膨胀机工作原理及常见故障处理
发表时间：2019-09-20T16:26:14.220Z 来源：《中国电业》2019年第9期作者：周小龙
[导读] 绝热等熵膨胀是获得低温的重要途径之一，也是对外做功的一个重要热力过程。
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摘要：绝热等熵膨胀是获得低温的重要途径之一，也是对外做功的一个重要热力过程。
而作为用来使气体膨胀输出外功以产生冷量的膨胀机，则是能够实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效机械。
现代空分设备对膨胀机的求：更高的整机效率；更好的稳定及调节性能；更安全及可靠的保护系统；更长的运行周期及使用寿命等。
关键词：膨胀机；工作原理；常见故障处理
1、作用和分类
按结构分有两种，活塞式膨胀机和透平式膨胀机。
按工质在膨胀过程所处的状态，可分为气相透平膨胀机和两相透平膨胀机。
按透平膨胀机的制动方式,可分为风机制动膨胀机、增压机制动膨胀机、电机制动透平膨胀机‘’油制动透平膨胀机。
根据透平膨胀机的轴承不同形式，可分为油轴承透平膨胀机、气体轴承透平膨胀机和磁轴承透平膨胀机。
根据工质在工作轮中流动的方向，透平膨胀机可分为径流式、径－轴流式、轴流式。
现代空分设备普遍采用的是向心径－轴流反动式透平膨胀机，它具有焓降大、允许转速高、结构简单和热效率高的特点。
2、工作原理
透平膨胀机是一种高速旋转的机械，它是利用工质流动时速度的变化来进行能量转换的，因此称为速度型膨胀机。
它由膨胀机通流部分（由蜗壳、喷嘴、工作轮、扩压器组成）、制动器及机体三部分组成。
工质在透平膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。
膨胀工质由进气管进入蜗壳，被均匀地分配进入喷嘴；经过喷嘴膨胀，降低了压力和温度后进入工作轮，在工作轮中工质进一步膨胀做功；然后经由扩压器排入膨胀机的出口管道，而膨胀功则由工作轮相连的主轴向外输出。
由膨胀机主轴输出的能量可被用来驱动一台压缩机或一台发电机。
以使透平膨胀机有一个稳定的运行条件。
3、透平膨胀机本体
现在的空分设备，基本上都是采用卧置、单级、向心、径－轴流反动式膨胀机。
透平膨胀机主要由膨胀机蜗壳、喷嘴环、转子、出口扩压器、轴承箱、密封系统和制动系统等组成，典型的结构图见图1.
⑴转子
是透平膨胀机中转动部分的部件总成，主要由主轴、叶轮等组成。
主轴的一端装有膨胀机工作轮，另一端装有增压机叶轮或风机叶轮等。
当外界干扰频率与转子的自振频率相同时，产生共振。
共振时的转速称为临界转速。
当正常工作时工作轮的转速低于一阶临界转速轴称为刚性轴，当工作轮转速高于一阶临界转速而低于二阶临界转速轴称为柔性轴。
典型的结构如下图 2。
⑵轴承
在透平膨胀机中，一般采用滑动轴承。
轴承与转轴之间的径向间隙要适当，过大使轴承旋转产生震动，润滑油膜分布不均匀，间隙过小，会导致轴温超过允许值。
⑶密封
密封一般分为内密封和轴密封。
内密封为设在透平膨胀机内部的防止或减少介质在流动过程中产生内泄漏的密封。
在工作轮背面，低温气体会沿轴间向外泄漏，减少了透平膨胀机的制冷量；另外，由于冷量的泄漏还会导致轴承润滑油的固化，造成事故，因此需要设置可靠的轴密封。
⑷喷嘴环
喷嘴环各流道是膨胀机进行能量转换的主要部件。
对于反动式透平膨胀机，约有 50％的比焓降在喷嘴内完成。
4.1润滑系统
透平膨胀机的轴承采用强制供油（如上图）。
润滑系统包括油箱、齿轮油泵、油过滤器、油压容器等。
油过滤器采用微孔纸质滤芯。
油压容器的作用是贮存一定压力的润滑油，一旦发生油泵停转时可以供油 3～5 分钟，以此保护膨胀机。
润滑油牌号一般为 TSA-32 号汽轮机油。
润滑油循环使用，在轴承处除起润滑作用外，还可以冷却轴承，将高速旋转所产生的热量带走，因此润滑油需要冷却，确保轴温低
于 65℃。
4.2密封系统
