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透平膨胀机及发展动态


专题综述
   文章编号 : 100929425 (2001) 0520001209 收稿日期 : 2001204219

 

透平膨胀机及发展动态
江  楚  标
杭 州 市 东 新 路 152 号   310004 )

( 中 国 空 分 设 备 公 司,

   摘要   比较了国内外常规透平膨胀机的主要技术参数 ; 重点介绍了国外带液透平膨胀机 、全 液体透平膨胀机 、能量回收用透平膨胀机和磁悬浮轴承透平膨胀机的发展动态 。 关键词 : 透平膨胀机 ; 出口带液量 ; 能量回收 ; 磁悬浮轴承 ; 动态 中图分类号 : TB653     文献标识码 : A

Turboexpanders and recent developments
Jiang Chu - biao

( China National Air Separation Plant Corporation , 152 Dong Xin Road , Hangzhou 310004 , Zhejiang Province )

    Abstract : The paper makes a comparison between the major technical parameters of the conventional turboexpanders at home and abroad. It hightlights the recent developments in the world concerning turboexpanders with condensing liquid , and those with full condensing liquid turbine expansion and energy recovery and those using active magnetic bearings. Keywords : Turboexpander ; Amount of condensing liquid at outlet ; Energy recovery ; Active Magnetic bearing ; Development

1  前言

透平膨胀机是低温法空分装置及气体分离和液 化装置中的重要部机之一 。空分装置流程的变革 、 发展和进步是建立在吸附器 、换热器 、膨胀机 、精 馏塔等主要部机的变革 、发展和进步的基础上的 , 因此 , 透平膨胀机的变革 、发展和进步必然会促使 低温法空分装置 、气体分离和液化装置等成套装置 的变革 、发展和进步 。 向心径流式透平膨胀机这门技术可以追溯到 1930 年 。透平膨胀机首先应用于空气分离工业 , 而后在 1960 年又被用于天然气工业 。现在 , 透平 膨胀机已不仅用于空气分离 、天然气液化 、乙烯冷 箱 、氢氦液化等低温装置中制取各种温度级的低温 冷量 , 在国外还已广泛应用于余压 、废热的能量回

收 。近几年 , 笔者就膨胀机的有关问题与 AT LAS 、 CRY OSTAR 及 LOTOFLOW 等公司的专家进行过技 术交流 , 对几种类型的透平膨胀机进行过询价 , 还 得到了几篇这些公司赠阅的有关论文和介绍资料 。 笔者越来越感到我国透平膨胀机的设计技术水平 、 研究开发能力及应用领域与国外相比 , 存在着很大 的差距 。因此 , 尽管笔者只是从空分流程和液化设 备的角度对透平膨胀机有所了解 , 而对透平膨胀机 本身的设计制造技术知之甚少 , 但为了促进我国透 平膨胀机的发展和进步 , 笔者还是想把我对国外透 平膨胀机目前了解的一些情况介绍给读者 , 希望能 对读者 , 尤其是对从事透平膨胀机研究开发和设计 的同仁有所启发和帮助 。由于笔者不是这方面的专 家 , 信息不完整和错误恐所难免 , 望读者见谅 。

工程师 ( 退休留用) , 教授级高级工程师 。

深冷技术   2001 年第 5 期          Cryo genic Technolo gy  № 5   2001

) 作者简介 : 江楚标 (19412   , 男 , 1965 年春毕业于武汉机械学院制冷与深冷专业 , 本科 , 原任中国空分设备公司总

?1 ?

专题综述
2  国内外常规透平膨胀机的比较
这里把外压缩空分流程中出口为过热状态的增 压透平膨胀机 , 以及某些内压缩空分流程中出口带 一定比例液体的增压透平膨胀机 , 归入常规膨胀机 之列 。 外压缩空分流程中出口为过热状态的增压透平 膨胀机 , 在我国已相当成熟 , 运行也很可靠 、安 全 。与国外同类产品相比 , 其差距主要在以下两个 方面 : 第一个差距 , 膨胀机 、增压机的效率与国外相 近 , 主要是轴承损失比国外高 。所产生的影响是在 完全相同的产品要求的条件下 , 国产膨胀机的膨胀 量要稍大于进口膨胀机的膨胀量 。也就是说 , 采用 进口膨胀机的空分装置的产液量或者氩提取率 , 比 采用国产膨胀机的空分装置稍稍高一些 , 但差距不 大 。见表 1 。
表1  国内外常规透平膨胀机主要指标的比较
比较项目 膨胀机效率 , % 轴承损失 , kW ( 注 2) 增压机增压比 ( 注 1) 国产膨胀机
84~88 12~36 115~1165
3

江楚标 : 透平膨胀机及发展动态

进口膨胀机
87~91 7~15 1160~1175
3

   1 : 这里的增压比是指增压量与膨胀量相等时的增 注 压比 。如增压量与膨胀量不相等 , 则不可比 。 注 2 : 膨胀机的轴承损失是指膨胀量 ≥5000m / h ( 标 态 , 下同) 的膨胀机 。

第二个差距 , 是大膨胀量和增压量的膨胀机还 缺乏业绩 。这主要受 30000m / h 等级空分装置迟迟 不能实现由国内设计成套而拖累的 。根据国内三个 主要厂家的设计技术水平和装备条件来看 , 实现
30000m / h 等级外压缩流程空分装置中增压透平膨
3

胀机的国产化应该是没有问题的 , 膨胀机可以可靠 安全地长期连续运转 。当然 , 第一个差距会仍然存 在。
3 表 2 是笔者为某厂做 30000m / h ( 氧) 外压缩

空分流程的设计方案时 , 对其中的增压透平膨胀机 所做询价结果的比较 。 出口带一定比例液体的增压透平膨胀机 , 即带 液透平膨胀机 , 四川空分设备集团公司有较多的业 绩 , 积累了较多的设计制造和开车运转的经验 。该 公司从 80 年代初开发油田气丙丁烷 (LPG) 回收 装置时 , 就研制开发出带液量 ≤ %的带液透平膨 8 ?2 ?

