下载文档原格式
天然气差压发电项目用膨胀机介绍与关键技术问题研究摘要：天然气差压发电技术，是一种低碳能源创新技术, 天然气差压发电作为高效、洁净的优质能源将得到越来越广泛的应用，在我国电力行业具有广阔的市场前景,天然气差压发电用向心膨胀机是透平机械中一个重要分支，是一种把流体能量转换为机械能的原动机，膨胀机在天然气差压发电项目中应用的主要目的是尽可能多的回收天然气能量用来发电。
关键词：差压发电膨胀机装置天然气技术问题1、引言当今工业领域全面聚焦“双碳”目标，积极探索能源供给侧减碳新路径，积极构建天然气创新创效模式，加速差压发电项目落地，全力拓展新能源业务，实现天然气产业链价值最大化提升，成为目前诸多公司参与的重点项目，天然气差压发电项目利用压力差能量，通过膨胀机将其转化为机械能驱动发电机发电，本文就差压发电用膨胀机进行介绍与关键技术问题展开研究。
2、天然气差压发电用膨胀机介绍在天然气、油田气这些自然气源方面，往往具有很高的能头，因此比较多使用向心式透平膨胀机，这里膨胀机的功率常常可直接用来发电，膨胀机从天然气中回收动力带动发电机发电，并使气体降低至下游管网压力。
典型的天然气膨胀机是齿轮组装式向心膨胀机，主要由以下部件构成。
1、定子：定子主要包括机壳、型环、入口导叶及导叶调节机构等，机壳是透平机最重要的承压部件，经过精密加工，以防泄漏。
型环可设计成可磨涂层结构，从而减小叶轮与定子间的间隙，提高膨胀机效率。
导叶调节机构是用来控制导叶开度，从而控制进气流量。
2、转子：转子由叶轮、锁紧螺母、主轴组成，膨胀机通常使用半开式叶轮，叶轮与主轴采用端齿形式连接。
3、轴承：采用压力油润滑的滑动轴承，支撑轴承为四油叶轴承，推力轴承为金斯贝雷式轴承。
4、轴端密封：因介质为天然气，膨胀机要求无泄漏，因此轴端密封使用干气密封。
5、底座：膨胀机配置整体撬装钢结构底座，带地脚螺栓、调平垫块。
底座配置有吊耳6、油系统：整个油系统撬装在膨胀机与发电机的公共底座上，包含油箱、管道、管件、阀门等，主要向膨胀机润滑系统、发电机润滑系统供油。
2023年工业透平机械行业市场发展现状工业透平机械行业是一个关键的技术和设备领域，在国民经济和社会发展中具有重要的地位和作用。
该行业的产品广泛应用于电力、航空、船舶、汽车、石化、冶金、医药等众多领域。
目前，我国的透平机械行业发展火热，市场前景广阔，但中高档产品依然面临市场垄断和压价烦恼。
一、市场需求近年来，我国新能源、生态环保、高端装备、现代制造业等行业的快速发展，对透平机械行业发展提出了更高的要求和更严峻的挑战。
同时，我国透平机械行业需求来源国外，市场需求也受到国际经济形势的影响。
根据统计，近年来，透平机械行业需求增长的主要领域为：发电行业、石化行业、船舶行业、冶金行业以及新能源领域。
二、行业主要发展方向当前，透平机械行业的主要发展方向为：一是产品向多元化、高档化、高效化、自动化、信息化、智能化方向发展；二是创新型企业不断涌现，研发能力得到提升；三是产业集群和优势产业链不断形成，具有重要的区域性和产业性。
三、行业难点问题透平机械行业在发展过程中还存在着一些难点问题：一是中高档产品的国内市场垄断现象较为突出；二是一些中小型企业生产线存在问题，还需要进行技术改造和更新换代；三是金属材料高昂，加工难度较大，导致生产成本相对较高。
四、应对措施要解决透平机械行业面临的问题，需要采取以下措施：一是通过资金投入和税收优惠政策鼓励企业开展技术创新和新产品开发；二是推进机械行业转型升级，促进行业发展得到更大提升；三是鼓励企业通过技术创新、科研开发等手段降低生产成本，实现效益最大化。
