膨胀机

膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时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。 膨胀机常用于深低温设备中。膨胀机按运动形式和结构分为活塞膨胀机和透平膨胀机两类。活塞膨胀机主要适用于高压力比和小流量的中小型高、中压深低温设备。

膨胀机概述图

工作原理
当气体具有一定的压力和温度时，就具有由压力而体现的势能和由温度所体现的动能，这两种能量总称为内能。膨胀机主要的作用是利用气体在膨胀机内进行绝热膨胀对外做功消耗气体本身的内能，使气体的压力和温度大幅度降低达到制冷与降温的目的。

主要工作
膨胀机的主要工作在喷嘴及叶轮中完成，当高速、低温的气体通过叶轮通道时，由于叶轮高速转动，使气体速度很快下降。同时，气体在不断变大的通道中流动时，因为压力与速度下降使气体内能降低，气体温度进一步大幅度降低，达到降温与制冷的目的。由于膨胀机叶轮的飞速转动，带动了与膨胀机叶轮在同一轴上另一端的压缩机叶轮转动，压缩机叶轮的转动压缩了通过增压机叶轮的气体，压缩机叶轮不仅压缩了气体、利用了膨胀机发出的功率，同时控制了膨胀机的转速。

特点
膨胀机与活塞膨胀机相比，具有流量大、结构简单、体积小、效率高和运转周期长等特点，适用于大中型深低温设备。

常见分类

活塞型

使气体在可变容积中膨胀，输出外功制冷的膨胀机(通常由电动机制动吸收外功)。这种膨胀机分立式和卧式两种。采用较多的是立式结构，曲轴、连杆、十字头、活塞、进气阀和排气阀等是运动件，分别装在机身、气缸和中间座中，其作用近似于往复活塞压缩机，但其进、排气阀系借进、排气凸轮定时启闭。活塞膨胀机由于存在进、排气阀流动阻力、不完全膨胀、摩擦热、外热与内部热交换等引起的冷量损失，一般绝热效率为：高压膨胀机65～85%，中压膨胀机60～70%。20世纪50年代相继出现的不用凸轮传动机构的无阀和单阀膨胀机，减少了膨胀机的运动件，提高了机器运转可靠性，已在小型深低温设备上得到广泛的应用。60年代，采用加填充剂的聚四氟乙烯密封元件代替用油润滑的金属制密封元件，避免润滑油带入深低温精馏区或液化区，保证了安全。

透平型

透平型膨胀机原理图

以气体膨胀时速度能的变化来传递能量的膨胀机。这种膨胀机有单级和双级、立式和卧式、冲动式和反动式之分。一般采用单级向心径流反动式，传出的外功由发电机、鼓风机或油制动器所吸收。它近似于单级离心压缩机，但具有调节进气量用的（可调叶片）导流器。低速轴承用油强制润滑，高速的采用气体轴承。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%。60年代已制成带液膨胀机，大多用于天然气分离设备。

工作过程
膨胀机

图1表示压缩气体从高压p1、温度T1状态在膨胀机中作等熵（S=常数）膨胀至低压p2，从点 1沿等熵线与p2等压线交于点2。点2的温度T2 即为等熵膨胀后的温度。其温差为ΔT=T1-T2，相应等熵焓降为Δh=h1-h2。在等熵膨胀过程中，气体有部分内能转化为功，同时为克服分子间的吸引力而使分子动能减少，从而降低了气体温度。但在实际工作过程中，因为有若干能量损失，气体膨胀时不可能达到状态2，而只能达到状态2′，其实际温差为△T′=T1，相应实际焓降为 △h′=h1-h2，故绝热效率是指膨胀机在膨胀过程中实际焓降与等熵焓降之比。绝热效率越高，越接近于等熵膨胀过程。一般膨胀机绝热效率为60～85%。

透平膨胀机 - Turbine expander

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部机，是保证整套设备稳定运行的心脏。

原理

其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能，从而使气体自身强烈地冷却而达到制冷的目的。我们平常用气筒打气会发现筒身发热,那是因为活塞压缩气体气体放热,如果反之其原理就类似于膨胀机了(更确切的说是活塞式膨胀机).透平膨胀机输出的能量由同轴压缩机回收或制动风机消耗。