口 带 液 量 的 差 距 。2001 年 3 月 笔 者 到 美 国 LOTOFLOW 公司考察和交流 , 该公司带液透平膨胀 机对出口带液量的比例已没有任何限制 。即当膨胀 机进口为气体状态时 , 出口对液体量没有限制 ; 当 膨胀机进口为液体状态时 , 出口对气体量也没有限 制 。这一点 , 国内现在还做不到 。这类透平膨胀机 的规模也比国内要大得多 。在车间我们看到了一台

Cryo genic Technolo gy № 5   2001          深冷技术   2001 年第 5 期

胀机 , 前几年又将带液量提高到 14 %左右 ( 容积 比) 。表 3 是该公司 1999 年提供给新疆吐哈油田的 PLPT - 562/ 6914 - 30 型增压透平膨胀机的参数 。
表 2   30000m3 / h 空分装置透平膨胀机的比较 配
比较项目
3

国内某厂

国外某厂

膨胀机 增压机 膨胀机 增压机
9126 88 420
3

该膨胀机从 1999 年 11 月 2 日起在吐哈油田试 车运行 , 于 2000 年 1 月 6 日由用户验收投产 ( 其 中经 72 小时满负荷运行验收合格 ) 。机器运转稳 定 , 振动小 , 仪控系统操作简单可靠 , 完全满足工 艺流程和现场生产的要求 。 对某些内压缩流程空分装置和外循环氧 、氮液 化装置来说 , 带液透平膨胀机可以提高成套装置的 效率 , 从而可降低单位产品的能耗 。这类膨胀机 , 我国与国外同类产品相比 , 差距要更大一些 。除了 上面提到的两个差距外 , 还有一个更大的差距是出

   : 3 询价时规定值 。 3 3 1bar = 105 Pa 。 注
项 目 膨胀机
7104 3110

气量 , m / h 进口压力 , bar 3 3 (A) 进口温度 , K 出口压力 , bar (A) 出口温度 , K 增压比 效率 , % 转速 , r/ min 轴功率 , kW 介质 进口压力 , MPa (A) 进口温度 , ℃ 出口压力 , MPa (A) 出口温度 , ℃ 流量 , kg/ h 出口带液量 ( 容积比) 效率 , % 转速 , r/ min

165

表3  四川空分设备集团公司的带液透平膨胀机

1143

10316

20300 3
3

16400

- 75176 27122 011397

- 4210

≥ 80

27440

519

290 9156 343 82 1162 383

3 3

油田气

1021055 88 42316

1143

91504 165
3 3

20300 3 20015

增压机
2199

31609 26666

36121

27440

1910

≥ 74

345157 11662 8115 41112

290 3 91804

519 3

江楚标 : 透平膨胀机及发展动态

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行费用可以节省更多 , 从投入产出比这个角度分析 是非常合理的 。以报价二为例 , 每度电以 015 元 计 , 仅发电机回收功率年收入就达 215 × 8500 × 15 0 胀机的投资 。而使用全液体膨胀机的收益主要体现 一小部分 。 在单位产品能耗的降低上 , 回收功率的收益只占其
表5  国外公司对全液体透平膨胀机的报价参数
报价项目 报价一
31000 6012 100 75

正在装配的用于石油平台上乙烷回收装置用的高压 透平膨胀机 , 功率约 7000kW 。据介绍 , GE 油气动 力系统公司 ( GE Power Systems oil & gas) 一次就与 该公司签订了 300 台各种规格此类膨胀机的合同 。 我们 看 到 的 还 只 是 其 中 的 第 2 台 。这 也 许 是
LOTOFLOW 公司 2000 年从 AT LAS 公司被卖到 GE

= 91 万元人民币 , 两年左右就可以回收全液体膨

公司的一个原因 , 因为现在的母公司就是一个大客 户 。世界市场上 60 %天然气液化装置中配套的透 平膨胀机 , 据说都是由 LOTOFLOW 公司提供的 。 表 4 是笔者为一套大型内压缩空分流程所做的 设计方案中 , 对其中配套的增压透平膨胀机 ( 介质 为干空气) 所做询价结果的比较 。
表4  大型内压缩流程空分装置中配套 带液透平膨胀机之比较
比较项目 气量 , m3 / h 进口压力 , bar (A) 进口温度 , K 出口压力 , bar (A) 出口温度 , K 出口带液量 , % 效率 , % 转速 , r/ min 轴功率 , kW 流量调节范围 , % 国内某厂 国外某厂

