透平膨胀机培训资料全部整合版

天然气透平膨胀机

培

训

教

程

四川空分设备（集团）有限责任公司

2010年04月

第一部分基础理论简介

一、概述

目前低温技术应用非常广泛，从航天到超导，从气体分离到能量回收等，而低温能量的获得主要靠气体的膨胀，特别是气体的等熵绝热膨胀，透平膨胀机则是实现这一膨胀的有效设备，现已广泛用到气体液化分离、能量综合利用等方面。

二、膨胀机的形式

1、活塞式膨胀机：通称容积型，其特点是适宜于小流量、高压力、大膨

胀比工况；缺点是复杂、体积大、易损件多、操作维护复杂。

2、透平膨胀机：通称速度型，其特点是转速高、体积小、重量轻、结构

简单、易损件少、因而制造维修工作量小，适宜于大流量、中高压力

而初温较低。

按工作原理分：

1）冲动式：膨胀过程几乎完全在静止的喷嘴中进行；

2）反作用式：膨胀过程不仅在静止的喷嘴中进行，还在叶轮中进一步膨胀。

按气流流流动方向分：

1）径流式：气体在垂直于旋转轴的平面内沿半径方向流动；

2）轴流式：气体沿着平行于工作轮旋转轴方向流动；

3）径轴流式：气体由径向流入工作轮而由轴向流出。

4）透平膨胀机基本结构及工作原理

1）基本结构

膨胀机由通流部分、制动器及机身三部分组成

膨胀机通流部分：蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器

制动器：1）压缩机——入口管、叶轮、扩压器、蜗壳

2）风机——入口管、叶轮、扩压器、蜗壳

3）电机或油制动器

机身：支撑和隔热作用

3、工作原理

1）气体在喷嘴中流动

设置喷嘴的目的是使气流的动力能转变为气流的速度能并且使气

流降温，在喷嘴前后存在着压差，这些压差推动着气流流动。当气

流通过喷嘴时由于减压膨胀而使焓值降低，即使压力、温度下降，

这些焓降转变成气流的动能，使在喷嘴出口处气流获得巨大的速

度，因此喷嘴主要解决的问题是保持合理的形状以减小各种损失。

喷嘴在结构上可分为三段：即进口段、主体段、出口段

主体段又可分为2类：渐缩喷嘴（当喷嘴出口马赫数小于等于1）

缩放喷嘴（当喷嘴出口马赫数大于1）2）气体在工作轮中的流动（反动式透平膨胀机）

工作轮的作用：

（1）把喷嘴出来的高速气体的动能，通过工作轮转化为机械能并由主轴外输出做功，以降低内能使温度进一步降低。

（2）使气体在工作轮进一步膨胀做功，进一步降低气体的焓值和温度；

（3）改变气体的流动方向，使它由径向转化为轴向流动

反动度：气体在工作轮中膨胀的程度

反动度（ρ）=工作轮内的等熵焓降（h2s）/总的等熵焓降（h0）工作轮结构：目前常用的是带径向叶片的半开式和闭式叶轮

工作轮可分为主体段：使气流由外圆向中心的径向流动

导流段：使气流由径向转为轴向流动（减少流动损失，

提高效率）

4、气体在扩压器中的流动

为了使工作轮流道避免减速运动，以减少流动损失（工作轮出口速度

可达到50—80米/秒，甚至更大），为了充分利用能量及减少管道流

动摩擦损失，在工作轮出口外设置扩压器（与喷嘴作用相反）。

三、透平膨胀机的组成

主机、密封气系统、供油系统、仪控系统

1、主机：主机由蜗壳、转子、喷嘴、传动机构、轴承、密封、机身

1）蜗壳；它是为了使气流顺利改变方向并均匀分配给喷嘴，原则上保证气流在出口内圆上成轴对称流动。材料为铝合金、铜合金或不锈

钢。

2）喷嘴：透平能量转换的主要部件，近年来均采用叶片可以转动的可调喷嘴，以调节流道的通流面积，从而调节气量。材料为3Cr13

或2 Cr13等。

3）转子：由主轴、膨胀机工作轮、增压机工作轮及轴封组成。

通常采用的双旋臂转子，即两个工作轮外伸在两个轴承之外，转子

是透平的核心部件，除要求有良好的空气动力性能外，由于它是高

