低溫透平膨脹機(jī)成長(zhǎng)的五十載

1、低溫透平膨脹機(jī)成長(zhǎng)的五十載一、前言中國(guó)空分制造業(yè)已經(jīng)經(jīng)過了整整五十年了?；仡櫸迨?，我國(guó)的空分行業(yè)從無到有，從仿造到自行開發(fā)研究，制氧容量從小型的幾十立方每小時(shí)到目前已經(jīng)能生產(chǎn)每小時(shí)三萬等級(jí)，從整套制氧機(jī)運(yùn)行需由三五個(gè)人手工操作發(fā)展到今天在控制室電腦屏幕前由一個(gè)人可對(duì)整套空分設(shè)備進(jìn)行操作，從流程上來說從一般簡(jiǎn)單節(jié)流流程已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在根據(jù)不同需要可采用不同流程：如正流膨脹流程、反流膨脹流程、增壓膨脹流程、內(nèi)壓縮流程等等。既能達(dá)到高的提取率又能節(jié)省能耗的新流程。低溫透平膨脹機(jī)是空分設(shè)備的心臟，它是空分設(shè)備中最主要的冷源。它的技術(shù)性能水平直接反映出空分設(shè)備的水準(zhǔn)。我國(guó)60年代初尚處于仿造當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)30

2、、40年代3350m3/h制氧機(jī)，其中配套的透平膨脹機(jī)還是沖動(dòng)式（反動(dòng)度為零）的型式，絕熱效率在70%左右。經(jīng)過這四十年的發(fā)展，我國(guó)的低溫透平膨脹機(jī)已經(jīng)從原只能仿造逐步發(fā)展成完全可以自行開發(fā)在空氣液化分離設(shè)備；石油氣大然氣的液化及分離；氮、氮?dú)怏w的液化；氮制冷設(shè)備；航空航天環(huán)境擬設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，為我國(guó)在冶金、化工、石化、核物理和航空航天事業(yè)上揮了重大的作用。二、我國(guó)低溫透平膨脹機(jī)發(fā)展的主要里程1、60年代初，在當(dāng)時(shí)的機(jī)械部的大力支持下，當(dāng)時(shí)杭州制氧機(jī)研究所第一副所長(zhǎng)陳大慈積極指導(dǎo)下，我們幾位剛畢業(yè)的大學(xué)生接受了開發(fā)低溫透平膨脹機(jī)的任務(wù)。在當(dāng)時(shí)缺乏資料情況下，通過不同途徑從各個(gè)方面收集相關(guān)資料

3、，開始了國(guó)內(nèi)首臺(tái)自行設(shè)計(jì)低溫透平膨脹機(jī)的研制，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。完成了噴咀相關(guān)閉對(duì)效率的影響試驗(yàn)；噴咀葉片高度對(duì)葉輪進(jìn)口葉高過蓋度對(duì)效率的影響試驗(yàn)；反動(dòng)度對(duì)效率的影響試驗(yàn)；制動(dòng)風(fēng)機(jī)對(duì)透平膨脹機(jī)的調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)；常溫與低溫對(duì)比效率試驗(yàn)等，并寫出了至今為止研究低溫透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)研究還有一定指導(dǎo)意義的單級(jí)向心式空氣透平膨脹機(jī)的試驗(yàn)研究學(xué)術(shù)論文。2、1970年我國(guó)首臺(tái)配自行設(shè)計(jì)中壓流程300m3/h制氧機(jī)的中壓透平膨脹機(jī)研制成功，為我國(guó)自行研發(fā)中壓透平膨脹機(jī)邁出了和一步。3、1979年研制成用于核物理研究的100L/h大型氮液化設(shè)備中二臺(tái)高速氮?dú)廨S承氮透平膨脹機(jī)（轉(zhuǎn)速分別為10.2X104r/m

