2 t/d 氢液化系统用氦透平膨胀机测试

周楷淼 陈 良 林泓翰 李山峰 赵 康 陈双涛 侯 予*

(1 西安交通大学能源与动力工程学院 710049 西安)

(2 北京航天试验技术研究所 100074 北京)

1 引言

氦透平膨胀机可以满足深低温(20 K 以下)的大冷量需求,已经被广泛地运用于大科学装置中以提供低温环境,例如核聚变托卡马克[1-2]、质子加速器[3]和超导系统[4]等。除此之外,氦透平膨胀机还被用在液化装置中以液化沸点极低的气体,例如氦气[5]和氢气[6]。氦透平膨胀机是深低温装置中制冷的核心部件,对设备的效率和可靠性有重要影响。

透平膨胀机的工作原理是利用工质流动的速度变化将工质的内能转化为轴功输出,降低工质自身的温度[7]。由于氦气是沸点最低的气体(4.2 K),氦透平膨胀机实验和性能测试的主要难点在于对低温环境的需求。采用液氮预冷可以达到80 K 温区,而极低温环境一般由膨胀机自身冷量提供[8]。

氦透平膨胀机的研究在国内外受到广泛关注。在实验研究方面,中国科学院理化所孙郁等为中国散裂中子源装置(CSNC)测试了一台99 g/s 的氦透平膨胀机,进口温度和压力分别为23.97 K 和6.34 ×105Pa,效率72%[3];中国科学院等离子所张启勇等为EAST 系统测试的氦透平膨胀机流量达到114.6 g/s,进口温度和压力分别为20.52K 和5.53 ×105Pa,效率61.17%[9]。Jadhav 等通过实验对比测试两台43 g/s 的氦透平膨胀机,择优用于氦液化装置[5]。Ke 等通过测试研究了设计流量18.62 g/s 的氦透平膨胀机不同定制动功率下的降温过程[10]。而随着大科学装置和大型液化设备的发展,对应氦透平膨胀机的流量和冷量也越来越大。

为测试一台由西安交通大学和北京航天试验技术研究所联合研发的2 t/d 氢液化系统用氦透平膨胀机,本研究设计和搭建了一个流量范围广、适合于大流量工况的低温实验台,测试温度为常温到液氢温区;进一步对透平膨胀机开展了初步实验,验证了实验台适用性,并获得了深低温氦透平膨胀机的降温特性。

2 实验系统布置方案

图1 显示了低温氦透平膨胀机综合性能实验台的流程图。该实验平台主要由5 个部分组成:氦气供气系统、冷箱单元(含液氮预冷系统和膨胀机系统)、制动风机闭式循环系统和轴承气系统。

图1 实验台系统流程图Fig.1 Flow chart of test rig system

低温氦透平膨胀机综合性能实验台的主要目的是提供膨胀机运行工况下的低温环境,在本设计中通过冷箱单元内的液氮预冷系统和膨胀机系统实现。液氮预冷系统将来流氦气预冷至80 K 温区,更低温区的冷量则由膨胀机自身提供。冷箱单元中包括膨胀机和两台低温换热器,膨胀机进出口氦气在此换热,即利用膨胀机自身冷量创造低温环境。在实验测试中,可根据实际情况选择是否启用液氮预冷系统,如测试膨胀机常温至低温过程降温性能,则无需使用液氮预冷。冷箱换热器中还配备有加热器,以实现控制、调节和维持膨胀机测试点的温度状态。

冷箱外单元主要是为冷箱单元提供洁净、可靠的压力气源。在氦气供气系统中,氦气源和系统回收氦气经螺杆压缩机升压和过滤后,可满足450 g/s 流量、最高压力1.1 MPa 的氦低温透平膨胀机的测试需求。对于采用制动风机制动的氦透平膨胀机,本试验台将制动风机进出口连接成一个循环,减少氦气的消耗。制动风机系统中包含一个水冷换热器,以带走产生的热量,使制动风机的进口温度可以维持在环境温度;压力控制方面,制动风机回路的流道很长,可用作缓冲器,以保持压力稳定;还配备一个排空阀以调节压力。轴承供气系统则是为膨胀机提供稳定的轴承气和密封气,进出口压力通过调节阀阀控制。

低温氦透平膨胀机实验台性能测试包括温度、压力、流量和转速等。温度采用电阻温度传感器测量,量程为4—340 K,最大测量误差为±0.3 K;压力采用压力变送器测量,量程为0—1.6 MPa,测量精度为0.075%F.S;转速采用磁电传感器测量,量程为1.5 ×103—210 ×103r/min,测量精度为0.005%F.S;流量采用质量流量计测量,量程为0—620 g/s,测量精度为2.5% F.S。低温氦透平膨胀机实验台如图2所示。

图2 实验台实景图Fig.2 Scene photograph of test rig

3 氦透平膨胀机测试方案

3.1 测试对象

在搭建的氦低温透平膨胀机综合性能测试平台上对一台深低温氦透平膨胀机的降温性能进行了测试,膨胀机设计参数如表1 所示。该低温氦透平膨胀机应用于基于氦逆布雷顿循环的2 t/d 的氢气液化装置中,液化系统简化流程图如图3 所示。测试的是氢液化系统中的第一级氦透平膨胀机。该膨胀机使用气体轴承,径向为箔片动压轴承、止推为小孔供气静压轴承,膨胀机主机如图4 所示。

表1 氦透平膨胀机设计参数Table 1 Design parameters of helium turbo-expander

图3 基于氦逆布雷顿循环的2t/d 氢气液化装置流程图Fig.3 Flow chart of a 2 t/d hydrogen liquefaction plant based on helium reserve Brayton cycle