速转动零件，还要求有较高的动平衡精度及要求自振频率（临界转

速）远离其工作转速。

4）轴封：避免膨胀段的冷气体向常温段的轴封泄漏，不仅造成冷损失而且会使轴承的润滑油冻结而造成损坏，因而采用轴封加以阻止。

轴封形式为迷宫密封，一种非接触式动态密封。

5）压机轮：回收膨胀机发出的功，仅是一种制动器。

6）主轴：传递功率的零件，一段在常温，另一段在低温下工作，要求有足够的刚性、强度。材料为不锈钢或合金钢。

7）传动机构：调节转动叶片的角度，以改变喷嘴流道的面积而设定，通常有手动及遥控两种。

8）轴承：支撑主轴并保证主轴顺利稳定运转，为了保证主轴的轴向定位并承受一定的轴向力，除径向轴承外，还有推力轴承，常用的有

油及气体轴承。

油轴承：承载能力大，可靠性好，轴承线速度可达70米/秒。油轴

承具有承载能力必须具备三个条件：存在油楔、具有相对

运动、油有一定的粘性。

气体轴承：小型高速转子

9）机身：水平剖分式及整体式

2、密封气系统

由于透平膨胀机侧通常工作在低温状况之下，而其轴承机身有处在常温环境之中，为了减少高压低温气体通过迷宫密封的泄漏而降低冷量损失，防止轴承润滑油冻结造成整个机组失效，在机组中采用常温的密封气体通入密封中段，以阻止低温气体向轴承段泄漏，保证机组的安全。

3、润滑油系统

油田气透平膨胀机一般工作在压力高、转速高的环境下，因此对轴承的润滑供油系统有比较高的要求，主要是供油压力、油量、清洁度及油气分离等。

供油系统主要有以下几部分组成：

1）油箱：采用密封的压力油箱，有利于进入油箱气体的回收利用，

防止可燃气体的外漏。

2）油泵：连续提供应具有一定压力、油量的润滑油

3）油冷却器：冷却通过轴承后温度上升的油，保证油的粘度。

4）油过滤器：过滤油中的固体微粒，保证润滑油的清洁度。

5）蓄能器：贮油蓄能作用，保证因停电等突然故障能向机组有一分钟左右供油量，从而保证机组的安全。

6）油气分离器：分离进入油箱的润滑油中的气体。

7）液流阀或安全阀：调节供油压力或保证油泵出口压力不过高。

4、仪电控系统

适时监控机组运转情况及采集机组运行数据，保证机组安全运行。四、透平膨胀机的调节

透平膨胀机提供了低温装置所需的主要冷量，为了维持装置的冷量平衡及适应装置工况的改变，要求对膨胀工况能进行调节，特别是天然气透平膨胀机，更要求机组能适应气源及装置的工况变化。

膨胀机的制冷量Q决定下列因素：

Q=GH sηs

G：通过膨胀机的气量

H s：通过膨胀机工质的等熵焓降

ηs：膨胀机的等熵效率

1、透平膨胀机的特性曲线

为了充分利用压力能来最大限度地提供冷量，提高整个装置的经济

性，要求透平膨胀机有较高的效率，并使透平膨胀机在最佳工况下

运行，在透平膨胀机运行中影响效率最大的一个因素是特性比

U1/C0，U1是工作轮外圆处的线速度，C0是在理想状态下，通过

透平级工质的理论等熵焓降H s全部转化为工质动能时获得的理论速

度，在设计时根据设计点我们已取好该值，从而得到机组的转速，

因此必须保证一定的转速，相当于保证一定的特性比U1/C0，才能

保证机组的运行效率最高，由于天然气环境工况变化频繁，所以机

组转速有一定的波动，在一定范围内的波动，也能保证较高的效率，

从而满足整个装置的需要。

2、透平膨胀机的调节

由于各种原因会使装置工况发生变化，从而波及膨胀机工况变化，使膨胀机偏离设计工况，造成损失的增加，效率的降低，因此为了提高装置运行的稳定性、经济性，应设法调节膨胀机的运行工况。由于H s是由装置提供给膨胀机进出口状态参数决定的，在一般情况下不希望改变进出口状态参数进行调节，但对于油田气膨胀机来说，由于其特殊环境与要求，调节的主要目的是最大限度地提高制冷量。