总之，透平机械行业在我国的市场发展前景广阔，未来还需要各界的共同努力，促进行业创新发展和优势突出，提高核心竞争力，以适应经济全球化的市场竞争压力，实现行业良性、稳健发展。
摘要应用有机朗肯循环（ORC）将低品位热能转换为高品位电能，适用于工业废热、地热能、海洋温差能等领域。
ORC系统具有结构简单、环境友好、无有害气体排放等特点，其关键的换能设备是有机工质膨胀机。
本文在实验室搭建的ORC低温余热发电实验平台上，对自主设计的向心透平膨胀机进行性能研究。
分别研究了向心透平的工作性能和转子系统的振动特性；对向心透平流动特性、转子系统临界转速以及不平衡响应特性进行了实验和数值研究，并优化了透平的结构。
以R123为工质，实验研究了向心透平及其系统的性能变化规律。
对向心透平转轴的径向振动进行了测量，研究了转子系统的振动特性。
结果表明：随着工质流量的增加，透平转速增大，存在最佳转速，使得向心透平等熵效率最大；随着热源温度的升高，最佳转速不断增大；随着冷源流量的增加，向心透平的压比、转速以及膨胀功率不断增加，系统热效率逐渐升高；随着透平转速的增加，转轴径向振动幅值增加，振动峰值的特征频率增大；向心透平的最高转速达到54850r/m，等熵效率最大值为83.6%，膨胀机最大功率为3.041kW，达到设计要求。
使用ANSYS Fluent 软件，建立向心透平内部流动的单流道数值计算模型，研究不同的导叶安装角、导叶静叶数以及动叶的非可展直纹抛物面对内部流动特性的影响；根据实验数据，对比工质流量、膨胀功率以及等熵效率等参数的计算值，验证了单流道模型的正确性；根据数值研究结果，对透平结构进行了优化，导叶优化后，周向速度提高7.4%，速度系数提高1.12%；动叶优化后，叶轮效率提高 1.05%，最大叶轮效率为90.3%。
向心透平整级优化后，总-静效率提高1.7%。
利用ANSYS Workbench软件，对叶轮进行了模态分析，得到叶轮和转子前八阶固有频率及振型，并对向心透平转子系统进行临界转速分析。
结果表明：预应力下的叶轮固有频率大于无预应力的情况，离心力对叶轮的刚化作用明显；实验用转子系统一阶临界转速为33218r/min，二阶临界转速为65061 r/min；随着轴承支撑刚度的增加，临界转速先快速增大后逐渐缓慢增加，选取转子系统的轴承刚度为1×108N/m较为合理；随着转轴轴尾伸长量的增加，转子临界转速不断减小；随着叶轮密度的增加，临界转速将逐渐减小。
透平膨胀机生产运行过程中异常原因及解决办法摘要：透平膨胀机在长期的工作运转中，难免会出现各种故障与问题，文章结合透平膨胀机的结构与运行特点，介绍了透平膨胀机在运行过程中出现异常问题的原因，并提出了改进方案与效果，以保证设备稳定和安全运行。
关键词：透平膨胀机改进方案问题分析一、叶轮轴向窜动1.叶轮轴向窜动的因素分析透平膨胀机在变工况运行时，要求轴承具有较高的可靠性。
尤其是在开、停机时，膨胀空气量和压差波动较大，使止推轴承承受较大交变推力负荷，使膨胀机轴向推力不平衡值超过正常允许值，转子振动值超标，轴承和转子的稳定性和适应性遭到破坏，设备损坏，引起叶轮轴向窜动的原因主要有：通常膨胀机增压端叶轮在轮盖上设计有迷宫式密封，虽然减少了空气泄漏，但却导致了叶轮前后压差过大，从而导致增压轮产生较大轴向力，易使止推轴承损坏。
分子筛吸附器操作不当或净化失效，二氧化碳进入低温系统，在不同温度和压力下，二氧化碳由气体变成固体并聚集成大块的干冰，当温度升高时又急剧汽化膨胀，对工作轮产生一个径向和轴向作用力，破坏转子旋转轨迹，引起轴向窜动。
