透平膨胀压缩机的操作与维护

雷志华

摘要：随着天然气工业和制冷技术的发展，膨胀机组得到广泛应用，已成为天然气加工核心设备，文章介绍了膨胀压缩机的工作原理、结构、基本操作步骤、故障处理以及维护要点等。膨胀压缩机平稳、安全运行，可促进节能降耗和经济效益大幅提高。

关键词：透平膨胀压缩机；密封气系统；润滑油系统

中图分类号：TH452

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)04-0108-03

透平膨胀机是空气分离设备及天然气(石油气)液化分离设备和低温粉碎设备等获取冷量所必需的关键设备，是保证整套设备稳定运行的心脏。随着天然气工业和制冷技术的发展，膨胀机组的广泛应用，给天然气加工行业带来丰厚利润，反之又促进膨胀机技术迅速提升，更利于节能降耗和绿色生产。目前，以美国和德国的技术、设备较为先进。某厂采用的膨胀／压缩机就是由美国MAFI公司制造的EC3.0型透平膨胀／压缩机，该机组为径向反作用开式叶轮透平膨胀制冷机，并驱动同轴的离心式压缩机，其额定转速为29000rpm，膨胀机功率为645KW，压缩机功率为649KW，膨胀机功率为84KW，压缩机功率为78KW，膨胀比为2.87，压缩比为1.44，膨胀机进、出口温度设计值为-40℃／-80℃。

一、工作原理

透平膨胀机工作原理是利用绝热等熵膨胀原理，依靠膨胀机进出口压差，气体通过叶轮周围的可调喷嘴，使进入膨胀机的气相均匀吹动叶轮高速旋转，气流对叶轮做功，气体原有的压力能经过不可逆绝热膨胀变为动能，实现气体能量转换，气体压力和温度降低而强烈地被冷却，达到制冷目的，叶轮获得的动能通过轴转化为机械能，驱动其他装置并实现对外做功。绝热效率越高，越接近干等熵膨胀过程。因透平膨胀机由于有喷嘴损失、叶轮损失、余速损失、轮盘摩擦损失、泄漏损失、窜流损失和外热侵入损失，一般绝热效率为：中压膨胀机65％～75％，低压膨胀机75％～85％。20世纪60年代已制成带液膨胀机，大多用于天然气分离行业。

二、透平膨胀压缩机基本结构

机组包括膨胀部分(包括进出口法兰)、总成部分(中心段)、压缩部分(包括进出口法兰)，如图1所示

(一)膨胀部分

1．可调入口导向叶片。入口导向叶片可以调节进入透平膨胀机的质量流量，它的设计可以提供高效和较大的调节范围。它使用了一项带有压力驱动的密封环(压力环)技术，能防止侧面泄漏和喷嘴磨损。该装置能在进口压力达到最大时仍能正常工作，而且能调节来气流量，范围可从0到设计流量的125％。一个气动活塞执行器和积分定位器控制导向叶片的开度，气动信号使执行器调节导向叶片打开来调节流程工艺条件的变化。

2．膨胀机叶轮。膨压机叶轮是由坚固的金属板、条或锻件加工而成，使其达到最大的强度和安全性。设计参数(如压力载荷、钻孔数量等)都是由专业软件严格计算得出的。带有可调导向叶片的放射状的叶轮，可提供高效和较大的操作范围。经过对叶轮刀片角度、周线的仔细调整，优化了压缩机的空气动力学性能。出厂前每个叶轮都做了轮面和刀片的共振测试。MAFI-TRENCH膨胀压缩机在速度从0到正常速度之间的任何时候都不会产生共振。

(二)总成部分(中心段)

1．轴。透平膨胀压缩机轴转动处在一次弯曲临界速度和产生扭转共振的速度之下。振动探头附近的轴段，采用火焰喷涂的铝合金涂层，以消除电气对轴的影响。这项技术被广泛用在膨胀压缩机上，并且都获得了成功。轴与叶轮连接的部分为特殊的锥形，带有圆柱形的键和键槽，这种设计能避免压力负荷集中到花键和键槽中。此外，轴与叶轮相连接的锥形尾部中有一根承压拉伸杆，装配时已预先加上了应力。这样，就能保证在所有极端的温度、速度下，轴受到恒定的载荷，轴和叶轮始终保持正确的接触，不至于发生过紧或松脱现象。