介绍几种天然气透平膨胀机的调节方法：

1）改变机组进出口压力，以改变整个机组的膨胀比，在工况允许的条件下节流或提高压力的方法来改变机组进出口压力，

使机组制冷量增大或减小来满足装置对冷量的需求。

2）改变可调喷嘴的开度改变机组气体的通过量，从而得到装置所需的冷量。

3）采用增压压缩机旁路来改变机组转速，使机组在最佳工况下运转。即改变旁路的气量及制动功率来改变机组的转速，使

机组稳定高效运转。

第二部分操作与维护

一、仪控系统

仪控系统作为该套设备的重要组成部分，用来有效地监视和控制成套设备中的各主要部机的工艺参数，并对主要阀门进行自动控制或手动遥控，同时通过逻辑控制和联锁保护设施确保整套装置长期、安全、稳定运行。

油田膨胀机仪控系统以PLC集中控制为主，仪表板操作相结合的原则，主要工艺参数通过通讯进入DCS系统。按工艺要求完成全部工艺参数的显示、报警、调节操作等。

仪控系统所采用的各种仪表的具体型号规格及具体配置情况，请参阅带控制的工艺流程图和仪表明细表。

1. 系统的说明

1.1膨胀机

1.1.1 膨胀机进口紧急切断阀控制

膨胀机进口紧急切断阀由又称为ESD紧急切断阀，它是控制气缸的二位三通电磁阀、阀体、手轮等组成。当就地/离线钥匙切换开关位于就地位置，联锁条件消除后ESD紧急切断阀的二位三通电磁阀带电才能进行打开；当转速大于等于联锁设定值如：50000转/分、油差压小于等于0.6MPa、推力载荷大于1.9 MPa、膨胀机X、Y轴振动大于等于48um、膨胀端轴承温度大于等于75℃和增压端轴承温度大于等于80℃、油箱温度小于10℃、膨胀机回油温度大于等于80℃、现场PLC柜上或DCS的停车信号，可以使ESD紧急切断阀控制开、关的二位三通电磁阀失电，通过快速关闭膨胀机进口ESD紧急切断阀，使膨胀机停止运行。一般情况下膨胀机进口ESD紧急切断阀关闭后，膨胀机通常在5秒内停止运行。

1.1.2 膨胀端进、出口旁通调节阀控制

膨胀机进、出口旁通调节阀由DCS进行控制，膨胀端入口压力由膨胀机的喷嘴和膨胀端进、出口旁通调节阀共同控制的。通常情况下膨胀机机组运行时，膨胀端进、出口旁通调节阀基本为全关。注意：当膨胀机在紧急停车时，膨胀端进、出口旁通调节阀开度快速满足因膨胀机紧急停车时膨胀端入口压力稳定。避免膨胀机停运时膨胀端进、出口旁通调节阀开度不足或太大造成膨胀端进口压力过高或过低。

1.1.3 膨胀端进口压力调节喷嘴机构

检测膨胀端进口压力，膨胀机进口压力取样信号通过PLC控制柜分析

后输出信号进行手动或自动调节喷嘴执行机构。

1.1.4 油箱压力调节阀

检测油箱压力,油箱压力取样信号通过PLC控制柜分析后输出信号进行手动或自动调节油箱压力调节阀.

1.1.5 增压端旁通调节阀

增压端进、出口旁通调节阀由PLC柜输出控制信号进行自动或手动进行调节，膨胀机停车时旁通阀要求全开，不能进行手/自动调节。启动膨胀机组后，通过手动控制使增压端旁通调节阀的开度满足机组运行要求。在机组运行稳定平稳后，增压端进、出口旁通调节阀投入自动控制，由增压端进口流量取样信号通过PLC控制柜分析后，输出信号自动控制增压端旁通调节阀。在机组运行时出现增压端出现流量小于机组正常流量的70%，机组可能出现喘振现象、另外转速高报警、机组ESD紧急切断阀的电磁阀关闭都会全开增压端旁通调节阀。