燥塔分子筛失效，脱水效果不佳，在膨胀轮叶片上形成水化物，堵塞叶轮流道，造成膨胀端轮背压力升高，使轴向力不平衡值指向膨胀端。
透平膨胀机轴向推力平衡器调节阀关闭不严，平衡作用失效，内漏造成增压端轮背压力降低，使轴向力不平衡值指向膨胀端。
2.改进方案2.1改进转子结构：取消增压端叶轮轮盖密封，以降低轴向推力；更换主轴材质，以增强其强度和刚度，降低叶轮摆动。
2.2当透平膨胀机内出现液体造成振动时，压力表会急速跳动，温度指示波动，应迅速降低膨胀机转速，或停止膨胀机运行，并打开蜗壳吹除阀和出口吹除阀，排尽液体，同时设法提高膨胀机进口温度。
2.3在膨胀轮背开平衡孔，使膨胀端与出口处接通，保持轮背压力和出口压力基本平衡，从而消除膨胀端的不平衡轴向力。
2.4增强密封轴套的强度。
加大轴套止推面厚度，使其能承受较大轴向推力。
透平膨胀机1、空分设备配套膨胀机的基本要求及工作原理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。
膨胀机可分为活塞式和透平式两大类。
一般来说，活塞式膨胀机多用于中高压、小流量领域。
而低中压、流量相对较大的领域则多用于透平膨胀机。
随着透平技术的进一步发展，中高压、小流量的大膨胀比的透平膨胀机在各领域也有越来越多的应用。
与活塞膨胀机相对比，透平膨胀机具有占地面积小（体积小），结构简单，气流无脉动，振动小，无机械磨损部件，连续工作周期长，操作维护方便，工质不污染，调节性能好和效率高等特点。
对空分设备来说，低温精馏装置冷量损失的及时补流，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，可以说它是空分设备的心脏部件之一。
随着科学技术的不断进步，现代空分设备对膨胀机提出了更高的要求，更高的整机效率，更好的稳定剂调节性能，更安全级可靠的保护系统，更长的运行周期及使用寿命等等。
特别是随着内压缩流程空分设备和液体、液化设备等广泛使用，中压甚至更高等级透平膨胀机使用的越来越多。
这类产品膨胀机出口气体常带一部分液体，有的具有很大的膨胀比。
活塞膨胀机是利用工质在可变容积中进行膨胀输出外功，也称为容积型膨胀机。
工质在冷钢内推动活塞输出外功， 同时本身内能降低。
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，也称为速度型膨胀机。
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。
2、透平膨胀机的分类工质在工作轮中膨胀的程度， 称为反动度。
具有一定反动度的透 平膨胀机就称为反动式透平膨胀机。
如果反动度很小甚至接近于零， 工作轮基本上由喷嘴出口的气体推动而转动， 并对外做功， 这种透平 膨胀机被称为冲动式透平膨胀机。
2024年工业透平机械市场发展现状介绍工业透平机械是一种重要的能源转换设备，广泛应用于发电、航空航天、石化等行业。
本文将对工业透平机械市场的发展现状进行探讨，包括市场规模、发展趋势以及存在的挑战。
市场规模近年来，随着全球能源需求的不断增长，工业透平机械市场呈现出良好的发展态势。
根据市场研究机构的数据显示，2019年全球工业透平机械市场规模达到了X亿美元，预计到2025年将以X%的复合年增长率继续增长。
发展趋势1. 清洁能源的推动随着环境保护意识的增强，清洁能源的需求逐渐增加。
工业透平机械作为清洁能源的重要转换设备，将得到更广泛的应用。
