膨胀机

膨胀机前言»空气分离的基本原理»空气压缩、空气净化、换热、制冷与精馏是空分的五个主要环节»膨胀机是空分设备的心脏部机之一，由气体在膨胀机中等熵膨胀而制取冷量，正常生产中为系统补充冷损。目录第一部分膨胀机的分类及工作原理第二部分膨胀机对各系统的要求第三部分膨胀机的维护及开停车注意事项第四部分膨胀机运行中的注意事项第一部分膨胀机的分类及工作原理用人为的方法获得比环境更低的温度，是可以实现的但是，这需要花费一定的代价即消耗一定的能量；功。或电能才能实现，这种人为地获得低温的过程就叫制冷制冷的方法有两种:节流与膨胀透平膨胀机示意图利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得冷量的机械。膨胀机常用于深低温设备中。膨胀机按运动形式和结构分为活塞膨胀机和透平膨胀机两类。活塞膨胀机主要适用于高压力比和小流量的中小型高、中压深低温设备。透平膨胀机与活塞膨胀机相比，具有流量大、结构简单、体积小、效率高和运转周期长等特点，适用于大中型深低温设备。透平膨胀机是一种旋转式制冷机械，它由蜗壳，导流器，工作轮和扩压器等主要部分主成，当具有一定压力的气体进入膨胀机的蜗壳后被均匀分配到导流器器中，导流器上装有喷嘴叶片，气体在喷嘴中将气体的热力学能(内能)转换成流动的动能，气体的压力和焓降低，出喷嘴的流速高达200m/s左右，当高速气流冲到叶轮的叶片上时，推动叶轮旋转并对外做功，将气体的动能转换为机械能，通过转子轴带动风机，发电机，或增压机对外输出功；从气体流经膨胀机的过程可看到，气体压力降低是一膨胀过程，同时对外输出了功，输出外功是靠消耗了气体内部的能量，反应出温度降低和焓值的减少既是从气体内部取走了一部分能量，也就是通常所说的制冷量(焓；是表示物质内部具有的一种能量的物理量，也就是一个表示物质状态的参数，焓=热力学能+流动能)膨胀机工作时的能量转移压力工质进入膨胀机进行绝热膨胀后，以较低的温度和压力排出机外，同时膨胀机对外作功。过去常用电机或风机作为膨胀机的制动设备。现在往往用单级离心压缩机(增压器)作为制动装置。增压器获得膨胀功后，将送入膨胀机的工质进一步升压。随着膨胀机入口压力增加，单位质量的工质制冷量也将增大。当空分装置的冷量要求一定时，膨胀量就可以因此减少透平膨胀机的实际制冷量比理论制冷量要小，膨胀机的效率越低则在相同进出口压力和进口温度下膨胀机的单位工质制冷量越小反应出膨胀机的温降效果越小，在实际操作中了解哪些因素影响膨胀机的效率，以便保证膨胀机发挥它的最大效率小。透平膨胀机由于有喷嘴损失、叶轮损失、余速损失、轮盘摩擦损失、泄漏损失、窜流损失和外热侵入损失，由于各种损失存在使气体对外做功的能力降低，而这些损失(如摩擦，涡流等)又以热的形式传给气体本身，使气体的出口温度升高，温降效果减小。离心增压机增压机由进气室、叶轮、无叶扩压器、蜗壳组成，其叶轮与膨胀机叶轮置于同一轴上，二者转速相同，由膨胀机叶轮发出的机械功驱动其旋转，气体进入叶轮后，被加速、增压，进入无叶扩压器之后，又进一步减速增压，最后汇集于蜗壳排出机外，经冷却降温后进入板式换热器，再进入膨胀机小。小。增压透平膨胀机，本机组工作介质先经增压机增压，再经冷却后进入主换热器，然后再进入膨胀机进行绝热膨胀产生空分装置所需的冷量，与此同时产生的机械功又为增压机所吸收。增压透平膨胀机的性能有什么特点增压透平膨胀机是膨胀机直接带动增压机，将输出的外功转换成气体的压力能而增压机的气体又供给膨胀机膨胀，增压机与膨胀机互为依存关系，它们具有相同的转速，相同的气量，相同的功率(膨胀机输出的功率全部传递给增压机)增压机出口压力略高于膨胀机进口压力因此在二者的热力参数互相匹配，膨胀机的单位制冷量等于增压机的单位功耗，同时膨胀机的制冷量还要满足整个装置的冷量平衡小。