透平膨脹機(jī)是一種離心式或軸流式渦輪，其中高壓氣體膨脹以產(chǎn)生有用的功，通常用于驅(qū)動(dòng)設(shè)備或機(jī)械。當(dāng)氣流的壓力需要降低時(shí)，這種裝置通常是回收能量的一個(gè)有吸引力的選擇，并廣泛應(yīng)用于各種工廠。由于工作來(lái)自膨脹的高壓氣體，所以膨脹過(guò)程近似為等熵（熵幾乎恒定）過(guò)程，透平膨脹機(jī)排出的降壓廢氣溫度低于進(jìn)氣氣體的溫度。

透平膨脹機(jī)可以處理從冷氣（例如，-270°C）到熱氣（超過(guò)350°C）的廣泛服務(wù)范圍。通常，透平膨脹機(jī)只對(duì)相對(duì)較大的氣體流量具有意義。粗略地說(shuō)，目前運(yùn)行的裝置的功率范圍大約從25千瓦到25兆瓦左右。然而，有些特殊應(yīng)用中使用的透平膨脹機(jī)功率低于25千瓦。

基礎(chǔ)知識(shí)

透平膨脹機(jī)根據(jù)熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)物理定律運(yùn)行。操作的靈活性是一個(gè)關(guān)鍵要求，因?yàn)樵撗b置通常必須處理各種流量和壓力范圍。因此，它通常不僅具有一個(gè)額定工作點(diǎn)，還有幾個(gè)備選工作點(diǎn)。當(dāng)透平膨脹機(jī)設(shè)計(jì)和制造得當(dāng)時(shí)，它可以在額定工作點(diǎn)獲得非常高的效率，并在備選工作點(diǎn)獲得合理的效率。

在簡(jiǎn)單的單級(jí)透平膨脹機(jī)中，高壓氣體通過(guò)可變進(jìn)氣噴嘴（或進(jìn)氣導(dǎo)葉）進(jìn)入渦輪，并在較低壓力和明顯較低溫度排出。在許多應(yīng)用中，出口氣體進(jìn)入下游工藝；因此，使用透平膨脹機(jī)噴嘴來(lái)控制氣體流量和條件，以保持所需的下游操作條件（流量、壓力等）。一些透平膨脹機(jī)的操作可能會(huì)帶來(lái)一些操作風(fēng)險(xiǎn)。例如，由于氣體快速降溫，膨脹氣體的部分液化或凝結(jié)并不罕見(jiàn)。

透平膨脹機(jī)的制造商在很大程度上依賴標(biāo)準(zhǔn)化；大多數(shù)組件通常都是預(yù)先設(shè)計(jì)的。通常需要根據(jù)每個(gè)具體應(yīng)用定制的部件包括輪盤(pán)、軸、噴嘴組件、齒輪系統(tǒng)、輔助設(shè)備和控制器。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)尺寸/型號(hào)直接與機(jī)殼和整體機(jī)械的尺寸相關(guān)聯(lián)。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)或機(jī)架可以容納一定范圍的透平膨脹機(jī)輪盤(pán)直徑。型號(hào)尺寸也可以通過(guò)設(shè)計(jì)壓力和流量直接區(qū)分。壓力確定法蘭等級(jí)。粗略地說(shuō)，輪盤(pán)直徑可達(dá)約2米。制造的機(jī)殼很常見(jiàn)，但有時(shí)也使用鑄造或其他方法制造。制造的機(jī)殼可以靈活設(shè)計(jì)和制造以適用于廣泛的應(yīng)用、額定和噴嘴負(fù)荷范圍。構(gòu)件的材料通常由設(shè)計(jì)溫度確定。熱氣透平膨脹機(jī)與冷氣透平膨脹機(jī)完全不同。