膨胀机密封气系统采用精密减压阀，根据间隙压力对密封气进气压力进行自动跟踪。
4.3自动（联锁）保护系统
为保证膨胀机安全运转，透平膨胀机组设有相应的保护系统。
当机组运行时，如果被监测参数发生变化达到联锁值，在 DCS 的控制下，相应的保护系统就会动作。
5、常见故障处理
5.1透平膨胀机内出现液体
气体在膨胀机内出现液体时，温度显著降低。
在膨胀机内，温度最低的部位是工作轮的出口处。
如果在膨胀机内气体的温度低于当地压力所对应的气体液化温度，则将会有部分气体液化，在膨胀机内出现液体。
由于透平膨胀机工作轮的转速很高，液滴对叶片表面的撞击将加速叶片的磨损。
更有甚者，液滴在离心力作用下，又被甩到叶轮外缘与导流器的间隙处。
液体温度升高，产生急剧汽化，体积骤然膨胀。
由于膨胀机内部汽化的气体会对导流器出口的叶轮产生强烈的冲击，严重时会造成叶片断裂，因此在膨胀机内是不允许出现液体的。
当膨胀机内出现液体时，从机后压力表可以看到指针在不断的抖动，间隙压力大幅度升高，并产生波动。
为了防止膨胀机内出现液体，只要控制机后温度高于机后压力所对应的液化温度。
液化温度与压力有关，机后压力愈高，对应的液化温度也愈高。
实际控制的机后最低温度比液化温度高 3℃以上。
5.2膨胀机机后温度过低
发现机后温度过低时，首先应找出造成机前温度过低的原因，并采取相应的措施。
其中采用机前节流的方法是行之有效的方法。
所谓机前节流是通过关小机前调节阀，以降低进膨胀机前的压力。
经节流后，机前温度并没有升高，甚至略有降低。
但是，经节流后，机前与机后的压力差减少，使膨胀机对外做功的能力降低，温降效果减小。
对于低压透平膨胀机，机前压力每降低 0.1Mpa，机后温度可提高 5℃左右。
5.3透平膨胀机发生堵塞
对于切换式换热器流程的空分设备，在启动阶段，通过水分及二氧化碳冻结区时，由于膨胀机内温度逐渐降低，水分及二氧化碳可能以固态的形式在膨胀机内析出。
严重时可能会造成膨胀机堵塞。
由于气体在膨胀机内的膨胀过程分为在导流器内膨胀和在叶轮内膨胀两步进行。
因此，堵塞可能发生在导流器内或叶轮内。
堵塞使膨胀气量减少，温降减小，制冷量也减少。
导流器的喷嘴叶片通道即可能被雪花，也可能被干冰堵塞，使通道阻力增加，导流器后压力降低。
叶轮被水分冻结的可能性较大，因为松散的干冰在高速的叶轮中难以积聚。
当工作轮被堵塞时，工作轮内的阻力增大，将使导流器后的压力升高。
堵塞的部位除喷嘴和叶轮外，由于离心力的作用，还可能在喷嘴和叶轮之间的间隙处发生。
当膨胀机发生轻微堵塞时，可先用加大环流量，提高机前温度的办法解决。
对二氧化碳的结，可先用反吹法将通道吹通。
当以上方法无效时，只能停车加温。
5.4造成膨胀机前压力过低的原因是什么，如何消除？
膨胀机前的通路（包括机后冷却器、主换热器、过滤器、管道、阀门等）中任一部分
发生堵塞或阻力过大，均会引起机前压力降低。
造成机前压力过低的原因有：
⑴过滤器堵塞，极大可能是加温不彻底或滤网堵塞，此外还可能被固体二氧化碳堵塞。
过滤器被雪花或固体二氧化碳堵塞，通常采用加温吹除的方法即可消除。
⑵主换热器通道堵塞，如果是主换热器通道堵塞，极有可能是加温不彻底或机后冷却器泄漏造成的。
如果出现机前压力降低，即使是倒换膨胀机也无法消除。
对应的增压机后的
压力和膨胀机前的压力差很大。
此时应及时停车加温增压空气在主换热器的通道，时间越长危害越大。
根本办法是对机后冷却器彻底检查或更换新的。
结束语：
对于空分设备来说，低温精馏装置冷量损失的及时补充、产品产量的有效调节等都使得为其提供充足冷量的膨胀机显得尤为重要。
透平膨胀机是利用工质在流道中流动时速度的变化来进行能量转换，也称为速度型膨机。
工质在透平膨胀机的流通部分中膨胀获得动能，并由工作轮轴端输出外功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。
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