低温透平膨胀机成长的五十载

高温透平膨胀机生长的五十载之南宫帮珍创作创作时间：二零二一年六月三十日一、前言中国空分制造业已经经过了整整五十年了.回顾五十年，我国的 空分行业从无到有，从仿造到自行开发研究，制氧容量从小型的 几十立方每小时到目前已经能生产每小时三万品级，从整套制氧 机运行需由三五个人手工把持发展到今天在控制室电脑屏幕前由 一个人可对整套空分设备进行把持，从流程上来说从一般简单节 流流程已经发展到现在根据分歧需要可采纳分歧流程：如正流膨 胀流程、反流膨胀流程、增压膨胀流程、内压缩流程等等.既能到 达高的提取率又能节省能耗的新流程.高温透平膨胀机是空分设备的心脏，它是空分设备中最主要的 冷源.它的技术性能水平直接反映出空分设备的水准.我国60年代 初尚处于仿造那时苏联30、40年代3350m3/h制氧机，其中配套 的透平膨胀机还是感动式（反动度为零）的型式，绝热效率在7 0%左右.经过这四十年的发展，我国的高温透平膨胀机已经从原只 能仿造逐步发展成完全可以自行开发在空气液化分离设备；石油 气天然气的液化及分离；氮、氦气体的液化；氦制冷设备；航空 航天环境拟设备上的广泛应用，为我国在冶金、化工、石化、核 物理和航空航天事业上挥了重年夜的作用.二、我国高温透平膨胀机发展的主要里程1、60年代初，在那时的机械部的年夜力支持下，那时杭州制 氧机研究所第一副所长陈年夜慈积极指导下，我们几位刚结业的 年夜学生接受了开发高温透平膨胀机的任务.在那时缺乏资料情况 下，通过分歧途径从各个方面收集相关资料，开始了国内首台自 行设计高温透平膨胀机的研制，并进行了年夜量的试验研究.完成 了喷咀相关闭对效率的影响试验；喷咀叶片高度对叶轮进口叶高 过盖度对效率的影响试验；反动度对效率的影响试验；制动风机 对透平膨胀机的调节性能试验；常温与高温比较效率试验等，并 写出了至今为止研究高温透平膨胀机的设计研究还有一定指导意 义的单级向心式空气透平膨胀机的试验研究学术论文.2、1970年我国首台配自行设计中压流程300m3/h制氧机的中压 透平膨胀机研制胜利，为我国自行研发中压透平膨胀机迈出了和 . rH步.3、1979年研制成用于核物理研究的100L/h年夜型氦液化设备 中二台高速氦气轴承氦透平膨胀机（转速分别为10.2X104r/min 和12X104r/min），填补了重年夜空白，其中采纳了共同的方法 解决了理论和实践证明是行之有效的关键稳定性问题.写出了氦 透平膨胀机及其气体轴承稳定性试验研究论文，在1983年法国 巴黎召开的第16届国际制冷年夜会上宣读，在国际同行中获得一 致好评.这也是我国空分行业第一次在国际性会议上宣读学术论文.4、1980年江西制氧机厂与西安交通年夜学合作研制成配150m3 /h小空分的气体轴承中压透平膨胀机，至今全国配150m3/h制氧 机几乎全部都配上这种透平膨胀机取代活塞膨胀机.因为它比活塞 式效率年夜为提高，节电显著，而且维修方便，占空中积小，噪 音低.5、1985年，杭州制氧机研究所完成机械手下达的研制配进口 的20L/h氦液化设备的2台超高速高稳定性的气体轴承氦透平膨 胀机（转速分别为25X 104r/min和36X 104r/min），为我国以后 研制超高速气体轴承透平膨胀机打下了良好的基础.6、80年代初，杭州制氧机厂从德国Linder公司（后为AtlasC opco公司）引进了透平膨胀机的设计和制造技术，这使我国在以 后的透平膨胀机的整体水平（包括设计、制造工艺、质控等方 面）有了明显的提高.特别是1987年杭州制氧机厂率先在国内开 发胜利增压膨胀流程6000m3/h空分设备中的增压透平膨胀机，这 不单为节能型的增压流程在我国予以实现，更使我国空分设备和 透平膨胀机的技术又上了一个台阶.继后10000、3200、15000和 30000m3/h空分设备品级的增压透平膨胀机也前后研制胜利.7、杭州制氧机厂在90年代初开发成高膨胀比（29.6）、年夜流 量的中压氮气增压透平膨胀机，其进口压力为3.7MPa（A）.由于其 运行稳定、效率高、易耗件少、维修方便，取代了原三台活塞膨 胀机，收到了良好的经济效益，同时也实现了透平膨胀机高膨胀 比的突破，为年夜型液体设备的流程实现了跨出了重要的一步.8、气体轴承透平膨胀机在中小型空分设备和液化设备中应用具 有一定的优势，继“150m3/h”空分设备气体轴承透平膨胀机取代 活塞式膨胀机后，90年代国内又在300、800m3/h空分设备中，甚 至在1000空分设备中也配用气体轴承透平膨胀机.