1、绪论


透平膨胀机是透平机械中一个重要分支，与蒸汽轮机、燃气轮机、水轮机在原理上基本一致，是一种把流体能量转换为机械能的原动机。从用途上，透平膨胀机分为制冷用和能量回收用两大类。制冷用透平膨胀机主要是利用气体膨胀的焓值降低以获得冷量，如空气、天然气、油田伴生气、焦炉煤气等的液化与分离等装置用膨胀机。另外由于能源供应的日益紧张以及环境保护的要求越来越高，利用低品位能源以及二次能源的能量回收用透平膨胀机也逐渐发展起来，如高炉尾气透平膨胀机、催化裂化烟气透平膨胀机、化工尾气透平膨胀机、气田和油井的天然气透平膨胀机、石油气透平膨胀机、丙烷透平膨胀机、异丁烷透平膨胀机等。


透平膨胀机按结构可分为轴流式和径流式透平膨胀机。自1898年英国人劳德.雷利首先提出应用透平膨胀机的设想以来，1930年德国人林德第一次应用单级透平膨胀机获得成功，60年代美、德、苏等国又相应发展了小型高速、大膨胀比、高压大功率等多种用途的透平膨胀机。70年代能源危机促进了透平膨胀机在能量回收方面的应用。但是除了大流量、大功率以及高温条件下的膨胀机采用轴流式之外，绝大多数透平膨胀机采用向心径—轴流式。


透平膨胀机技术现状
透平膨胀机按结构可分为轴流式和径流式透平膨胀机。自1898年英国人劳德.雷利首先提出应用透平膨胀机的设想以来，1930年德国人林德第一次应用单级透平膨胀机获得成功，60年代美、德、苏等国又相应发展了小型高速、大膨胀比、高压大功率等多种用途的透平膨胀机。70年代能源危机促进了透平膨胀机在能量回收方面的应用。但是除了大流量、大功率以及高温条件下的膨胀机采用轴流式之外，绝大多数透平膨胀机采用向心径—轴流式。 

国外膨胀机制造商在工艺流程的匹配、特殊材料的选用、制造工艺、叶片的设计试验、转子稳定性分析等关键技术方面一直没有停止过进步和发展。特别是CFD等粘性流场分析软件和ANSYS有限元分析软件的迅速发展更是为透平膨胀机研究、设计、制造提供了强有力的技术基础。


2.1 美国GE公司动力系统成员之一Rotoflow公司是世界上最大的烯烃透平膨胀机生产基地。该公司研制了世界上第一台天然气压缩机，自此该公司就一直引领烯烃透平膨胀机技术的发展，特别是在两相流—气体带液膨胀技术上居于领先地位。其透平膨胀机进口压力最高可达到200bar(A)；进口温度最高可达到475℃，最低可达到-270℃；流量最大可达到50万kg/h，转速最高可达到12万r/min，介质范围包含所有碳氢化合物。40年来，该公司共设计制造了3500余台高技术含量的膨胀机设备。一般情况下，其膨胀机主要采用向心透平，制动设备包括离心压缩机、发电机以及其他转动设备。但是，在精炼厂等环境下的高温尾气能量回收膨胀机中也采用轴流透平膨胀机。


2.2美国德莱赛兰公司在能量回收透平膨胀机领域一直是杰出的供应商之一，基本可以满足用户的各种工艺要求。其透平膨胀机可分为高温（870℃）与中温（535℃）两种类型，输出功率最高可达13万KW，典型应用主要在流化床催化裂化装置（FCC）、硝酸装置、压缩空气蓄能发电装置（CAES）和航空发动机等能量回收装置中。在FCC装置能量回收透平膨胀机上，该公司有30余年设计制造、安装维护的经验，在世界FCC市场上占有率超过60%。在FCC装置用透平膨胀机有以下特点：单级或双级悬臂刚性转子，先进的表面处理技术提高叶片寿命，760 ℃的入口温度，配有叶片视窗、金斯伯雷轴承、机壳热应力最小化设计。在硝酸装置中，该公司自1956年开始研制出第一台高效高温多级能量回收透平以来，也生产了60余套。其主要特点有：进口温度最高可达到704℃，进口压力最高可达到1.7MPa，3～5级设计以满足最优能量回收方案，高压低压分体设计，可倾斜瓦块式轴承。该公司应用于透平机械的领先技术包括：动力学仿真分析系统、叶片应力及频率分析系统、CFD计算流体力学分析、Unigraphics CAD/ CAM软件、转子动力学分析系统、先进的控制理论等。