進(jìn)氣噴嘴系統(tǒng)，通常稱為可調(diào)進(jìn)氣導(dǎo)葉（IGVs），是透平膨脹機(jī)的主要控制工具；因此，它的機(jī)構(gòu)、配置和細(xì)節(jié)要求非常謹(jǐn)慎。主要要求是精確的流量調(diào)節(jié)和可靠性。這些要求是為了準(zhǔn)確控制透平膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免在部分負(fù)載和低負(fù)載時(shí)的速度波動(dòng)。一些現(xiàn)代多連桿機(jī)構(gòu)使用先進(jìn)的技術(shù)來(lái)調(diào)整IGVs，以實(shí)現(xiàn)精確的流量控制和最小的驅(qū)動(dòng)力。

噴嘴片段必須應(yīng)對(duì)由高氣體速度和其他影響引起的嚴(yán)苛工作條件。通常需要在噴嘴片段上使用特殊的抗摩擦和抗磨損涂層，以最小化第一次等焓膨脹過(guò)程中的損失。固體顆粒和雜質(zhì)的存在可能對(duì)透平膨脹機(jī)構(gòu)成很大風(fēng)險(xiǎn)。因此，噴嘴通常接受某種處理，例如鎢碳化物或特殊涂層、表面感應(yīng)硬化等，以最小化侵蝕問(wèn)題和其他損害效應(yīng)。適當(dāng)?shù)倪x擇取決于具體的應(yīng)用。

熱氣應(yīng)用

許多工廠存在高壓熱工藝氣體或廢氣流，需要在進(jìn)一步處理或處理前進(jìn)行冷卻。在這些流中，經(jīng)常選擇使用透平膨脹機(jī)以從這些流中回收可利用的功。一些透平膨脹機(jī)專門設(shè)計(jì)和制造用于熱氣服務(wù)，但通常也會(huì)改裝和使用蒸汽渦輪機(jī)?；旧?，這些后者的工作原理與傳統(tǒng)蒸汽渦輪機(jī)相同，只是工作流體不同。然而，由于熱氣和蒸汽在每種服務(wù)中的操作、熱力學(xué)和流體力學(xué)行為不同，成功的應(yīng)用需要進(jìn)行許多檢查和驗(yàn)證，以避免潛在的問(wèn)題或難題。熱氣透平膨脹機(jī)可以在一定程度上使用低合金碳鋼。然而，極端溫度和壓力需要適當(dāng)?shù)暮辖穑渲性S多用于蒸汽渦輪機(jī)。

冷氣服務(wù)

許多透平膨脹機(jī)用于低溫、制冷和低溫氣體服務(wù)。這些透平膨脹機(jī)主要用于高壓氣體流中有效地降低溫度。膨脹過(guò)程導(dǎo)致氣體急劇冷卻，同時(shí)提供機(jī)械能以驅(qū)動(dòng)設(shè)備執(zhí)行有用的工作。有些配置將透平膨脹機(jī)與壓縮機(jī)耦合，利用生成的功來(lái)壓縮過(guò)程中的氣體。有時(shí)，透平膨脹機(jī)和壓縮機(jī)被打包在單個(gè)單元上的單個(gè)軸上。

與傳統(tǒng)的“焦耳-湯姆遜”（JT）閥門或其他設(shè)備相比，透平膨脹機(jī)可以更高效地生成低溫氣體。在給定一定的壓力降低下，透平膨脹機(jī)的幾乎等熵膨脹使得膨脹氣體的溫度比通過(guò)節(jié)流閥或其他設(shè)備進(jìn)行的等焓膨脹更低。事實(shí)上，將冷氣透平膨脹機(jī)應(yīng)用于低效率的傳統(tǒng)方法（如JT閥門）可以顯著提高這種處理工廠的冷卻能力、性能、效率和運(yùn)營(yíng)成本。更低的溫度大大提高了整體冷氣或制冷循環(huán)的效率。此外，透平膨脹機(jī)還產(chǎn)生了有用的功。