处理预防

故障原因

转速表指示失准，一般有两种原因：一是因膨胀机本身故障造成转速表指示异常，这种情况往往伴随着膨胀机有严重的异常声音；二是磁电传感器故障所致。

磁电传感器安装在制动风机的端盖中间，由两块绕有线圈的永久磁铁组成，利用磁电感应原理，如果线圈对地短路或内部受潮绝缘被破坏，转子转动时切割磁力线产生的感应电流出现变化，造成测量转速不准。可用兆欧表测量线圈接线对地电阻及绝缘程度，以作出准确的诊断。

膨胀机转速表在0~40℃环境温度下能正常工作，温度过低或过高均对转速表测量不利。在分馏塔加温时没有取下膨胀机，即使在风机排气放空阀关闭的情况下，由于冷吹阶段空气的温度远低于0℃，加温后期的空气温度又高于40℃，这两种温差较大的气体长时间充满风机系统，磁电传感器线圈受影响最大，多次进行加温，就会产生线圈受潮不绝缘、对地短路的故障，在这种情况下转速表指示会迟钝且低于实际转速。

转速表本身发生故障的情况十分少见。在转速表指示失准的情况下，可先判断是否因机械故障所致，应拆下膨胀机进行检查。如机械系统无异常，可凭经验进行操作，转速显示偏低，不必担心膨胀机因转速超高而自动停车，造成分馏塔上塔压力上升进而威胁分馏塔的安全。可在保证膨胀机前后压力、温度处于正常范围内维持运转。

风机轮叶片与风机端盖的严重摩擦，是导致风机轮损坏的直接原因。这种故障只有在风机轮螺母明显松动的情况下才会发生。螺母一般都具有自锁性，在静载荷和工作温度变化不大时不会自动松脱。但是，在冲击、振动和变载荷的作用下，或在测试变化较大的环境下工作时，螺纹间的摩擦力可能在某一瞬时消失或减小，这种现象的多次重复，就会使螺纹联接逐渐松动。为防止螺纹联接松动造成膨胀机工作不正常或发生严重事故，风机轮与转子间的固定采用螺母和止动垫片结合的机械防松装置，膨胀叶轮的螺母与转子采用长细牙螺纹联接，以满足其长期运行的技术要求。

风机轮压紧螺母与转子采用粗牙螺纹联接，其 自锁性较差。加温时膨胀机未取下，其螺母受温差变化的影响，会热胀冷缩。虽有止动垫片制约，由于加温多次，其松动仍不可避免。当风机轮与端盖的间隙完全消失就会发生摩擦，其结果是膨胀机运转声音异常，风机端盖发烫，漆色改变，风机轮叶片磨损严重，转子失去动平衡。转子与轴承之间的摩擦同样会产生。膨胀机出现严重机械事故，就直接导致整套空分设备的停运。

故障的处理方法

膨胀机拆检，确认风机轮、工作轮报废。两个轴承镶套内衬因出现裂纹、松动的严重缺陷，且间隙0．06mm，可靠性降低而不能使用。自购回备件进行组装，在无负荷试车时，当轴承气压力升至0．2MPa时进行转子悬浮试验，测量转子与外壳体的电阻值无穷大，悬浮性能良好，但无法进行启动。详细情况是：在做好膨胀机启动的各项准备工作后，当上塔压力达0．4MPa时，开启通—2阀的，瞬间，膨胀机内出现“啪”的一声撞击，发生卡机事故，紧急停车。拆检发现：风机侧轴承限位板4个固定螺钉全部断裂，轴承镶套内衬与转子有严重摩擦痕迹。反复装配数次，悬浮转动均正常，但撞击、卡机现象无法消除，试车被迫中断。通过对故障认真的分析，确认是更换风机轮、工作轮后，转子整体动平衡重心偏移量过大所造成。在这种情况下，不可草率地判断为轴承与转子之间的间隙过小所致，扩大其间隙，只会造成轴承的报废。

