制氫廠的動(dòng)態(tài)氣體軸承膨脹機(jī)技術(shù)

摘　要

動(dòng)態(tài)氣體軸承膨脹機(jī)-盡管已在氦制冷機(jī)和液化器中應(yīng)用了數(shù)十年，但由于軸向軸承容量的限制，在氫氣應(yīng)用方面受到了限制。通過(guò)在2004年開(kāi)發(fā)出用于氣體軸承渦輪機(jī)的新設(shè)計(jì)概念，軸向軸承容量得到了顯著提高，從而使這項(xiàng)技術(shù)可以轉(zhuǎn)移到氫液化器中。在將該技術(shù)推廣到工業(yè)工廠之前，渦輪軸承技術(shù)在研發(fā)試驗(yàn)臺(tái)上通過(guò)了多次測(cè)試，隨后在德國(guó)Leuna的Linde Gas氫氣液化器上進(jìn)行了工業(yè)規(guī)模的演示。自安裝以來(lái)，該渦輪機(jī)已經(jīng)成功運(yùn)行了16,000多個(gè)小時(shí)，并且在性能，可維護(hù)性和可靠性方面均優(yōu)于其含油兄弟。

本文基于Linde Kryotechnik 發(fā)表的有關(guān)動(dòng)態(tài)軸承燃?xì)廨啓C(jī)在氫氣領(lǐng)域的應(yīng)用的論文。與前一篇論文相反，該文側(cè)重于向Z終市場(chǎng)推出的步驟，更具體地講，這種渦輪技術(shù)的財(cái)務(wù)收益，包括資本投資和運(yùn)營(yíng)支出。

林德（Linde）在1950年Z初使用含油透平機(jī)時(shí)開(kāi)始了氦氣液化業(yè)務(wù)。隨著其動(dòng)態(tài)氣體軸承透平機(jī)的發(fā)展，從1972年起，林德開(kāi)始為其低溫工廠配備無(wú)油透平機(jī)。但是，承載能力的局限性使其只能用于氦氣應(yīng)用。由于工廠的性能得到了提高和更有效，并且沒(méi)有復(fù)雜而危險(xiǎn)的油品處理，因此客戶意識(shí)到了氣體軸承透平機(jī)的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果，將這項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)移到氫氣應(yīng)用的呼聲越來(lái)越高。這一要求以及對(duì)進(jìn)一步提高液化系統(tǒng)效率的渴望，引發(fā)了新型動(dòng)態(tài)氣體軸承透平機(jī)的開(kāi)發(fā)。

2000年，啟動(dòng)了一項(xiàng)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，Z終導(dǎo)致設(shè)計(jì)出了效率更高的動(dòng)態(tài)氣體軸承渦輪機(jī)，即所謂的TED透平機(jī)，該透平機(jī)同時(shí)提供了顯著更高的軸向承載能力。因此，它允許在基于氫克勞德循環(huán)的氫液化器中應(yīng)用。

Linde Gas是個(gè)決定在其德國(guó)Leuna的設(shè)施中與油軸承膨脹機(jī)平行安裝一個(gè)氣體軸承膨脹機(jī)透平機(jī)的客戶。這兩種渦輪機(jī)的并聯(lián)布置允許TED透平機(jī)連續(xù)運(yùn)行，但在出現(xiàn)問(wèn)題甚至故障的情況下，油軸承膨脹機(jī)可以提供備用支持。但是，由于氣體軸承膨脹機(jī)的操作簡(jiǎn)便性和可靠性方面勝過(guò)了操作員的期望，因此油軸承膨脹機(jī)的支持已經(jīng)過(guò)時(shí)了。

Leuna操作的結(jié)果為在氫工廠中向市場(chǎng)推出氣體軸承膨脹機(jī)提供了依據(jù)。

動(dòng)態(tài)氣體軸承透平機(jī)的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于具有膨脹頭透平機(jī)的低溫系統(tǒng)，可以應(yīng)用三個(gè)技術(shù)概念，如圖1所示。它們是：

油軸承膨脹機(jī)配備有供油系統(tǒng)，該系統(tǒng)向軸頸軸承，軸向軸承以及制動(dòng)系統(tǒng)提供油。為了避免油殘留到工藝氣體中，從膨脹的工藝氣體流中獲取密封氣體，從而導(dǎo)致效率連續(xù)不斷下降。盡管油軸承膨脹機(jī)在氦氣和氫氣的各種應(yīng)用中已得到數(shù)十年的證明，但油軸承膨脹機(jī)的特點(diǎn)是復(fù)雜，昂貴且操作油系統(tǒng)棘手。操作錯(cuò)誤可能會(huì)導(dǎo)致油殘留到工藝氣體系統(tǒng)中，然后需要進(jìn)行精心且費(fèi)時(shí)的清潔。

靜態(tài)氣體軸承膨脹機(jī)需要高壓工藝氣流中的氣體來(lái)建立軸頸和軸向軸承的承載能力。少量軸承氣在軸承中從高溫氣體到低溫過(guò)程會(huì)導(dǎo)致渦輪效率的損失，該損失會(huì)隨著溫度的降低而增加。即靜態(tài)氣體軸承透平機(jī)對(duì)降低低溫系統(tǒng)冷端的效率特別敏感。此外，需要配備高壓儲(chǔ)氣罐以確保在緊急停車或軸承氣故障時(shí)，提供應(yīng)急保護(hù)。

