《大型空分低温液体膨胀机研究》 技术分析报告.docx
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《大型空分低温液体膨胀机研究》
技术分析报告
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目录
1.概述
2.全液体膨胀机的节能效应分析及对空分流程效率的影响
2.1节流过程的有效能损失
2.2液体膨胀机代替节流阀的节能效应
3.国内外全液液体膨胀机的发展状况
4.日本EBARA和法国CRYOSTAR公司技术特点
5.本项目设计方案建议
5.1拟研制的膨胀机主要性能参数
5.2方案建议
5.3国外技术专利申请情况
6.主要参考文献
1.概述
我国经济的较快增长是用较大投入、较高消耗和较重污染换来的，能源、资源、环境已成为我国发展的重要制约因素。
我国的能源利用率较低,比发达国家要低10多个百分点（或者说生产同样的产品,我国的能耗要比发达国家高1/4
左右）。
除了工艺技术方面的差距外，能量回收方面的差距也是一个重要的原因。
在国内工业生产过程中，有不少可供利用的余压和废热，通过回收利用这些潜
能，可提高国家工业产品的能源利用率，减少不可再生能源的消耗，因此对实施国家可持续发展具有重要意义。
在空分、氮气液化、LNG，碳氢化合物加工等液化循环装置中，按工艺要求需要对获得的高压液体进行降压。
国内通常采用液体节流阀来完成，它是典型的不可逆过程。
节流的高压液体的能量不仅白白浪费，且耗散在低温系统中导致温度升高，造成系统的冷量损失。
而且通过节流阀降压，液体流动状态变化剧烈，极易发生汽化，使得整套（空分）设备气体提取率降低，总能耗增加；同时伴随汽化出现的汽泡毁灭（即汽蚀）现象，严重威胁着节流阀寿命。
利用液体膨胀机替代液体节流阀是实现余压能量回收、并解决上述问题的有效途径。
进入膨胀机的高压液态气体的动能在叶轮中转化为机械能，并通过转轴输出。
如果叶轮及其他通流部件设计、匹配合理，在实现余压回收的同时，膨胀机出口温度进一步降低，可降低汽化率或完全避免汽化，提高产品提取率。
因此用液体膨胀机替代节流阀可获得多方面的收益。
国际上对低温液体节流阀替代问题的研究具有多年历史，目前全液体膨胀机技术已被发达国家数家公司掌握，并进入工业应用阶段。
在我国，近年来全液体膨胀机替代低温液体节流阀所产生的经济和社会效益受到了关注，但至今国内在低温液体膨胀机领域仍是技术空白。
国内已运行的，以及几台拟安装的液体膨胀机均是高价购进的国外产品。
昂贵的价格严重制约了这一节能技术在
国内推广应用。
因此，必须自主开发这一节能技术，�尽快实现全液体膨胀机国产化。
2.全液体膨胀机的节能效应分析及对空分流程效率的影响
以两相膨胀机为例，分析节流过程的有效能损失，以及使用膨胀机的节能效应。
（两相的分析对全液体膨胀机仍然适用）。
2.1节流过程的有效能损失
图2.1典型空气液化林德循环的T-S图
如图所示为一典型空气液化林德循环的T-S图。
图中分别表示了两种不同的膨胀制冷过程。
虚线部分为使用节流阀的膨胀过程，而由实线表示的d¢e¢g¢则为
使用两相膨胀机的膨胀制冷过程。
下面对节流过程做有效能作以分析。
在节流过程中，无热交换，Q=0；不作外功，W=0。
设工质进口火用为
Ex1，出口火用为Ex2，则有效能的平衡式为
Ex1=Ex2+D
（2.1）
即
D=Ex1-Ex2
（2.2）
或
d=ex-ex
（2.3）
1 2
因
x
1
e =（h1-h0）-T0（s1-s0）
x
2
e =（h2-h0）-T0（s2-s0）
h1=h2
（2.4）
（2.5）
（2.6）
（如图2.1所示，d和e在同一等焓线上）
代入（2.3）式得
d=T0（s2-s1）=T0DSsir
（2.7）