图4 被测氦低温透平膨胀机Fig.4 Tested helium cryogenic turbo-expander

3.2 测试方案

本测试目标为实现氦透平膨胀机从常温利用自身冷量降温至设计温度,并测试整个降温过程中透平膨胀机的性能特性。由于氦透平膨胀机的设计参数中压力较高,对应设计点的制动风机进气压力为0.68 MPa,若采用定制动功率的控制方法,即制动压力和转速均保持在设计点,则会引起膨胀机轴向力过大和效率过低的问题[11]。因此,本测试方案采用变制动压力的方法,即在降温过程中,随着膨胀机进出口压力升高、进口温度降低,逐渐升高制动压力。

增大膨胀机入口压力会提高转速,而增大膨胀机出口压力、降低膨胀机入口温度或增大制动鼓风机压力都会降低转速[11]。考虑到实际情况和操作难度,膨胀机降温过程分为以下3 个阶段:启动阶段、稳定冷却增压阶段和工况实验阶段。

启动阶段:制动风机的进口压力在启动时设置为0.26 MPa,既可防止压力过高时轴向力过大,又同时防止压力过低时膨胀机超速;随着膨胀机进口压力逐渐升高,膨胀机速度达到设计值69 000 r/min。

稳定冷却增压阶段:达到设定转速后,膨胀机进口压力仍未达到设计点,需调节背压和膨胀机进出口压力,同步升高膨胀机制动压力,控制膨胀机转速稳定在设计值附近,直至降温至设计温度。

工况实验阶段:当膨胀机的进口温度经自冷冷至设计温度后,膨胀机的冷量是大于冷却进口气流所需的,此时需要启动加热器反馈,使膨胀机进口温度和压力稳定在设计值,进行设计工况实验。

4 测试结果

在搭建的低温氦透平膨胀机实验台上,对这台氦透平膨胀机完成了多次测试,实现了膨胀机利用自身冷量从常温降低到设计温度的全过程。

膨胀机启动时长为36 min,调节背压达到稳定状态时间为52 min。如图5 所示,膨胀机进口温度历时378 min 从278.2 K 降低至设计点48.9 K。在启动和控制加热器后,进口温度维持该温度点附近。膨胀机流量随温度降低和压力升高而增长,最大流量达到333.3 g/s。实验台冷箱绝热效果好、换热器效率高、透平膨胀机运行高效稳定,保障了系统的高效运行,也充分体现了透平膨胀机在大冷量快速制冷方面的优势。

图5 膨胀机进出口温度及流量变化Fig.5 Variations of expander inlet and outlet temperatures and flow rate

实验过程中,采用变制动压力和同步调节膨胀机进出口压力与背压的控制方法,膨胀机始终保持在设计转速附近,如图6 所示。在100 min 左右,通过压力控制方法提升膨胀机转速,超速最高达72 995 r/min,膨胀机运行平稳,验证了氦气体轴承高速透平的可靠性。膨胀机达到设计工况后,控制膨胀机进口压力,保障膨胀机在低温设计工况下稳定运转。

图6 膨胀机进出口压力及制动压力变化Fig.6 Variations of expander inlet and outlet pressures and brake pressure

由于被测氦透平膨胀机膨胀侧和风机侧的压力高,变化范围大,轴向力在变工况条件下变化较大。实验中曾出现在启动阶段,制动压力过低时膨胀机超速,以及过高时膨胀机轴向力过大无法启动的情况。在降温过程中,制动压力不合适也会导致转子不稳定。因此,区别于传统的定制动压力的方法,本实验采用了变制动压力的控制方法。制动压力控制在膨胀侧进出口压力之间,实现了变工况运行。变制动压力的控制方法被证实在控制低温氦透平膨胀机大范围稳定降温时,具有可行性。

特性比,即工作轮轮缘速度与膨胀机等熵速度之比,是膨胀机的一个重要设计参数[12]。由于氦气透平膨胀机高温区焓降远高于低温区,当转速基本维持不变时,随着温度降低、膨胀机等熵速度减小,特性比逐渐增大。在膨胀机进口温度达到设计温度时,膨胀机的特性比靠近设计值。膨胀机效率随特征比的变化如图7 所示,膨胀机效率随特性比增大而升高,当特性比达到0.672 时,出现最大效率点78.83%;过此点后,膨胀机效率有所降低。在本研究中,氦透平膨胀机的特征比的设计值为0.665、设计效率79.3%,与实验结果符合较好。

图7 效率与特性比关系Fig.7 Relationship between efficiency and characteristic ratio

5 结论

论文搭建了大流量深低温氦透平膨胀机综合性能实验台,并在该实验台上对一台2 t/d 氢液化系统用气体轴承氦透平膨胀机的机械性能及热力性能展开了初步实验,得到以下结论:

(1)氦透平膨胀机综合性能实验台运行情况良好,可实现大流量、深低温区的氦透平膨胀机的实验测试,为中国大型氢液化装置的研制提供了良好的测试条件。

(2)自主设计研发的氦气体轴承透平膨胀机性能优异,最高转速可达72 900 r/min,流量333.3 g/s,最高等熵效率78.83%。

(3)氦透平膨胀机大温区跨度下的变工况实验,难度较大。本实验中采用了变制动压力的控制方法,实现了全温区设计转速(69 000 r/min)稳定运转,用时378 min 从常温快速降温至设计温度,实现大流量和大冷量的功能。

(4)透平膨胀机特性比与等熵效率关系图验证了该深低温、大流量透平膨胀机设计的正确性和先进性,为2 t/d 的氢气液化装置的实现和高效运行提供了保障。