报价二
86110 75188 94142 80 21000 89157 619

膨胀机 增压机 膨胀机 增压机 ≥ 188 37
716
3

液空量 , m3 / h 进口压力 , bar (A) 进口温度 , K 出口压力 , bar (A) 出口温度 , K 出口液体量 , % 发电机回收功率 , kW 效率 , % 转速 , r/ min

时的 各 参 数 值 : 流 量 在 60 % 时 , 出 口 带 液 量 为
715 % ; 流 量 在 110 % 时 , 出 口 带 液 量 为 1013 % 。

应该指出 : 国内厂家的报价参数也完全能满足本人 的流程设计所规定的配套要求 。因为在做流程设计 时已考虑到国内外透平膨胀机在技术性能指标上的 差距 。当然 , 如果采用进口的带液透平膨胀机 , 单 位产品的能耗指标会有所下降 。

3  全液体透平膨胀机

在文献 [ 1 ] 中 , 我们对全液体透平膨胀机已作 了一些介绍和分析 。因此 , 这儿只给出笔者所做的 两个大型内压缩流程空分装置中配套的全液体空气 透平膨胀机国外两个公司的报价参数 , 见表 5 。 用全液体膨胀机代替节流阀 , 节省了相当一个 比例的低温冷量 , 因此可以提高成套空分装置的效 率 。一次投资虽然增加了 10 多万美元 , 但长期运

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   : 3 询价时规定值 。 注

国外某厂的报价还给出了流量在 60 %和 110 %

6142 3 ~10114 80~82

15118

60~110 3

45000 3

≥ 148 38 ~346 ≥ 75

2916 3 313
3

15118 914 86

6142 3 101139 63919

40175

60~110 3

45000 3 23000
3

351153 80 62217

2916 3 313
3

从进口状态节流到出口压力 时出口液体量 , %

41105

   : ① 注 用油制动 , 不带发电机 。

全液体膨胀机可用于不同的液化循环中 , 如某

些大型内压缩流程空分装置 , 大型氧氮液化装置 、 天然气液化装置和烃加工装置中 , 它可以改善液化 流程 。全液体膨胀机与焦耳 — 汤姆逊阀并联安装 ,

在正常运行时取代焦耳 — 汤姆逊阀 。据介绍 , L ’
Air 、 BOC 、 Linde 、APCI 等公司都已经在自己的低

温装置上试验使用了全液体透平膨胀机 。林德供宝 钢的 60000m / h 内压缩流程空分装置原来也计划用 因 , 从原方案中被取消了 。
3

全液体膨胀机代替焦耳 — 汤姆逊阀 , 后因种种原 全液体透平膨胀机和常规透平膨胀机一样 , 运

行也是非常稳定可靠和安全的 。因此 , 笔者认为在 中 , 使用全液体膨胀机应该是一个方向 。

某些内压缩流程空分装置中以及在大型液化装置

4  能量回收用透平膨胀机

膨胀机不仅用于制冷 , 它还有另外一个很大的

应用领域 —— — 余压 、废热的能量回收 。国外的透平 域作为一个方向加以研究 、开发和推广应用 。

膨胀机专业制造厂 , 没有一个不把这后一个应用领

1970 年前 , 透平膨胀机一直只用于低温法空

气分离装置和气体装置 。但就是从这个时候开始 , ?3 ?

② 也可用油制动 , 此时价格可降低约 314 万美元 。

( 轴功率) 6515 ① 24600 94129

10117 95185 5179

100159

215 ②

10718

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LOTOFLOW 等公司就将透平膨胀机引入了另一种应

江楚标 : 透平膨胀机及发展动态
3 百万 m / h ( 20 ℃、101325Pa) 。

用领域 , 即能量回收 。1972 年 , LOTOFLOW 公司 将透平膨胀机用于纸浆厂的热废气膨胀以产生电 能 ; 1974 年 , LOTOFLOW 公司又将透平膨胀机用 于朗肯循环 ; 1975 年 , LOTOFLOW 公司又推出了 透平膨胀机的另一种用途 , 就是在降压站回收功 率
[2 ]

。 国外的能量回收用透平膨胀机 , 主要用于以下

三个领域 : 余压回收 ; 废热发电 ; 地热发电 。
4 11   余压回收

天然气输气管线的压力 , 国外一般为 5MPa 到

图2  降压站回收的功率

7MPa 。城市配气站要把这个压力降低到 1~115MPa

后送入配气管网 , 到每个工业用户 , 这个压力还要 进一步降低 。降低压力的常规方法是 , 借助于压力 调节装置和压力控制阀 。在这种降压方法中 , 包含 在高压气体里的潜在能量作为摩擦被消耗掉了 。当 差压很高时 , 焦耳 — 汤姆逊效应还会生成一些液体 烃 , 为此还必须进行预热 。 用透平膨胀机来降低压力 , 气体中的潜在能量

降压站所产生的冷量在低温装置中可以被利 用 , 例如可作为压缩机中间冷却器和末级冷却器的 冷媒 。 前已提到 , 天然气输气管线上余压回收透平膨 胀机的出口温度要求高于 0 ℃, 以防止冰的出现使 膨胀机损坏 。为此 , 要求膨胀机进口要有一定的温 度 。在进口温度达不到要求时 , 要先对天然气进行 加热 , 加热要消耗一部分能量 。表 6 是两种这样的 [3 ] 实例数据 。 表 7 是在技术交流时外国专家提供的天然气降 压站能量回收的几个实例 。
表6  天然气余热回收站的能量平衡
项    目 流量 , m / h
3

