透平膨脹機(jī)性能曲線在生產(chǎn)中的應(yīng)用

潘賁 劉勝國 陸酊

（上海石油天然氣有限公司，上海 201300）

0 引言

透平膨脹機(jī)廣泛應(yīng)用在氣體液化、低溫分離等方面，在天然氣膨脹制冷回收輕烴工藝裝置中，膨脹機(jī)的等熵效率的發(fā)揮極為重要，它直接決定了膨脹機(jī)出口溫度、制冷量、產(chǎn)液量以及丙烷回收率等。近年來，平湖油氣田產(chǎn)能的下降制約了處理廠80×103m3／d透平膨脹機(jī)等熵效率的正常發(fā)揮，為此，有必要通過對膨脹性能曲線分析，探索膨脹機(jī)在低處理量下盡可能提高膨脹機(jī)等熵效率的途徑。

1 透平膨脹機(jī)及其等熵效率

透平膨脹機(jī)是實(shí)現(xiàn)接近絕熱等熵膨脹過程的一種有效設(shè)備。作為降低溫度、制取冷量用的低溫透平膨脹機(jī)，它的目的是為在一定膨脹氣量下制取盡可能多的冷量，以滿足低溫液化和分離裝置的需要。在透平膨脹機(jī)中標(biāo)志能量轉(zhuǎn)換過程完善程度的指標(biāo)就是效率，理論上膨脹工質(zhì)在給定的進(jìn)、出口條件下可能實(shí)現(xiàn)的最大比焓降應(yīng)為等熵比焓降hs，等熵比焓降是一個(gè)比較的標(biāo)準(zhǔn)。透平膨脹機(jī)進(jìn)、出口實(shí)際比焓降與等熵比焓降之比稱為等熵效率：

式中，ηs為等熵效率；h為進(jìn)、出口實(shí)際比焓降，kJ／kg；hs為等熵比焓降，kJ／kg。

2 透平膨脹機(jī)性能曲線

透平膨脹機(jī)特性曲線是在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先估計(jì)其性能變化通過選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù)由試驗(yàn)結(jié)果整理繪制而成。通常把ηs隨u1／CS（特性比）變化這一重要的關(guān)系曲線稱為特性曲線（見圖1）。特性比是指透平膨脹機(jī)葉輪進(jìn)口處的圓周速度與透平膨脹機(jī)等熵理想速度之比，在其他參數(shù)不變的情況下它直接反映了轉(zhuǎn)速對機(jī)組效率發(fā)揮的影響。透平膨脹機(jī)u1只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，CS則與該透平膨脹機(jī)運(yùn)行時(shí)的氣體進(jìn)、出口的熱力參數(shù)有關(guān)[1]，也即：

式中，u1為葉輪進(jìn)口處的圓周速度，m／s；Cs為等熵理想速度，m／s；n為葉輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)／s。

圖1 等熵效率與u1／Cs特性曲線圖

當(dāng)進(jìn)口參數(shù)一定時(shí)，必須調(diào)整轉(zhuǎn)速n使特性比維持在最佳值附近。在生產(chǎn)實(shí)際中，為了便于分析利用這一曲線，常用透平膨脹機(jī)在流量改變時(shí)，等熵效率隨著流量而改變的關(guān)系曲線也稱為性能曲線。對透平膨脹機(jī)等熵效率影響的調(diào)節(jié)分為量的調(diào)節(jié)、質(zhì)的調(diào)節(jié)兩種情況，量的調(diào)節(jié)是指改變膨脹氣量，而質(zhì)的調(diào)節(jié)是指改變透平膨脹機(jī)進(jìn)出口熱力參數(shù)。

3 膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速與等熵效率的分析

圖2 膨脹機(jī)性能曲線圖

東海平湖氣田的陸上天然氣處理終端輕烴回收裝置的關(guān)鍵制冷設(shè)備透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)處理量為120×103m3／d，膨脹為徑向軸流式MAFI-TRENCH EC3.0。由圖2可以看出，機(jī)組等熵效率存在一個(gè)最大值ηsmax，相對應(yīng)的有一個(gè)最佳處理量和最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速。在實(shí)際處理量與設(shè)計(jì)處理量有偏離的情況下膨脹機(jī)的等熵效率與設(shè)計(jì)等熵效率有很大的出入，即使在設(shè)計(jì)處理量下，不同轉(zhuǎn)速控制下的膨脹機(jī)等熵效率也不盡相同。

根據(jù)膨脹機(jī)在輕烴回收裝置中所處位置的工藝流程（圖3），在一定的處理量下控制膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速最直接的方法是調(diào)節(jié)膨脹機(jī)的膨脹比或與其同軸的壓縮機(jī)壓縮比。雖然膨脹機(jī)入口壓力受上游來氣壓力限制基本無法調(diào)整，但可通過壓縮機(jī)出口壓力的調(diào)節(jié)，使膨脹轉(zhuǎn)速達(dá)到一個(gè)新的平衡。

圖3 膨脹機(jī)輕烴回收工藝流程圖

根據(jù)對膨脹機(jī)性能曲線的理解，在入口壓力穩(wěn)定在4300 KPa、80×103m3／d處理量的情況下對壓縮機(jī)出口壓力由設(shè)計(jì)壓力下的2200 KPa逐步下調(diào)到能滿足下游輸氣管網(wǎng)管輸要求的最低值2000 KPa。在這個(gè)范圍內(nèi)隨著壓縮機(jī)出口壓力的下降，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速有了一定范圍的上升，透平膨脹機(jī)的出口溫度明顯下降，通過計(jì)算表明等熵效率也有了一定的提升（表1），與性能曲線圖中的數(shù)據(jù)基本一致。

表1 出口壓力變化下膨脹機(jī)參數(shù)表

4 結(jié)束語

非設(shè)計(jì)處理量下運(yùn)行對透平膨脹機(jī)的等熵效率將產(chǎn)生影響，但對于某個(gè)特定的處理量下必定有最佳的透平膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速與最高等熵效率相對應(yīng)。在該情況下，可以利用透平膨脹機(jī)性能曲線通過膨脹機(jī)質(zhì)的調(diào)節(jié)方式調(diào)整好轉(zhuǎn)速，使特性比盡量維持在最佳值附近，從而保證低處理量膨脹機(jī)效率的較好發(fā)揮。

［1］計(jì)光華.透平膨脹機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.