红压深冷进口膨胀机增压扩能技术分析与应用.pdf

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1、红压深冷进口膨胀机增压扩能技术分析与应用方晓庆(天然气分公司油气加工九大队，黑龙江大庆163000)摘要：红压深冷装置膨胀机组自投产以来存在膨胀机处理气量小，同轴增压机增压能力不足的问题，影响装置制冷深度和干气外输。通过开展红压深冷进口膨胀机增压扩能技术分析与科研攻关，对膨胀机组进行了结构与性能分析研究，制定了解决方案，对机组转子部件进行改造，重新设计制造了主轴、叶轮、密封盘、轴承等部件。改造后，膨胀机处理能力与增压机增压能力均明显提高，可进一步降低装置制冷温度，年可增产轻烃2900吨，同时丙烷机负荷可相应降低，年可节电90．6万千瓦时。关键词：膨胀机；增压扩能；处理量；增产节能天然气分公

2、司红压深冷装置膨胀机组是美国玛菲川崎公司生产的透平式膨胀机，规格型号为EC2—576。机组设计处理气量38000m3／h，工作转速43500r／rain，膨胀端设计入口压力4．39MPa，出口压力为0．95MPa；压缩端设计入口压力为0．8MPa，出口压力为1．23MPa。机组自2003年投产以来，存在处理气量偏小，增压机增压能力不足等问题，针对以上问题，分公司立项与国内膨胀机专业生产厂家合作，成立研究小组，开展红压深冷进口膨胀机增压扩能科研攻关，对膨胀机组内部结构进行改造，提高膨胀机处理能力与增压机增压能力。1透平膨胀机的结构及工作原理1．1透平膨胀机的结构膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时

3、向外输出机械功使气体温度降低的原理以获得冷量的机械。透平膨胀机主要由流通部分、机体部分和制动器三部分组成，其中流通部分包括冷端蜗壳、喷咀、膨胀叶轮、扩压器等，机体部分包括机身、轴承、密封等部件，制动器一般为增压机，包括增压端蜗壳、增压端叶轮及扩压器。膨胀端叶轮、增压端叶轮和主轴组装在一起组成的旋转部件称为转子。1．2膨胀机的工作原理根据热力学第一定律Q=Ah-W，透平膨胀机内介质的膨胀过程是可以看成接近绝热等熵膨胀过程，即Q=0，W=△h，因△h=C-，△T，C，为定压比热，是一个常数，即在绝热过程中，工质(天然气)对外所做的膨胀功等于工质的焓降。温度随焓的降低而降低，即达到了制冷的目的。

4、具体来讲，进入膨胀机蜗壳的高压气流通过喷咀时由于减压膨胀而使焓值降低，即使压力、温度下降，这些焓降转变成气流的动能，使在喷咀出口处气流获得巨大的速度，喷咀出来的高速气流通过膨胀轮后进一步膨胀，压力降低、温度降低、速度降低。并且气流的速度大小、方向发生变化。即进出1：1动量矩发生变化，气体对膨胀轮作功，通过轴输出，也就是转化为机械能并带动增压机使气体增压。在膨胀端的出口安装有流道截面逐渐变大的扩压器，由于在膨胀轮中气体进一步膨胀，工作轮出IZl速度比进口相对速度大得多，一般可达45—70m／s。扩压器将气体动能转换成压力能，使速度降N5—10m／s，减少流动损失，此时出口压力稍有回升。2问题

5、分析及改造措施2．1存在问题红压深冷进口膨胀机组存在两个问题：一是膨胀端处理气量偏小。设计处理气量38000m3／h，实际运行中气量达到25000m3／h时，膨胀机转速就接近跳车值50100rpm，为保证膨胀机运行，多余气量只能通过卜T阀旁路进入塔顶，影响制冷深度；二是同轴压缩机增压能力不足。按照设计压缩机可增压0．43MPa，实际运行中只能增压0．15MPa左右，夏季外输管网压力高时，装置气外输困难，只能通过提高脱甲烷塔塔压来外输天然气，影响装置轻烃产量。2．2原因分析根据透平膨胀机结构和工作原理，增压机叶轮做功对膨胀端叶轮旋转具有制动作用，制动作用越小，增压机做功越少，膨胀端输出的的膨

6、胀功越少，气体的焓降就越小，则膨胀端通气量就小。因此，分析认为该机组增压机做功能力偏小是机组处理气量偏低的主要原因。2．3改造措施根据以上分析，研究小组与厂家合作，对原机组气体流通部件进行测绘，应用分析软件CFD-ACE对膨胀机组的气体流通部件进行模拟计算，对机组综合性能进行分析。通过模拟计算，验证了机组同轴增压机叶轮做功能力偏小这个结论。根据综合分析和计算结果，需要对机组进行一定的改造，增大增压机的做功能力。为了尽量减小投资，采取了不改变原进口膨胀机组的膨胀机蜗壳、喷咀、增压机蜗壳及供油系统、密封气系统、控制系统等，只改造膨胀机机芯部分的方案。具体改造工作量为：重新设计制造增压端叶轮和膨

7、胀端叶轮，改变增压端叶轮的叶型，增加增压轮做功能力；将原空心轴改造为实心轴，降低主轴加工难度；将与叶轮配合主轴由圆锥截面(配4个键传递扭力)改为三棱锥截面，提高转子扭力；配套改造机组轴承和叶轮轮背密封，提高机组效率；重新核算转子轴向力、校核主轴、叶轮、轴承等部件的强度，使改造后的机组2016年5月化，彳鳕l71能满足安全生产需要。3改造效果考核2012年6月，在深冷装置来气量比较充足的条件下，研究小组对改造后膨胀机组的4