透平膨胀机原理及应用

透平膨胀机是一种离心式或轴流式涡轮，其中高压气体膨胀以产生有用的功，通常用于驱动设备或机械。当气流的压力需要降低时，这种装置通常是回收能量的一个有吸引力的选择，并广泛应用于各种工厂。由于工作来自膨胀的高压气体，所以膨胀过程近似为等熵（熵几乎恒定）过程，透平膨胀机排出的降压废气温度低于进气气体的温度。

透平膨胀机可以处理从冷气（例如，-270°C）到热气（超过350°C）的广泛服务范围。通常，透平膨胀机只对相对较大的气体流量具有意义。粗略地说，目前运行的装置的功率范围大约从25千瓦到25兆瓦左右。然而，有些特殊应用中使用的透平膨胀机功率低于25千瓦。

基础知识

透平膨胀机根据热力学和流体动力学物理定律运行。操作的灵活性是一个关键要求，因为该装置通常必须处理各种流量和压力范围。因此，它通常不仅具有一个额定工作点，还有几个备选工作点。当透平膨胀机设计和制造得当时，它可以在额定工作点获得非常高的效率，并在备选工作点获得合理的效率。

在简单的单级透平膨胀机中，高压气体通过可变进气喷嘴（或进气导叶）进入涡轮，并在较低压力和明显较低温度排出。在许多应用中，出口气体进入下游工艺；因此，使用透平膨胀机喷嘴来控制气体流量和条件，以保持所需的下游操作条件（流量、压力等）。一些透平膨胀机的操作可能会带来一些操作风险。例如，由于气体快速降温，膨胀气体的部分液化或凝结并不罕见。

透平膨胀机的制造商在很大程度上依赖标准化；大多数组件通常都是预先设计的。通常需要根据每个具体应用定制的部件包括轮盘、轴、喷嘴组件、齿轮系统、辅助设备和控制器。每个标准尺寸/型号直接与机壳和整体机械的尺寸相关联。每个标准型号或机架可以容纳一定范围的透平膨胀机轮盘直径。型号尺寸也可以通过设计压力和流量直接区分。压力确定法兰等级。粗略地说，轮盘直径可达约2米。制造的机壳很常见，但有时也使用铸造或其他方法制造。制造的机壳可以灵活设计和制造以适用于广泛的应用、额定和喷嘴负荷范围。构件的材料通常由设计温度确定。热气透平膨胀机与冷气透平膨胀机完全不同。

进气喷嘴系统，通常称为可调进气导叶（IGVs），是透平膨胀机的主要控制工具；因此，它的机构、配置和细节要求非常谨慎。主要要求是精确的流量调节和可靠性。这些要求是为了准确控制透平膨胀机的转速，避免在部分负载和低负载时的速度波动。一些现代多连杆机构使用先进的技术来调整IGVs，以实现精确的流量控制和最小的驱动力。

喷嘴片段必须应对由高气体速度和其他影响引起的严苛工作条件。通常需要在喷嘴片段上使用特殊的抗摩擦和抗磨损涂层，以最小化第一次等焓膨胀过程中的损失。固体颗粒和杂质的存在可能对透平膨胀机构成很大风险。因此，喷嘴通常接受某种处理，例如钨碳化物或特殊涂层、表面感应硬化等，以最小化侵蚀问题和其他损害效应。适当的选择取决于具体的应用。

热气应用

许多工厂存在高压热工艺气体或废气流，需要在进一步处理或处理前进行冷却。在这些流中，经常选择使用透平膨胀机以从这些流中回收可利用的功。一些透平膨胀机专门设计和制造用于热气服务，但通常也会改装和使用蒸汽涡轮机。基本上，这些后者的工作原理与传统蒸汽涡轮机相同，只是工作流体不同。然而，由于热气和蒸汽在每种服务中的操作、热力学和流体力学行为不同，成功的应用需要进行许多检查和验证，以避免潜在的问题或难题。热气透平膨胀机可以在一定程度上使用低合金碳钢。然而，极端温度和压力需要适当的合金，其中许多用于蒸汽涡轮机。

