透平膨脹機培訓資料版

1、天然氣透平膨脹機培訓教程四川空分設備（集團）有限責任公司2010 年 04 月第一部分 基礎理論簡介、 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(xiàn)這一膨脹的有效設備，現(xiàn)已廣泛用到氣體液化分離、能量綜合 利用等方面。、 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

2、。按工作原理分：1) 沖動式：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。4) 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3、工作原理1) 氣體在噴

3、嘴中流動 設置噴嘴的目的是使氣流的動力能轉變?yōu)闅饬鞯乃俣饶懿⑶沂箽?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(shù)小于等于 1） 縮放噴嘴（當噴嘴出口馬赫數(shù)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

4、使溫度進一步降低。（2）使氣體在工作輪進一步膨脹做功，進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）二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）4、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 5080 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

5、相反） 。三、 透平膨脹機的組成主機、密封氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)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(jié)流道的通流面積，從而調節(jié)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

6、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）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，因而采用軸封加以阻止。 軸封形式為迷宮密封，一種非接觸式動態(tài)密封。5) 壓機輪：回收膨脹機發(fā)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(jié)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(wěn)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

7、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 70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(tǒng)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(huán)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(tǒng) 油田氣透平膨脹機一般工作在壓力高、轉速高的環(huán)境下，因此對軸承 的潤滑供油系統(tǒng)有比較高的要

8、求，主要是供油壓力、油量、清潔度及 油氣分離等。供油系統(tǒng)主要有以下幾部分組成：1)油箱：采用密封的壓力油箱，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(xù)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(jié)供油壓力或保證油泵出口壓力不過高。4、儀電控系統(tǒng) 適時監(jiān)控機組運轉情況及采集機組運行數(shù)據，保證機組安全運行

9、。四、 透平膨脹機的調節(jié) 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 適應裝置工況的改變， 要求對膨脹工況能進行調節(jié)， 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=GHn sG:通過膨脹機的氣量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(tài)下，通過透 平級工質的

10、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，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/CO,才能保證機 組的運行效率最高，由于天然氣環(huán)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(jié) 由于各種原因會使裝置工況發(fā)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(wěn)定性、經濟性，應設法調節(jié)膨脹機的運行工況。由于HS是由裝置提供給膨脹機進出口狀態(tài)參數(shù)決定的， 在一般情況下不希 望改變

11、進出口狀態(tài)參數(shù)進行調節(jié)， 但對于油田氣膨脹機來說， 由于其 特殊環(huán)境與要求，調節(jié)的主要目的是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(jié)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(jié)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(wěn)定高效運轉。第二部分 操作與維護、儀控系統(tǒng) 儀控系統(tǒng)作為該套設備的重要組成部分，用來有

12、效地監(jiān)視和控制成套 設備中的各主要部機的工藝參數(shù)，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(lián)鎖保護設施確保整套裝置長期、安全、穩(wěn)定運行。油田膨脹機儀控系統(tǒng)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(shù)通過通訊進入DCS系統(tǒng)。按工藝要求完成全部工藝參數(shù)的顯示、 報警、調節(jié)操作等。儀控系統(tǒng)所采用的各種儀表的具體型號規(guī)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。1. 系統(tǒng)的說明膨脹機 膨脹機進口緊急切斷閥控制膨脹機進口緊急切斷閥由又稱為 ESD緊急切斷閥，它是控制氣缸的二位三 通電磁閥、閥體、手輪等組成。當就地 / 離線鑰匙切換開關位于就地位置，聯(lián)鎖 條件

13、消除后ESD緊急切斷閥的二位三通電磁閥帶電才能進行打開；當轉速大于 等于聯(lián)鎖設定值 女口： 50000轉/分、油差壓小于等于、推力載荷大于 MPa膨 脹機X 丫軸振動大于等于48um膨脹端軸承溫度大于等于75 C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、現(xiàn) 場PLC柜上或DCS的停車信號，可以使ESD緊急切斷閥控制開、關的二位三通 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。 一般情況下膨脹機進口 ESD緊急切斷閥關閉后，膨脹機通常在5秒內停止運行。膨脹端進、出口旁通調節(jié)閥控制膨脹機進、出口旁通調節(jié)閥由 DCS進行控制，膨