冷氣和低溫氣體透平膨脹機(jī)的機(jī)殼材料通常是不銹鋼，有時(shí)選擇特殊合金。許多這類透平膨脹機(jī)使用主動(dòng)磁性軸承（AMBs），因?yàn)閭鹘y(tǒng)的油軸承通常無(wú)法滿足要求?，F(xiàn)代封裝式磁性軸承（canned-type magnetic bearings）非常受歡迎，這種高性能軸承適用于通常不能被傳統(tǒng)磁性軸承和電氣設(shè)備容忍的侵蝕性、有毒或困難的氣體。它們將AMB的傳統(tǒng)電氣組件封裝在由先進(jìn)材料（如高鎳合金）制成的金屬罐內(nèi)，以防止與氣體接觸。

非理想情況面臨的挑戰(zhàn)

在許多應(yīng)用中，透平膨脹機(jī)至少部分地在稠密氣體的熱力學(xué)區(qū)域運(yùn)行，理想氣體定律很難近似真實(shí)的熱力學(xué)行為。因此，假設(shè)理想氣體可能導(dǎo)致對(duì)這些透平膨脹機(jī)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的不準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。對(duì)于某些氣體，對(duì)于預(yù)期的操作范圍，可能不容易獲得準(zhǔn)確的熱力學(xué)和流體力學(xué)行為。然而通過(guò)考慮操作流體的非理想熱力學(xué)行為，可以改善稠密氣體透平膨脹機(jī)的性能。這需要充分理解流體力學(xué)如何偏離理想氣體行為以及每種特定流體和應(yīng)用的可用熱力學(xué)模型的能力和限制。稠密氣體區(qū)域的膨脹通常涉及亞臨界和超臨界的流入條件，代表了中等到高熱力學(xué)非理想性的情況。一些透平膨脹機(jī)需要通過(guò)更復(fù)雜的三維幾何形狀對(duì)真實(shí)氣體流動(dòng)進(jìn)行實(shí)際模擬。

冷氣透平膨脹機(jī)的一個(gè)案例研究

讓我們以一個(gè)冷氣透平膨脹機(jī)在氣體回收過(guò)程中的應(yīng)用為例。進(jìn)氣氣體是一種混合氣體，用于低溫分離/回收過(guò)程。在該過(guò)程中，進(jìn)氣氣體首先在一個(gè)換熱器（冷盒）中冷卻到約-50°C，部分冷凝了氣體。然后，產(chǎn)生的氣液混合物分離為液流和氣流。分離器的液體流通過(guò)一個(gè)閥門，經(jīng)歷了從約63巴到約22巴的節(jié)流膨脹，這是一個(gè)等焓（恒定焓）過(guò)程，將流體的溫度從約-50°C降低到約-80°C，并進(jìn)入分離/回收塔。分離器的氣流進(jìn)入透平膨脹機(jī)，在約63巴到約22巴的等熵膨脹中，將其溫度從約-50°C降低到約-90°C，并進(jìn)入回收塔作為精餾回流。

從回收塔頂層的-90°C液體經(jīng)過(guò)冷盒被加熱到約0°C，同時(shí)冷卻進(jìn)氣氣體，然后返回回收塔的下部?；厥账撞康牧硪灰后w流（約2°C）通過(guò)冷盒返回回收塔，溫度約為12°C。實(shí)際上，進(jìn)氣氣體提供了重新沸騰回收塔底部所需的熱量，而透平膨脹機(jī)冷卻氣流（以有用的功率形式移除熱量），為塔頂部提供回流。

回收塔的頂部產(chǎn)物氣體（約-90°C）是適用于下游工藝的純凈氣體。這種氣體經(jīng)過(guò)冷盒，在冷卻進(jìn)氣氣體的同時(shí)被加熱，然后在由透平膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)的氣體壓縮機(jī)中被壓縮，并在由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的二級(jí)氣體壓縮機(jī)中進(jìn)一步壓縮。塔底部的產(chǎn)物在離開(kāi)系統(tǒng)之前，通過(guò)冷盒被加熱，同時(shí)冷卻進(jìn)氣氣體，成為可銷售的副產(chǎn)品。