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5000m3/h 高纯氮设备膨胀机的研制 【关键词】高纯氮设备,膨胀机,研制 【摘要】近年来，随着电子、化工、玻璃等行业对高纯氮需求日益增加，高纯氮设备逐步向大型化发展。杭氧继2002?年成功开发了5000m3/h?高纯氮设备后，又在研制8000m3/h、30000m3/h?高纯氮设备。高纯氮设备的快速发展，离不开其核心部机———透平膨胀机的技术进步。高纯氮设备主要有空气正流膨胀和污氮气反流膨胀两种流程。在两种流程中，由于膨胀机系统作用不同，所以其设计参数差别很大。空分流程对膨胀机系统的要求越来越高，在某种程度上，膨胀机系统的技术进步显得更为突出。 前言??? 近年来，随着电子、化工、玻璃等行业对高纯氮需求日益增加，高纯氮设备逐步向大型化发展。杭氧继2002 年成功开发了5000m3/h 高纯氮设备后，又在研制8000m3/h、30000m3/h 高纯氮设备。高纯氮设备的快速发展，离不开其核心部机——透平膨胀机的技术进步。高纯氮设备主要有空气正流膨胀和污氮气反流膨胀两种流程。在两种流程中，由于膨胀机系统作用不同，所以其设计参数差别很大。空分流程对膨胀机系统的要求越来越高，在某种程度上，膨胀机系统的技术进步显得更为突出。??? 笔者想通过本文谈谈膨胀机系统设计方面的体会，程计算时，能充分论证膨胀机系统在整个高纯氮设备中的可行性。1 两种流程之膨胀机系统技术参数对比??? 高纯氮设备逐步向大型化发展，单台膨胀机难以满足总体流程的要求。那么，作为高纯氮设备核心部机的膨胀机系统，必须从方案及膨胀机流程组织上寻找出路。高纯氮设备中膨胀机的功率相对较小，能量一般不予回收。这种透平膨胀机系统通常采用风机制动。高纯氮设备中两种流程膨胀机系统技术参数见表1。?? 2 风机制动膨胀机典型流程??? 风机制动膨胀机的典型流程如图1 所示。该流程主要靠喷嘴调节阀及风机出口蝶阀来调节膨胀机的运行工况。另外，还有一种常用流程就是靠增压机制动。????????? 3 膨胀机组设计??? 现以台湾BOC 联华5000m3/h 高纯氮设备膨胀机为例，分析这类膨胀机的设计。要说明的是方案的选取在膨胀机设计初期至关重要。膨胀机组的设计主要是膨胀机转速n 和膨胀叶轮外径D1及风机叶轮外径D2的确定。3. 1 膨胀机转速n 和膨胀叶轮外径D1??? 当膨胀端进出口物性参数一定，且选定最佳特性比U1时，膨胀机转速n 与膨胀叶轮外径D1成反比。但为了获取最高等熵效率ηs，膨胀叶轮外径的大小与膨胀量QN有关。定性而论，膨胀量越大，膨胀轮径越大。可见：膨胀机转速n 和膨胀叶轮外径D1的选取是否合理直接关系到膨胀机等熵效率。3. 2 风机叶轮外径D2??? 由于风机叶轮采用不同的叶轮形式，其做功能力是不同的。通常采用结构简单、尺寸较小、强度高的航空式叶轮。当与风机叶轮同轴的膨胀机转速n 一定，且机械耗功一定时，风机叶轮外径D2与叶轮结构形式有关。针对该套高纯氮设备膨胀机膨胀量大、膨胀比小、转速低的特点，采用了特殊造型方法设计风机叶轮结构。为了尽可能地降低因为结构方面的因素导致的噪声，导风轮采用空间扭曲叶片，同时还可以适当提高风机出口压力，改善其调节性能。3. 3 方案的优化??? 当确定了膨胀机转速n、膨胀叶轮外径D1和风机叶轮外径D2后，基本上膨胀机组方案已定。??? 该套高纯氮设备膨胀机转速n = 10800r / min、膨胀叶轮外径D1 = 170mm 和风机叶轮外径D2 =265mm。其转子外形如图2 所示。??? 从该方案可以看出：大型高纯氮设备的膨胀机常常由于膨胀比小，膨胀量相对较大，以致转速偏低，还不到常规空分设备中同样大小膨胀机机型转速的一半。转速偏低，结果制动风机叶轮外径D2偏大，甚至膨胀叶轮外径D1和风机叶轮外径D2相差悬殊，整个转子—轴系可靠性方面难以通过。因此，方案优化时，要着重核算以下三方面性能。????????????????????? ??? （2）可靠性：主要包括转子—轴系临界转速计算和叶轮等关键零部件强度核算等等。??? （3）制动风机调节特性：在出口管路上，尽可能采用阻力小、性能稳定的蝶阀来调节膨胀机工况。4 性能分析??? 杭氧于2002 年与台湾BOC 联华签定一套5000m3/h 高纯氮设备的供货合同。在将近一年半时间里，完成了膨胀机系统设计和制造工作。于2003 年12 月19 日在杭氧一次试车成功并顺利出厂。该套高纯氮设备已于2004 年9 月顺利投产，全部指标达到并超过合同要求。整套设备自投产以来，用户十分满意。配套透平膨胀机的现场运行参数（2004 年9 月1 ～ 4 日整个装置考核时的数据）见表2。???? 从表2 运行参数可以看出：膨胀机运行稳定，参数的重复性好。以9 月1