就可以得到回收 。但在一些应用中 , 也需要有较多 的预热能耗 。当达到足够的规模时 , 总的能量平衡 是正的 , 可用于发电 。图 1 是一个使用透平膨胀机 的常规降压站以及大致的能量平衡关系 。

站1
45000 55 17 1300 124000 528000 315

站2
180000 55 10 6200 585000 2681000 115

P1 , bar (A) P2 , bar (A)

最大回收功率 , kW 加热费用 , 美元/ 年 产生的电能收入 , 美元/ 年 投资回收期 , 年

V— 节流阀  H — 加热炉  E — 膨胀机  G — 发电机

图1  余压回收用透平膨胀机及大致的能量平衡关系

表7  天然气降压站能量回收实例
用    户 天然气分子量 膨胀机进口压力 ,P1 膨胀机进口温度 ,T1 膨胀机出口压力 ,P2 膨胀机出口温度 ,T2 流量 发电量 ,kW 土耳其
1715

设置加热炉的目的是使透平膨胀机出口气体的

丹麦
18

台湾高雄
18

温度高于 0 ℃, 避免固体冰析出 , 以保护膨胀机 。 在一些不含水但含 CO2 的带压原料气的余压回收 装置中 , 则在确定膨胀机的设计参数时要使得膨胀 机出口 CO2 不会变成干冰析出 , 以保护膨胀机 。 我国已引进过这后一类型的能量回收装置 , 因操作 不慎 , 曾发生过叶轮被打坏的事故 。 量之间的关系
[2 ]

840psia 400psia 150000 磅/ 时 1600 ① 67 υ 150 υ

65bar (A) 80 ℃ 17 ℃ 27bar (A)

60kg/ cm2 (A) 120 ℃ 20kg/ cm2 (A) 55 ℃ 4500 120000kg/ h

60000kg/ h 1750 ②

图 2 给出了典型情况下输出的能量与天然气流 。图中 P1 、T1 为天然气的入口压

   : ① 注 用于 30MW 发电站的能量回收 , 能量回收率为

力和入口温度 , P2 为出口压力 , 气体流量 MM 是 ?4 ?

5 %。   ② 共分三级膨胀回收电能 , 压力为 65 → → → 27 11 5bar (A) , 总发电量为 5000kW 。表值为一级回 收站参数 。

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的能量可以用来驱动使反应器加压的空气压缩机 , 还可以回收排出气体中有价值的化工产品 , 并减少 环境污染 。在某些情况下 , 这种有价值的化工产品 的回收比回收能量更有价值
[2 ]

收法 。当废热气体同时有余压时 , 可直接用来膨 胀 ; 当废气有余压无温度时 , 可先加热后膨胀 , 这 也是直接回收法 。当废气只有废热而无余压时 , 要 使用间接回收法 。 间接回收法废热回收所使用的循环实质上是制 冷循环的反循环 , 见图 3 。

有机流体 , 这种流体 ( 工质) 在状态点 2 可被冷却 水冷凝成液体 。然后 , 用泵加压到压力 P3 , 这个 压力应使工质在废热气体加热器中能被要回收能量 的废热气体加热到略呈过热状态的气体 ( 状态点
4) 。然后 , 将该过热气体送入能量回收透平膨胀机

中 , 膨胀到可以被冷却水冷凝成饱和或略呈过冷液 体的压力 ( 状态点 2) 。如此不断循环 , 在发电机 中产生电能外输 。 这种有机流体的选择取决于循环的温度 , 它应 该有最佳的回收率并始终保持稳定 。这种工作流体 还必须是没有腐蚀性的和无毒的 。这种流体的热交 换效率会影响到换热设备的尺寸和投资 , 而它的等 熵焓降会影响到膨胀机的尺寸和投资 。 废热回收系统的应用领域有 : 液化天然气脱甲 烷塔底部的热量 , 压缩机排出气体所产生的热量 , 在非低温装置如烟道气排出的能量 , 玻璃厂 、炼铁 厂的排出气体 , 以及乙醇装置 、中央空调 、木材干 燥 、太阳能和地热发电站等等 。 一般来说 , 从化工装置放热反应器排出的混有 化工蒸汽的热气体中都含有大量的能量 , 应用透平 膨胀机来回收这种废弃的能量是可能的 。被回收来

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4 12   废热回收

废热回收有两种方法 , 即直接回收法和间接回



关于废热回收 , 笔者在 1999 年曾经将从玻璃 设计院得到的一组废热气体的数据请 LOTOFLOW 公司算一下可以回收的能量 , 这组数据是 : 进回收装置的废气量 : 43000m / h 进回收装置的废气温度 : 360 ℃ 要求出回收装置的废气温度 : ≥ ℃ 150 废气比热 : T = 200 ℃   V = 01327kcal/ m ? 时 C ℃
3 3 3 3

