2004 年, 四川空分设备(集团) 有限责任公
司(以下简称: 川空) 为新疆吐哈油田丘东采油厂
制造了1 台处理量为160 万m3 / d、带PLC 控制的
天然气增压透平膨胀机, 代号PT550。这是川空迄
今为止制造的处理量最大、单机合同额最大的天然
气透平膨胀机。它的成功试制、投运, 为川空设计
制造更大处理量的透平膨胀机打下了坚实的基础,
同时也提高了川空天然气透平膨胀机与国外厂家的
竞争能力。
1 　透平膨胀机设计参数
该透平膨胀机设计参数见表1 (大港石油设计
院提供) 。
2 　透平膨胀机设计时遇到的问题及解决方法
这台膨胀机是在海口福山油田50 万m3 / d 以及
青海25 万m3 / d 膨胀机(代替ATLAS 进口膨胀机)
设计及开车成功之前设计的, 有以下几个难点及必
须充分考虑的方面, 只有处理好了这些问题才能保
证该产品成功设计、试制和投运。
211 　增压机的效率
川空的NREC 软件没有油田气这个模块, 现有
模型级只是空气介质。在K 值、压比(ε = 112)
等数据不一样的情况下, 很难模化。如果用空气介
质的模型级进行模化, 要冒风险; 膨胀机效率有保
证甚至可能达到更高的效率。深入分析设计参数,
并借助前几年径向直叶片叶轮的设计经验以及对天
然气环境的了解, 参阅《离心式压缩机原理》及
《化工透平式压缩机》后, 最终设计了一个径向直
叶片式增压机轮, 直径为138mm (半开式) , 膨胀
轮直径170mm (闭式) , 转速28500rPmin , 目的是
在把增压机轮的机械性能设计好的基础上尽量保证
高效率, 把效率的缺陷转移到膨胀端上。只要根据
增压端进口压力、温度和流量(这是系统给定的) ,
然后保证膨胀端在出口压力下的温度(即制冷温
度) , 就可以满足工艺流程的要求。因此对设计参
数(主要是增压端出口压力、膨胀端进口压力) 进
行了少许调整, 见表2。
表1 　PT550 增压透平膨胀机设计参数
设计参数
膨胀端增压端
进口出口进口出口
介　质天然气天然气天然气天然气
压力/MPa (A) 4116 1155 315 4124
温度/ ℃ - 42 - 7819 45 6219
流量/ (kg/ h) 3239016 5096318
调节范围±30 % ±30 %
效　率80 % 72 %
膨胀端组分摩尔比
C1 : 86135 % , C2 : 614 % , C3 : 1161 % ,
IC4 : 0122 % , NC4 : 0113 % , IC5 : 0102 % ,
NC5 : 0101 % , N2 : 5113 % , CO2 : 0112 %
增压端组分摩尔比
C1 : 79115 % , C2 : 8133 % , C3 : 4135 % ,
IC4 : 1131 % , NC4 : 1107 % , IC5 : 0151 % ,
NC5 : 0134 % , NC6 : 0135 % , N2 : 4147 % ,
CO2 : 0112 %
表2 　PT550 增压透平膨胀机调整后的设计参数
设计参数
膨胀端增压端
进口出口进口出口
介　质天然气天然气天然气天然气
压力/MPa (A) 4103 1155 315 4113
温度/ ℃ - 42 - 7819 45
流量/ (kg/ h) 3239016 5096318
调节范围±30 % ±30 %
效　率83 % 65 %
膨胀端组分摩尔比
C1 : 86135 % , C2 : 614 % , C3 : 1161 % ,
IC4 : 0122 % , NC4 : 0113 % , IC5 : 0102 % ,
NC5 : 0101 % , N2 : 5113 % , CO2 : 0112 %
增压端组分摩尔比
C1 : 79115 % , C2 : 8133 % , C3 : 4135 % ,
IC4 : 1131 % , NC4 : 1107 % , IC5 : 0151 % ,
NC5 : 0134 % , NC6 : 0135 % , N2 : 4147 % ,
CO2 : 0112 %