冷气服务

许多透平膨胀机用于低温、制冷和低温气体服务。这些透平膨胀机主要用于高压气体流中有效地降低温度。膨胀过程导致气体急剧冷却，同时提供机械能以驱动设备执行有用的工作。有些配置将透平膨胀机与压缩机耦合，利用生成的功来压缩过程中的气体。有时，透平膨胀机和压缩机被打包在单个单元上的单个轴上。

与传统的“焦耳-汤姆逊”（JT）阀门或其他设备相比，透平膨胀机可以更高效地生成低温气体。在给定一定的压力降低下，透平膨胀机的几乎等熵膨胀使得膨胀气体的温度比通过节流阀或其他设备进行的等焓膨胀更低。事实上，将冷气透平膨胀机应用于低效率的传统方法（如JT阀门）可以显著提高这种处理工厂的冷却能力、性能、效率和运营成本。更低的温度大大提高了整体冷气或制冷循环的效率。此外，透平膨胀机还产生了有用的功。

冷气和低温气体透平膨胀机的机壳材料通常是不锈钢，有时选择特殊合金。许多这类透平膨胀机使用主动磁性轴承（AMBs），因为传统的油轴承通常无法满足要求。现代封装式磁性轴承（canned-type magnetic bearings）非常受欢迎，这种高性能轴承适用于通常不能被传统磁性轴承和电气设备容忍的侵蚀性、有毒或困难的气体。它们将AMB的传统电气组件封装在由先进材料（如高镍合金）制成的金属罐内，以防止与气体接触。

非理想情况面临的挑战

在许多应用中，透平膨胀机至少部分地在稠密气体的热力学区域运行，理想气体定律很难近似真实的热力学行为。因此，假设理想气体可能导致对这些透平膨胀机的流动结构和性能参数的不准确预测。对于某些气体，对于预期的操作范围，可能不容易获得准确的热力学和流体力学行为。然而通过考虑操作流体的非理想热力学行为，可以改善稠密气体透平膨胀机的性能。这需要充分理解流体力学如何偏离理想气体行为以及每种特定流体和应用的可用热力学模型的能力和限制。稠密气体区域的膨胀通常涉及亚临界和超临界的流入条件，代表了中等到高热力学非理想性的情况。一些透平膨胀机需要通过更复杂的三维几何形状对真实气体流动进行实际模拟。

冷气透平膨胀机的一个案例研究

让我们以一个冷气透平膨胀机在气体回收过程中的应用为例。进气气体是一种混合气体，用于低温分离/回收过程。在该过程中，进气气体首先在一个换热器（冷盒）中冷却到约-50°C，部分冷凝了气体。然后，产生的气液混合物分离为液流和气流。分离器的液体流通过一个阀门，经历了从约63巴到约22巴的节流膨胀，这是一个等焓（恒定焓）过程，将流体的温度从约-50°C降低到约-80°C，并进入分离/回收塔。分离器的气流进入透平膨胀机，在约63巴到约22巴的等熵膨胀中，将其温度从约-50°C降低到约-90°C，并进入回收塔作为精馏回流。

从回收塔顶层的-90°C液体经过冷盒被加热到约0°C，同时冷却进气气体，然后返回回收塔的下部。回收塔底部的另一液体流（约2°C）通过冷盒返回回收塔，温度约为12°C。实际上，进气气体提供了重新沸腾回收塔底部所需的热量，而透平膨胀机冷却气流（以有用的功率形式移除热量），为塔顶部提供回流。

回收塔的顶部产物气体（约-90°C）是适用于下游工艺的纯净气体。这种气体经过冷盒，在冷却进气气体的同时被加热，然后在由透平膨胀机驱动的气体压缩机中被压缩，并在由电动机驱动的二级气体压缩机中进一步压缩。塔底部的产物在离开系统之前，通过冷盒被加热，同时冷却进气气体，成为可销售的副产品。