在没有高精度的动平衡条件下，轴承和限位板的固定螺丝的破坏程度也愈严重，还有可能使转子产生轴向变形，在这种情况下，上塔0．4MPa压力的气体能量高速作用于工作轮，必然使转子产生向风机一侧位移，这种位移产生的突发撞击力，导致风机侧固定螺丝径向断裂。送到厂家进行处理，膨胀机转子动平衡经厂家校验合格后，装机试车一次成功，启动液化非常顺利。

膨胀机每次就位时，一定要注意本体的轴向水平度和横向水平度应符合长期运转的要求，严格对膨胀机进行悬浮试验。悬浮试验合格后，再进行负荷试验，启动后应逐渐提高转速至正常转速。确认达到要求后才可投入使用，以保证运转的可靠性。

机械故障的预防

分馏塔的操作和调整均可引起膨胀机技术参数 的改变，两者之间的关系十分紧密。为了防止机械事故的发生，在启动前除按照技术说明书的要求外，还应注意做好以下准备工作：

(1)在压力达1MPa时，轴承气压力应调整在0．5MPa，以保证热交换器压力在1．4MPa时，轴承气压力达到0．6MPa。
(2)防止在启动膨胀机时转速超高，全关膨胀机后污氮放空阀，节-3阀开3/12转。
(3)轴承气压力表绿针调至0．3MPa，红针调至0．5MPa，确保启动、停车控制电路正常工作。

膨胀机在出现紧急情况时，操作人员必须正确果断地进行处置，否则就会酿成责任事故。当膨胀机因超速自动停车时，膨胀机进口阀通—2会立即关闭，应迅速开大污氮旁通节流阀节—3，再按启动按纽，可重新启动；在活动节流阀刮霜和切换纯化器时切断加热器气源时，应观察转速指示表，防止超速；当因轴承气压力过低自动停车时，应稍开节—3，关小液空调节阀节—2，当压力达到要求后再重新启动；当紧急停电时，应迅速关闭节—2、通—2、节—3，在完成这些动作后，再开分馏塔高压放空阀。不论是正常停车还是紧急情况下的特殊停车，切记不要首先开大高压空气放空阀，以维持轴承气压力，为有步骤的停车争取宝贵时间。在操作和检修的整个过程中，应将预防膨胀机卡机和工作轮、风机轮摩擦的机械事故作为设备管理的主要目标进行考核。

对膨胀机相关管路进行适当的改进，可使操作更加简单实用。原风机蜗壳设计用水冷却，会产生水垢，形成堵塞，冷却效果变差，有时还会出现水分渗漏至风机内部。可取消冷却水冷却，将放空的轴承气引入蜗壳内进行冷却，效果甚佳。风机制动气全部直接放空，拆除风机排气进加热器管路，可有效地减少和防止切换纯化器时的误操作。

对膨胀机工作轮和风机轮防松螺母的检查应半年进行一次。在分馏塔进行加温时是检查的最佳时机。在膨胀机正常使用的过程中，防松螺母的检查对事故的预防极其重要，而这种检查又非常简单，机身不用解体，只需用两把扳手反方向作用于工作轮螺母和风机轮螺母，将其扳紧即可。

在取下膨胀机时，由于蜗壳内温度很低，导流器有可能取不出来，为了防止加温时开启通—2，塔内温度上升，其加温空气压力将导流器吹出砸向地面而损坏叶片，可自制盲板与中间体法兰相连(盲板见图1)，可保证I、Ⅱ热交换器膨胀后污氮隔层的加温和导流器完好的需要。

运行与检查

膨胀机正常运行必须同时具备四个要素：
(1)有高度清洁、压力平稳、连续供应的轴承气。
(2)各部位间隙在规定的技术要求范围内，转子与其它部件不能出现任何摩擦。
(3)高质量的动平衡精度。
(4)工作轮、风机轮防松螺母必须紧固。