14、脹端入口壓力由膨脹 機的噴嘴和膨脹端進、出口旁通調節(jié)閥共同控制的。通常情況下膨脹機機 組運行時，膨脹端進、出口旁通調節(jié)閥基本為全關。注意：當膨脹機在緊 急停車時，膨脹端進、出口旁通調節(jié)閥開度快速滿足因膨脹機緊急停車時 膨脹端入口壓力穩(wěn)定。避免膨脹機停運時膨脹端進、出口旁通調節(jié)閥開度 不足或太大造成膨脹端進口壓力過高或過低。膨脹端進口壓力調節(jié)噴嘴機構檢測膨脹端進口壓力，膨脹機進口壓力取樣信號通過PLC控制柜分析后輸出信號進行手動或自動調節(jié)噴嘴執(zhí)行機構。油箱壓力調節(jié)閥檢測油箱壓力，油箱壓力取樣信號通過 PLC控制柜分析后輸出信號進 行手動或自動調節(jié)油箱壓力調節(jié)閥 .增壓端旁通調節(jié)閥增壓端進、出口旁

15、通調節(jié)閥由 PLC柜輸出控制信號進行自動或手動進 行調節(jié)，膨脹機停車時旁通閥要求全開，不能進行手 / 自動調節(jié)。啟動膨脹 機組后，通過手動控制使增壓端旁通調節(jié)閥的開度滿足機組運行要求。在 機組運行穩(wěn)定平穩(wěn)后，增壓端進、出口旁通調節(jié)閥投入自動控制，由增壓 端進口流量取樣信號通過 PLC控制柜分析后，輸出信號自動控制增壓端旁 通調節(jié)閥。在機組運行時出現(xiàn)增壓端出現(xiàn)流量小于機組正常流量的70%，機組可能出現(xiàn)喘振現(xiàn)象、另外轉速高報警、機組ESD緊急切斷閥的電磁閥關閉都會全開增壓端旁通調節(jié)閥。供油系統(tǒng)油箱油溫大于等于40 C停電加熱器，小于等于 30 C啟動電加熱器，加熱器 現(xiàn)場設有手 /停/自動轉換開關

16、。現(xiàn)場有運行顯示和啟停按鈕。電加熱器供 電： 380V 功率： 5KW。油差壓控制油差壓取樣信號進PLC巨，由PLC空制柜輸出控制信號調節(jié)潤滑油 差壓調節(jié)閥開度，控制潤滑油進膨脹機的流量，膨脹機二臺油泵一臺為 主泵，另一臺為備用泵（可以互為主泵和備用泵）。主泵的啟、?？梢酝ㄟ^就地啟、停按鈕。在主泵正常工作，輔助油泵處于備用狀態(tài)，當油 泵出現(xiàn)故障或誤動作，使?jié)櫥筒顗旱陀趫缶担ǎ┮韵驴勺詣訂樱?油差壓大于時，輔助油泵停運。輔助油泵也可以手動啟、停。注意：潤 滑油差壓是膨脹機確保穩(wěn)定運行非常關鍵的一個點。機組運行時要求重 點關注。密圭寸氣系統(tǒng)密封氣出油箱溫度小于等于10C時報警。密封氣加熱器系

