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膨脹機
膨脹機是利用壓縮氣體膨脹降壓時向外輸出機械功使氣體溫度降低的原理以獲得冷量的機械。 膨脹機常用于深低溫設(shè)備中。膨脹機按運動形式和結(jié)構(gòu)分為活塞膨脹機和透平膨脹機兩類。活塞膨脹機主要適用于高壓力比和小流量的中小型高、中壓深低溫設(shè)備。
膨脹機概述圖
工作原理
當氣體具有一定的壓力和溫度時，就具有由壓力而體現(xiàn)的勢能和由溫度所體現(xiàn)的動能，這兩種能量總稱為內(nèi)能。膨脹機主要的作用是利用氣體在膨脹機內(nèi)進行絕熱膨脹對外做功消耗氣體本身的內(nèi)能，使氣體的壓力和溫度大幅度降低達到制冷與降溫的目的。
主要工作
膨脹機的主要工作在噴嘴及葉輪中完成，當高速、低溫的氣體通過葉輪通道時，由于葉輪高速轉(zhuǎn)動，使氣體速度很快下降。同時，氣體在不斷變大的通道中流動時，因為壓力與速度下降使氣體內(nèi)能降低，氣體溫度進一步大幅度降低，達到降溫與制冷的目的。由于膨脹機葉輪的飛速轉(zhuǎn)動，帶動了與膨脹機葉輪在同一軸上另一端的壓縮機葉輪轉(zhuǎn)動，壓縮機葉輪的轉(zhuǎn)動壓縮了通過增壓機葉輪的氣體，壓縮機葉輪不僅壓縮了氣體、利用了膨脹機發(fā)出的功率，同時控制了膨脹機的轉(zhuǎn)速。
特點
膨脹機與活塞膨脹機相比，具有流量大、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高和運轉(zhuǎn)周期長等特點，適用于大中型深低溫設(shè)備。
常見分類
活塞型
使氣體在可變?nèi)莘e中膨脹，輸出外功制冷的膨脹機(通常由電動機制動吸收外功)。這種膨脹機分立式和臥式兩種。采用較多的是立式結(jié)構(gòu)，曲軸、連桿、十字頭、活塞、進氣閥和排氣閥等是運動件，分別裝在機身、氣缸和中間座中，其作用近似于往復(fù)活塞壓縮機，但其進、排氣閥系借進、排氣凸輪定時啟閉。活塞膨脹機由于存在進、排氣閥流動阻力、不完全膨脹、摩擦熱、外熱與內(nèi)部熱交換等引起的冷量損失，一般絕熱效率為：高壓膨脹機65～85%，中壓膨脹機60～70%。20世紀50年代相繼出現(xiàn)的不用凸輪傳動機構(gòu)的無閥和單閥膨脹機，減少了膨脹機的運動件，提高了機器運轉(zhuǎn)可靠性，已在小型深低溫設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。60年代，采用加填充劑的聚四氟乙烯密封元件代替用油潤滑的金屬制密封元件，避免潤滑油帶入深低溫精餾區(qū)或液化區(qū)，保證了安全。
透平型
透平型膨脹機原理圖
以氣體膨脹時速度能的變化來傳遞能量的膨脹機。這種膨脹機有單級和雙級、立式和臥式、沖動式和反動式之分。一般采用單級向心徑流反動式，傳出的外功由發(fā)電機、鼓風(fēng)機或油制動器所吸收。它近似于單級離心壓縮機，但具有調(diào)節(jié)進氣量用的（可調(diào)葉片）導(dǎo)流器。低速軸承用油強制潤滑，高速的采用氣體軸承。透平膨脹機由于有噴嘴損失、葉輪損失、余速損失、輪盤摩擦損失、泄漏損失、竄流損失和外熱侵入損失，一般絕熱效率為：中壓膨脹機65～75%，低壓膨脹機75～85%。60年代已制成帶液膨脹機，大多用于天然氣分離設(shè)備。
工作過程
膨脹機
