一、膨脹機的工作原理

工作原理

   透平膨脹機是空氣分離設備及天然氣（石油氣）液化分離設備和低溫粉碎設備等獲取冷量所必需的關鍵部機，是保證整套設備穩定運行的心心臟。其主要原理是利用有一定壓力的氣體在透平膨脹機內進行絕熱膨脹對外做功而消耗氣體本身的內能，從而使氣體自身強烈地冷卻而達到制冷的目的。透平膨脹機輸出的能量由同軸的增壓機、發電機回收或制動風機、油等消耗。

   膨脹機主要是被用來生產冷量造成低溫，其工作的對象主要是氣體。當氣體具有一定的壓力和溫度時。就具有一定的能量，即由壓力而體現的勢能與由溫度所體現的動能。這兩種能量總稱為內能，而膨脹機主要的作用是利用氣體通過膨脹機的過程中的內能降低并對外輸出功。并由于氣體內能的降低并對外輸出功使氣體的壓力和溫度大幅度降低從而達到制冷與降溫的目的。

   膨脹機主要的工作是在噴咀及葉輪中完成。噴咀是一種由多個精心設計的葉片所組成的噴射通道（即噴咀流道）。當高壓的氣體通過噴咀流道時，由于噴射作用使氣體的速度迅速上升并可達到音速。而氣體的壓力和溫度則很快下降。從而達到降溫的目的。

葉輪則是接受從噴咀出來的高速氣體，由于噴咀出來的氣體其速度達到或超過音速，而且溫度已經大幅度降低，當高速氣體沖擊葉輪的葉片時，使葉輪高速轉動。葉輪是一個由多個葉片所組成輪子，氣體從半徑方向流入，而從與主軸軸線平行方向流出，稱為徑軸流葉輪。葉輪中每兩個葉片圍成一個通道。葉輪的通道是經過精心的設計，而且是漸漸擴大的。當高速、低溫的氣體通過葉輪通道時，由于高速轉動。使氣體的速度很快下降，同時氣體在不斷變大的通道中流動時壓力也進一步下降，因為壓力與速度下降使氣體的內能的降低，這樣氣體溫度進一步大幅度降低。從而達到降溫與制冷的目的。由于膨脹機輪子的飛速轉動，帶動了與膨脹機輪子在同一軸上另一端的增壓機葉輪的轉動，增壓機葉輪的轉動壓縮了通過增壓機葉輪氣體，增壓機葉輪不僅壓縮了氣體，利用了膨脹發出的功率，而且也控制了膨脹機的轉速。

由于膨脹機中氣體通過的時間極短，來不及與周圍環境交換熱量所以可以認為它是在接近絕熱等熵的條件下工作的。因而具有很高的絕熱效率。

二、膨脹機主機的結構與主要另部件

   膨脹機是一種高速轉動的機械，為了保證它的效率與可靠性，必須特別注重其葉輪、噴咀、軸承、密封的設計與制造。圖一是一臺膨脹機主機的基本結構的剖面圖。主機主要由膨脹機蝸殼、機身、增壓機蝸殼、轉子、可調噴咀、軸承、及密封件等組成。下面分別介紹這些另部件的工作原理，基本結構及要求。

1、轉子；轉子是膨脹機的最重要部件。它直接關系到膨脹機的制冷效果、運轉的穩定性、可靠性及使用壽命。轉子是由膨脹機葉輪，增壓機葉輪、密封軸套、螺帽及主軸組成。見圖二。由于轉子是在高速下運轉，所以其高速下的穩定性是十分重要的，除了要提高其整個轉子的抗振動性能外，還應對轉子上的葉輪、主軸及轉子的整體分別作動平衡試驗，其允許的重心偏移量≤0.3μm.。

2、可調噴咀；可調噴咀是由幾個可以轉動的噴咀葉片、裝有葉片轉動軸銷的定位盤、活動盤、蓋板等另件組成。由于葉片可以圍繞定位盤的軸銷轉動，因而其由兩葉片圍成的噴咀流道面積的大小可以調節（見圖三）。從而達到改變氣量的目的。但是由于噴咀另件都是由不銹鋼制成，相對活動過多容易造成磨損、拉毛而咬合。所以噴咀不適宜經常調節。

