透平膨胀机制冷(二)
责任编辑：cnlng 浏览：24988次 时间： 2010-08-03 03:17:27
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摘要: 3. 透平膨胀机及其制动器分类 透平膨胀机按气体在工作轮中的流向分为轴流式、向心径流式(径流式)和向心径-轴流式(径-轴流式)三类，见图5-5所示；按气体在工作轮中是否继续膨胀可分为反作用式(反击式)和冲动式(冲击式)两类。NGL回收及天然气液化等装置中采用的透平膨..
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3. 透平膨胀机及其制动器分类
透平膨胀机按气体在工作轮中的流向分为轴流式、向心径流式(径流式)和向心径-轴流式(径-轴流式)三类，见图5-5所示；按气体在工作轮中是否继续膨胀可分为反作用式(反击式)和冲动式(冲击式)两类。NGL回收及天然气液化等装置中采用的透平膨胀机多为向心径-轴流反作用式。
透平膨胀机在使气体降温实现制冷的同时，还需以一定的转速通过主轴输出相应的机械功。这一任务是由制动器来完成的。透平膨胀机的制动器可分为功率回收型与功率消耗型两类。前者有离心压缩机(通常称为增压机)、发电机等，一般用在输出功率较大的场合，以提高装置的经济性，而后者有风机等则用在输出功率较小的场合，以简化工艺流程。在NGL回收及天然气液化等装置中，大多利用透平膨胀机带动单级离心压缩机，即利用透平膨胀机输出的功率来压缩本装置中的工艺气体。增压机设置在气体进膨胀机之前的工艺流程称为前增压(正升压)流程。反之则称为后增压(逆升压)流程。
喷嘴按其流道喉部截面是否变化可分为固定喷嘴和可调喷嘴，后者流道喉部截面在透平膨胀机运行中可根据冷量调节的需要来改变，故大、中型透平膨胀机普遍采用，以提高其运行时的经济性。
对于常用的向心径-轴流式工作轮，按轮盘结构形式又可分为半开式、闭式和开式三种，见图5-6所示。半开式工作轮制造成本较低，主要用于中、小型透平膨胀机，闭式工作轮内漏少、效率高、制造成本较高，多用于大型透平膨胀机。
(二) 透平膨胀机的等熵效率
透平膨胀机的等熵效率是衡量其热力学性能的一个十分重要的参数。压缩气体流过膨胀机进行膨胀时，如果与外部没有热交换(即绝热过程)，同时对外做功过程又是可逆的，则必然是等熵过程。这种理想过程的特点是气体膨胀并对外做功，且其比熵不变，膨胀后的气体温度降低，同时产生冷量，亦即产生焓降，从而实现制冷目的。
通常，人们把膨胀机中转换为外功的焓降称为膨胀机的制冷量。对于NGL回收及天然气液化装置用的透平膨胀机来说，主要目的是要获得尽可能多的制冷量。但是，由于有各种内部损失存在，实际膨胀过程是熵增大的不可逆过程(多变过程)，因而使得透平膨胀机的实际制冷量比等熵膨胀时的理论制冷量要少。
透平膨胀机的实际焓降就是它的实际制冷量。透平膨胀机的实际焓降△hact(即透平膨胀机进、出口气体实际比焓之差)与等熵膨胀的理论焓降幽。(即从透平膨胀机进口状态等熵膨胀到出口压力下的进、出口气体比焓之差)之比称为透平膨胀机的等熵效率(绝热效率)，常以ηs表示，即
ηs=△hact/△hs (5-1)
式中ηs——透平膨胀机的等熵效率，以分数表示；
△hact——透平膨胀机的实际焓降，kJ/kg；
△hs——透平膨胀机的等熵焓降，kJ/kg。
对于制冷用的透平膨胀机来讲，人们还关注其实际制冷量(即制冷功率或制冷负荷)的大小。透平膨胀机的实际制冷量Qact为
Qact=m△hact=mηs△hs (5-2)