1.2 供油系统

1.2.1 油箱油温大于等于40℃停电加热器，小于等于30℃启动电加热器，加

热器现场设有手/停/自动转换开关。现场有运行显示和启停按钮。电加热器供电：380V 功率：5KW。

1.2.2油差压控制

油差压取样信号进PLC柜，由PLC控制柜输出控制信号调节润滑油差压调节阀开度，控制润滑油进膨胀机的流量，膨胀机二台油泵一台

为主泵，另一台为备用泵（可以互为主泵和备用泵）。主泵的启、停可

以通过就地启、停按钮。在主泵正常工作，辅助油泵处于备用状态，当

油泵出现故障或误动作，使润滑油差压低于报警值（0.8Mpa）以下可

自动启动，油差压大于1.6Mpa时，辅助油泵停运。辅助油泵也可以手

动启、停。注意：润滑油差压是膨胀机确保稳定运行非常关键的一个点。

机组运行时要求重点关注。

1.3 密封气系统

密封气出油箱温度小于等于10℃时报警。

密封气加热器系统采用密封气通过油箱润滑油加热。膨胀机正常工作时由于机组润滑油产生的热量较多，油箱温度控制的电加热器一般不会启动。

密封气经过油箱内的盘管，通过油箱内润滑油对引自膨胀端入口低温干气加热至常温。并减少润滑油通过水冷器或风冷器的负荷。

1.4 注油泵系统

通过膨胀机注油泵系统可以在线对膨胀机机组油箱进行添加润滑油。避免由于膨胀机运行过程中由于润滑油的减少而被迫停运。现场设有手动启动和运行显示。

1.5 风冷器系统

管束材料：全铝合金的板翅式。当油箱温度大于50℃时，电控启动风冷器电机，在油箱温度小于45℃时停止风冷器。

2 仪空系统代号的编制及说明

2.1 参数代号

P T F Pd L S H X

压力温度流量阻力液位转速手动振动

2.2 功能代号

指示变送报警联锁控制测量补偿逻辑

I T A S C E Y UZ

3. 操作及说明（供参考）

3.1 操作在PLC柜的触摸屏上进行，当PLC触摸屏上电后进入主画面，还

可通过膨胀机流程上的按钮进入相关画面进入联锁报警信息、联锁动

作情况、报警情况、数据表、解除密码输入、解除联锁状态情况。

3.2触摸膨胀机流程上相应的进、出口及各压力调节阀门可以进入相关的

操作画面，画面上显示如下：阀门开度显示、调节、检测点测量值显示、可对设定值进行修改（安全范围内才能进行有效输入设定值）。对阀门进行手/自动切换操作，PID参数的调节，同时触摸屏上可观察到阀门的开（100）/（0）关情况等。膨胀机流程上有膨胀端喷嘴调节阀、油箱压力调节阀、增压机进口压力调节阀、轴承差压调节阀、ESD 紧急切断阀等。

膨胀机调节阀的各项安全值输入表（供参考）

输入设定

比例值输入积分值输入设定值输入

调节阀名称

喷嘴调节阀0-500 0-100 设计值

油箱压力调节阀0-200 0-100 设计值

润滑油差压调节阀0-200 0-100 设计值

膨胀端进口流量调节阀0-200 0-100 设计值

3.3联锁报警信息：显示各报警联锁状态情况，由序号、联锁报警发生时

间、恢复时间、联锁报警说明等通过按钮可观察序号内120条信息。

联锁动作情况：由各联锁点的联锁名称、当前值、联锁动作值组成。

当机组满足启动条件时，按下复位按钮复位联锁状态，无闪烁联锁条时可进行机组启动。

3.4数据表：机组参数显示。

增压透平膨胀机操作说明书

一.开机前上电

需要提供膨胀机PLC控制柜、油箱加热器、1＃油泵、2＃油泵、风冷器、注油泵电源；仪表风气源。PLC控制柜上电时应先开仪表风对控制柜进行柜内气体的置换后通电（正压通风防爆柜）。

二.开机准备

1.观察油箱液位，油箱液位满足就地液位计的3/5－3/4处即可，油箱电加热器控制在PLC面板上，带启动按钮、停止按钮和手/自动转换开关。正常启动时，切换油箱手/自动转换开关至自动位置，确认停止按钮没有处在锁停状态，此

时油箱加热器随油箱温度控制，油箱温度小于30℃油箱电加热器处于运行状态，信号灯为绿色。大于40℃油箱电加热器处于停止状态，信号灯为红色。另外油箱加热器带手动控制，切换油箱手/自动转换开关至手动位置，确认停止按钮没有处在锁停状态，按下启动按钮对油箱进行加温。

2.打开密封气进口阀门，调节密封气过滤器后压力1.9Mpa(G)~2.3Mpa(G)（设计定）。观察密封气温度，通过油箱加热器后的温度控制在10℃~40℃范围内。