動(dòng)態(tài)氣體軸承透平機(jī)通過(guò)軸承殼體內(nèi)的閉環(huán)循環(huán)氣流獲得承載力，而不會(huì)影響工藝氣體。即使在緊急停機(jī)的情況下也能保持推力，從而確保工藝氣在膨脹機(jī)的中的安全。

圖1.低溫膨脹渦輪機(jī)不同軸承系統(tǒng)的圖示

無(wú)油系統(tǒng)，高效率，緊湊設(shè)計(jì)，高可靠性，故障安全運(yùn)行功能和免維護(hù)運(yùn)行是將動(dòng)態(tài)氣體軸從低溫氦氣系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為基于氫克勞德循環(huán)的氫應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

但是，這種轉(zhuǎn)移需要調(diào)整氣體軸承膨脹機(jī)。氫的動(dòng)態(tài)粘度為8.76•10-6 Pa-s，比氦的粘度低約2倍，因此影響動(dòng)態(tài)氣體軸承系統(tǒng)的功能。相應(yīng)的修改涵蓋了特殊的軸承間隙，膨脹機(jī)控制參數(shù)的調(diào)整以及軸承工作范圍的限制。此外，在氫氣氛中的使用要求遠(yuǎn)離鐵元素材料，例如鐵氧體。用于磁性支撐軸承。Z后，材料的選擇必須滿足歐洲ATEX的要求，以確保防爆。

油軸承和氣體軸承膨脹機(jī)機(jī)的比較

由于小型氫液化系統(tǒng)通常使用基于布雷頓循環(huán)的氦制冷回路，因此氣體軸承膨脹機(jī)在這些應(yīng)用中使用了數(shù)十年。因此，以下比較適用于具有基于克勞德循環(huán)的氫氣制冷回路的氫氣系統(tǒng)。

圖2. 林德設(shè)施的油軸承和氣體軸承機(jī)的比較

投資支出空間是節(jié)省資本支出的一個(gè)指標(biāo)：與裝有油軸承膨脹機(jī)的冷箱（包括各自的供油系統(tǒng)）相比，裝有氣體軸承?脹機(jī)的冷箱所需的投資空間要少20％。

圖2顯示了德國(guó)Leuna的Linde Gas氫氣液化器的油軸承和氣體軸承膨脹機(jī)機(jī)的比較。

這種節(jié)省的設(shè)備和空間可以使冷箱的成本降低10％到20％，具體取決于冷箱的尺寸。此外，由于沒(méi)有復(fù)雜的供油系統(tǒng)以及額外的機(jī)械設(shè)備，因此安裝和調(diào)試工作量減少了約30％。

運(yùn)營(yíng)支出比較

氣軸膨脹機(jī)沒(méi)有油，極大地方便了日常操作。沒(méi)有與機(jī)油系統(tǒng)有關(guān)的所有活動(dòng)，例如日常目視檢查機(jī)油泄漏，機(jī)油控制，與相關(guān)過(guò)濾器的機(jī)油更換和泵維修都變得不必要了。此外，建議對(duì)油軸承進(jìn)行年度檢查，而氣體軸承膨脹機(jī)實(shí)際上是免維護(hù)的。如果需要檢查，可以每四年檢查一次。

但是，主要的節(jié)省來(lái)自氣軸膨脹機(jī)效率的提高。在循環(huán)壓縮機(jī)的運(yùn)行條件不變的情況下，可節(jié)省多達(dá)7％的能耗或降低產(chǎn)品輸出，從而節(jié)省多達(dá)7％的運(yùn)行成本。對(duì)于日產(chǎn)5,000公斤液態(tài)氫產(chǎn)品的工廠，預(yù)計(jì)每天Z多可增加350公斤產(chǎn)品，相當(dāng)于每年額外獲得100萬(wàn)美元的利潤(rùn)。

帶動(dòng)渦輪增壓器的制氫廠

在基于氫克勞德循環(huán)為氫液化工廠推出TED渦輪機(jī)之前，在林德天然氣公司在德國(guó)Leuna工廠的液化器中進(jìn)行首次演示安裝之前，進(jìn)行了全面的測(cè)試程序。除了在常規(guī)測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行渦輪機(jī)的Z終檢查和驗(yàn)收之外，還對(duì)不同幾何形狀的渦輪機(jī)在Leuna站點(diǎn)的小型測(cè)試臺(tái)中進(jìn)行了測(cè)試。向軸承供應(yīng)來(lái)自相鄰蒸汽重整裝置的氫氣，以重新檢查軸承容量并校準(zhǔn)理論軸承推力計(jì)算模型。隨后，將氣體軸承膨脹機(jī)與三個(gè)串聯(lián)油軸承膨脹機(jī)中的個(gè)并聯(lián)安裝。選擇這種布置，以便在氣體軸承膨脹機(jī)運(yùn)行遇到不可預(yù)見(jiàn)的故障的情況下，可以快速完成向油軸承運(yùn)行的轉(zhuǎn)換。

（來(lái)源：愛(ài)空分圈）