从图2.1可以看出，由于节流过程的不可逆损失较大，熵增大于使用膨胀机的熵增。
在节流过程中，这部分工质火用减少的数值全部损失了。
对于温度更低的低温液空节流过程，节流的火用损失虽然要比气体节流过程的火用损失小，但由于这股高压液空的压力高而流量大，在节流过程的火用损失
仍然是不可忽略的。
孙全海以扬子石化新近从Linde引进的D套38500m3/h内
压缩流程空分设备为例,分析了高压液空节流阀节流过程的火用损失。
如图2.2所示，出主换热器冷端的高压液空的流量56660m3/h,压力为57.717bar,温度为98.3K;而下塔底下部的压力为5.181bar。
将这股来自主换热器的高压液
空节流至下塔压力，孙全海计算出此
图2.2 膨胀机制冷系统示意图
节流过程所产生的火用损失在417kW左右。
他还指出，在损失的这400多kW功率中，大约有2/3还是接近于低温液体温度下的“低温火用”。
而要得到1kW的这种“低温火用”，实际所消耗的功率在2kW左右。
损失的另1/3是所谓的
“机械火用”，而压缩机得到这种“机械火用”的效率也大约只有75﹪。
因此，高压液空节流火用损失功率417kW,实际相当于损失压缩机功率700kW以上。
因此使用节流阀主要带来两方面损失：
①直接的液空火用（能量中可转化为机械能的部分）；②液空的内耗使低温系统温度升高，造成冷量损失。
而获取这部分冷量所需要消耗的压缩机功率几倍于节流直接造成的液空火用损失。
空分流程中使用节流阀不仅会带来能量损失，而且由于节流过程具有较大的不可逆性，火用损失较大，而这部分能量损失全部转化为液空的内能。
对于全液空的节流降压过程，液体的流动状态变化剧烈，极易发生汽化，产生汽蚀现象。
与水轮机类似，汽蚀会对节流阀金属表面造成冲击和腐蚀作用，降低其使用寿命，长时间作用会严重影响设备运行安全，因此必须定期维修或更换节流阀。
此外，伴随着汽蚀产生和破灭而产生的局部温升会进一步提高节流过程的不可逆性，导致更大的火用损失和冷量损失。
2.2液体膨胀机代替节流阀的节能效应
图2.3膨胀机能量分析示意图
1
理想情况下，工质在膨胀机内部的膨胀应为一等熵过程。
然而实际上，由于摩擦，跑冷等原因，使膨胀成为不可逆过程，产生有效能损失。
如图2.4所示，取膨胀机为热力系统，工质进入膨胀机的状态为1（ex,h1）,离开膨胀机的
2
状态为2（ex,h2）,膨胀机输出功为we。
由于冷损进入系统的热量的有效能为
exq，由于不可逆引起的有效能损失为d。
由系统的有效能平衡可得：
d=（ex+exq）-（ex+we）=（ex-ex
）+（exq-we）
（2.9）
1 2 1 2
当为绝热膨胀时，exq=0
，则
d=（ex-ex）-we
（2.10）
1 2
因为
代入（2.10）式，得
we=h1-h2
x
1
e =（h1-h0）-T0（s1-s0）
x
2
e =（h2-h0）-T0（s2-s0）
（2.11）
（2.12）
（2.13）
d=T0（s2-s1）=T0Dssir
（2.14）
可以看出，火用损失计算式同2.1节得出得节流过程火用损失公式形式相同。
但从图2.1可以明显看出，节流过程的不可逆熵增值明显大于膨胀过程。
因此，工
质在膨胀机内的火用损失大大小于节流过程的火用损失。
对于温度更低的低温液空膨胀过程，膨胀机的出口带液量大幅增加，甚至可以达到100﹪，即为全液体膨胀机。
孙全海分析了扬子BOC的D套38500
m3/h内压缩流程空分设备中设置的一台全液体膨胀机。
与高压液空的节流相比，
高压液空经膨胀机膨胀后，温度更低，汽化率更小，因而高压液空的火用值也就更大，而这部分火用值很大一部分是所谓的“低温火用”。
将高压液空膨胀后的火用值与2.1节的高压液空节流后的火用值相比较，就能得到利用全液体膨胀机节省