杭州制氧机厂在90年代初还胜利开发出集中了80三元叶 轮、小型可调喷咀、增压制动风机和气体轴承四项新技术为一体 的小型增压透平膨胀机用于150L/h的液氧液氮设备中，获得国内 外同行的赞赏.9、四川空分设备厂在80年代初研制成配7X104m3/d品级小型 天然气分离装置的天然气透平膨胀机.80年代中期四川空分厂和 航空部609所都引进了美国Rotoflow透平膨胀机技术.四川空分 厂在80年代末90年代初又研制成配50X 104m3/d品级的天然气分 离装置的天然气透平膨胀机.但从90年代以后，这方面军发展不 快，我国内像150X 104m3/d250X 104m3/d品级的石油气、天然气 分离装置都从国外年夜公司引进设备的.三、体会1、要重视试验研究工作，培养自己解决实际问题的能力从自己从事高温透平膨胀机试验研究四十年经历中深深的感受 到试验研究工作的重要性，对每一个透平膨胀机研发人员来说， 不单要有扎实的理论基础和专业知识，而在设计过程中很重要的 一点，那就是不单会设计，而且要知道设计出来的图纸是怎么制 造出来（加工工艺）；还要知道设计好的整台机组是怎么装置起 来的（装配工艺）；还要了解透平膨胀机在空分设备中的位置， 什么时候启动透平膨胀机，怎么启动，怎么配合空分设备调节冷 量又能保证透平膨胀机的正常稳定运行等等，只有这样要求自己， 才华把自己培养成一个全面的研究开发人才.只有通过试验研究，提高感性认识，再在理论高度上给予总结， 再来指导以后的开发，不竭提高解决实际问题的能力.从国外引 进先进的产物（技术），对我们是个学习的好机会，通过深入了 解，学习他们的先进设计方法、合理的结构，引进到我们自己设 计中来，这傍边，我们也不能迷信国外产物.我们通过长期的试验 研究，总结了一定的经验，有时我们帮手处置国外产物事故中， 刚好国外产物中犯下了我们曾犯过的毛病.这样，用我们的经验解 决了国外产物的问题.自己在处置日本、英国和法国产物故障中就 遇到过这种问题.同样，我们在看到了国外透平膨胀机结构设计时, 应经常使用“为什么是这样设计的？ ”来问自己，了解他人的设 计意图.只有这样才华把国外先进的、合理的、行之有效的设计方 法引为我用，不竭提高难度们的设计水平.我们有信心，在不久的将来，逐步使我们设计透平膨胀机水平到达、甚至超越国外先进 水平.2、要重视科技情报的收集我国工厂企业的技术人员，他们经常被日常的生产任务所牵制， 不够重视以后国内外同行的各种信息，不收集这方面的科技情报 （如国内外同行近期产物的资料和发展、趋向；国内外相关的学 术交流信息等）.这些都是我们搞研究开发所不成缺少的信息源泉. 因为我们不成能什么都通过自己试验研究才华获得研究结果的， 更多的还是通过前人研究功效的基础上再来发展，只有这样才华 到达又快又好又省的发展新产物、新技术.我们以前搞一项重年夜 项目，在全国各地收集相关情报资料，有时找了几十篇文章，找 到了一条相关的信息，结果可使我们少化几万元钱少化几个月的 时间不去做国外已经做过的，而真正的更多更重要的还是要在网 上以外的各种渠道收集资料.3、提高透平膨胀机绝热效率的途径四十年前，我们仿造苏联3350型制氧机的感动式透平膨胀机的 绝热效率在70%左右，在70年代末，我们自行设计的3350型制 氧机的反动式透平膨胀机效率在7880%, 80年代初引进德国Lin der公司技术后，叶轮流道采纳了准三元设计，透平膨胀机效率 在82%左右，到90年代初，引进了美国NREC设计软件及五座标 加工设备后，透平膨胀机绝热效率可到达85%左右以上.然而，从 自己多年的透平膨胀机的实际运行观察中，对分歧的企业，甚至 同一企业的分歧的设计人员的设计方法缺乏稳定性，对同一品级 的透平膨胀机设计中，有的设计出来的效率可很高，有时却较低. 现在我们设计人员只知道满足总体流程的总要求即可了，而忽略 了膨胀机自己有否到达要求，特别是效率的要求，更很少有人考 虑此膨胀机还有潜力可挖的问题.例如，我在多年的调研中发现许多透平膨胀机运中的喷咀后压 力数据往往没有到达设计要求，有的甚至相差很多.我还观察到喷 咀后压力越接近设计值的透平膨胀机绝热效率越高，相差多的效 率也就越低.这是我们透平膨胀机设计人员在提高绝热效率中一个 重要课题.4、关于石油气、天然气透平膨胀机石油气、天然气在我国有丰富的资料，而且还比力落后.因此 石油气、天然气的分离和液化设备的开发在我国的巨年夜的市场. 而且至今国内绝年夜部份的分离和液化天然气装置还是被国外的 年夜公司所垄断.