探讨液体膨胀机在内压缩流程空分设备中的应用

由于空分系统运行时会出现各种问题,需要利用先进技术进行解决,本文对液体膨胀机在内压缩流程空分设备中的应用进行分析,根据其对主要机器参数及能耗的影响,得出使用液体膨胀机有利于空分设备产品提取率的提高,减少了增压透平膨胀机和空气增压机处理的气量,其具有很好的节能效果,并且可以优化工艺保证安全.     

2011年杭州市科技进步奖一等奖项目介绍

冶金型六万空分设备采用当今国际上最先进的空分技术,并应用多项创新技术。项目由空气压缩系统、特大型空气预冷系统、特大型分子筛纯化系统、增压透平膨胀机制冷系统、分馏塔（换热和精馏）系统、高压氧气透平压缩机、中压氮气透平压缩机和高压氨气透平压缩机组的氧氨产品输送系统.     

大型低压空分流程精馏提氩过程

利用ASPEN作为平台,针对20000空分装置,拟定全低压分子筛吸附净化、空气增压透平膨胀机制冷、全精馏无氢制氩、氧气外压缩的工艺流程,建立了相关精馏系统的计算模型,进行精馏系统计算,并以提高氧和氩的提取率为目标完成其模拟调试过程.在不增加空气量的基础上,通过精确的模拟计算辅助提高运行设备的氧和氩提取率.使氧的提取率达到99%以上,氩提取率达到80%以上.     

高速透平膨胀机临界转速的计算与分析

为了保障高速透平膨胀机的稳定性,针对高速透平膨胀机转子临界转速的确定问题,分别讨论了Prohl递推法、Riccati传递矩阵法和有限元QZ(FEQZ)法在各向异性的弹性支承轴承转子系统阻尼临界转速计算中的优缺点.考虑到透平膨胀机实际的结构和应用情况,建议气体轴承支承高速透平膨胀机转子临界转速的计算方法采用FEQZ法,同时运用Matlab语言分模块设计了计算程序,大大简化了编程过程,提高了计算精度.在此基础上,通过在实际工况参数范围内的实例,分析了某透平膨胀机转子支承刚度和阻尼对转子系统阻尼临界转速的影响,并与工程实验数据进行了对照,从而验证了模型与分析计算的可靠性.     

低温氦透平膨胀机的热力设计及性能分析

针对我国航天领域某重点项目的研制任务，设计了一台氦气体轴承低温透平膨胀机，并对其热力性能进行了分析和讨论。提出了一种考虑膨胀机整体热力性能及机械性能的透平膨胀机系统多目标优化方法。解决了透平膨胀机使用不同工质时相似准则的选取方法，进而在自行开发的较为完善的透平膨胀机一元流动性能预测程序的基础上，获得了模化时所应遵循的相似准则数。以人工神经网络为基础实现了透平膨胀机的性能转换问题。试验结果表明，所研制的氦气体轴承透平膨胀机的绝热效率大于71％；在出口温度为12.8K时，膨胀机效率已达到75％；膨胀机的最大制冷量接近2kW。     

微型氦透平膨胀机系统性数值模拟

现今氦透平膨胀机的设计,仅有面向各部件的设计方法及步骤,没有完整精准的设计流程,未形成设计体系。为保证环控系统中微型氦透平膨胀机运行的安全性、可靠性及高效性,提出一套基于CAD/CAE/CFD的智能化设计流程,通过一维热力计算、二维气动设计、三维气动分析和强度校核、三维造型和转子动力学分析对微型氦透平膨胀机进行数字化仿真设计,并对设计过程进行系统性数值模拟。确保设计方案可达到氦制冷系统的设计要求,同时为设计微型氦透平膨胀机提供设计制造集成技术。     

低温空气透平膨胀机的气体槽式动压轴承

本文描述了使用于低温空气透平膨胀机的径向及轴向气体槽式动压轴承。透平膨胀机的转子为横卧式,转速为10.7×10~4 r/min。在槽式动压轴承外使用了O形橡皮圈。与一般动压轴承相比,该轴承的间隙大,稳定性高。此外,为了避免轴承间隙内生成的热量传到透平冷端,采用了轴承内腔水冷却的结构。动压轴承低温空气透平膨胀机的运转试验及稳定性试验表明,该动压轴承的稳定性良好,可以使用于小型低温透平膨胀机上。     