4、in和12X104r/min）,填補(bǔ)了重大空白，其中采用了獨(dú)特的方法解決了理論和實(shí)踐證明是行之有效的關(guān)鍵穩(wěn)定性問題。寫出了氮透平膨脹機(jī)及其氣體軸承穩(wěn)定性試驗(yàn)研究論文，在1983年法國(guó)巴黎召開的第16屆國(guó)際制冷大會(huì)上宣讀，在國(guó)際同行中得到一致好評(píng)。這也是我國(guó)空分行業(yè)第一次在國(guó)際性會(huì)議上宣讀學(xué)術(shù)論文。4、1980年江西制氧機(jī)廠與西安交通大學(xué)合作研制成配150m3/h小空分的氣體軸承中壓透平膨脹機(jī)，至今全國(guó)配150m3/h制氧機(jī)幾乎全部都配上這種透平膨脹機(jī)代替活塞膨脹機(jī)。因?yàn)樗然钊叫蚀鬄樘岣撸?jié)電顯著，而且維修方便，占地面積小，噪音低。5、1985年，杭州制氧機(jī)研究所完成機(jī)械部下達(dá)的研制配進(jìn)口

5、的20L/h氮液化設(shè)備的2臺(tái)超高速高穩(wěn)定性的氣體軸承氮透平膨脹機(jī)（轉(zhuǎn)速分別為25X104r/min和36X104r/min）,為我國(guó)以后研制超高速氣體軸承透平膨脹機(jī)打下了良好的基礎(chǔ)。6、80年代初,杭州制氧機(jī)廠從彳惠國(guó)Linder公司（后為AtlasCopco公司）引進(jìn)了透平膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，這使我國(guó)在以后的透平膨脹機(jī)的整體水平（包括設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)控等方面）有了明顯的提高。特別是1987年杭州制氧機(jī)廠率先在國(guó)內(nèi)開發(fā)成功增壓膨脹流程6000m3/h空分設(shè)備中的增壓透平膨脹機(jī)，這不僅為節(jié)能型的增壓流程在我國(guó)予以實(shí)現(xiàn)，更使我國(guó)空分設(shè)備和透平膨脹機(jī)的技術(shù)又上了一個(gè)臺(tái)階。繼后10000、320

6、0、15000和30000m3/h空分設(shè)備等級(jí)的增壓透平膨脹機(jī)也前后研制成功。7、杭州制氧機(jī)廠在90年代初開發(fā)成高膨脹比（29.6）、大流量的中壓氮?dú)庠鰤和钙脚蛎洐C(jī)，其進(jìn)口壓力為3.7MPa（A）o由于其運(yùn)行穩(wěn)定、效率高、易耗件少、維修方便，取代了原三臺(tái)活塞膨脹機(jī)，收到了良好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了透平膨脹機(jī)高膨脹比的突破，為大型液體設(shè)備的流程實(shí)現(xiàn)了跨出了重要的一步。8、氣體軸承透平膨脹機(jī)在中小型空分設(shè)備和液化設(shè)備中應(yīng)用具有一定的優(yōu)勢(shì)，繼“150而h'空分設(shè)備氣體軸承透平膨脹機(jī)取代活塞式膨脹機(jī)后，90年代國(guó)內(nèi)又在300、800m3/h空分設(shè)備中，甚至在1000空分設(shè)備中也配用氣體軸承透

7、平膨脹機(jī)。杭州制氧機(jī)廠在90年代初還成功開發(fā)出集中了80三元葉輪、小型可調(diào)噴咀、增壓制動(dòng)風(fēng)機(jī)和氣體軸承四項(xiàng)新技術(shù)為一體的小型增壓透平膨脹機(jī)用于150L/h的液氧液氮設(shè)備中，獲得國(guó)內(nèi)外同行的贊賞。9、四川空分設(shè)備廠在80年代初研制成配7X104m3/d等級(jí)小型天然氣分離裝置的天然氣透平膨脹機(jī)。80年代中期四川空分廠和航空部609所都引進(jìn)了美國(guó)Rotoflow透平膨脹機(jī)技術(shù)。四川空分廠在80年代末90年代初又研制成配50X104m3/d等級(jí)的天然氣分離裝置的天然氣透平膨脹機(jī)。但從90年代以后，這方面軍發(fā)展不快，我國(guó)內(nèi)像150X104m3/d250X104m3/d等級(jí)的石油氣、天然氣分離裝置都從國(guó)外