3、軸承；膨脹機的轉子是由軸承來支承的，為了使轉子能長期穩定可靠地運轉，軸承是個十分重要的另件。膨脹機的軸承多數采用動壓油軸承，其結構及軸承與主軸之間的間隙大小對運轉的穩定性及壽命有十分重要的關系，因而不能任意改變。

動壓油軸承是一種非接觸式的液體潤滑軸承，它是依靠轉子轉動時的動壓作用，使轉子浮動在軸承上面，它依靠潤滑油來維持軸與軸承之間的間隙。使軸與軸承不會由于接觸而磨損，而且潤滑油還冷卻軸承，帶走主軸因高速轉動時與潤滑油的磨擦而產生的熱量。所以向軸承供給一定量的清潔的潤滑油也是軸承正常工作的非常重要的工作。

4、密封件；（這里主要是指主軸與機身之間的動密封）膨脹機是在高速低溫的環境下工作的，如何阻止因低溫氣體進入軸承而使軸承潤滑油凍結，及阻止因潤滑油進入低溫端因凍結而造成運行不正常及堵塞。所以膨脹機的密封也是很重要的工作。膨脹機的密封通常采用迷宮密封，即在主軸上或轉子的軸套上設置居剌形的密封剌，而在機身上裝有相對較軟的用石墨或鉛基合金制成的密封件。迷宮密封是一種動密封，它依靠密封剌與密封件間的0.01～0.05mm的間隙，使氣體產生節流作用并造成壓力的降低。達到密封的效果。所以迷宮密封一定有少量的氣體的漏泄，為了減少氣體的漏泄量，除了加強密封外，還應該盡可能降低密封氣的入口壓力，一般情況下，要求密封氣的入口壓力僅高于噴咀后壓力約為0.05Mpa。

5、機身；機身組成了膨脹機的外殼，并提供軸承、密封件、隔板、隔熱板等等另件的安裝場所。

6、膨脹機蝸殼；膨脹機蝸殼主要是膨脹機工作氣體的進出口通道，并使膨脹氣體均勻地分配給噴咀的各個通道。同時當低溫氣體流出膨脹機葉輪時通過一個擴張的錐管使氣體的流速進一步下降，從而使壓力有所上升。

7、增壓機蝸殼；增壓機蝸殼主要是增壓機工作氣體的進出口通道。蝸殼在增壓機葉輪的出口處設置有無葉擴壓器，使增壓后的氣體減速，從而使增壓后氣體的壓力進一步上升。

三、膨脹機的供油系統；

1、供油系統的要求；供油系統主要為膨脹機軸承提供一定數量的清潔的，又有一定溫度要求的潤滑油。由于膨脹機軸承的間隙僅為幾十微米，而軸承對溫度又有一定的要求，當溫度過高時，潤滑油會變稀，使軸承工作惡化甚至損壞。而溫度過低時，潤滑油會變稠，使轉子轉動阻力增加，軸承的功率損耗增加，不利膨脹機的工作，當溫度低于10℃還會因潤滑油流動困難而使機器損壞。因此要求供油溫度在30--50℃之間。由于軸承的間隙僅為幾十微米，所以要求潤滑油內所含的固體粒子直徑應當少于5微米。為了使軸承能正常工作還必須保證有一定的供油壓力及供油量。一般的供油壓力應大于0.5Mpa,供油量為20～60升/秒。

2、供油系統的組成及工作；供油系統由油泵、油箱、油冷卻器、油壓容器、油過濾器、油氣分離器、溢流閥、單向閥，測量儀表及其它的管道、閥門等組成。

⑴、油泵；目前多數采用三螺桿泵，要求供油壓力為2.5Mpa,供油量為60升/秒。三螺桿泵主要的優點是運行燥音少，密封好，基本上不漏油。

⑵、油箱；油箱不僅要求貯存油泵5分鐘以上的油量，還兼作第一級油器分離器。它還必須承受一定的壓力。中低壓膨脹機的油箱通常的工作壓力低于0.6Mpa,容積為800升左右。