由此可知，对于进、出口条件和气体质量流量一定的透平膨胀机来讲，等熵效率越高，所获得的实际制冷量就越大。因此，等熵效率是衡量透平膨胀机热力学性能的一个十分重要的参数。等熵效率一般应该由制造厂家提供。由于使用透平膨胀机的主要优点是既可回收能量，又可获得制冷效果，故其转速要调整到使膨胀机具有最佳效率。对于向心径-轴流反作用式透平膨胀机，其等熵效率约在70%～85%，而增压机的效率约为65%～80%。
实际上，影响透平膨胀机实际制冷量的因素除了内部损失外，还存在外泄漏、外漏冷等外部损失和机械损失。当透平膨胀机密封结构良好并有密封气体时，外泄漏量不大。外漏冷在机壳隔热良好时也可忽略不计。机械损失并不影响透平膨胀机的实际制冷量，但却影响其输出的有效轴功率或制动功率。在考虑机械损失后，透平膨胀机的有效轴功率职为
We=mηe△hs (5-3)
ηe=ηsηm (5—4)
式中We——透平膨胀机的有效轴功率，kJ/h；
ηe——透平膨胀机的有效效率，以分数表示；
ηm——透平膨胀机的机械效率，以分数表示，一般取0.95～0.98。
有效轴功率是选择制冷用透平膨胀机制动器功率大小的主要依据之一。
(三) 透平膨胀机进、出口工艺参数的确定
膨胀机进口条件一般根据原料气组成、要求的液烃冷凝率及工艺过程的能量平衡等来确定。膨胀机出口压力则应根据工艺过程的要求及膨胀机下游再压缩机的功率来确定。然后，通过试算法(手工或计算机计算)确定膨胀机等熵膨胀时的理论出口温度和实际膨胀时的出口温度。
膨胀机的膨胀比(即物流进、出口绝对压力之比)宜为2～4。如果膨胀比较大，由于此时膨胀机效率较低，应考虑采用两级或三级膨胀。当采用多级膨胀时，每级膨胀的焓降不应大于115kJ/kg。但是，是否采用多级膨胀，还应对此工艺过程进行经济分析，并权衡其操作上的难易后决定。
膨胀机进口温度宜为-30～-70℃，压力一般不宜高于6～7MPa。透平膨胀机主轴转速一般为(1～5)×104r/min，甚至更高。
(四) 透平膨胀机的运行
影响透平膨胀机运行的因素很多，例如，膨胀机必须能在有凝液存在的情况下安全有效地运行。大多数情况下，气流经过膨胀机时会部分冷凝而析出一些凝液，有时凝液量可能超过20%(质量分数)。凝液的析出将使高速旋转的膨胀机本身产生某种不平衡过程，引起效率下降。由于一般仅在膨胀机出口出现气、液两相，故可认为大部分凝液正好在工作轮的下游析出。因此，在膨胀机的设计与制造中要考虑避免液滴撞击工作轮以及在转子中积累的问题。通常采用单级向心径-轴流反作用式透平膨胀机，以解决气流在透平膨胀机中产生凝液时所带来的危害。
有人根据经验认为，膨胀机出口物流中的带液量可达20%(质量分数)，但一般说来，允许至10%(质量分数)的带液量是比较合适的。
为了保护膨胀机在低温下安全可靠运行，应严防气体中的水、CO2等在膨胀机的低温部位形成固体而引起严重磨损和侵蚀。因此，从原料气中脱水、脱碳是十分必要的。此外，对气流中可能形成固体或半固体的其他杂质也必须脱除。气流中夹带的胺、甘醇及压缩机的润滑油等都可能在膨胀机的上游、低温分离器及膨胀机进口过滤网上造成堵塞。
CO2在NGL回收及天然气液化等装置中，特别是在温度较低的膨胀机出口及脱甲烷塔的顶部可能形成固体。因此，对膨胀机进口气流中的CO2含量应有一定限制，例如摩尔分数要控制在0.5%～1.0%。
膨胀机产生的凝液如果送至脱甲烷塔顶部的塔板上，CO2将在塔顶的几块塔板上进行浓缩。这说明最可能形成固体CO2的部位是在塔顶的几块塔板上，而不是膨胀机的出口。此外，如果原料气中含有苯、环己烷等物质，它们也会随膨胀机产生的凝液进入脱甲烷塔中形成固体，故也必须给予充分注意。
对透平膨胀机的润滑油、密封以及其他系统等，一般都有比较严格的要求，这里就不再一一介绍。
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