“低温火用”的数值。
孙全海计算出，对于如图2.2所示的膨胀机制冷系统，全液体膨胀机节省的“低温火用 ”功率是201.8kW,发电机回收电能的功率是
80kW。
由于每得到1kW的这种“低温火用”，压缩机需要消耗的功率为2kW,这样实际相当于节省压缩机功率403.6kW。
加上全液体膨胀机发电机所回收的功率80kW,则使用全液体膨胀机所节省的总功率就是483.6kW。
设计工况下氧产
品总量是39000m3/h，如果制氧单耗按0.4kWh/m3计算，则节省的大约
480kW总功率大致相当制氧总耗的3﹪。
即使用全液体膨胀机的结果，使这套内压缩流程空分设备的制氧单耗下降了约3﹪。
可以看出，在低温空分流程中，利用液体膨胀机代替节流阀有很好的节能效应。
国际上，液体膨胀机已成为空分厂标准设备，不仅用于新厂建设，而且也用于老空分厂的增产节能改造。
3.国内外液体膨胀机的发展状况
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件之一。
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。
采用透平作为获得低温的膨胀机的想法早在1898年就由英国人Lord
Reyleigh提出，以后又有不少人提出了具体的设想，但始终未能取得成功。
直到1930年德国的林德工厂才成功地把一台单级轴流冲动式透平用于气体的液化
装置中。
1936年以后，意大利的GuideZerkowitz提出的向心径流式透平得到了成功的应用。
这种型式的透平膨胀机一直沿用到50年代的某些产品上。
改进后的这种透平膨胀机的等熵效率可达65﹪-70﹪。
1939年苏联提出反动式向心径流透平，其根本特点在于：
在工作轮的通流部分中也完成了一部分焓降，因而表现在结构上具有较大的进，出口轮径比。
由于采用了这种结构型式，使透平膨胀机的等熵效率首次达到了80﹪，成为现代透平膨胀机发展的基础。
到1942年美国J.S.Swear博士描述的改进后的向心径流反动式透平膨胀机就成了现代透平膨胀机的基本模式，它的等熵效率超过了80﹪，有的可达90﹪。
在全液体膨胀机方面，目前全液体膨胀机技术已被发达国家数家公司掌握，并进入工业应用阶段。
法国Cryostar公司是液体膨胀机先进技术代表之一。
它在1983年制造出第一台全液空膨胀机，等熵效率为33﹪~36﹪。
通过对叶轮的不断优化改进设计等，到1999年，Cryostar生产的液空膨胀机满负荷工况下的测试等熵效率超过了84﹪，产品进入了工业应用阶段。
Linde公司的成套空分设备中均采用Cryostar公司生产的全体膨胀机作为降压及能量回收设备。
此外，日本的Ebara公司在上世纪90年代研制开发了用于液化天然气（LNG）降压过程的能量回收透平，其形式为浸没式液体透平膨胀机，发电机转子与膨胀机转轮共轴连接，并浸入在低温液体当中，流经设备的低温液体部分进入叶轮对其做功，部分进入电机端，起到冷却电机和润滑轴承的作用。
其产品已经系列化，并申请了多项专利。
此外，美国的ROTOFLOW公司，ATLAS公司等均有自己的液体膨胀机产品。
在我国，近年来全液体膨胀机替代低温液体节流阀所产生的经济和社会效益受到了关注，但至今国内在低温液体膨胀机领域仍是技术空白。
国内1台已运行的（扬子石化38500空分）、以及几台拟安装的液体膨胀机（首钢35000空分；兖矿60000空分等）均是高价购进的国外产品。
昂贵的价格严重制约了这一节能技术在国内推广应用。
因此，必须自主开发这一节能技术，并尽快实现全液体膨胀机国产化。
4.日本EBARA和法国CRYOSTAR公司技术特点
我们通过前期调研，获得了两大液体膨胀机研发及制造厂商——日本
EBARA公司和法国CRYOSTAR公司膨胀机资料，初步掌握了各自的?