17、統(tǒng)采用密封氣通過油箱潤滑油加熱。膨脹機正常工作時由 于機組潤滑油產生的熱量較多，油箱溫度控制的電加熱器一般不會啟動。 密封氣經過油箱內的盤管，通過油箱內潤滑油對引自膨脹端入口低溫干氣 加熱至常溫。并減少潤滑油通過水冷器或風冷器的負荷。注油泵系統(tǒng)通過膨脹機注油泵系統(tǒng)可以在線對膨脹機機組油箱進行添加潤滑 油。避免由于膨脹機運行過程中由于潤滑油的減少而被迫停運?，F(xiàn)場設 有手動啟動和運行顯示。風冷器系統(tǒng)管束材料：全鋁合金的板翅式。當油箱溫度大于 50C時，電控啟動 風冷器電機，在油箱溫度小于 45 C時停止風冷器。2儀空系統(tǒng)代號的編制及說明參數(shù)代號P TFPd LSHX壓力 溫度流量阻力液位轉速手動振

18、動功能代號指示變送報警聯(lián)鎖控制測量補償邏輯ITAS CEYUZ3.操作及說明（供參考）操作在PLC柜的觸摸屏上進行，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(lián)鎖報警信息、聯(lián)鎖動作情 況、報警情況、數(shù)據表、解除密碼輸入、解除聯(lián)鎖狀態(tài)情況。1膨脹機流程圖| e M3/hi i t- J | = *Kpu： : PC® L_嗨TT iH_1JI11|i 婦! - -je rpm 1r-1 ! r±3.2 觸摸膨脹機流程上相應的進、出口及各壓力調節(jié)閥門可以進入相關的 操作畫面，畫面上顯示如下：閥門開度顯示、調節(jié)、檢測點測量值顯 示、可對設定值進行修

19、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(shù)的調節(jié)，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(jié)閥、 油箱壓力調節(jié)閥、增壓機進口壓力調節(jié)閥、軸承差壓調節(jié)閥、ESD緊急切斷閥等。唏嘴調節(jié)CV SPPV比例積分設左檢測轎出輸入IS 劉!_9 QTjT I 6 乂 L J &Kpa；9_Kpa甌艇五垂:m屈 硏.氯焉爲空纟処膨下鬲葢熱花瓦匚R C -JJESC 6if：油泵 2H油泵6迅& Kpn；0 rpm I0-Cj：! 0TC;a '二J | u二 ra. J*0E2回823主13曲數(shù)據表|聯(lián)

20、鎖復位報警情況聯(lián)報借息解除聯(lián)鎖停止膨脹機調節(jié)閥的各項安全值輸入表（供參考）輸入設定 調節(jié)閥名稱比例值輸入積分值輸入設定值輸入噴嘴調節(jié)閥0-5000-100設計值油箱壓力調節(jié)閥0-2000-100設計值潤滑油差壓調節(jié)閥0-2000-100設計值膨脹端進口流量調節(jié)閥0-2000-100設計值3.3 聯(lián)鎖報警信息：顯示各報警聯(lián)鎖狀態(tài)情況，由序號、聯(lián)鎖報警發(fā)生時 間、恢復時間、聯(lián)鎖報警說明等通過按鈕可觀察序號內120條信息聯(lián)鎖動作情況：由各聯(lián)鎖點的聯(lián)鎖名稱、當前值、聯(lián)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(lián)鎖狀態(tài)，無閃爍聯(lián)鎖條 時可進行機組啟動。膨進匚1壓力膨出口壓力增進口壓力增出口壓力

21、油箱壓力0Kpa0 Kpa0 “口0炸口0 Kpa膨進匚I溫度膨出口溫度增進匚1溫度增出口溫度轉速0.0 r0.0 r0.0 r0.0 U軸承油差壓推力載荷膨密圭扌差壓膨X軸振動膨丫軸振動0 Kpci0 ICpa0 Kp口0.0 uh*Q 0 UID膨軸承溫度增軸承溫度油箱溫度密封氣溫度回油溫度0.00.0 r0. 0 flC0.0 £0.0 r增壓端流量增旁通開度|噴嘴開度油差壓開度池箱開度0 M3/h 0%0%0%0%3.4 數(shù)據表：機組參數(shù)顯示。主叵蔚數(shù)據表匿鎖復位報警情況聯(lián)報信息辭隱聯(lián)鎖停止增壓透平膨脹機操作說明書開機前上電 需要提供膨脹機PLC空制柜、油箱加熱器、1#油泵、