尤其是在风能、太阳能等可再生能源领域，工业透平机械将发挥重要作用。
2. 数据驱动的智能化发展工业透平机械领域也面临着智能化的转型。
通过采集、分析运行数据，提高机械的运行效率和可靠性，减少故障发生率，提高维护效率。
随着物联网技术和人工智能技术的不断成熟，工业透平机械将实现更高程度的自动化和智能化。
3. 区域市场的差异化需求不同地区的经济发展水平和能源结构差异巨大，对工业透平机械的需求也有所不同。
发达地区强调高效节能，发展中地区注重透平机械的可靠性和经济性。
因此，透平机械制造商需要根据地区差异来满足市场需求。
存在的挑战虽然工业透平机械市场发展前景广阔，但面临一些挑战：1. 技术难题透平机械的制造和运行需要高精密度和高可靠性，对材料、制造工艺、几何设计等方面提出了更高的要求。
解决这些技术难题需要大量的研发投入和时间。
2. 国际竞争加剧工业透平机械市场是一个国际化竞争的市场，来自发达国家的制造商具有技术和品牌的优势。
国内制造商在技术和品质方面需要不断提升，以在激烈的市场竞争中占有一席之地。
3. 环境法规压力随着环境保护的要求提高，对透平机械的排放和能效等方面提出了更高的要求。
制造商需要积极应对环境法规的压力，提升产品的环保性能。
总结工业透平机械市场在清洁能源推动、智能化发展和区域市场需求差异化的趋势下呈现出良好的发展态势。
透平膨胀机技术现状
关键字：透平,膨胀机,技术现状
透平膨胀机按结构可分为轴流式和径流式透平膨胀机。
自1898年英国人劳德.雷利首先提出应用透平膨胀机的设想以来，1930年德国人林德第一次应用单级透平膨胀机获得成功，60年代美、德、苏等国又相应发展了小型高速、大膨胀比、高压大功率等多种用途的透平膨胀机。
70年代能源危机促进了透平膨胀机在能量回收方面的应用。
但是除了大流量、大功率以及高温条件下的膨胀机采用轴流式之外，绝大多数透平膨胀机采用向心径—轴流式。
国外膨胀机制造商在工艺流程的匹配、特殊材料的选用、制造工艺、叶片的设计试验、转子稳定性分析等关键技术方面一直没有停止过进步和发展。
特别是CFD等粘性流场分析软件和ANSYS有限元分析软件的迅速发展更是为透平膨胀机研究、设计、制造提供了强有力的技术基础。
2.1 美国GE公司动力系统成员之一Rotoflow公司是世界上最大的烯烃透平膨胀机生产基地。
该公司研制了世界上第一台天然气压缩机，自此该公司就一直引领烯烃透平膨胀机技术的发展，特别是在两相流—气体带液膨胀技术上居于领先地位。
其透平膨胀机进口压力最高可达到200bar(A)；进口温度最高可达到475℃，最低可达到-270℃；流量最大可达到50万kg/h，转速最高可达到12万r/min，介质范围包含所有碳氢化合物。
40年来，该公司共设计制造了3500
余台高技术含量的膨胀机设备。
一般情况下，其膨胀机主要采用向心透平，制动设备包括离心压缩机、发电机以及其他转动设备。
但是，在精炼厂等环境下的高温尾气能量回收膨胀机中也采用轴流透平膨胀机。
2.2美国德莱赛兰公司在能量回收透平膨胀机领域一直是杰出的供应商之一，基本可以满足用户的各种工艺要求。
其透平膨胀机可分为高温（870℃）与中温（535℃）两种类型，输出功率最高可达13万KW，典型应用主要在流化床催化裂化装置（FCC）、硝酸装置、压缩空气蓄能发电装置（CAES）和航空发动机等能量回收装置中。
在FCC装置能量回收透平膨胀机上，该公司有30余年设计制造、安装维护的经验，在世界FCC市场上占有率超过60%。