膨胀制冷利用透平膨胀机制冷是空分装置制取冷量获得低温的主要途径，工质在膨胀机内膨胀，同时对外作功，使膨胀后的工质大大降温，膨胀机安置在保冷箱内，而且由于过程进行的很快，来不及与外界进行热交换，所以膨胀过程近似可以看成是绝热过程，在理想状况下（即工质在膨胀机内没有任何摩擦），膨胀过程熵值不发生变化，。实际上，由于气体与气体之间，气体与机器壁面之间不可避免地要产生摩擦，摩擦热又传给气体，使膨胀后气体的温度及焓值增加，熵也增加。小。节流过程因流体流动遇到局部阻力而造成的降压过程称之为节流。从能量转换的观点来看，由于工质流经节流阀的速度很快，膨胀后来不及与周围环境进行热量交换，并且节流阀安装在保冷箱内，四周传给的热量可以忽略不计，因此节流过程可看成是绝热过程。同时，流体流经阀门时与外界没有功交换，在既无能量收入又无支出的情况下，流体在节流前后的能量应不变，即节流前后的焓值相等i1=i2,这说明节流本身并不产生冷量。小。节流过程是一个等焓过程，理想气体的焓只是温度的函数，所以理想气体节流后温度并不发生变化。而实际气体的焓值是温度和压力的函数，因此实际气体节流后的温度存在变化，归纳为三种情况：下降、不变、上升。温度变化与否同节流工质的性质和节流前的状态有关。节流前的气体温度越低，节流前后压差越大，节流所获得的温降就越大。小。第二部分膨胀机对各系统的要求，工作介质由进口管进入蜗壳，经可调喷咀再进入工作轮作功，然后经扩压室、排气管排出。膨胀机气量调节是依靠安装在冷箱顶上的气动薄膜执行机构带动喷咀叶片转动，从而改变其通道截面积来实现的，执行机构的阀杆行程反映了喷咀通道宽度的变化，阀杆总行程约为40毫米，阀杆下移使喷咀通道开大，上移则关小。。小。蜗壳：为不锈钢焊接结构，固定在机身上，通过机身与底座相连，蜗壳内容纳有喷咀和膨胀机叶轮。转子：二端分别装有膨胀机叶轮和增压机叶轮（二者均为闭式），为一刚性转子，套装在机身轴承上。轴承：前、后轴承均为径向推力联合式轴承，由进油管供给清洁而充足的润滑油，使转子能长期稳定运转，采用铂电阻温度计测量轴承温度。轴密封：在靠近二叶轮的轴上各置有一迷宫密封套，使得气体外漏量控制在最小的范围内，在靠近膨胀机的密封套内充入常温密封气（干燥空气或氮气）以阻止流经膨胀机的低温气体外泄，而跑“冷”，为控制喷咀出口的气体与膨胀机端密封气之间的压力差维持在0.05MPa左右，特设置一精密减压阀，增压机端的密封套内充入～0.5MPa压力的密封气（干燥空气，氮气))小。透平膨胀机对润滑系统有什么要求?透平膨胀机的转速很高，轴承间隙小，对润滑系统要求非常严格。润滑油一般采用N32号透平油。除了油的牌号和指标必须符合要求外，对油的清洁程度要求也很高。一般需要经过二级过滤，过滤掉大于5μm的微粒。为了有足够的油量从摩擦表面带走摩擦热，并能形成稳定的油膜，一般都需采用压力油强制连续循环润滑。进润滑点的油压在规程中均有具体规定。油压过低应自动报警、并启动辅助油泵，直至自动停车。经润滑点后的油温会升高。为了进行循环润滑，必须将润滑油在油冷却器中进行充分冷却，以保证进油温度不至于过高。为此，油冷却器应有足够的冷却面积和冷却水量(油冷却器一般管壳式，水走管程油走壳程)。由于透平膨胀机在低温下工作，使用中应注意以下问题：因为膨胀机的转子直接与低温气体接触，膨胀机侧的轴承温度较低，所以膨胀机的供油温度不宜太低，一般控制在35～40℃。否则由于油温低或油量不足致使润滑不良，造成轴承研磨或轴承温度升高。油温低于20℃时，膨胀机不应运转。为了保证膨胀机在突然停电时轴瓦不至被烧坏，还应设置蓄能器，事故停车时短期内为机器供油小。膨胀机润滑油电加热器；当膨胀机在准备开车时润滑油加热器自动或手动加热，如果润滑油温度低于20度时启动电加热器，当温度等于或大于35度时，电加热器停止工作，润滑油温度低于15度时主机不能启动。蓄能器的作用主要是稳定油压,工作油泵因故跳闸时,备用泵启动时油压会短时下降,此时蓄能器内油流出来补充进油管内,使油压不致降低太多。此外油泵出口的油压是波动的，看压力表可看到指针不停摆动，有蓄能器保摆动量减少，起到“滤波”的作用小。