8、大公司引進(jìn)設(shè)備的。三、體會(huì)1、要重視試驗(yàn)研究工作，培養(yǎng)自己解決實(shí)際問題的能力從本人從事低溫透平膨脹機(jī)試驗(yàn)研究四十年經(jīng)歷中深深的感受到試驗(yàn)研究工作的重要性，對(duì)每一個(gè)透平膨脹機(jī)研發(fā)人員來說，不僅要有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)，而在設(shè)計(jì)過程中很重要的一點(diǎn)，那就是不但會(huì)設(shè)計(jì)，而且要知道設(shè)計(jì)出來的圖紙是怎么制造出來（加工工藝）；還要知道設(shè)計(jì)好的整臺(tái)機(jī)組是怎么安裝起來的（裝配工藝）；還要了解透平膨脹機(jī)在空分設(shè)備中的地位，什么時(shí)候啟動(dòng)透平膨脹機(jī)，怎么啟動(dòng)，怎么配合空分設(shè)備調(diào)節(jié)冷量又能保證透平膨脹機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行等等，只有這樣要求自己，才能把自己培養(yǎng)成一個(gè)全面的研究開發(fā)人才。只有通過試驗(yàn)研究，提高感性認(rèn)識(shí)，再在

9、理論高度上給予總結(jié)，再來指導(dǎo)以后的開發(fā)，不斷提高解決實(shí)際問題的能力。從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的產(chǎn)品（技術(shù)），對(duì)我們是個(gè)學(xué)習(xí)的好機(jī)會(huì)，通過深入了解，學(xué)習(xí)他們的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法、合理的結(jié)構(gòu)，引進(jìn)到我們自己設(shè)計(jì)中來，這當(dāng)中，我們也不能迷信國(guó)外產(chǎn)品。我們通過長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究，總結(jié)了一定的經(jīng)驗(yàn)，有時(shí)我們幫助處理國(guó)外產(chǎn)品事故中，剛好國(guó)外產(chǎn)品中犯下了我們?cè)高^的錯(cuò)誤。這樣，用我們的經(jīng)驗(yàn)解決了國(guó)外產(chǎn)品的問題。本人在處理日本、英國(guó)和法國(guó)產(chǎn)品故障中就遇到過這種問題。同樣，我們?cè)诳吹搅藝?guó)外透平膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)常用為什么是這樣設(shè)計(jì)的？”來問自己，了解別人的設(shè)計(jì)意圖。只有這樣才能把國(guó)外先進(jìn)的、合理的、行之有效的設(shè)計(jì)方法引為我用，不

10、斷提高難度們的設(shè)計(jì)水平。我們有信心，在不久的將來，逐步使我們?cè)O(shè)計(jì)透平膨脹機(jī)水平達(dá)到、甚至超過國(guó)外先進(jìn)水平。2、要重視科技情報(bào)的收集我國(guó)工廠企業(yè)的技術(shù)人員，他們常常被日常的生產(chǎn)任務(wù)所牽制，不夠重視當(dāng)前國(guó)內(nèi)外同行的各種信息，不收集這方面的科技情報(bào)（如國(guó)內(nèi)外同行近期產(chǎn)品的資料和發(fā)展、趨向；國(guó)內(nèi)外相關(guān)的學(xué)術(shù)交流信息等）。這些都是我們搞研究開發(fā)所不可缺少的信息源泉。因?yàn)槲覀儾豢赡苁裁炊纪ㄟ^自己試驗(yàn)研究才能獲得研究結(jié)果的，更多的還是通過前人研究成果的基礎(chǔ)上再來發(fā)展，只有這樣才能達(dá)到又快又好又省的發(fā)展新產(chǎn)品、新技術(shù)。我們以前搞一項(xiàng)重大項(xiàng)目，在全國(guó)各地收集相關(guān)情報(bào)資料，有時(shí)找了幾十篇文章，找到了一條相關(guān)的信息