2．轴密封。轴密封采用迷宫型，使密封气泄漏最少，它是把一个可替换不锈钢转动迷宫和一个纤维加固的树脂密封圈连接在一起。密封接触的结果是将树脂磨成预先定好尺寸，可防止其他转动部件的损坏。因为轴的对称性，膨胀机和压缩机的密封是可以互换的。

3．轴承。放射状轴承采用MAFI-TRENCH的标准的五凸叶式设计可以满足高速状态下的需要。每个轴承中分别埋有一个双重电阻式温度探头，来探测温度以及对可能造成的轴承损坏进行报警。在低温单元，这种温度探头可以用作轴承冻结的报警和启动前的一项检查条件，只有当它的温度达到要求后，才能启动。

推力轴承需要使转动轴保持在一个相对稳定的位置，偏差要在允许的范围内。我们采用的是一个带轴颈的完整固定锥形轴承。设计要求轴向两边的推力要平衡。在每个轴承表面有一个压力感应装置，能检测轴承推力。这些压力信号传送给推力自动平衡系统(ATE)来调节推力。

4．轴向推力自动平衡系统。在推力自动平衡系统的控制下，轴承推力能够得到较好的控制。每个轴承的推力压力信号传递给活塞的相反两侧。阀门通过调节压缩机叶轮背面的压力来调节轴推力。油压通过轴承推力表面的小孔传到推力平衡系统的各自空腔中，用推力平衡活塞控制闸阀来调节压缩机叶轮背面压力，平衡推力使其在可接受的程度上。

5．壳体密封。机组壳体密封使用的是特氟龙材料(带弹簧)，由压力驱动，密封不是靠壳体螺栓的扭矩，非常可靠。其余内部零件密封采用合成橡胶O型密封圈。

(三)压缩部分

1．压缩机叶轮：类似膨胀机叶轮。

2．压缩机扩压器：压缩端入口呈锥形，具有良好的流体动力性能，出口是无叶片式扩压器，能在各设计工况下提供绝好的性能。

三、膨胀压缩机操作

透平膨胀压缩机属于高精设备，运行条件比较苛刻。在工程完工后，必须对所有管道彻底吹扫、置换，排除管道中的焊渣、灰尘、油污和湿气；设备与管道要可靠连接。常规检查包括过滤器、蓄能器压力、润滑油、仪表参数设置和试验、安全阀、防喘振阀、电加热器以及工艺阀门的开关状态等。从膨胀机初次启动到全厂温度／压力正常、相关设备稳定，通常需要持续几周的时间，需要精细操作。

膨胀压缩机启动基本步骤分三步：

(一)密封气系统启动

启动时，利用密封气系统吹扫透平膨胀压缩机及润滑油箱，给膨压机壳体部分充压，打开膨压机壳体排放阀来吹扫壳体。大概五分钟之后，关上排放阀。同时密切监控膨胀压缩机壳体压力。当膨胀机壳体压力达到设计出口压力或压缩机壳体压力达到设计入口压力时，打开膨胀机出口关断阀和压缩机人口关断阀，调整密封气压力到设定值(备注：壳体充压至和密封气最大供给压力相同时，再打开膨胀机出口关断阀)。

(二)润滑油系统启动

为了避免污染工艺气体，密封气压力和流量一定要在润滑油系统启动之前建立起来。检查润滑油温度，至少要在20℃(68°F)以上启动滑油泵，缓慢给系统升压，建立正常

润滑油压力，注意油温的变化，有异常应及时查找原因和处理。先投用电加热器，设定好参数；每套装置有2台润滑油泵，操作有手动，关闭／自动三挡，正常操作时。将一台打在手动位置，另一台定在自动位置(如果油压下降，备用泵随时启动)，手动启动后保持足够的循环时间，回油温度至少要达到38℃(100°F)，并检查透平膨胀压缩机机壳是否进入润滑油。