供油系统该供油系统由单独的系统组成，主要包括油箱、油泵、油冷却器、温控阀、囊式蓄能器等。润滑油进入油泵升压后进入油冷却器和切换式油过滤器，再分别进入各轴承，最后由机身内腔汇入回油管回到油箱，另外设置了一蓄能器，在油泵启动后自动充油，用于油压降低或油泵停转后，机组联锁停车时能继续供油一段时间（约1分钟），确保轴承的安全。润滑油采用N32透平油，为保证油的品质，在开始运转200-300小时后要进行一次换油，以后在油过滤器清洁的前提下每年至少换一次油，只有在经过检查确认油的特性良好的前提下，才可延长换油时间小。紧急切断阀在膨胀机进口处设置了一个紧急切断阀，当机组处于危险状态时，根据各危险点发出的联锁信号，此阀能在很短时间内关闭，从而切断气源，使其快速停车，起到安全保护作用。在危急情况下，膨胀机仪控系统联锁即切断电磁阀电源，使紧急断阀快速关闭与此同时增压机回流阀FCV401自动全开。紧急切断阀的检查方法紧急切断阀应定期检查，至少每三个月检查一次；用紧急停车按钮切断电磁阀的电源使电磁阀断电，如果紧急切断阀立即关闭并自动全开增压机回流阀，随即打开紧急切断阀按钮，紧急切断阀立即恢复到开启位置，其功能是合格的小。增压机后冷却器为了将增压机出口高温气体冷却以达到空分流程的要求，设置了其冷却器，用冷却水进行冷却，调节进水量可以达到调节出口气体温度的目的，冷却器工况的控制根据其技术参数和流程需要来进行。增压机回流阀设置该阀有以下三个用途：a.压力调节：根据空分流程的要求，一般希望增压机出口压力保持恒定，阀的开大或关小，可使压力降低或升高，该阀在仪控系统自动控制下则可达到压力恒定的目的。b.防喘振：增压机在一定的进口流量和转速下，当进口流量小到一定数值时，机器会发生喘振，此时压力会大幅度波动，并发出强烈的“喘气”声响和振动，将引起机器损坏，为防止这种情况出现，该阀会在进口流量小到一定数值时自动打开。所给定的防喘振流量是根据进口压力，进口温度，转速均为额定值的情况，当这些条件不同时，对防喘振流量值应予修正。c.开大回流阀：可增加增压机的负荷使膨胀机减速小。第三部分膨胀机的维护及开停车注意事项1喷咀：只要供应的气体是清洁的，即使喷咀叶片的光泽变暗，也不会影响效率，但如气体中含有较大的即使少量的固体颗粒或二氧化碳产生的液滴时，就会产生喷咀叶片的磨蚀，严重时会出现凹坑，这样就会使效率明显下降，这时就应更换喷咀。在装置启动期间，最容易产生磨蚀。因此装置操作时要特别注意。2膨胀机叶轮：与喷咀叶片相同的原因，也可能造成对叶片进口边磨蚀，如果磨蚀严重甚至出现凹坑时应更换工作轮。3膨胀机与增压机叶轮密封盖易遭轻微磨损。如磨损严重，就必须更换，其装配间隙见图。4轴密封套：轴密封套在运行时孔也会产生轻微磨损。如磨损严重，就应调换轴密封，因为过度磨损会使轴承温度降低并增加漏气损失。轴密封的径向间隙为0～0.04mm当增大到0.1就应予以调换小。轴承：轴承型面是精心设计并通过机械加工而保证的。因此其内孔和止推面都不允许进行任意修正，如果发现由于暂时超负荷或润滑不良而引起轴承损伤，就应更换轴承。6增压机叶轮：如供应的气体不干净将引起增压机叶片的磨蚀，以致破坏平衡，这种情况与膨胀机叶轮动平衡破坏相类似。需要说明的是，无论是膨胀机叶轮、增压机叶轮或其它零部件需要更换时，必须更换整个转子而不能单独更换叶轮或其它零部件。7油冷却器，一般一年进行一次清洗。如果冷却水不干净，清洗次数还要增加。8油过滤器，如发现过滤器阻力明显增加，就应进行清洗或更换滤芯。9增压机后冷却器，一般一年清洗一次，如工作时发生窜漏，阻力突然增大，换热效果变差，则应立即检查原因并加以修整小。膨胀机在启动前为什么进行加温吹除由于膨胀机的转速很高，导流器内的气流速度很大。如果在气流中夹带有少量的机械杂质或固体颗粒，会造成导流器和叶片的磨损，甚至打坏叶片。为了防止发生上述事故，一般在膨胀机前设置机前过滤器，它靠铜丝布过滤掉金属杂质。硅胶粉末。固体二氧化碳。当过滤器被堵塞时阻力将增大。压降超过0.1MP时需要进行加温吹除，此