⑶、油冷卻器；出機組的潤滑油必須進過冷卻，以保證進機組的潤滑油溫度低于50℃。冷卻通常用水或空氣。為保證冷卻效果，通常多用水冷卻。

⑷、油壓容器；油壓容器為封閉的壓力容器，其下部設置有進出口。主要是為保證油泵突然停電或者迂到其它故障而不能繼續供油時，依靠油壓容器內貯存的壓力油，繼續供給主機一到二分鐘的潤滑油，以保證主機的安全。

⑸、油過濾器；設置油過濾器是為了過濾潤滑油中的固體顆粒。以防止這些顆粒進入油泵及主機的軸承，以保護油泵及軸承的安全運行，本系統共設置有三組油過濾器。第一組在油箱出口與油泵入口處，由不銹鋼絲網濾芯制成，功能是防止較大的固體顆粒進入油泵而損壞油泵，第二組在油冷卻器出口處，是系統的主過濾器。主過濾器為雙筒過濾器，二組可以切換使用，它要求的過濾精度為5μm。主要是保護主機的軸承。第三組在主機的供油口前。主要為防止主過濾器后的管道及油壓容器內的殘留的少量機械固體顆粒進入主機，一般用單筒過濾器。

⑹、油氣分離器；主機的密封氣往往與潤滑油一起進入油箱，經過油箱的初步分離后，再進入油氣分離器后進一步分離，使排出的密封氣中基本上不含潤滑油。

⑺、溢流閥；為保護油泵及供油系統的容器的安全，在油泵出口處設置有一溢流閥，當管道因某鐘原因而不暢通時，在油泵的供油壓力超過油泵的最高工作壓力時，能自動的打開泄油孔，使油壓很快下降，以保護油泵及設備。

四、膨脹機的密封供氣系統；

密封供氣系統由進口閥、節流減壓閥、密封氣過濾器及分配管組成。

密封氣過濾器是由濾芯及殼體組成。由于密封氣直接進入主軸密封軸套處，因而要求密封氣內的固體顆粒直徑少于5μm。

五、膨脹機的儀控保護系統；

為了膨脹機的安全運行，膨脹機機組設置了一系列安全保護系統，首先機組要求在膨脹機入口處設置有緊急切斷閥，并由儀控系統來控制緊急切斷閥，也可以用手動按鈕來控制。并要求該閥在給予切斷信號后，在6秒鐘內關閉，以保護膨脹機不被損壞。膨脹機組要求在下列工況下進行報警及切斷停車。

項目     正常參數     報警參數      切斷停車參數

        膨脹機轉速     設計轉速

1.1×設計轉速

1.15×設計轉速

        前軸承溫度      ≤70℃           ≥70℃               ≥75℃

        后軸承溫度      ≤70℃           ≥70℃               ≥75℃

膨脹機供油壓力   ≥0.8Mpa

≤0.4Mpa

≤0.2Mpa

(當油箱壓力為0.0Mpa,的條例下,否則應加上油箱壓力)

   停電  切斷停車

六、膨脹機主機的操作及注意事項；

1、膨脹機的正常開車

6.1.1啟動供油系統，保證供油壓力在1.2-1.5Mpa(G)之間，供油溫度在35℃左右（不低于20℃），必要時可調節油冷卻器的水量及油冷卻器的旁通閥，油箱的油面應保持在液面計的2/3處，油過濾器兩端的差壓不得大于0.25Mpa，并檢查各油壓表是否正常，油路是否暢通。

6.1.2檢查膨脹機入口調節閥應處于全閉狀態，增壓機旁路調節閥應處于全開狀態。

6.1.3打開膨脹機、增壓機端進出口管道旁通閥。開啟膨脹機出口閥及增壓機進出口閥.

6.1.4緩緩開啟膨脹機進口處調節閥，第一次開度約為10~20%，仔細觀察主機啟動情況，當轉速達到50%的設計轉速時，保持10~30分鐘觀察各儀表，判斷運轉是否正常，如有異常情況即關閉入口調節閥作緊急停車，待排除故障后再進行啟動，然后緩慢升速到75%的設計轉速,保持1小時，一切正常后再緩慢升速,并逐步升速到設計轉速，以后逐步關閉增壓機及膨脹機的旁通閥，并調節噴嘴開度以維持適當的進口壓力及轉速。注意;第一次開車應嚴格按此程序進行,以后日常開車可以直接緩慢地升速到規定轉速.