。
本节对两大公司产品主要技术特点进行了比较，以供确定本项目设计方案时参考。
4.1Ebara公司LNG用浸没式液体膨胀机（参考专利US2006/0186671A1）
日本的Ebara公司是世界上首家生产出液化天然气（LNG）能量回收用浸没式全液体膨胀机的公司。
凭借其几十年来积
累的低温液体泵设计制造经验，Ebara公司设计生产的液体膨胀机（如左图），具有效率高，寿命长，工况范围宽等诸多优点。
其独创的径向力平衡系统大大简化了传统径向力平衡系统的复杂机构，大幅提高了轴承的寿命。
Ebara的液体膨胀机采用径流式转轮，转轮与发电机共轴连接，因此转轮转速与电机转速相同。
如图4.2所示，叶轮与发电机整体浸没在低温液体当中，工作液体从机器外壳与发电机外壳形成的环形流道部分进入叶轮对其做功，
部分进入轴承和电机，起到润滑轴承和冷却电机的作用,无需额外的密封和润滑装置
图4.2
Ebara的液体 膨胀机采用
变转速的方式适 应流量的变
化，叶轮及喷嘴导叶几何形状保持不变，无需进行调节，大大提高了膨胀机稳定运行的工况范围。
其独特的轴向力平衡系统，如图4.3所示，采用流体自身压力进行轴向力平衡，同时部分流体工质进入轴承和电机，起到润滑轴承和冷却电机的作用。
其工作原理如下：
如图所示，在叶轮背部经过特殊加工形成两个凸起52和54，两个凸起连同止推板58以及发电机外壳支架66一起形成了一个流体压力空腔68。
当膨胀机开机运转时，从喷嘴导叶流出的工作液体大部分进入叶轮对其做功，少部分经叶轮背面的空隙进入流体空腔，此时叶轮正反两侧压力不平衡，产生垂直向上的轴向力，在滑动轴承的带动下使得叶轮连同转轴一起向上滑动，流体腔68中的工作流体受到挤压，压力随之升高，抵消了多余的轴向力，叶轮连同转轴又向下滑动，当机器稳定运转时，叶轮及转轴的轴向滑动即达到动态平衡。
此轴向力平衡机构结构简单，无需配置额外的止推轴承，提高了运行寿命。
图4.3
Ebara的液体膨胀机发电机转子同膨胀机转轮采用共轴连接，因此具有相同的转速，无需额外的齿轮变速结构，使得整机结构简单紧凑。
主轴采用两段轴的形式，膨胀机转轮段和电机转子段分别采用强度性能好和磁力性能好的材料，两段轴的连接可以采用联轴器连接（如图4.4），也可采用实心轴加套筒的方式
（如图4.5，其中膨胀机转轮安装于实心轴上，发电机转子安装在套筒轴上）。
图4.4
图4.5
Ebara的液体膨胀机主要用于液化天然气装置当中，其效率可达80%，发电机输出功率在880kw左右，因此正常运转一年可节电大约700万度，按每度电
0.07美元计算，一年节约的电费可超过50万美元。
此外，使用膨胀机带来的冷量损失的减少以及汽化率的降低，又能使整套LNG装置总体效率提高将近
5%。
由此可见，节能效应相当可观。
4.2Cryostar公司空分用全液体膨胀机（参考扬子BOC引进Linde的D套空分设备）
Cryostar公司是空分用液体膨胀机技术的领先者，它在1983年制造出第一台全液空膨胀机，此后的20多年一直致力于不断改进技术，提高膨胀机的效率和降低汽化率。
到1999年，Cryostar生产的液空膨胀机满负荷工况下的测试等熵效率超过了84﹪，产品的应用范围也从空分扩展到液化天然气等领域。
下表是cryostarmagazine提供的液体膨胀机型号表，可以看出cryostar的液体膨胀机产品已经系列化，对于不同功率和压比都有相应的产品。
据这份杂志介绍，型号在LTP60到LTG200的液体膨胀机一般适用于空分领域，并且若回收功率超过50-80kw就应使用发电机制动，否则使用油制动。
表4.1
我们对前面述及的扬子石化新近从Linde引进的D套38500m3/h内压缩流
程空分设备中的液体膨胀机进行了实地考察（如图4.6），了解到Linde的成套空分设备中提供的液体膨胀机均是cryostar的产品。
扬子的这台液体膨胀机设计参数流量56000Nm3/h左右，发电机回收功率80kw，进出口温度-176℃- -177℃，设计转速20000rpm左右。
但实际运行转速为16000rpm，低于设计转速，对应的发电机回收功率约40-50kw。
据扬子孙全海技术人员介绍，这台液体膨
胀机即使在这样的非设计工况下，出口汽化率也为零，也就是说，膨胀机进出口均为全液体。
图4.6
膨胀机气动参数方面，扬子的这台液体膨胀机为单级反动式透平，叶轮形式为径流式，喷嘴导叶可调，以适应变工况运行。
结构方面，叶轮与转轴采用卧式。
由于转速的差异，膨胀机转轮同发电机之间需通过齿轮箱连接，整机结构如图4.7所示
图4.7
膨胀机转轮通过沉头螺钉与主轴相连，有效保证传动，并解决了膨胀机转轴与主轴轴径差异过大的问题。
采用止推轴承平衡轴向力。
发电机为感应式交流发电机。