LOTOFLOW 公司返回给笔者的膨胀机参数见

表 8。

E— 膨胀机  G — 发电机   — C 冷凝器

表8  废热回收透平膨胀机参数
目 方案一
32 20414 40000 39000 515 85 565 3118

P— 加压泵  H — 废热气体加热器

图3  废热回收循环



间接回收法废热回收循环是一种有机朗肯循环

(ORC 循环 ) 。这种循环要使用一种低压可冷凝的

工质进口压力 , bar (A) 工质进口温度 , ℃ 工质出口压力 , bar (A) 工质出口温度 , ℃ 工质流量 , 磅/ 时 膨胀机转速 , r/ min 膨胀机叶轮直径 , 英寸 效率 , % 回收功率 , 马力

LOTOFLOW 在确定上述透平膨胀机参数时 , 已

初步考虑了膨胀机工作流体加热器的尺寸和造价 , 即已考虑到了成套装置的性能价格比 。
4 13   地热发电
[4 ]

利用透平膨胀机回收地热能量始于 1970 年 。

从那时起 , 一些工程公司已经对回收地热能量的工 艺流程设计作了很多的改进 。透平膨胀机制造厂也 发展了他们的技术 , 使这种膨胀机有了几个专门的 特色以满足地热能量回收的需要 。 地热能量是一种能源 , 它的可靠性和在环境方

面的优点要高于其它的常规能源 。地热能是一个国 家自己的能源 , 因此它与国际间的竞争和冲突没有 关系 , 它既可以供应能源 , 又可以减少对外部能源 的需求 。在我国 , 只有极少一部分的地热能源得到 了利用 ( 如西藏羊八井) 。 地热能是少数几种可再生热能中的一种 , 它来 ?5 ?

T = 350 ℃   V = 01333kcal/ m ? 时 C ℃ T = 400 ℃   V = 01334kcal/ m ? 时 C ℃
方案二
32 320 265 139140 40000 46000 515 85 800 3118

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自地壳深处并有以下几种存在形态 : 热液体 、地 能 、热干岩 、岩浆和地压等 。热液体和地能在某种 程度上已得到了利用 。其它几种形式的地热能量尽 管有巨大的潜在资源 , 但到目前为止还不能经济的 加以开发利用 。 热液体能量用于发电有两种流程 。一种是二元 循环 , 另一种是闪蒸蒸汽流程 。二元循环发电装置 利用热盐水加热工作流体 , 然后由工作流体驱动与 发电机连在一起的膨胀透平 , 见图 4 。冷却后的盐 水再泵回地下 。

江楚标 : 透平膨胀机及发展动态

闪蒸蒸汽发电装置则直接利用热盐水 。热盐水 开采出来后 , 闪蒸成蒸汽和盐水 。蒸汽去驱动与发 电机联在一起的蒸汽透平 , 盐水和冷凝后的蒸汽则 被泵回地下 。这个循环不需要使用透平膨胀机 。 表 9 是 1997 年统计的世界各地用热液体这种 能源来发电的情况 。 国外用于地热回收的透平膨胀机的最大功率已 达到 20000 马力 。 除了上述几种能量回收的途径外 , 美国还建立 了一个海洋热能回收的模型机做试验研究 , 利用海 平面与海洋深部海水的温差 , 通过有机朗肯循环来 发电 。 表 10 是美国一地热回收装置的数据 。
表 10   美国某地热回收装置数据
膨胀机进口压力 , 膨胀机进口温度 , 膨胀机出口压力 , 膨胀机出口温度 , 流量 发电量
P1 T1 P2 T2 515psia 300 υ 145 υ 40psia 1100000 磅/ 时 11000kW

5  磁悬浮轴承透平膨胀机
图4  朗肯循环地热发电装置 表9  各国热液体发电能力统计表 单位 : 兆瓦
国家 阿尔及利亚 澳大利亚 中国 哥斯达黎加 萨尔瓦多 法国 希腊 3 冰岛 印度尼西亚 意大利 日本 肯尼亚 墨西哥 新西兰 尼加拉瓜 菲律宾 葡萄牙 俄罗斯 中国台湾 土耳其 美国
1990 年 0167 0 1912 0 95 412 0 4416 44175 545 21416 45 700 28312 35 891 3 11 013 2016 277416 1995 年 0167 0117 28178 55 105 412 0 4914 309175 63117 41317 45 753 286 35 1191 5 11 013 2016 281617 2000 年

早在 1980 年 , CRY OSTAR 公司就与一家磁轴 承制造商结成伙伴关系 , 开发了采用磁悬浮轴承的 增压透平膨胀机 。随后进行了广泛的试验和运转 , 于 1988 年推出了工业用生产装置
[5 ]

。现在 , 磁悬

浮轴承透平膨胀机在国外已有长足的发展 。1999 年 12 月笔者与 CRY OSTAR 公司进行技术交流时 , 该公司的专家告诉笔者 , 他们厂已生产磁悬浮轴承 透平 膨 胀 机 75 台 , 最 小 功 率 300kW , 最 大 功 率 4MW 。膨胀机效率实测 92 % , 增压机效率为 86 % 。 采用闭式整体叶轮 , 用五轴加工中心制造 , 材质为 高强度铝合金 , 最大圆周速度可达 400m/ s 。
2001 年 3 月笔者到 LOTOFLOW 公司访问考察 ,

81 170 165

1080 856 600 960 440 1945 110 125 3395

接待我们的 REZA AG AHI 博士告诉我 , LOTOFLOW 公司 的 磁 悬 浮 轴 承 透 平 膨 胀 机 最 大 功 率 已 达 到
13000 马力 , 转速达 7000r/ min , 用于石油平台上的

乙烷回收装置 。最小的磁悬浮轴承透平膨胀机功率 为 100kW 。在车间 , 我们看到了正在装配的磁悬浮 轴承透平膨胀机和它的控制箱 。AG AHI 博士很明 确地告诉笔者 , 磁悬浮轴承透平膨胀机是今后透平 膨胀机的发展方向 。

   : 3 希腊已关闭一台 2 兆瓦的试验性装置 。 注

?6 ?

