两相流空气分离透平膨胀机的设计

    1 概 述

    在使用透平膨胀机的许多工业领域,如石油化工、能量回收发电、空分等行业,都希望膨胀气体能够进入两相区域。使膨胀气体进入两相区域的动机是经济利益。膨胀气体进入湿)汽区越深则得到的焓降越多,更多的焓降表明了膨胀机可从膨胀气流中转移更多的热量,并能够提供更多的制冷量,进而提高整套装置的经济性。

    根据用户的要求,欧西透平膨胀机公司一直在从事这项工作,努力增加空分设备用透平膨胀机出口能可靠处理的真实带液量。不同的研究报告表明:空分设备用透平膨胀机可以毫无困难地取得6%~8%的液体含量[1、2],这也是目前工业标准的限定含量。但是,文献[1]表示空分设备用透平膨胀机也能够达到更高的带液量, Ardashev认为通过控制冷凝点位置的设计,透平膨胀机的液体含量能够达到20%左右。笔者根据经验,认为通过详细、精确的设计并在保证可靠、高效的前提下,空分设备用透平膨胀机能够达到15%~20%的带液量。下面将集中讨论这种精确设计(注:透平膨胀机液体量的取得取决于工艺气体的特性,例如:对于轻质的烃类气体,取得20%的出口含液量,就欧西透平膨胀机公司来说是非常普通的设计)。

    欧西透平膨胀机公司设计、制造的空分设备用撬装式膨胀机如图1所示。装置的特点是2台膨胀机安装在一个底盘上。当气体膨胀比高于12时,双膨胀机能够取得更高的效率。

    膨胀机)增压机机芯带气体流路的剖面如图2所示。这种工艺特点在于膨胀气体的热量从膨胀端取出,并以功率的形式通过主轴传递,最终被增压机所吸收。

    2   设计时注意的事项

    要使运行的透平膨胀机获得较高的出口含液量,在设计时有2个需注意的事项。

    2.1 运行可靠性

    随着透平膨胀机获得更多的出口液体量,液体可能会聚集并形成液滴,当液滴变得足够大时就会对叶轮的叶片外表面进行冲击、侵蚀。从本质上讲,较重的液体(液体比气体重)在离心力作用下是径向发散出去进而击打叶片,这会缩短透平膨胀机的使用寿命并降低其运行可靠性。更进一步说，两相区域中较多液体的形成是不稳定的,不在一个固定的位置,这样会引起流动的振荡,使透平膨胀机的振动值加大。

    2.2 运行效率

    由于两相区域中的液体含量较高,膨胀机就要带走部分工艺气体的蒸发潜热。当液体(典型的雾、小颗粒结构)开始形成时,膨胀气体的最佳气动流路就会受到干扰,使透平膨胀机的运行效率降低。