油加热。膨胀机正常工作时由
于机组润滑油产生的热量较多,油箱温度控制的电加热器一般不会启动。
密封气经过油箱内的盘管,通过油箱内润滑油对引自膨胀端入口低温干气
加热至常温。并减少润滑油通过水冷器或风冷器的负荷。
9:.
通过膨胀机注油泵系统可以在线对膨胀机机组油箱进行添加润滑
油。避免由于膨胀机运行过程中由于润滑油的减少而被迫停运。现场设
有手动启动和运行显示。
管束材料:全铝合金的板翅式。当油箱温度大于50℃时,电控启动
风冷器电机,在油箱温度小于45℃时停止风冷器。
2仪空系统代号的编制及说明
PTFPdLSHX
压力温度流量阻力液位转速手动振动
指示变送报警联锁控制测量补偿逻辑
ITASCEYUZ
(供参考)
,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。
、出口及各压力调节阀门可以进入相关的
10:.
操作画面,画面上显示如下:阀门开度显示、调节、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紧
急切断阀等。
膨胀机调节阀的各项安全值输入表(供参考)
输入设定
比例值输入积分值输入设定值输入
调节阀名称
喷嘴调节阀0-5000-100设计值
油箱压力调节阀0-2000-100设计值
润滑油差压调节阀0-2000-100设计值
膨胀端进口流量调节阀0-2000-100设计值
:显示各报警联锁状态情况,由序号、联锁报警发生时
11:.
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。
:机组参数显示。
12:.
增压透平膨胀机操作说明书
需要提供膨胀机PLC控制柜、油箱加热器、1#油泵、2#油泵、风冷器、
注油泵电源;仪表风气源。PLC控制柜上电时应先开仪表风对控制柜进行柜内
气体的置换后通电(正压通风防爆柜)。
,油箱液位满足就地液位计的3/5-3/4处即可,油箱电加热器控
制在PLC面板上,带启动按钮、停止按钮和手/自动转换开关。正常启动时,
切换油箱手/自动转换开关至自动位置,确认停止按钮没有处在锁停状态,此时
油箱加热器随油箱温度控制,油箱温度小于30℃油箱电加热器处于运行状态,
13:.
信号灯为绿色。大于40℃油箱电加热器处于停止状态,信号灯为红色。另外
油箱加热器带手动控制,切换油箱手/自动转换开关至手动位置,确认停止按钮
没有处在锁停状态,按下启动按钮对油箱进行加温。
,(G)~(G)(设计
定)。观察密封气温度,通过油箱加热器后的温度控制在10℃~40℃范围内。
警告:(G)。(G)
请考虑更换过滤器滤芯。
,控制油箱压力在150-350Kpa。
#和2#油泵进、出口阀、旁通阀。
#辅助油泵的预设供油压力,切换1#油泵手/停/自动转换开关至手
动位置,确认停止按钮没有处在锁停状态,启动1#油泵,关小1#油泵手动
旁通调节阀,控制润滑油进、出膨胀机润滑油差压在700Kpa左右。停止1#
油泵的运行。以上工作是为了使辅助油泵能正常起到作用的必要步骤。
,润滑油压力大于800Kpa且稳定,即可备用辅助油泵,切换
1#油泵手/停/自动转换开关至自动位置。机组运行中如果润滑油差压小于
800Kpa时,备用油泵就会启动。当备用油泵启动后,润滑油差压大1600Kpa
备用油泵停运。注意:膨胀机机组停运后。才能对主油泵停运。另外请把辅助
油泵的切换1#油泵手/停/自动转换开关至停止位置。否则会造成润滑油差压
低时辅助辅助油泵不必要的启动。
#主油泵的供油压力,切换2#油泵手/停/自动转换开关至手动位置,确
认停止按钮没有处在锁停状态,启动2#油泵,关小2#油泵手动旁通调节阀,
控制润滑油进出膨胀机差压在1100Kpa左右。油差压调节阀开度在30%左右。
14:.
警告:膨胀机运行时必须有一台油泵处于运行状态,否则会造成膨胀机停车。
注意:1#为主油泵2#为辅助油泵时操作过程同5、6条。
。(G)后可打开壳体排气阀,检查有无
液体排出,如果有液体排尽后关闭阀门。
、增压端入口阀应处于全开状态。
,增压机端进出口管道手动截止阀。
,按下PLC柜的膨胀机启动按钮。
%~10%。打开膨胀机进出口阀,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),然后缓慢升速到设计值,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。
、报警、联锁值:(供参考)
正常值报警值联锁值
转速30000rpm35000rpm36500rpm
前轴承温度<70ºC70ºC75ºC
后轴承温度<75ºC75ºC80ºC
~
15:.
正常值报警值联锁值
膨胀机X振动<38μm38μm48μm
膨胀机Y振动<38μm38μm48μm
前油膜大于后油膜差压<
后油膜大于前油膜差压<
回油温度<75C75C80C
增压端入口流量20000M3/h<8600M3/h
油箱温度>40C(停),<30C(启)
油箱温度>35C<15C<5C
油箱液位中心线以下133mm
膨胀端密封气差压<
油过滤器差压>
密封气过滤器差压>
(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
停止辅助油泵备用
确认主机停止转动后停油泵
关闭密封气
关闭油箱出口阀
16:.
卸除膨胀机涡壳压力
检查膨胀机膨胀端和增压端涡壳的压力为零后离开
(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
。
以上有错误及遗漏处望大家批评指正!
四川空分集团低温机械公司
2010年4月10日
附:膨胀机主机剖面图
17:.
c
18