2、正常運轉

6.2.1正常運轉的操作條件;

軸承溫度        ＜70℃

密封氣壓力      高于噴咀后壓力0.05Mpa

供油壓力

1.2~1.5Mpa(G)

6.2.2膨脹機工況的調節

6.2.2.1膨脹機入口壓力、氣量的調節

當膨脹機入口壓力及流量波動較大時，可以調節可調噴咀執行機構手柄來調節可調噴嘴的開度，達到所需要的壓力及流量，正常情況下應盡量減少噴嘴的調節。當手柄以逆時針方向轉動時噴咀開大，氣量增加、進口壓力下降。反之氣量減少、膨脹機入口壓力上升。膨脹機入口壓力、氣量的調節主要是為了在現有的工況下最大地提高產量，因而調節時應盡可能保證較大的膨脹比，膨脹比越大，焓降也越大，產生的冷量也越大，產量也越高。但是如果為了提高膨脹機的入口壓力，增大膨脹比而將噴咀關得過少，那麼會使膨脹機遠離其設計工況，使膨脹機的效率大幅度下降，這樣反而會減少膨脹機的產冷量，而使裝置的產量下降。所以膨脹機工況的調節必須視各裝置的各個時期的具體情況而定。

6.2.2.2主機轉速的調節

維持機組適當的轉速是提高膨脹機效率及延長主機壽命的重要途徑，轉速的調節可通過下列三種途徑來實現。

   調節噴嘴開度以改變機組的膨脹比及效率，從而改變轉速；

   調節增壓機旁通閥的開度改變增壓機氣量以調節轉速；特別是當裝置的處理量增大時,這時由于膨脹機的總功率增大,膨脹機要吸收這些功率,就會使轉速升高,甚至于超過允許的轉速,這時就需要開大增壓機旁通閥,增加增壓機的回流氣量,也就是增加增壓機的制動功率,從而使膨脹機的轉速下降。

   調節干氣外輸壓力，以調節膨脹比，從而改變轉速。

6.2.3膨脹機正常運行時幾個工況的處理

6.2.3.1凍結與加溫吹除

膨脹機在長期運轉中如果有水及烴類化合物凍結在噴嘴葉片上，甚至凍結在葉輪葉片上時，會造成噴嘴堵塞，轉子動力性能變壞，使膨脹機的振動增大,運行的聲音增大,甚至造成嚴重事故，此時必須進行加溫解凍及吹除。

   噴嘴凍結征象：噴嘴出口壓力下降，流量減少，轉速下降，可調噴嘴調節困難，膨脹機前管道過濾器壓差增大。

   措施：停機加溫解凍，將加熱氣從膨脹機出口到入口進行吹除，直到出口氣體溫度達到50℃時，注意加熱氣體進氣溫度不應高于80℃以免使膨脹機的另部件因變形而損壞。

6.2.3.2增壓機的喘振及防止

當增壓機流量因某種原因少于一定值后，增壓機葉輪因進氣不足，造成氣流與葉片嚴重脫離，氣體在葉輪中產生強烈渦流，使增壓機葉輪的出口壓力強烈波動,出口氣流倒流而造成喘振，喘振發生時必然將造成機組嚴重損傷，因此必須立即加以制止及預防。

   現象：主機運行聲音突然增大，增壓機進出口管道振動，嚴重時增壓機出口管道單向閥產生敲擊，增壓機出口壓力及轉速強烈波動。

措施：增加增壓機旁通回路上旁通閥的開度。

3、膨脹機的正常停車

正常停車步驟與起動步驟相反

6.3.1關閉膨脹機進口調節閥；

6.3.2關閉膨脹機進出口截止閥；

6.3.3關閉增壓機進出口截止閥；

6.3.4確認主機停止轉動后停泵；

6.3.5關閉密封氣進出口閥；

6.3.6關閉潤滑油冷卻器的進排水閥。注意冬天必須放完冷卻器內殘留水以防凍結而使換熱管凍裂。

4、膨脹機的緊急停車;