2.3德国MAN TURBO 公司在透平膨胀机方面也拥有较多的设计制造经验，可以设计制造单级或多级、轴流或向心多种形式的透平膨胀机。进口温度最高可达760℃，进口压力可达20bar(A)，输出功率可达30000kw。应用领域主要有煤气化联合循环发电装置（IGCC）、催化裂化装置(FCC)、硝酸装置、精对苯二甲酸装置（PTA）、高炉炉顶能量回收装置（TRT）。


2.4德国西门子公司合并了德马格公司后在中高温透平膨胀机领域以PRT机型占有相当大的市场份额，PRT是一种组装式透平膨胀机。根据流程需要，PRT膨胀机可以与组装式压缩机整体组装在一起，也可单独布置。为提高运行效率，膨胀机通常带有进口导叶调节装置，其进口温度最高可达550℃，气量可达60万m3/h，回收功率最高可达45000kw。主要应用于精对苯二甲酸（PTA）装置、硝酸装置等。


2.5日本三井造船株式会社透平膨胀机主要应用于高炉顶压能量回收装置（TRT）中，在世界范围有30多台套的应用。其主要特点有：反动式轴流透平叶片级，轴向环形进气风筒，适应干式湿式两种工艺流程，100%静叶可调以适应各种工况。


此外，国外主要透平膨胀机生产厂商还有日本三菱重工、美国阿特拉斯公司、美国埃理奥特公司等。

国内概况


当前，我国石油、化工、冶金、空分等行业所用的透平膨胀机大部分从国外进口。特别是应用于石化、天然气领域的低温膨胀机，如液化石油气LPG）、液态天然气（NGL）、液化天然气（LNG）等工艺流程的膨胀机基本完全进口，大型空分用制冷膨胀机也主要为国外厂商垄断。近年来，国内各透平机械制造商也在透平膨胀机领域加大研发力度，并且已取得了部分成绩。


3.1陕西鼓风机(集团)有限公司在与国外合作生产的基础上，与西安交通大学等科研院所合作，形成了一定的轴流膨胀机设计生产能力。其主要业务范围在能量回收尾气透平方面，如硝酸三合一尾气透平5台、硝酸四合一尾气透平4台，TRT高炉尾气能量回收透平近70台，其透平膨胀机主要采用轴流式。


3.2各空分公司，如杭州杭氧股份有限公司、开封空分集团有限公司、四川空分设备（集团）有限责任公司等也先后在引进技术基础之上，开发了一系列的空分制冷膨胀机,已达到为4万空分配套膨胀机的能力。另外四川空分公司在天然气领域也为我国油田研制了一定数量的轻烃回收用天然气膨胀机装置。这两种膨胀机均采用径流式。


3.3沈阳鼓风机（集团）有限公司在与中科院合作的基础之上，开发了自主知识产权的径流式透平膨胀机气动设计软件和轴流式透平膨胀机气动设计软件。在能量回收领域，推出了专利产品向心膨胀机+离心压缩机整合机组，以成本较低、稳定运转时间长，检验维护方便的特点在能量回收领域，特别是硝酸三合一机组中的尾气透平上占有一定市场。


总体来看，由于国外膨胀机技术垄断，加上国内各制造厂商在透平膨胀机方面起步较晚，以及透平膨胀机技术的复杂性，与国外相比仍有相当大的技术差距。