圖1表示壓縮氣體從高壓p1、溫度T1狀態(tài)在膨脹機中作等熵（S=常數(shù)）膨脹至低壓p2，從點 1沿等熵線與p2等壓線交于點2。點2的溫度T2 即為等熵膨脹后的溫度。其溫差為ΔT=T1-T2，相應(yīng)等熵焓降為Δh=h1-h2。在等熵膨脹過程中，氣體有部分內(nèi)能轉(zhuǎn)化為功，同時為克服分子間的吸引力而使分子動能減少，從而降低了氣體溫度。但在實際工作過程中，因為有若干能量損失，氣體膨脹時不可能達到狀態(tài)2，而只能達到狀態(tài)2′，其實際溫差為△T′=T1，相應(yīng)實際焓降為 △h′=h1-h2，故絕熱效率是指膨脹機在膨脹過程中實際焓降與等熵焓降之比。絕熱效率越高，越接近于等熵膨脹過程。一般膨脹機絕熱效率為60～85%。
透平膨脹機 - Turbine expander
透平膨脹機，是空氣分離設(shè)備及天然氣（石油氣）液化分離設(shè)備和低溫粉碎設(shè)備等獲取冷量所必需的關(guān)鍵部機，是保證整套設(shè)備穩(wěn)定運行的心臟。
原理
其主要原理是利用有一定壓力的氣體在透平膨脹機內(nèi)進行絕熱膨脹對外做功而消耗氣體本身的內(nèi)能，從而使氣體自身強烈地冷卻而達到制冷的目的。我們平常用氣筒打氣會發(fā)現(xiàn)筒身發(fā)熱,那是因為活塞壓縮氣體氣體放熱,如果反之其原理就類似于膨脹機了(更確切的說是活塞式膨脹機).透平膨脹機輸出的能量由同軸壓縮機回收或制動風(fēng)機消耗。
處理預(yù)防
故障原因
轉(zhuǎn)速表指示失準，一般有兩種原因：一是因膨脹機本身故障造成轉(zhuǎn)速表指示異常，這種情況往往伴隨著膨脹機有嚴重的異常聲音；二是磁電傳感器故障所致。
磁電傳感器安裝在制動風(fēng)機的端蓋中間，由兩塊繞有線圈的永久磁鐵組成，利用磁電感應(yīng)原理，如果線圈對地短路或內(nèi)部受潮絕緣被破壞，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電流出現(xiàn)變化，造成測量轉(zhuǎn)速不準。可用兆歐表測量線圈接線對地電阻及絕緣程度，以作出準確的診斷。
膨脹機轉(zhuǎn)速表在0~40℃環(huán)境溫度下能正常工作，溫度過低或過高均對轉(zhuǎn)速表測量不利。在分餾塔加溫時沒有取下膨脹機，即使在風(fēng)機排氣放空閥關(guān)閉的情況下，由于冷吹階段空氣的溫度遠低于0℃，加溫后期的空氣溫度又高于40℃，這兩種溫差較大的氣體長時間充滿風(fēng)機系統(tǒng)，磁電傳感器線圈受影響最大，多次進行加溫，就會產(chǎn)生線圈受潮不絕緣、對地短路的故障，在這種情況下轉(zhuǎn)速表指示會遲鈍且低于實際轉(zhuǎn)速。
轉(zhuǎn)速表本身發(fā)生故障的情況十分少見。在轉(zhuǎn)速表指示失準的情況下，可先判斷是否因機械故障所致，應(yīng)拆下膨脹機進行檢查。如機械系統(tǒng)無異常，可憑經(jīng)驗進行操作，轉(zhuǎn)速顯示偏低，不必擔心膨脹機因轉(zhuǎn)速超高而自動停車，造成分餾塔上塔壓力上升進而威脅分餾塔的安全。可在保證膨脹機前后壓力、溫度處于正常范圍內(nèi)維持運轉(zhuǎn)。