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江楚标 : 透平膨胀机及发展动态

专题综述
某个电磁铁的供电电源增大或者减小 。 如上所述 , 磁悬浮轴承透平膨胀机设置了两道 保护 : 当供电电源突然停电时 , 由 UPS 不间断电 源供给电力 ; 当 UPS 也不能供应足够的电力时 , 则在辅助抗摩擦轴承的帮助下实现安全停车 ( 见 图 5) 。 磁悬浮轴承透平膨胀机与常规的油轴承透平膨 胀机相比 , 有以下优点 : ( 1) 磁悬浮轴承透平膨胀机不需要润滑 , 没有 油泵 、油过滤器 、油冷却器等组成的供油装置 , 对 过程气体没有任何污染 , 因而对后续设备 ( 如换热 器等) 无任何威胁 。 ( 2) 磁悬浮轴承透平膨胀机对转子的动平衡要 求 , 低于常规油轴承透平膨胀机对转子动平衡的要 求 。即使转子在工作中有一定程度的局部损坏而影 响了转子的动平衡 , 也可以通过控制系统改变某个 位置的磁力使其保持正常运行 。 ( 3) 磁悬浮轴承透平膨胀机与油轴承透平膨胀 机相比 , 由于磁轴承降低了功率损失 , 不需要供油 装置 , 再加上不损失工艺气体 , 因此可改善循环的 [5 ] 效率 , 见表 11 。
表 11   两种轴承透平膨胀机气体动力学效率之比较
轴承型式 转速 , r/ min 产生的冷量 , kW 轴承损失 , kW 用于压缩的功率 , kW 油轴承
28000 823 26 797
[5 ]

据介绍 , LOTOFLOW 公司已经完成了 30000 马 力能量回收用磁悬浮轴承透平膨胀机的技术储备 。 图 5 是磁悬浮轴承透平膨胀机的示意图 。

图5  磁悬浮轴承透平膨胀机

透平膨胀机的一端是膨胀机叶轮 , 另一端是增 压机叶轮 。由两个叶轮和轴组成的转子 , 由每一段 的径向磁悬浮轴承和一个中间的止推磁悬浮轴承所 支承 。为了防止在磁轴承失去磁性时刮伤迷宫密 封 , 以及在主电源和返回式电池电源都失电时能保 护设备 , 在轴的两端还安装了一个抗摩擦轴承 。这 些轴承用从膨胀端和压缩端漏入中间室的气体冷 却 。冷却了磁轴承后的气体 , 再用管路送回主供气 压缩机或者循环压缩机 。因此 , 在这个过程循环中 没有气体损失 。 磁悬浮径向轴承由两个部分组成 : 固定在透平 转子轴上的电磁铁和在它周围的定子 。借助于固定 的电磁铁 , 由黑色金属制成的转子可以在磁场中被 支承起来 。如果在定子和转子之间建立起一个小的 空气隙并对电磁铁施以恰当的电力控制 , 则转子可 在负荷变动的情况下维持精确的位置 。 磁悬浮止推轴承由一个扁平的实心铁磁体盘组 成 , 径向装配在轴上 , 在轴向固定 。轴向磁悬浮轴 承的定子用实心环形铁心制成 , 并加工了一些环形 凹槽 , 用来嵌入电磁铁的配线线圈 。把定子在两端 定位后就形成了一个双作用推力轴承 。 控制系统在理论上是简单的 , 但在电子学上是 较复杂的 。电磁铁接受正在指示轴位置的传感器的 讯号 , 并和与转轴的标准位置 ( 径向和轴向) 相对 应的讯号进行比较 。这两个讯号之间的任何偏差都 产生出一个误差讯号 。在控制回路中对这个误差讯 号进行加工后 , 会发出一个命令给功率放大器 , 使

磁悬浮轴承
28000 823 7 816

辅助设备之比较 冷却水功率 , kW 油加热器功率 , kW 油泵功率 , kW 总的辅助功率 , kW
1 4 15 20 0 0 0 0

总       功 率 用于压缩的功率 , kW 循环效率的改进
777 816 511 % 1500

占地面积和重量 重量 , kg 占地面积长 × × , m 宽 高
6500

( 4) 磁悬浮轴承透平膨胀机启动方便 , 容易保

深冷技术   2001 年第 5 期          Cryo genic Technolo gy  № 5   2001

管维护 , 可靠性好 。据介绍 , 其可靠性或年运行可 靠率超过 9919 % , 其中很多装置的年运行可靠率 实际上是 100 % 。 据 AG AHI 博士介绍 , 目前用于空分装置的磁 ?7 ?