(三)膨胀压缩机启动

检查密封气系统和滑油系统有无报警。检查工艺阀门的开关状态，使其处于正常位置。将膨胀机组加载站三通阀扳至手动位置，卸载空气调压阀。完全关闭膨胀机人口导向叶片(如果没有安装防喘振控制系统，则完全打开压缩机旁通)，打开膨胀机出口阀，缓慢打开膨胀机入口阀门，机组将会缓慢进气，通过提高叶片调节器的空气压力来调节机组转速，其转速加快，流经J-T阀门的气体逐渐减少，当塔器压力调节器和叶片调节器压力平衡时，将三通阀扳至自动位置，塔器压力调节器自动控制调节膨胀机叶片调节器位置，此时全部气体通过膨胀机，J-T阀门关闭。然后缓慢关闭压缩机端的回流阀门，当气体全部流经压缩机后，把回流阀设在自动位置，确保稳定运行，避免压缩机喘振。

四、常见故障排除

五、透平膨胀压缩机维护要点

透平膨胀压缩机是我厂的核心设备，它的正常运行与否将直接影响到丙丁烷收率(即对副产品回收效益)。透平膨胀机的作用就是利用原料气的压力通过等熵膨胀来获得低温，以进行后续的深冷分离。其最大特点就是转速高，正因为转速高，所以操作要求特别高，稍有出错，都可能对设备造成致命损坏。投产运行后，我们摸索总结了下列维护要点：

1．启动前，膨胀压缩机的壳体必须排液，防止液体存在(其来源有原料气中冷凝的重组分或发生跑油后的润滑油)。严禁固体或碎屑存在，以及低温下会冻结的水分、二氧化碳的存在，因为膨胀机在高速运转中固体物质或冰的存在会对膨胀机的叶轮和机壳造成磨损，最终影响其正常运行和使用寿命，所以在正常运行过程中保证膨胀机入口管线上安装的过滤网正常，装置前面的分子筛脱水效果良好及原料气中的二氧化碳的含量小于1％(如果大于1％，需要增加二氧化碳脱除装置)。一旦设备带液，应迅速降低膨胀机组转速或停止运行，并及时打开蜗壳吹扫，排清液体，同时设法提高机组的进口气体温度。

2．启车前，先投运密封气，再投用润滑油系统，停车则相反，不可颠倒，防止跑油现象。

3．当压缩机的负载在设计值的75％以下时，可能发生喘振现象，平时要注意防喘振阀门的开度及防喘振控制器的工作情况，启动时也要特别注意此阀门应在全开的位置。一旦发生喘振超过10～15分钟，就会毁坏膨胀压缩机的轴承。

4．定期检查轴承的润滑油黏度：由于膨胀压缩机运行至今，润滑部位间隙加大，造成单台润滑油无法形成正常的供油压差，因此可采用2台润滑油机泵同时运行的模式。另外，密封气选用的是湿气，其中的重组分可能冷凝，与润滑油互溶，造成黏度下降，压差降低。因此当润滑油压差下降就要及时化验润滑油的黏度，以决定是否更换润滑油。

5．定期检查缓冲罐的气囊压力。起稳压和提供润滑油的作用。

6．J-T运行模式与膨胀压缩机模式切换一定要平稳，减少设备内部各个系统的波动，减少磨损及飞车事故的发生。

7．膨胀压缩机对轴推力平衡要求严格，必须严格控制在适当范围内，平时注意膨胀侧推力盘压力表与压缩侧推力盘压力的差值，以确定推力平衡阀是否处于正常工作状态，保证膨胀机的正常工作。

8．在运行期间尽量减少转速的波动，基本控制在±200rpm内，以减少磨损，延长使用寿命。

随着透平膨胀压缩机运行时间的加长，也可能发生各种各样不可预料的故障，如PLC故障(电源模块的故障率较高)等，需要每次详细记录、分析和排除故障，同时加强平时的巡检、维护工作。作为厂区的核心设备，不仅仅是设备、经济效益问题，还涉及人员、环保等社会效应问题，需建立环保、和谐、友好型企业。