風(fēng)機輪葉片與風(fēng)機端蓋的嚴重摩擦，是導(dǎo)致風(fēng)機輪損壞的直接原因。這種故障只有在風(fēng)機輪螺母明顯松動的情況下才會發(fā)生。螺母一般都具有自鎖性，在靜載荷和工作溫度變化不大時不會自動松脫。但是，在沖擊、振動和變載荷的作用下，或在測試變化較大的環(huán)境下工作時，螺紋間的摩擦力可能在某一瞬時消失或減小，這種現(xiàn)象的多次重復(fù)，就會使螺紋聯(lián)接逐漸松動。為防止螺紋聯(lián)接松動造成膨脹機工作不正常或發(fā)生嚴重事故，風(fēng)機輪與轉(zhuǎn)子間的固定采用螺母和止動墊片結(jié)合的機械防松裝置，膨脹葉輪的螺母與轉(zhuǎn)子采用長細牙螺紋聯(lián)接，以滿足其長期運行的技術(shù)要求。
風(fēng)機輪壓緊螺母與轉(zhuǎn)子采用粗牙螺紋聯(lián)接，其 自鎖性較差。加溫時膨脹機未取下，其螺母受溫差變化的影響，會熱脹冷縮。雖有止動墊片制約，由于加溫多次，其松動仍不可避免。當風(fēng)機輪與端蓋的間隙完全消失就會發(fā)生摩擦，其結(jié)果是膨脹機運轉(zhuǎn)聲音異常，風(fēng)機端蓋發(fā)燙，漆色改變，風(fēng)機輪葉片磨損嚴重，轉(zhuǎn)子失去動平衡。轉(zhuǎn)子與軸承之間的摩擦同樣會產(chǎn)生。膨脹機出現(xiàn)嚴重機械事故，就直接導(dǎo)致整套空分設(shè)備的停運。
故障的處理方法
膨脹機拆檢，確認風(fēng)機輪、工作輪報廢。兩個軸承鑲套內(nèi)襯因出現(xiàn)裂紋、松動的嚴重缺陷，且間隙0．06mm，可靠性降低而不能使用。自購回備件進行組裝，在無負荷試車時，當軸承氣壓力升至0．2MPa時進行轉(zhuǎn)子懸浮試驗，測量轉(zhuǎn)子與外殼體的電阻值無窮大，懸浮性能良好，但無法進行啟動。詳細情況是：在做好膨脹機啟動的各項準備工作后，當上塔壓力達0．4MPa時，開啟通—2閥的，瞬間，膨脹機內(nèi)出現(xiàn)“啪”的一聲撞擊，發(fā)生卡機事故，緊急停車。拆檢發(fā)現(xiàn)：風(fēng)機側(cè)軸承限位板4個固定螺釘全部斷裂，軸承鑲套內(nèi)襯與轉(zhuǎn)子有嚴重摩擦痕跡。反復(fù)裝配數(shù)次，懸浮轉(zhuǎn)動均正常，但撞擊、卡機現(xiàn)象無法消除，試車被迫中斷。通過對故障認真的分析，確認是更換風(fēng)機輪、工作輪后，轉(zhuǎn)子整體動平衡重心偏移量過大所造成。在這種情況下，不可草率地判斷為軸承與轉(zhuǎn)子之間的間隙過小所致，擴大其間隙，只會造成軸承的報廢。
在沒有高精度的動平衡條件下，軸承和限位板的固定螺絲的破壞程度也愈嚴重，還有可能使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向變形，在這種情況下，上塔0．4MPa壓力的氣體能量高速作用于工作輪，必然使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生向風(fēng)機一側(cè)位移，這種位移產(chǎn)生的突發(fā)撞擊力，導(dǎo)致風(fēng)機側(cè)固定螺絲徑向斷裂。送到廠家進行處理，膨脹機轉(zhuǎn)子動平衡經(jīng)廠家校驗合格后，裝機試車一次成功，啟動液化非常順利。
膨脹機每次就位時，一定要注意本體的軸向水平度和橫向水平度應(yīng)符合長期運轉(zhuǎn)的要求，嚴格對膨脹機進行懸浮試驗。懸浮試驗合格后，再進行負荷試驗，啟動后應(yīng)逐漸提高轉(zhuǎn)速至正常轉(zhuǎn)速。確認達到要求后才可投入使用，以保證運轉(zhuǎn)的可靠性。
機械故障的預(yù)防