11、，結(jié)果可使我們少化幾萬元錢少化幾個(gè)月的時(shí)間不去做國(guó)外已經(jīng)做過的，而真正的更多更重要的還是要在網(wǎng)上以外的各種渠道收集資料。3、提高透平膨脹機(jī)絕熱效率的途徑四十年前，我們仿造蘇聯(lián)3350型制氧機(jī)的沖動(dòng)式透平膨脹機(jī)的絕熱效率在70%左右，在70年代末，我們自行設(shè)計(jì)的3350型制氧機(jī)的反動(dòng)式透平膨脹機(jī)效率在7880%,80年代初引進(jìn)德國(guó)Linder公司技術(shù)后，葉輪流道采用了準(zhǔn)三元設(shè)計(jì)，透平膨脹機(jī)效率在82%左右，到90年代初，引進(jìn)了美國(guó)NREC設(shè)計(jì)軟件及五座標(biāo)加工設(shè)備后，透平膨脹機(jī)絕熱效率可達(dá)到85%左右以上。然而，從本人多年的透平膨脹機(jī)的實(shí)際運(yùn)行觀察中，對(duì)不同的企業(yè)，甚至同一企業(yè)的不同的設(shè)計(jì)人員的設(shè)

12、計(jì)方法缺乏穩(wěn)定性，對(duì)同一等級(jí)的透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)中，有的設(shè)計(jì)出來的效率可很高，有時(shí)卻較低。現(xiàn)在我們?cè)O(shè)計(jì)人員只知道滿足總體流程的總要求即可了，而忽略了膨脹機(jī)本身有否達(dá)到要求，特別是效率的要求，更很少有人考慮此膨脹機(jī)還有潛力可挖的問題。例如，我在多年的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)許多透平膨脹機(jī)運(yùn)中的噴咀后壓力數(shù)據(jù)往往沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，有的甚至相差很多。我還觀察到噴咀后壓力越接近設(shè)計(jì)值的透平膨脹機(jī)絕熱效率越高，相差多的效率也就越低。這是我們透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)人員在提高絕熱效率中一個(gè)重要課題。4、關(guān)于石油氣、天然氣透平膨脹機(jī)石油氣、天然氣在我國(guó)有豐富的資料，而且還比較落后。因此石油氣、天然氣的分離和液化設(shè)備的開發(fā)在我國(guó)的巨大的

13、市場(chǎng)。而且至今國(guó)內(nèi)絕大部分的分離和液化天然氣裝置還是被國(guó)外的大公司所壟斷。這些設(shè)備最關(guān)鍵部機(jī)還是透平膨脹機(jī)。這種天然氣、石油氣透平膨脹機(jī)相對(duì)于空分設(shè)備中透平膨脹機(jī)有幾個(gè)重要的關(guān)鍵問題需解決：多組分熱力計(jì)算方法；單級(jí)大始降引出的高轉(zhuǎn)速葉輪的結(jié)構(gòu)及軸承穩(wěn)定性；帶液引出的復(fù)什葉型及侵蝕問題；高進(jìn)口壓力引出的巨大軸向力；可燃易爆氣體引出的高要求密封及各種防爆措施。此外還有天然氣、石油氣會(huì)溶解在透平膨脹機(jī)的潤(rùn)滑油中，時(shí)間長(zhǎng)后會(huì)引起潤(rùn)滑性能的下降。國(guó)內(nèi)主要是四川空分設(shè)備廠和航天部609所在70年代已經(jīng)進(jìn)行這方面透平膨脹機(jī)的研制工作，80年代已有配10X10450Xl04m3/d天然氣分離設(shè)備中透平膨脹機(jī)的

14、產(chǎn)品。80年代末，這兩單位前后從Rotoflow公司引進(jìn)了部分技術(shù)，這對(duì)提高我國(guó)天然氣、石油氣透平膨脹機(jī)的技術(shù)水平起到一定的作用，但從整體來看，與國(guó)外一些先進(jìn)水平還存在較大的差距。應(yīng)該說，石油氣、天然氣透平膨脹機(jī)是難度最大的一種透平膨脹機(jī)，它集中了透平膨脹機(jī)各個(gè)方面的難點(diǎn)。在60、70年代來進(jìn)行這種透平膨脹機(jī)的研制困難是非常大的。然而，通過三四十年的探索和國(guó)外部分技術(shù)的引進(jìn)，相關(guān)科學(xué)的發(fā)展，特別是國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)軟件（NREC）和加工硬件（五座標(biāo)數(shù)控加工機(jī)床）的引進(jìn)，無疑這些為天然氣透平膨脹機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的解決提供了有利的條件。至今，有理由說，如果在石油氣、天然氣透平膨脹機(jī)上有所突破，實(shí)際上將為空分