与Ebara公司的液体膨胀机采用的流体自润滑方法不同，cryostar的这台液体膨胀机采用专门的润滑油系统，膨胀机轴承段需加气封，以保证润滑油温在冷凝温度之上。
保温方面，膨胀机进出口管路及叶轮全部放置在低温箱内，其中充满隔热性能好的硃光砂，管路埋于其中，有效保证绝热。
前已述及，扬子BOC的孙全海对使用液体膨胀机对整套内压缩空分设备的节能效应进行了分析，结果表明，使用液体膨胀机节省的压缩机功和发电机回收的功一共为480kw左右，大致能使整套设备能耗下降3%。
比较项目
Ebara
Cryostar
设计参数
结构型式
立式
卧式
工作介质
液化天然气
液空
进口
压力
N/A
54bar左右
温度
-160℃左右
-176℃左右
出口
压力
N/A
7bar左右
温度
-160℃左右
-177℃左右
流量
N/A
56000Nm3/h左右
效率
80%左右
75%左右
叶轮转速
同发电机转速
20000rpm左右
发电机功率
880kw左右
80kw左右
发电机转速
3000rpm左右
3000rpm左右
叶轮参数
级数
单级或多级
单级
叶轮形式
径流式
径流式
下面以表格的方式对两大液体膨胀机厂商产品的技术参数进行简单比较，比较仅限于我们了解到的特定产品，不能概括两个公司的所有产品型号。
喷嘴形式
轴向或径向，固定
径向，可调
叶片数
叶轮：
6；喷嘴：
11
叶轮：
N/A；喷嘴：
11
工况调节方式
变转速
可调喷嘴
出口诱导轮
有
无
结构特点
发电机与膨胀机连接
方式
共轴
通过齿轮箱连接
发电机型式
浸没感应式自冷却交
流电机
外置式风冷感应交流
电机
轴向力平衡方式
专门的平衡机构
止推轴承
保温方式
整体浸入低温液体
低温箱，充满珠光砂
密封
不需密封
轴承处使用气封
润滑
流体工质自润滑
专门的油润滑系统
材质
N/A
N/A
5.本项目设计方案建议
5.1拟研制的膨胀机主要性能参数
根据项目合同中的技术参数，可以估算出膨胀机回收功率，约为135kW。
压力
（bar）
温度（k）
密度 （kg/m3）（查
表）
焓（kj/kg）
进口
70
-176
809.68
-86.131
出口
5.8
-177.13
790.63
-91.437
流量
75000Nm3/h，即25.46kg/s
回收功率
.
p=mDh=135.09kw
电机年发电
135.09×24×360＝1166400度
5.2方案建议
根据拟研制的膨胀机主要参数，并参考Cryostar和Ebara公司产品特点，吸取二者的技术优势,我们建议下列设计方案。
类别
推荐
推荐理由
型式特点
级数
单级
参数稍高于Cryostar参数，单级应该是可行的，特别方便制造。
结构
卧式
制动方式
外置风冷发电机
外置发电机价格远比
浸没式低
传输
减速齿轮箱
需要将膨胀机转速
20000rpm降至电机转速3000rpm
主要结构
轴向力平衡
止推轴承+平衡腔
参考Ebara及Atlas相关技术，用平衡腔降低止推轴承负荷，
延长使用寿命
保温方式
低温箱，充满珠
光砂
保温效果好
密封
轴承处使用气封
润滑
专门的油润滑系
统
Shell公司产品
材质
待定，研究中。
无直接参考资料
工况调节方式
可调喷嘴
简单可行，选用气动
或液压制动。
出口诱导轮
有
根据我们已设计出的叶轮发现出口液体周向速度大，导致较大的出口损失。
为了使流体出口基本沿理想的轴向，参考Ebara技术，建议使用出口诱导轮。
主要参数
叶轮/主轴转
速
20000rpm左右
参考Cryostar
发电机转速
3000rpm左右
电机转速有上限制约
叶轮形式
径流式
（1）飞逸速度低；
（2）参考Cryostar
叶片几何形状
及厚度等
待定
优化设计中
叶轮叶片数
待定
优化设计中
喷嘴形式
可调（径向或混
合待定）
优化设计中
5.3国外技术专利申请情况
我们对LINDE，Cryostar， Ebara,及atalas公司有关低温全液体膨胀机技术方面的专利授权情况进行了深入细致地检索，发现仅Ebara公司针对立式、共轴、浸没电机制动式低温全液体膨胀机系列技术申请了美国、日本及欧洲专利，
LINDE及其它公司并没有针对型地专利。
还发现了atalas公司2件关于一般叶轮机械轴承及轴向力平衡方式的共性技术专利，但没有针对低温全液体膨胀机
的专利。
法国Cryostar公司1983年成功开发了第一台全液体膨胀机，在过去的20多年内，不曾申请专利，我们可以按常理推断，近期或今后几年内该公司不应为其全液体膨胀机技术再申请专利保护。
由上述分析可知，我们在5.2中所建议的设计方案能很好地避开国外技术专利。
因
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