出現下列情況之一時，應在主控室內進行緊急停車：

6.4.1.發現機組有不正常的振動，可疑噪音或發出大量煙霧；

6.4.2供油壓力持續低于0.4Mpa;

6.4.3轉速連續超過設計轉速而不受控制；

6.4.4軸承溫度高于70℃無法查明原因；

6.4.5出現極不正常運轉記錄，威脅機組安全；

6.4.6機組運轉而無轉速顯示或顯示卻不正常；

6.4.7增壓機.喘振而無法排除；

6.4.8.膨脹機進液，使運轉聲音沉悶，而無法在5分鐘內排除。

5、

注意事項

5.1操作人員必須熟悉本機組流程、有關膨脹機、增壓機部分的流程及管道、閥門的原理及位置，并了解操作要求，上崗人員必須進行培訓及考核合格后才能操作；

5.2.嚴守操作規程，嚴禁違章操作；

i.膨脹機起動前，應檢查閥門所處狀態是否正確；

ii.膨脹機每次起動前，應對膨脹機入口調節閥作啟閉試驗，要求開啟靈活，從全開到全閉必須在5秒鐘內完成；

iii.機器運轉中，膨脹機入口調節閥手柄不能隨意搬動，停機后，各閥遙控操作，指針必須恢復零位，以免突然起動超速；

iv.膨脹機入口調節閥未開啟前膨脹機不應有任何轉速，否則應調節調節閥使之處于關閉狀態；

v.操作人員應隨時注意供油系統的運行狀況，保證供油壓力及溫度正常；

vi.必須在確認主機停止運轉后，才能切斷油泵；

vii.緊急停車后或停電后各操作鈕及遙控板應恢復啟動前狀態；

viii.每次拆機檢查及拆裝有關管道時，應徹底清除機械雜質；

ix.膨脹機轉速記錄紙及運轉記錄是分析工況及處理事故的基本依據，應由專人保管，防止丟失；

5.3操作人員必須隨時注意膨脹機運轉情況，發現異常及時處理，必要時應緊急停車。注意冬天停機或停用潤滑油冷卻器時必須放完冷卻器殘留水以防凍結而使換熱管凍裂。

6、主控室操作儀電控的操作參見裝置及儀控使用維護說明書

                 儀控保護系統應滿足下列要求：

七、供油系統及密封氣系統的操作

1、供油系統的操作;膨脹機的轉子與軸承是膨脹機的心臟，而保證轉子與軸承的正常工作的關鍵是供油系統的正常工作，對供油系統來說滿足軸承對潤滑油的要求是它的唯一的任務。為使軸承正常工作就要求潤滑油有一定的流量，一定的溫度，潤滑油必須清潔、同時要具有足夠的粘度。因而供油系統的操作，必須圍繞這四個要求進行。

7.1.1.保證清潔度;為.保證油的清潔度,在供油系統安裝后初次運行前,必須對系統內的容器,管道,閥門進行徹底的清洗,再用煤油進行清洗性的循環,并徹底排除循環的煤油以防止因煤油混入透平油而使粘度下降..在向油箱加油時必須對油進行過濾,以防止任何固體粒子進入潤滑油.

7.1.2.保證潤滑油量;為保證潤滑油量.必須保證一定的供油壓力,即進油回油的壓差應大于0.6Mpa,并經常觀測回油窺視器的回油情況.供油壓力可以通過調節潤滑油出冷卻器后向油箱回油的傍通閥來進行調節。

7.1.3.保證進油溫度;正常的潤滑油進油溫度應在30～45℃。這是為了保證潤油的粘度，與防止軸承因溫度過高而損壞。當軸承溫度低于15℃時

為了不使潤滑油粘度過大而使軸承功耗過大，及潤滑油量減少，應該設法提高供油溫度，可以減少冷卻水量，使部分或全部潤滑油經油冷卻器的短路傍通閥，或者用電加熱器加溫以提高進油溫度。