警告：密封气过滤器的进出口差压正常时小于0.25Mpa(G)。大于

0.25Mpa(G)请考虑更换过滤器滤芯。

3.打开油箱放空阀，控制油箱压力在150-350Kpa。

4.全开1#和2＃油泵进、出口阀、旁通阀。

5.首先调整1＃辅助油泵的预设供油压力，切换1＃油泵手/停/自动转换开关至手动位置，确认停止按钮没有处在锁停状态，启动1＃油泵，关小1＃油泵手动旁通调节阀，控制润滑油进、出膨胀机润滑油差压在700Kpa左右。停止1＃油泵的运行。以上工作是为了使辅助油泵能正常起到作用的必要步骤。

6.在主油泵启动后，润滑油压力大于800Kpa且稳定，即可备用辅助油泵，切换1＃油泵手/停/自动转换开关至自动位置。机组运行中如果润滑油差压小于800Kpa时，备用油泵就会启动。当备用油泵启动后，润滑油差压大1600Kpa 备用油泵停运。注意：膨胀机机组停运后。才能对主油泵停运。另外请把辅助油泵的切换1＃油泵手/停/自动转换开关至停止位置。否则会造成润滑油差压低时辅助辅助油泵不必要的启动。

7.调整2＃主油泵的供油压力，切换2＃油泵手/停/自动转换开关至手动位置，确认停止按钮没有处在锁停状态，启动2＃油泵，关小2＃油泵手动旁通调节

阀，控制润滑油进出膨胀机差压在1100Kpa左右。油差压调节阀开度在30％左右。

警告：膨胀机运行时必须有一台油泵处于运行状态，否则会造成膨胀机停车。注意：1＃为主油泵2＃为辅助油泵时操作过程同5、6条。

8.观察膨胀机进口涡壳的压力。大于0.5Mpa(G)后可打开壳体排气阀，检查有无液体排出，如果有液体排尽后关闭阀门。

9.膨胀机增压机旁通阀、增压端入口阀应处于全开状态。

10.打开膨胀机，增压机端进出口管道手动截止阀。

11.在所有报警联锁解除后，按下PLC柜的膨胀机启动按钮。

12.将喷嘴开度调整为5%~10%。打开膨胀机进出口阀，打开膨胀机进口紧急切断阀，仔细观察主机启动情况和转速，逐渐开大喷嘴使转速达到25000转/分，保持10 ~30分钟观察各仪表判断运转是否正常（若有异常即关闭膨胀机进出口阀，待排除故障后在重新启动），然后缓慢升速到设计值，保持一小时，一切正常后在逐渐关闭增压机及膨胀机的旁通阀，并适当调整喷嘴开度，以维持适当的进口压力及转速，注意，第一次开车应严格按此程序进行，以后日常开车可直接缓慢地升速到规定转速。

13.正常运转、报警、联锁值：（供参考）

正常值报警值联锁值转速30000 rpm 35000rpm 36500rpm

前轴承温度<70oC 70oC 75oC

后轴承温度<75oC 75oC 80oC

供油压差 1.0Mpa~1.5Mpa 0.8Mpa 0.6Mpa

正常值报警值联锁值膨胀机X振动<38μm 38μm 48μm

膨胀机Y振动<38μm 38μm 48μm

前油膜大于后油膜差压<1.7 Mpa 1.7 Mpa 1.9Mpa

后油膜大于前油膜差压<1.7 Mpa 1.7 Mpa 1.9Mpa

回油温度<75oC 75oC 80oC

增压端入口流量20000M3/h < 8600M3/h

油箱温度>40oC (停) , <30oC (启)

油箱温度＞35oC <15oC <5oC 油箱液位中心线以下133mm

膨胀端密封气差压<0.05 Mpa

油过滤器差压>0.2 Mpa更换滤芯

密封气过滤器差压>0.2 Mpa更换滤芯

7．停车

（1）正常停车逐步关闭喷嘴至全关

打开增压机及膨胀机的旁通阀

关闭膨胀机进出口阀

关闭增压机进出口阀

停止辅助油泵备用

确认主机停止转动后停油泵

关闭密封气

关闭油箱出口阀

卸除膨胀机涡壳压力

检查膨胀机膨胀端和增压端涡壳的压力为零后离开（2）紧急停车：出现下列情况时因在主控室或现场进行紧急停车。

发现机组有异常声音或发出大量烟雾

出现及不正常运转记录，威胁机组安全

机组运转而无转速显示或显示不正常

喘振而无法排除

膨胀机进口带液，使机组运行声音沉闷而无法在2分钟内

排除

8．其他事项参照说明书及工艺流程。

以上有错误及遗漏处望大家批评指正！

四川空分集团低温机械公司

2010年4月10日

附：膨胀机主机剖面图