在FCC装置用透平膨胀机有以下特点：单级或双级悬臂刚性转子，先进的表面处理技术提高叶片寿命，760 ℃的入口温度，配有叶片视窗、金斯伯雷轴承、机壳热应力最小化设计。
在硝酸装置中，该公司自1956年开始研制出第一台高效高温多级能量回收透平以来，也生产了60余套。
其主要特点有：进口温度最高可达到704℃，进口压力最高可达到1.7MPa，3～5级设计以满足最优能量回收方案，高压低压分体设计，可倾斜瓦块式轴承。
该公司应用于透平机械的领先技术包括：动力学仿真分析系统、叶片应力及频率分析系统、CFD计算流体力学分析、Unigraphics CAD/ CAM软件、转子动力学分析系统、先进的控制理论等。
2.3德国MAN TURBO 公司在透平膨胀机方面也拥有较多的设计制造经验，可以设计制造单级或多级、轴流或向心多种形式的透平膨胀机。
进口温度最高可达760℃，进口压力可达
20bar(A)，输出功率可达30000kw。
应用领域主要有煤气化联合循环发电装置（IGCC）、催化裂化装置(FCC)、硝酸装置、精对苯二甲酸装置（PTA）、高炉炉顶能量回收装置（TRT）。
2.4德国西门子公司合并了德马格公司后在中高温透平膨胀机领域以PRT机型占有相当大的市场份额，PRT是一种组装式透平膨胀机。
根据流程需要，PRT膨胀机可以与组装式压缩机整体组装在一起，也可单独布置。
为提高运行效率，膨胀机通常带有进口导叶调节装置，其进口温度最高可达550℃，气量可达60万m3/h，回收功率最高可达45000kw。
主要应用于精对苯二甲酸（PTA）装置、硝酸装置等。
2.5日本三井造船株式会社透平膨胀机主要应用于高炉顶压能量回收装置（TRT）中，在世界范围有30多台套的应用。
其主要特点有：反动式轴流透平叶片级，轴向环形进气风筒，适应干式湿式两种工艺流程，100%静叶可调以适应各种工况。
此外，国外主要透平膨胀机生产厂商还有日本三菱重工、美国阿特拉斯公司、美国埃理奥特公司等。
国内概况
当前，我国石油、化工、冶金、空分等行业所用的透平膨胀机大部分从国外进口。
特别是应用于石化、天然气领域的低温膨胀机，如液化石油气LPG）、液态天然气（NGL）、液化天然气（LNG）等工艺流程的膨胀机基本完全进口，大型空分用制冷膨胀机也主要为国外厂商垄断。
近年来，国内各透平机械制造商也在透平膨胀机领域加大研发力度，并且已取得了部分成绩。
3.1陕西鼓风机(集团)有限公司在与国外合作生产的基础上，与西安交通大学等科研院所合作，形成了一定的轴流膨胀机设计生产能力。
其主要业务范围在能量回收尾气透平方面，如硝酸三合一尾气透平5台、硝酸四合一尾气透平4台，TRT高炉尾气能量回收透平近70台，其透平膨胀机主要采用轴流式。
3.2各空分公司，如杭州杭氧股份有限公司、开封空分集团有限公司、四川空分设备（集团）有限责任公司等也先后在引进技术基础之上，开发了一系列的空分制冷膨胀机,已达到为4万空分配套膨胀机的能力。
另外四川空分公司在天然气领域也为我国油田研制了一定数量的轻烃回收用天然气膨胀机装置。
这两种膨胀机均采用径流式。
3.3沈阳鼓风机（集团）有限公司在与中科院合作的基础之上，开发了自主知识产权的径流式透平膨胀机气动设计软件和轴流式透平膨胀机气动设计软件。
在能量回收领域，推出了专利产品向心膨胀机+离心压缩机整合机组，以成本较低、稳定运转时间长，检验维护方便的特点在能量回收领域，特别是硝酸三合一机组中的尾气透平上占有一定市场。
总体来看，由于国外膨胀机技术垄断，加上国内各制造厂商在透平膨胀机方面起步较晚，以及透平膨胀机技术的复杂性，与国外相比仍有相当大的技术差距。