7.1.4.保證潤滑油的粘度；潤滑油的粘度對軸承的工作有著十分重要的作用，因而保證潤滑油的粘度也是保證膨脹機的安全，所以應嚴格按使用說明書的要求牌號使用潤滑油，要防止水進入潤滑油系統，對于輕烴液化裝置來說還要防止C4以上的重組份從膨脹機的出口管道進入油箱（特別是在停機時），更要防止輕油與密封氣一起進入油箱，C4以上的重組份混入潤滑油后，將使潤滑油的粘度下降而變質，所以定期檢查潤滑油的粘度也是保證膨脹機長期安全運行的重要保證。

7.1.5.保證膨脹機在油泵停泵后能繼續供油一分鐘以上。當停電或其它故障時，油泵不能繼續向軸承供油，這時雖然緊急切斷閥已經關閉，但膨脹機還能運行約30秒左右時間，為了保證膨脹機的安全，供油系統設置有油壓容器，油壓容器內充滿氮氣，當油泵工作時隨供油壓力的升高，潤滑油開始進入油壓容器并壓縮油壓容器內的氮氣，使氮氣壓力升高體積縮小，正常運行時，氮氣的體積約為原來的十分之一，其余的都是油。當停電時，油壓容器內的潤滑油在氮氣壓力的作用下，開始向主機供油，

其供油量隨氮氣壓力下降而漸漸減少，一般情況下能繼續供油約二分鐘。

為保證機組的安全，要求每次開機前進行一次停泵供油時間測試。

2、密封氣系統的操作；密封氣系統是向機組供給一定量的常溫干氣。其操作分為主機啟動前與主機正常運行兩種工況。

7.2.1.主機啟動前;在主機啟動前,當啟動油泵時為了防止潤滑油通過軸承,并經過軸封而向葉輪流動,然后流向蝸殼與管道,這樣不僅造成潤滑油的流失,還會由于流向低溫管道的潤滑油在裝置運行時的凍結而產生不必要的故障。因此在啟動油泵時應先通入約為0.2Mpa壓力的密封氣來阻止油向葉輪的流動。

7.2.2正常運行；正常運行時為防止潤滑油流向低溫端及低溫氣流向軸承，需要通入一定壓力的密封氣，為了減少密封氣量，要求密封氣供氣壓力略高于噴咀出口壓力，通常其壓差為0.05Mpa左右。

八、維修與裝配

     本機組在正常合理操作條件下，能安全連續運轉一年，但每年應對機組進行一次檢查。

1、主機拆機檢查步驟（裝配按相反步驟進行）

⑴、關閉所有主機連接的管道中閥門，排凈機體內的可燃氣體；

⑵、拆下膨脹機、增壓機進出口連接管道；

⑶、拆下主機相連的油管道，密封氣管及儀表接管的接頭，注意將拆下的管道接頭用布或其它材料封閉，以免機械雜質進入；

⑷、拆下前后軸承溫度計，轉速傳感器及其接線；

⑸、擦下主機與底座連接的螺栓、螺母，將主機吊下運至室內。以下工作應在室內進行，室內必須保持清潔，在拆機中所有零件均應沿軸線緩慢拉出，切忌扭轉、敲打。

⑹、膨脹機端的拆卸：

拆下膨脹機蝸殼，拆下中間體（連同可調噴嘴、導向蓋一起）；

拆下輪子上工作輪固定螺帽，取下墊片；

拆下工作輪；

拆下前隔板

拆下前軸套。

      ⑦增壓機端零件拆卸：

將機身翻轉180°并安放在架上，拆下端蓋（注意保護葉輪葉片）；

拆下增壓機蝸殼；

拆下增壓機葉輪固定螺帽（注意為左螺紋）；

拆下壓機輪；

拆下后隔板，取下軸套；

拆下后軸承，取出主軸；

拆下前軸承。

2、維修

⑴、軸承在不影響使用時可進行適當的修理；

⑵、轉子上零件為了不影響動平衡精度，不能修刮調換位置或更換，否則應從新進行動平衡校驗，其重心偏移時不大于0.3μm；

⑶、各零件間的間隙應符合裝配間隙表所列數值；

⑷、安全保護裝置應定期進行檢查；

⑸、供油系統應定期進行檢查，及時清洗或更換濾油器芯，透平油使用期為半年。

3、裝配間隙