分餾塔的操作和調(diào)整均可引起膨脹機技術(shù)參數(shù) 的改變，兩者之間的關(guān)系十分緊密。為了防止機械事故的發(fā)生，在啟動前除按照技術(shù)說明書的要求外，還應(yīng)注意做好以下準備工作：
(1)在壓力達1MPa時，軸承氣壓力應(yīng)調(diào)整在0．5MPa，以保證熱交換器壓力在1．4MPa時，軸承氣壓力達到0．6MPa。
(2)防止在啟動膨脹機時轉(zhuǎn)速超高，全關(guān)膨脹機后污氮放空閥，節(jié)-3閥開3/12轉(zhuǎn)。
(3)軸承氣壓力表綠針調(diào)至0．3MPa，紅針調(diào)至0．5MPa，確保啟動、停車控制電路正常工作。
膨脹機在出現(xiàn)緊急情況時，操作人員必須正確果斷地進行處置，否則就會釀成責任事故。當膨脹機因超速自動停車時，膨脹機進口閥通—2會立即關(guān)閉，應(yīng)迅速開大污氮旁通節(jié)流閥節(jié)—3，再按啟動按紐，可重新啟動；在活動節(jié)流閥刮霜和切換純化器時切斷加熱器氣源時，應(yīng)觀察轉(zhuǎn)速指示表，防止超速；當因軸承氣壓力過低自動停車時，應(yīng)稍開節(jié)—3，關(guān)小液空調(diào)節(jié)閥節(jié)—2，當壓力達到要求后再重新啟動；當緊急停電時，應(yīng)迅速關(guān)閉節(jié)—2、通—2、節(jié)—3，在完成這些動作后，再開分餾塔高壓放空閥。不論是正常停車還是緊急情況下的特殊停車，切記不要首先開大高壓空氣放空閥，以維持軸承氣壓力，為有步驟的停車爭取寶貴時間。在操作和檢修的整個過程中，應(yīng)將預(yù)防膨脹機卡機和工作輪、風(fēng)機輪摩擦的機械事故作為設(shè)備管理的主要目標進行考核。
對膨脹機相關(guān)管路進行適當?shù)母倪M，可使操作更加簡單實用。原風(fēng)機蝸殼設(shè)計用水冷卻，會產(chǎn)生水垢，形成堵塞，冷卻效果變差，有時還會出現(xiàn)水分滲漏至風(fēng)機內(nèi)部。可取消冷卻水冷卻，將放空的軸承氣引入蝸殼內(nèi)進行冷卻，效果甚佳。風(fēng)機制動氣全部直接放空，拆除風(fēng)機排氣進加熱器管路，可有效地減少和防止切換純化器時的誤操作。
對膨脹機工作輪和風(fēng)機輪防松螺母的檢查應(yīng)半年進行一次。在分餾塔進行加溫時是檢查的最佳時機。在膨脹機正常使用的過程中，防松螺母的檢查對事故的預(yù)防極其重要，而這種檢查又非常簡單，機身不用解體，只需用兩把扳手反方向作用于工作輪螺母和風(fēng)機輪螺母，將其扳緊即可。
在取下膨脹機時，由于蝸殼內(nèi)溫度很低，導(dǎo)流器有可能取不出來，為了防止加溫時開啟通—2，塔內(nèi)溫度上升，其加溫空氣壓力將導(dǎo)流器吹出砸向地面而損壞葉片，可自制盲板與中間體法蘭相連(盲板見圖1)，可保證I、Ⅱ熱交換器膨脹后污氮隔層的加溫和導(dǎo)流器完好的需要。
運行與檢查
膨脹機正常運行必須同時具備四個要素：
(1)有高度清潔、壓力平穩(wěn)、連續(xù)供應(yīng)的軸承氣。
(2)各部位間隙在規(guī)定的技術(shù)要求范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子與其它部件不能出現(xiàn)任何摩擦。
(3)高質(zhì)量的動平衡精度。
(4)工作輪、風(fēng)機輪防松螺母必須緊固。
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