22、2#油泵、風冷器、注油泵電源；儀表風氣源。PLC控制柜上電時應先開儀表風對控制柜進行柜內 氣體的置換后通電(正壓通風防爆柜) 。二 .開機準備1. 觀察油箱液位，油箱液位滿足就地液位計的3/5 3/4 處即可，油箱電加熱器控制在PLC面板上，帶啟動按鈕、停止按鈕和手/自動轉換開關。正常啟動時， 切換油箱手 / 自動轉換開關至自動位置，確認停止按鈕沒有處在鎖停狀態(tài)，此 時油箱加熱器隨油箱溫度控制，油箱溫度小于30 C油箱電加熱器處于運行狀態(tài)，信號燈為綠色。大于40C油箱電加熱器處于停止狀態(tài)，信號燈為紅色。另 外油箱加熱器帶手動控制，切換油箱手 /自動轉換開關至手動位置，確認停止 按鈕沒有處在鎖停

23、狀態(tài)，按下啟動按鈕對油箱進行加溫。2. 打開密封氣進口閥門，調節(jié)密封氣過濾器后壓力 (G)(G) (設計定)。觀察密封氣溫度，通過油箱加熱器后的溫度控制在10C 40C范圍內。警告：密封氣過濾器的進出口差壓正常時小于(G)。大于(G)請考慮更換過濾器 濾芯。3. 打開油箱放空閥，控制油箱壓力在 150-350Kpa。4. 全開 1#和 2#油泵進、出口閥、旁通閥。5. 首先調整 1#輔助油泵的預設供油壓力，切換 1 #油泵手/停/自動轉換開關至 手動位置，確認停止按鈕沒有處在鎖停狀態(tài)，啟動 1#油泵，關小 1#油泵手 動旁通調節(jié)閥，控制潤滑油進、出膨脹機潤滑油差壓在 700Kpa 左右。停止

24、1 #油泵的運行。以上工作是為了使輔助油泵能正常起到作用的必要步驟。6. 在主油泵啟動后，潤滑油壓力大于800Kpa且穩(wěn)定，即可備用輔助油泵，切換1 #油泵手 /停/自動轉換開關至自動位置。機組運行中如果潤滑油差壓小于800Kpa時，備用油泵就會啟動。當備用油泵啟動后，潤滑油差壓大1600Kpa備 用油泵停運。 注意：膨脹機機組停運后。才能對主油泵停運。另外請把輔助油 泵的切換 1油泵手/ 停/自動轉換開關至停止位置。否則會造成潤滑油差壓低 時輔助輔助油泵不必要的啟動。7. 調整 2主油泵的供油壓力，切換 2油泵手/ 停/自動轉換開關至手動位置， 確認停止按鈕沒有處在鎖停狀態(tài)，啟動 2油泵，關

25、小 2油泵手動旁通調節(jié) 閥，控制潤滑油進出膨脹機差壓在1100Kpa左右。油差壓調節(jié)閥開度在30%左 右。警告：膨脹機運行時必須有一臺油泵處于運行狀態(tài)，否則會造成膨脹機停車。注意： 1為主油泵 2為輔助油泵時操作過程同 5、6條。8. 觀察膨脹機進口渦殼的壓力。大于（G）后可打開殼體排氣閥，檢查有無液體排 出，如果有液體排盡后關閉閥門。9. 膨脹機增壓機旁通閥、增壓端入口閥應處于全開狀態(tài)。10. 打開膨脹機，增壓機端進出口管道手動截止閥。11. 在所有報警聯(lián)鎖解除后，按下 PLC巨的膨脹機啟動按鈕。12. 將噴嘴開度調整為 5%10%。打開膨脹機進出口閥，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