空分装置气体冷却器及蒸汽加热器内漏问题的处理

通过空分装置膨胀增压机气体冷却器、蒸汽加热器内漏处理解决了装置运行中存在的隐患,确保空分装置正常生产。     

一种压缩空气储能与内燃机技术耦合的冷热电联产系统

为探索可再生能源的高效利用方法,基于热力学定律和能量按品质利用的原则,提出了一种以压缩空气储能技术为基础的与内燃机技术耦合的冷热电联产分布式能量系统,建立了该系统的热力学模型并自编程序对系统进行了热力学分析,重点研究了系统中的压气机、换热器、透平膨胀机、内燃机等主要设备性能以及关键节点参数,如透平膨胀机入口压力和温度以及压气机压比对系统性能的影响规律。研究结果表明:所提系统具有较高的能量效率和效率,其中透平膨胀机、内燃机及换热器是系统关键设备;增加系统设备的效率可以提高系统的能量效率、折合发电效率及效率,增加内燃机发电效率获得的效果更加明显。该结果可为系统的工程应用提供理论依据。     

油田气深冷分离装置膨胀机模拟计算模型的研究

透平膨胀机是膨胀机法深冷分离装置中的关键设备,本文根据某油田引进装置的设计条件,考核了使用 SRK(1972)、修正的 SRK(1978)和 P-R 等立方型状态方程进行膨胀机模拟计算的适用性,所得结果与原设计值和BWRS状态方程计算值基本一致,而且节省机时。由于修正的SRK方程具有较完整的二元交互作用系数,因此,在膨胀机法深冷分离计算中一般可优先考虑采用。     

波箔箔片动压气体轴承的实验研究

为满足透平机械高速可靠运转的需求,设计了一种波箔型箔片轴承,其基本结构由柔性平箔和支承平箔的弹性波箔组成。在气体轴承-高速低温透平膨胀机实验台上对波箔箔片动压气体轴承进行了实验,实验中采用压缩空气驱动透平转子,以功率75kW的阿特拉斯螺杆压缩机作为供气源,从而获得了0.1~1.15MPa、标准工况下最高流量为600m3/h的压缩空气。将波箔厚度为0.05mm及0.07mm的2种箔片动压气体径向轴承,应用于主轴Φ25mm的标准工况下150m3/h制氧机用高速透平膨胀机,研究了箔片支承高速透平转子的振动特性及稳定性。实验结果表明:波箔弹性元件的刚度是轴承性能的重要影响因素之一,0.05mm波箔刚度小,柔性变形裕度较大,可以抑制转子不稳定涡动,透平膨胀机转子最高转速达93 366r/min;0.07mm波箔刚度较大,柔性变形裕度相对较小,当最高转速达到93 161r/min时转子出现涡动。2种波箔厚度的轴承最高转速达到9.3万r/min时转子的最大振幅均小于20μm,波箔轴承表现出了良好的刚度和阻尼特性,可有效抑制Φ25mm的高速透平膨胀机转子的涡动。     

低温透平膨胀机内平衡凝结两相流动的数值模拟

采用Peng-Robinson方程及零压多项式拟合了低温空气二元混合物的物性,利用商业软件ANSYS CFX对设计工况下的单相流动及进口升压降温后平衡凝结两相流动进行了数值模拟,得到了全低压空气分离流程中的低温两相透平膨胀机喷嘴和工作轮的温度场、压力场、流线及带液量云图,同时推导了该工况下膨胀机的等熵效率.结果表明,工作轮流道内吸力面壁面处的涡流会延迟凝结相变发生,叶片后缘处的尾迹使得吸力面壁面处的带液量有所减小.最后,通过实验验证了模拟结果,表明利用平衡凝结相变模型能够模拟小带液量透平膨胀机流道内的两相流动.该结果可为低温两相膨胀机研究提供参考.     