15、設(shè)備上用的透平膨脹機(jī)的先進(jìn)性和穩(wěn)定性提供了可*的保證。所以，我認(rèn)為攻克天然氣、石油氣透平膨脹機(jī)的關(guān)鍵作為提高透平膨脹機(jī)總水平的目標(biāo)來抓。5、關(guān)于氣體軸承透平膨脹機(jī)在空分設(shè)備中的應(yīng)用問題這一問題曾在一段時(shí)期引起一些爭(zhēng)論。根據(jù)本人從事透平膨脹機(jī)中氣體軸承及其穩(wěn)定性研究近三十年的經(jīng)驗(yàn)，談一些看法。(1)由于氣體相對(duì)潤(rùn)滑油來說粘度極小在極低溫場(chǎng)合下，特別能發(fā)揮其特長(zhǎng)，如液氮、液氮、液氫設(shè)備中的應(yīng)用，不僅解決了低溫軸承不發(fā)熱，不污染介質(zhì)，而且還解決了密封問題(軸承氣、透平介質(zhì)和制動(dòng)風(fēng)機(jī)介質(zhì)均為同一種氣體)，因此，在這些特殊領(lǐng)域內(nèi)在國(guó)外已普遍應(yīng)用，國(guó)內(nèi)目前也類同。(2)在空分設(shè)備中透平膨脹機(jī)應(yīng)用氣體軸承問

16、題我認(rèn)為在二種場(chǎng)合可加以考慮的，一是在中小型空分設(shè)備為了降低能耗指標(biāo)，而采用增壓膨脹流程時(shí)，按普通油軸承在透平膨脹機(jī)要耗功810KW，這樣，透平發(fā)出功率增壓制動(dòng)風(fēng)機(jī)已經(jīng)沒有什么意義了，而采用氣體軸承后，氣體軸承耗功只有0.2kW左右，這樣幾乎可以把透平發(fā)出全部功率去制動(dòng)風(fēng)機(jī)增壓上。因此，這種透平膨脹機(jī)因其流量不太大，透平絕熱效率不是很高，然而它的功轉(zhuǎn)換率卻是很高。這就是說明應(yīng)用氣體軸承透平膨脹機(jī)在中小型空分設(shè)備中采用增壓膨脹流程成為現(xiàn)實(shí)的主要原因。杭州制氧機(jī)廠的150升/時(shí)液氮液氧設(shè)備、1000、350m3/h空分設(shè)備就是例子。二是在生產(chǎn)高純度氣體的分離或液化設(shè)備中采用氣體軸承透平膨脹機(jī)有利于

17、系統(tǒng)純度的保證。(3)空分設(shè)備中透平膨脹機(jī)上用的氣體軸承穩(wěn)定性問題1）中小型空分設(shè)備中透平膨脹機(jī)上采用氣體軸承完全是可能的。而且設(shè)計(jì)得合理，在三五年內(nèi)不出故障是完全可能的。我們?cè)?jīng)幫助一廠家搶修過一臺(tái)進(jìn)口的氣體軸承透平膨脹機(jī)，找出了原故障原因，經(jīng)過改進(jìn)，并幫助重新造了一臺(tái)，結(jié)果，這臺(tái)氣體軸承透平膨脹機(jī)因生產(chǎn)需要，每半個(gè)月左右需停幾天再啟動(dòng)，而且每次啟動(dòng)時(shí)，總需在35秒種轉(zhuǎn)速快速升到5X10-4r/min以上，這臺(tái)透平已穩(wěn)定運(yùn)行五年以上不出故障。2）在空分設(shè)備中應(yīng)用氣體軸承透平膨脹機(jī)應(yīng)配有可*的安全措施（軸承氣的上下限壓力等）和合理的流程相結(jié)合。我們?cè)鵀榱硪粡S家解決進(jìn)口空分設(shè)備的氣體軸承透平膨脹機(jī)故障時(shí)，發(fā)現(xiàn)原因外技術(shù)人員來現(xiàn)場(chǎng)試車二次都因氣體軸承故障未試成功，我們到現(xiàn)場(chǎng)后經(jīng)過仔細(xì)了解、分析、發(fā)現(xiàn)該流程設(shè)計(jì)對(duì)氣體軸承運(yùn)行穩(wěn)定性不利，后