318 × 14 × 13 116 × 14 × 13 2 3 1 3

专题综述

江楚标 : 透平膨胀机及发展动态

悬浮轴承透平膨胀机的造价要比常规油轴承透平膨 象里 , 该院的 PSA 研究 、开发和试验过程 , 不是 胀机的造价约高 15 % , 而用于 LNG 装置中的磁悬 “八年抗战” 而是 “十年抗战” , 。正是由于这种不 浮轴承透平膨胀机的造价 , 则要比常规油轴承透平 屈不挠 、坚持不懈的劲头和实事求是的科学态度 , 膨胀机的造价低约 15 % 。他没有解释造成这种差 最终使西南化工研究院 PSA 技术在国内已多年手 异的具体原因 。另外 , 他还提到 , 磁悬浮轴承的轴 执牛耳 , 取得了极大的经济效益和社会效益 。 承损失现在可降低到 0 。 6 13   加强能量回收透平膨胀机的开发与应用 在国外 , 透平膨胀机生产企业不设计制造磁悬 能量回收用透平膨胀机 , 笔者认为在我国有极 浮轴承 。磁悬浮轴承均由专业生产厂根据透平膨胀 其广阔的市场 , 有极为良好的发展前景 。我国的能 机设计制造厂家提出的条件和要求进行设计和制造 源利用率较低 , 比发达国家要低 10 多个百分点 , 供货 。 或者说生产同样的产品 , 我国的能源消耗要比发达 在国外 , 磁轴承已用于离心压缩机 、汽轮机 、 国家高 1/ 4 左右[6 ] 。除了工艺技术方面的差距外 , 水泵 , 以减少轴承损失 , 提高机器的效率 。 能量回收方面的差距也是一个重要的原因 。据报 道 , 美国加利福尼亚州 12 %的电能为再生能源发 6  结论和随感 电 。在我国的钢铁 、化工 、玻璃等生产企业中 , 有 6 11   与国外存在较大差距 不少可供利用的余压和废热 , 将它们的潜能通过能 除常规外压缩流程空分装置中配用的透平膨胀 机 , 我国国内水平与国外水平差距不大外 , 其它各 种膨胀机国内外存在着很大的差距 : 带液透平膨胀 机的出口带液量 , 国外已无限制 , 我国只能达到一 定的带液比例 ; 在效率 、增压比 、轴承损失等方面 也存在着一定的差距 ; 全液体透平膨胀机 、磁悬浮 轴承透平膨胀机 , 我国至少在我们空分行业内还是 空白 ; 能量回收用透平膨胀机 , 据了解国内曾生产 过利用余压的透平膨胀机 , 但具体情况不太清楚 。 常规外压缩流程空分装置中配用的透平膨胀机 与国外相比 , 也还存在着一定的差距 : 轴承损失较 大 , 大容量透平膨胀机还缺乏实际运转的业绩 。但 笔者相信 , 我国已具备设计制造这种大容量透平膨 胀机的能力 , 并且能长期稳定地安全运转 。 6 12   要咬住有发展前景的新技术 、新产品不放 对有发展前景的新技术 、新产品应加大投入 , 咬住不放 。在笔者的印象里 , 杭州制氧机研究所在 70 年代就已开始用于能量回收的有机朗肯循环中 透平膨胀机的研究 , 起步应该说是很早的 , 也是很 有远见的 。但为什么后来就无声无息了呢 ? 这一点 值得我们深思 , 特别值得企业的领导者深思 。磁悬 浮轴承透平膨胀机国外在 1980 年就已开发成功 , 但因容量有限 、价格昂贵及市场原因 , 进一步的开 发工作曾一度受阻和停止 , 直到 1988 年重新引入 了大型装置的概念 , 又立即得到了极大的重视和发 [5 ] 展 。这时笔者又想起了西南化工研究院开发 PSA 工艺的过程 , 当时笔者在四川空分设备厂工作 , 因 工作关系曾数次去过西南化工研究院 。在笔者的印 ?8 ? 量回收用透平膨胀机加以回收利用 , 不仅可以提高 我国工业产品的能源利用率 , 得到可观的绿色能 源 , 而且还可以减少对环境的污染 , 回收有价值的 化工产品 。我国已把可持续发展战略提到重要的议 事日程 , 笔者认为能量回收用透平膨胀机的开发和 应用 , 是完全符合可持续发展战略的要求的 , 因此 必定会具有强大的生命力 。 能量回收用透平膨胀机的开发和应用 , 还需要 得到国家政策的鼓励和扶持 。当前我国的电力投资 体制是垄断性的 , 如果能量回收用透平膨胀机发出 的电力不能上网或被压价上网 , 这个极有利于国计 民生的产业就不能催生和发展 。对这个问题笔者也 专门请教了国外的专家 , 美国专家告诉笔者 , 美国 的环保和能源政策规定 : 企业不得向大气排放带有 热量的废气 ; 美国政府鼓励发展从余压 、废热中回 收能量用于发电 , 称这种电能为 “绿色能源” 规 , 定要优先使用这些绿色能源 ; 其上网电价可以略高 于发电厂的上网电价 ; 宁可关闭电厂 , 也要优先使 用这种 “绿色能源” 。美国及西方国家的这种政策 鼓励 , 鞭策和促使企业去利用余压 、废热 , 以保护 环境 , 提高能源利用率 , 讲究社会效益 , 促进可持 续发展 。 6 14   要主动发展透平膨胀机产业 我国透平膨胀机的设计 、开发和生产 , 主要依 附于成套空分装置和其它气体设备的发展 , 没有形 成一个独立的产业 。个人认为 , 透平膨胀机要跳出 这个框框 , 去主动发展 , 并反过来促进成套空分装
Cryo genic Technolo gy № 5   2001          深冷技术   2001 年第 5 期