这些设备最关键部机还是透平膨胀机.这种天然 气、石油气透平膨胀机相对空分设备中透平膨胀机有几个重要的 关键问题需解决：多组分热力计算方法；单级年夜焓降引出的高 转速叶轮的结构及轴承稳定性；带液引出的复什叶型及侵蚀问 题；高进口压力引出的巨年夜轴向力；可燃易爆气体引出的高要 求密封及各种防爆办法.另外还有天然气、石油气会溶解在透平膨 胀机的润滑油中，时间长后会引起润滑性能的下降.国内主要是四川空分设备厂和航天部609所在70年代已经进行 这方面透平膨胀机的研制工作，80年代已有配10X10450X 104m3 /d天然气分离设备中透平膨胀机的产物.80年代末，这两单元前 后从Rotoflow公司引进了部份技术，这对提高我国天然气、石油 气透平膨胀机的技术水平起到一定的作用，但从整体来看，与国 外一些先进水平还存在较年夜的差距.应该说，石油气、天然气透平膨胀机是难度最年夜的一种透平 膨胀机，它集中了透平膨胀机各个方面的难点.在60、70年代来 进行这种透平膨胀机的研制困难是非常年夜的.然而，通过三四十 年的探索和国外部份技术的引进，相关科学的发展，特别是国外 先进的设计软件（NREC）和加工硬件（五座标数控加工机床）的 引进，无疑这些为天然气透平膨胀机关键技术的解决提供了有利 的条件.至今，有理由说，如果在石油气、天然气透平膨胀机上有 所突破，实际上将为空分设备上用的透平膨胀机的先进性和稳定 性提供了可*的保证.所以，我认为攻克天然气、石油气透平膨胀 机的关键作为提高透平膨胀机总水平的目标来抓.5、关于气体轴承透平膨胀机在空分设备中的应用问题这一问题曾在一段时期引起一些争论.根据自己从事透平膨胀机 中气体轴承及其稳定性研究近三十年的经验，谈一些看法.（1）由于气体相对润滑油来说粘度极小在极高温场所下，特别能发挥其特长，如液氦、液氮、液氢设 备中的应用，不单解决了高温轴承不发热，不污染介质，而且还 解决了密封问题（轴承气、透平介质和制动风机介质均为同一种 气体），因此，在这些特殊领域内在国外已普遍应用，国内目前 也类同.（2）在空分设备中透平膨胀机应用气体轴承问题我认为在二种场所可加以考虑的，一是在中小型空分设备为了 降低能耗指标，而采纳增压膨胀流程时，按普通油轴承在透平膨 胀机要耗功810KW,这样，透平发出功率增压制动风机已经没有 什么意义了，而采纳气体轴承后，气体轴承耗功只有0.2kW左右, 这样几乎可以把透平发出全部功率去制动风机增压上.因此，这种透平膨胀机因其流量不太年夜，透平绝热效率不是 很高，然而它的功转换率却是很高.这就是说明应用气体轴承透平 膨胀机在中小型空分设备中采纳增压膨胀流程成为现实的主要原 因.杭州制氧机厂的150升/时液氮液氧设备、1000、350m3/h空分 设备就是例子.二是在生产高纯度气体的分离或液化设备中采纳气 体轴承透平膨胀机有利于系统纯度的保证.（3）空分设备中透平膨胀机上用的气体轴承稳定性问题1）中小型空分设备中透平膨胀机上采纳气体轴承完全是可能的. 而且设计得合理，在三五年内不出故障是完全可能的.我们曾帮手 一厂家抢修过一台进口的气体轴承透平膨胀机，找出了原故障原 因，经过改进，并帮手重新造了一台，结果，这台气体轴承透平 膨胀机因生产需要，每半个月左右需停几天再启动，而且每次启 动时，总需在35秒种转速快速升到5X10-4r/min以上，这台透 平已稳定运行五年以上不出故障.2）在空分设备中应用气体轴承透平膨胀机应配有可*的平安办 法（轴承气的上下限压力等）和合理的流程相结合.我们曾为另一 厂家解决进口空分设备的气体轴承透平膨胀机故障时，发现原因 外技术人员来现场试车二次都因气体轴承故障未试胜利，我们到 现场后经过仔细了解、分析、发现该流程设计对气体轴承运行稳 定性晦气，后经我们改进流程后，试车一次胜利，而且至今已稳 定运行三年以上了.3）空分设备一般要求连续运行周期长，相对来说对透平膨胀机 的稳定性要求较高.根据经验，用于空分设备上透平膨胀机的气体 轴承尽可能采纳高稳定性结构（如带稳定腔或具有稳定装置等） 的气体轴承是完全能满足长期稳定运行的.4）在空分设备中，自己具有带有压力气源的条件：动压气体轴 承（不用外界压力气源的气体轴承）比静压气体轴承（需由外界 压力气源）的承载能力低很多，且对加工精度要求高，在空分设 备的环境条件很难，满足动压气体轴承的苛刻要求.所以一般情况 下在空分设备的透平膨胀机只采纳静压气体轴承形式.创作时间：二零二一年六月三十日