潘贲 刘胜国 陆酊

（上海石油天然气有限公司，上海 201300）

0 引言

透平膨胀机广泛应用在气体液化、低温分离等方面，在天然气膨胀制冷回收轻烃工艺装置中，膨胀机的等熵效率的发挥极为重要，它直接决定了膨胀机出口温度、制冷量、产液量以及丙烷回收率等。近年来，平湖油气田产能的下降制约了处理厂80×103m3／d透平膨胀机等熵效率的正常发挥，为此，有必要通过对膨胀性能曲线分析，探索膨胀机在低处理量下尽可能提高膨胀机等熵效率的途径。

1 透平膨胀机及其等熵效率

透平膨胀机是实现接近绝热等熵膨胀过程的一种有效设备。作为降低温度、制取冷量用的低温透平膨胀机，它的目的是为在一定膨胀气量下制取尽可能多的冷量，以满足低温液化和分离装置的需要。在透平膨胀机中标志能量转换过程完善程度的指标就是效率，理论上膨胀工质在给定的进、出口条件下可能实现的最大比焓降应为等熵比焓降hs，等熵比焓降是一个比较的标准。透平膨胀机进、出口实际比焓降与等熵比焓降之比称为等熵效率：

式中，ηs为等熵效率；h为进、出口实际比焓降，kJ／kg；hs为等熵比焓降，kJ／kg。

2 透平膨胀机性能曲线

透平膨胀机特性曲线是在设计时预先估计其性能变化通过选择合适的设计参数由试验结果整理绘制而成。通常把ηs随u1／CS（特性比）变化这一重要的关系曲线称为特性曲线（见图1）。特性比是指透平膨胀机叶轮进口处的圆周速度与透平膨胀机等熵理想速度之比，在其他参数不变的情况下它直接反映了转速对机组效率发挥的影响。透平膨胀机u1只与转速有关，CS则与该透平膨胀机运行时的气体进、出口的热力参数有关[1]，也即：

式中，u1为叶轮进口处的圆周速度，m／s；Cs为等熵理想速度，m／s；n为叶轮转速，转／s。

图1 等熵效率与u1／Cs特性曲线图

当进口参数一定时，必须调整转速n使特性比维持在最佳值附近。在生产实际中，为了便于分析利用这一曲线，常用透平膨胀机在流量改变时，等熵效率随着流量而改变的关系曲线也称为性能曲线。对透平膨胀机等熵效率影响的调节分为量的调节、质的调节两种情况，量的调节是指改变膨胀气量，而质的调节是指改变透平膨胀机进出口热力参数。

3 膨胀机转速与等熵效率的分析

图2 膨胀机性能曲线图

东海平湖气田的陆上天然气处理终端轻烃回收装置的关键制冷设备透平膨胀机设计处理量为120×103m3／d，膨胀为径向轴流式MAFI-TRENCH EC3.0。由图2可以看出，机组等熵效率存在一个最大值ηsmax，相对应的有一个最佳处理量和最佳运行转速。在实际处理量与设计处理量有偏离的情况下膨胀机的等熵效率与设计等熵效率有很大的出入，即使在设计处理量下，不同转速控制下的膨胀机等熵效率也不尽相同。

根据膨胀机在轻烃回收装置中所处位置的工艺流程（图3），在一定的处理量下控制膨胀机的转速最直接的方法是调节膨胀机的膨胀比或与其同轴的压缩机压缩比。虽然膨胀机入口压力受上游来气压力限制基本无法调整，但可通过压缩机出口压力的调节，使膨胀转速达到一个新的平衡。

图3 膨胀机轻烃回收工艺流程图

根据对膨胀机性能曲线的理解，在入口压力稳定在4300 KPa、80×103m3／d处理量的情况下对压缩机出口压力由设计压力下的2200 KPa逐步下调到能满足下游输气管网管输要求的最低值2000 KPa。在这个范围内随着压缩机出口压力的下降，膨胀机的转速有了一定范围的上升，透平膨胀机的出口温度明显下降，通过计算表明等熵效率也有了一定的提升（表1），与性能曲线图中的数据基本一致。

表1 出口压力变化下膨胀机参数表

4 结束语

非设计处理量下运行对透平膨胀机的等熵效率将产生影响，但对于某个特定的处理量下必定有最佳的透平膨胀机转速与最高等熵效率相对应。在该情况下，可以利用透平膨胀机性能曲线通过膨胀机质的调节方式调整好转速，使特性比尽量维持在最佳值附近，从而保证低处理量膨胀机效率的较好发挥。

［1］计光华.透平膨胀机［M］.北京：机械工业出版社，1989.