透平柴油增压泵冗余改造

在最初设计时,单台透平机组配备一台柴油增压泵,为透平使用柴油作为燃料增压,以满足设备的需求。但3台透平所配备的柴油增压泵相互独立,增压泵一旦出现故障,将无法为透平提供燃料,进而导致机组无法正常运转。因此为了避免因增压泵故障导致设备无法运转的情况,对海上平台3台透平机组的增压泵不能互为备用提出整改思路及方案、优化控制,最终实现了3台透平共享3台增压泵的多种选择。     

平箔式箔片径向气体轴承的试验研究

对一种用于高速低温透平膨胀机的新型平箔式箔片径向气体轴承进行了试验研究,试验箔片径向轴承的直径为２５．０ｍｍ。试验结果表明,轴承的结构参数决定了轴承的性能;通过选取合适的轴承半径间隙和刚度,此种结构的箔片轴承上有较好的稳定性及启停性能。因此,该型轴承在小型高速低温透平膨胀机中具有广阔的应用前景。文中还就轴承结构参数对轴承－转子系统稳定性的影响进行了讨论。     

包钢西区焦化13000空分装置配套驱动氧压机用汽轮机组振动超标分析处理

本文介绍了包钢西区焦化空分装置配套驱动氧气透平压缩机用汽轮机组联动试车时出现振动超高的情况,分析了故障原因,描述了处理的过程与结果。     

全动压气体轴承透平膨胀机机械性能的试验研究

在一台额定转速为10 64×104 r/min的高速透平膨胀机(轴径为25 00 mm,转子质量为891 g)上,采用新型弹性支承箔片动压径向轴承和螺旋槽动压止推轴承对全动压气体轴承透平膨胀机的机械性能进行了试验研究,达到了转速为12 16×104 r/min、超速14%稳定运转的良好效果.还对全动压气体轴承副的性能进行了研究,验证了全动压气体轴承高速透平转子失稳的主要因素是动压止推轴承承载力丧失而造成的止推轴承失稳,并对止推间隙的影响因素和变化规律进行了探讨.试验结果表明,在高速透平机械中采用国产全动压气体轴承是完全可行的.     

蜂窝密封技术在空分增压机级间密封上的应用

针对内蒙古某煤化工厂空分增压机组在生产过程中存在的推力轴承瓦温度偏高等问题,提出了对增压机级间密封进行整体蜂窝技术改造的方案。通过对级间密封结构优化前后叶轮端面轴向受力变化的理论分析及利用计算流体动力学（CFD）软件进行仿真验证,得出级间密封的失效是引起转子轴向力变大的主要原因,并对增压机级间密封进行了蜂窝技术改造。改进后的级间密封结构使得增压机级间串气量减小,叶轮两侧高压气体压力差有所降低,各级压缩效率得到提高,解决了推力轴承瓦温度偏高和气体出口压力不足等问题。蜂窝密封技术在空分增压机级间密封上的成功应用,为解决高速离心压缩机轴向力过大这一问题提供了新的有效方案和改进措施,值得进一步应用推广。     

利用化工过程余热的有机工质向心透平气动性能分析

针对化工蒸馏过程产生的余热(121~146℃),采用R600a工质,进行了150kW级的有机工质向心透平初步设计.在通过一维气动计算获得有机工质向心透平初步结构参数和性能参数的基础上,采用计算流体动力学(CFD)数值模拟研究了有机工质向心透平设计工况的气动特性,获得了总体性能及流场分布情况.研究结果表明,在透平入口温度110℃、透平入口压力1.6 MPa条件下,有机工质向心透平质量流量4.17kg/s、压比3.2、效率82.7%、输出功率150.5kW,在设计工况下流动顺畅,效率高,满足有机工质发电系统对膨胀机的要求.研究成果可以为化工过程余热利用的有机工质向心透平设计提供基础数据.     

轴流无叶喷咀及其级的特性实验

本文第一部分分析了轴流无叶喷咀内部流动,进行了内部流场计算。提出了损失模型及减少损失和控制损失分布,以及合理选择喷咀型线的途径。对不同喷咀型线进行了实测,在一定范围内提供了设计用的有关实验数据。第二部分对一已有透平级按第一部分的方法设计了无叶喷咀,进行了级特性实验,测量了级间间隙中的有关气流参数。实验结果表明,轴流无叶喷咀透平级具有良好的实用价值,它适用于单级(如增压透平)透平,或多级透平的第一级。     

西门子PCS7系统在炼铁高炉煤气余压发电中的应用

高炉煤气余压透平发电装置 TRT(Blast Furnace Top Gas Recovery Turbine Unit) 是现代钢铁企业回收剩余能量的最新技术之一,它利用高炉冶炼的副产品——高炉炉顶煤气具有的压力能及热能,使煤气通过透平膨胀机做功,将其转化为机械能,这样就可以将高炉煤气在以往的减压阀组中损失的能量予以回收利用,是一项高效环保的新技术