低温透平膨胀机成长的五十载.docx

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低温透平膨胀机成长的五十载

低温透平膨胀机成长的五十载

欧阳光明（2021.03.07）

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等级，从整套制氧机运行需由三五个人手工操作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操作，从流程上来说从一般简单节流流程已经发展到现在根据不同需要可采用不同流程：

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。

既能达到高的提取率又能节省能耗的新流程。

低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年代初尚处于仿造当时苏联30、40年代3350m3/h制氧机，其中配套的透平膨胀机还是冲动式（反动度为零）的型式，绝热效率在70%左右。

经过这四十年的发展，我国的低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大的作用。

二、我国低温透平膨胀机发展的主要里程

1、60年代初，在当时的机械部的大力支持下，当时杭州制氧机研究所第一副所长陈大慈积极指导下，我们几位刚毕业的大学生接受了开发低温透平膨胀机的任务。

在当时缺乏资料情况下，通过不同途径从各个方面收集相关资料，开始了国内首台自行设计低温透平膨胀机的研制，并进行了大量的试验研究。

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；常温与低温对比效率试验等，并写出了至今为止研究低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成功，为我国自行研发中压透平膨胀机迈出了和一步。

3、1979年研制成用于核物理研究的100L/h大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10.2×104r/min和12×104r/min），填补了重大空白，其中采用了独特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届国际制冷大会上宣读，在国际同行中得到一致好评。

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大学合作研制成配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代替活塞膨胀机。

因为它比活塞式效率大为提高，节电显著，而且维修方便，占地面积小，噪音低。

5、1985年，杭州制氧机研究所完成机械部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25×104r/min和36×104r/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AtlasCopco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成功增压膨胀流程6000m3/h空分设备中的增压透平膨胀机，这不仅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空分设备等级的增压透平膨胀机也前后研制成功。

7、杭州制氧机厂在90年代初开发成高膨胀比（29.6）、大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，为大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年代初还成功开发出集中了Φ80三元叶轮、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7×104m3/d等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50×104m3/d等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150×104m3/d~250×104m3/d等级的石油气、天然气分离装置都从国外大公司引进设备的。

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

从本人从事低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，不仅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，那就是不但会设计，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安装起来的（装配工艺）；还要了解透平膨胀机在空分设备中的地位，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，才能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，不断提高解决实际问题的能力。

从国外引进先进的产品（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，这当中，我们也不能迷信国外产品。

我们通过长期的试验研究，总结了一定的经验，有时我们帮助处理国外产品事故中，刚好国外产品中犯下了我们曾犯过的错误。

这样，用我们的经验解决了国外产品的问题。

本人在处理日本、英国和法国产品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，应常用“为什么是这样设计的？

”来问自己，了解别人的设计意图。

只有这样才能把国外先进的、合理的、行之有效的设计方法引为我用，不断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达到、甚至超过国外先进水平。

2、要重视科技情报的收集

我国工厂企业的技术人员，他们常常被日常的生产任务所牵制，不够重视当前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品的资料和发展、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可缺少的信息源泉。

因为我们不可能什么都通过自己试验研究才能获得研究结果的，更多的还是通过前人研究成果的基础上再来发展，只有这样才能达到又快又好又省的发展新产品、新技术。

我们以前搞一项重大项目，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型制氧机的冲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78~80%，80年代初引进德国Linder公司技术后，叶轮流道采用了准三元设计，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达到85%左右以上。

然而，从本人多年的透平膨胀机的实际运行观察中，对不同的企业，甚至同一企业的不同的设计人员的设计方法缺乏稳定性，对同一等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，而忽略了膨胀机本身有否达到要求，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达到设计要求，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，而且还比较落后。

因此石油气、天然气的分离和液化设备的开发在我国的巨大的市场。

而且至今国内绝大部分的分离和液化天然气装置还是被国外的大公司所垄断。

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于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；单级大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大轴向力；可燃易爆气体引出的高要求密封及各种防爆措施。

此外还有天然气、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10×104~50×104m3/d天然气分离设备中透平膨胀机的产品。

80年代末，这两单位前后从Rotoflow公司引进了部分技术，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大的差距。

应该说，石油气、天然气透平膨胀机是难度最大的一种透平膨胀机，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大的。

然而，通过三四十年的探索和国外部分技术的引进，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。

根据本人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

在极低温场合下，特别能发挥其特长，如液氦、液氮、液氢设备中的应用，不仅解决了低温轴承不发热，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

我认为在二种场合可加以考虑的，一是在中小型空分设备为了降低能耗指标，而采用增压膨胀流程时，按普通油轴承在透平膨胀机要耗功8~10KW，这样，透平发出功率增压制动风机已经没有什么意义了，而采用气体轴承后，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大，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用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用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用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。

我们曾经帮助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，并帮助重新造了一台，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3~5秒种转速快速升到5×10-4r/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*的安全措施（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成功，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不利，后经我们改进流程后，试车一次成功，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用高稳定性结构（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，本身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）的承载能力低得多，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用静压气体轴承形式。