透平膨脹機培訓資料

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

2、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） 氣體在噴嘴中流動設置噴嘴的目

3、的是使氣流的動力能轉變?yōu)闅饬鞯乃俣饶懿⑶沂箽饬鹘禍?，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

4、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（）=工作輪內的等熵焓降（h2s）/總的等熵焓降（h0） 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（與噴嘴作用相反）。三、 透平膨脹機的組成主機、密封氣系統

5、、供油系統、儀控系統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(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

6、。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。

7、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(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：采用密封的壓力油箱，有

8、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、 儀電控系統適時監(jiān)控機組運轉情況及采集機組運行數據，保證機組安全運行。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

9、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=GHssG：通過膨脹機的氣量Hs：通過膨脹機工質的等熵焓降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，C0是在理想狀態(tài)下，通過透平級工質的理論等熵焓降Hs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

10、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(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)參數決定的，在一般情況下不希望改變進出口狀態(tài)參數進行調節(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）

11、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 操作與維護一、儀控系統儀控系統作為該套設備的重要組成部分，用來有效地監(jiān)視和控制成套設備中的各主要部機的工藝參數，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(wěn)定運行。油田膨脹機儀控系統以PLC集中

12、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(jié)操作等。儀控系統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. 系統的說明1.1膨脹機1.1.1 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，聯鎖條件消除后ESD緊急切斷閥的二位三通電磁閥帶電才能進行打開；當轉速大于等于聯鎖設定值 如：50000轉/分、油差壓小于等于0.6MPa、推力載荷大于1.9 MPa、膨脹機X、Y軸振動大于

13、等于48um、膨脹端軸承溫度大于等于75和增壓端軸承溫度大于等于80、油箱溫度小于10、膨脹機回油溫度大于等于80、現場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。1.1.2 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

14、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。1.1.3 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。1.1.4 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.1.1.5 增壓端旁通調節(jié)閥增壓端進、出口旁通調節(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

15、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。在機組運行時出現增壓端出現流量小于機組正常流量的70%，機組可能出現喘振現象、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。1.2 供油系統1.2.1 油箱油溫大于等于40停電加熱器，小于等于30啟動電加熱器，加熱器現場設有手/停/自動轉換開關?，F場有運行顯示和啟停按鈕。電加熱器供電：380V 功率：5KW。1.2.2油差壓控制油差壓取樣信號進PLC柜，由PLC控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

16、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)，當油泵出現故障或誤動作，使?jié)櫥筒顗旱陀趫缶担?.8Mpa）以下可自動啟動，油差壓大于1.6Mpa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。 1.3 密封氣系統 密封氣出油箱溫度小于等于10時報警。密封氣加熱器系統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

17、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。1.4 注油泵系統通過膨脹機注油泵系統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場設有手動啟動和運行顯示。1.5 風冷器系統管束材料：全鋁合金的板翅式。當油箱溫度大于50時，電控啟動風冷器電機，在油箱溫度小于45時停止風冷器。2 儀空系統代號的編制及說明2.1 參數代號 P T F Pd L S H X 壓力 溫度 流量 阻力 液位 轉速 手動 振動2.2 功能代號 指示 變送 報警 聯鎖 控制 測量 補償 邏輯 I T A S C E Y UZ3. 操作及說明（供

18、參考）3.1 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(tài)情況。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(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。膨脹機調

19、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 聯鎖報警信息：顯示各報警聯鎖狀態(tài)情況，由序號、聯鎖報警發(fā)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(tài)，無閃爍聯鎖條時可進行機組啟動。3.4 數據表：機組參數顯示。增壓透平膨脹機操作說明書一. 開機前上電需要提供膨脹機

20、PLC控制柜、油箱加熱器、1油泵、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3/53/4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油箱電加熱器處于運行狀態(tài)，信號燈為綠色。 大于40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

21、處在鎖停狀態(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1.9Mpa(G)2.3Mpa(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1040范圍內。警告：密封氣過濾器的進出口差壓正常時小于0.25Mpa(G)。大于0.25Mpa(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700Kp

22、a左右。停止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，關小2油泵手動旁通調節(jié)

23、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0.5Mpa(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. 在所有報警聯鎖解除后，按下PLC柜的膨脹機啟動按鈕。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），然后緩慢升速到設計值，保持一小時，一切正常后在逐漸關閉增壓機及膨脹機的旁通閥，并適當調整噴嘴開度，以維持適當的進口壓力及轉速，注意，第一次開車應嚴格按此程序進行，以后日常開車可直接緩慢地升速到規(guī)定轉速。13. 正常運轉、報警、聯鎖值： （供參考） 正常值 報警值 聯鎖值 轉速 30000 rp