江楚标 : 透平膨胀机及发展动态

专题综述
[ 3 ] R. R. AG AHI , H. MOSER. Integrally Geared and Integrated Turbine Generator Energy Recovery for High Pressure Natural gas [4 ] Reza R. AG AHI , MIKE T. ALLEN. Geothermal Energy Recovery Using Turboexpanders. Geothermal Power in ASIA

置和其它气体设备的发展 。同时要坚决抛弃大而 全 、小而全的观念和思路 , 走专业化生产协作的路 子 。这样可以收到事半功倍 、互相促进的良性互动 循环 , 以争取时间 , 尽快缩小我国与国际先进水平 之间的差距 。
参考文献 :
[1 ] 江楚标 , 陈明敏 . 内压缩流程与外压缩流程空分装置

“97” 1997 年 2 月 ,
[ 5 ] B. KEENAN , K LAUS REUTER. The Design , Experience and Economic Advantage of Cryogenic Turboexpanders with Active Magnetic Bearings. American Society of Chemical Engineers Eighth Cryogenics Intersociety Symposium (1991) [6 ] 六部门组织全国节能宣传周活动 . 人民日报 , 20002102 25 (2)

能耗的比较 . 深冷技术 , 2000 (3) : 1~4
[2 ] R. AG AHI , B. ERSHAGHI. Expansion Turbine in Energy Recovery Applications.
th Ⅷ

International

Congress

of

Refrigeration , 1991







川空通过 GC2 级压力管道安装资格认证审查

国家质量技术监督局于 2000 年 7 月发布了《压力管道安装单位资格认可实施细则》 四川空分设备集团有限责任公司 , 所属安装公司作为主要从事压力容器和压力管道安装的单位 , 取得资格认可成了当务之急 。2000 年 10 月向四川省质量技术 量技术监督局下发了受理通知书 。12 月四川省锅炉压力容器检验所进驻川空集团安装公司进行 “GC2 级压力管道安装资格

监督局申请 GC2 级压力管道安装资格 , 并着手体系文件 、管理文件 、竣工资料 、设备库房等整顿工作 。11 月份 , 四川省质 申请”条件初审 。2001 年川空安装公司经过 3 个多月的一系列整改工作通过了第二次复评 。5 月向四川省质量技术监督局 阳市质监局组成的联审组在川空安装公司进行了联审 , 并对前两次评审进行了检查 。联审组一致认为川空安装公司已经具 备了 GC2 级压力管道安装条件 。 理 , 提高效益打下了良好的基础 。
(641400   四川简阳)

提出联审申请 , 7 月向四川省锅检所提交了整改计划和整改报告 。2001 年 7 月 25~26 日 , 由四川省质监局 、省锅检所 、资

该资格证书的取得 , 表明川空集团公司安装公司获得了压力管道安装领域的 “通行证” 为进一步拓展市场 , 规范管 ,

四川空分设备集团有限责任公司技术中心   孙文元

气体深冷分离工培训中心在开封成立
   2001 年 7 月 21 日《中国化工报》记者武验 、通讯员 据 王令聊报道 , 我国首家专门从事气体深冷分离工培训的机 构 —— — 河南气体深冷分离工培训中心近日在河南开封成立 。 该中心培训的主要对象是全国气体深冷分离工和制氧工 。 这一中心的成立对我国冶金 、石化 、能源 、环保等基础工 业的发展具有特别的意义 。 空气分离设备是应用低温技术将空气液化 , 然后精馏 提纯得到工业使用的氧气 、氮气 、氩气及其它稀有气体的 大型成套装置 , 是冶金 、石化 、能源 、环保等基础工业必 不可少的关键设备 。同时空分技术属高新科技 , 空分设备 在基础工业中属集中供气的核心装置 , 结构复杂 , 技术先 进 , 成套性强 , 自动化程度高 , 且助燃易爆 。一旦空分设 备出现问题 , 往往造成全厂停产的严重事故 , 所以对操作 人员的专业知识和技术水平要求都相当高 。近 20 年来 , 每 量越来越高 。

隔 3 — 年就有空分新技术出现 , 就要更新换代 , 其技术含 5 目前 , 我国多数企业仍在沿袭过去师传面授的传统培

训方法 , 造成许多生产隐患 。目前全国拥有大中型空分设 形成一种特殊的岗位 。

备 1000 多套 , 小型 3000 多套 , 操作人员有数十万之多 , 已 该中心是在开封空分设备厂职工大学与开封大学联合

的基础上 , 经河南省劳动和社会保障厅批准成立的 , 对全 技师四个等级的培训 , 河南省劳动和社会保障厅授权该校 发放气体深冷分离工职业资格证书 。这标志着我国空分设 备的管理和操作人员培训将走向规范化 , 操作人员经考试 合格后持证上岗 。

国气体深冷分离工和制氧工可以进行初级 、中级 、高级 、

( 本刊)

深冷技术   2001 年第 5 期          Cryo genic Technolo gy  № 5   2001

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