压比由原来的112 改为1118 (因为修改了增压
端效率) , 这样增压机性能就有相当大的把握, 而
且膨胀机提供的冷量变化完全在工程允许范围内,
最终开车证明是成功的。
212 　增压机轮的刚性以及固频
根据常规设计, 进口宽度很大, 增压机轮的刚
性、固频容易出现问题, 在做了5 个方案的基础上
选择了一个最佳的。由于增压端气量大, 进口宽度
还是很大, 为了满足大范围的工况运转, 对叶轮进
口做了结构上的倒角处理, 最终开车证明这非常
有用。
需要强调, 以上两点对天然气环境的一些设计
参数是可以这样处理的, 别的介质(如空气、氮气
等) 及其它工况得慎重, 天然气以可靠性、适应大
范围的变工况为首要目的。这也是天然气环境的一
个显著特点。
213 　轴向推力大
两端轮子大小相差很悬殊, 整个机组的压力等
级又处在中压区, 轴向推力高达113MPa (笔者认
为该推力计算在定性及数量级上基本准确, 定量上
有些误差) , 这样大小的轴向推力, 要保证机组长
期运行非常困难。因此对转子结构上的每一个相关
尺寸反复核算, 并对机组结构作了调整, 尽量让机
组本身把轴向推力平衡在一个安全范围内, 设计的
推力平衡机构起一个辅助平衡作用, 可靠性就有了
保证。
214 　转子的刚性
该台透平膨胀机是前增压且调节范围大, 设计
处理量为160 万m3 / d , 最小处理量为112 万m3 / d ,
最大处理量208 万m3 / d。经过核算, 膨胀机的运
行转速在25000rPmin 至33000rPmin 范围内, 因此笔
者把35000rPmin 作为设计转子临界转速的依据, 经
过调整转子结构尺寸及轮子结构算得第一临界转速
为50084rPmin。由于该转子为刚性转子, 该第一临
界转速完全能满足大范围的转速波动。
通过以上的分析比较及采取相应措施, 在
2004 年6 月完成了全部设计。
3 　透平膨胀机运行参数
2005 年8 月初透平膨胀机准备投入运行, 此
时的原料气压缩机、丙烷制冷机(均为进口产品)
以及其他动设备均未正常投运, 用户要求用高压气
量67 万m3Pd 运行透平膨胀机。借助PLC 的自动监
测、控制, 最后膨胀机顺利运行。在进、出口参数
与设计参数相差甚远的情况下, 进口温度为- 19 ℃
的天然气膨胀后的出口温度达到了- 52 ℃, 用户非
常满意。说明该透平膨胀机的变工况性能良好。
2005 年9 月29 日, 原料气压缩机、丙烷制冷
机均投入正常运行, 该透平膨胀机性能也得到充分
发挥, 膨胀端运行参数见表3。
表3 　透平膨胀机膨胀端运行参数
进口压力/MPa 317
出口压力/MPa 115
进口温度/ ℃ - 50
出口温度/ ℃ - 85
处理气量/ (m3/ d) 120 万
振动值X轴为12μm, Y轴为10μm
转速/ (r/ min) 26000
前轴承温度/ ℃ 49
后轴承温度/ ℃ 55
轴向推力/MPa 014
　　从以上参数可知, 机组的机械性能好, 运行效
率高。
由于该透平膨胀机出口温度达到- 85 ℃, 温度
太低, 用户考虑整个装置的各个因素, 在以上工况
运行了约12h 后, 对工况进行了调整。膨胀机现在
长期运行工况见表4 (2005 年10 月28 日膨胀端运
行参数) 。
4 　透平膨胀机设计上的经验教训
该台透平膨胀机在结构设计上也有一定的缺
陷。由于合同周期紧, 笔者把膨胀机蜗壳及增压蜗
壳设计成生产周期短的焊接件, 并考虑焊缝质量及
表4 　工况调整后的膨胀端运行参数
进口压力/MPa 31289
出口压力/MPa 11473
进口温度/ ℃ - 4115
出口温度/ ℃ - 7216
处理气量/ (m3/ d) 120 万
振动值X轴为10μm, Y轴为1017μm
转速/ (r/ min) 27100
前轴承温度/ ℃ 5115
后轴承温度/ ℃ 55
轴向推力/MPa 01407
运行效率83 %
方便加工, 蜗壳设计得较长(强度是安全的) , 以
致于机组刚性不太好, 对外界安装应力反应敏感。
现场安装时, 膨胀机出口管连接好后, 喷嘴卡死;
增压端进口管连接好后转子卡死。与现场服务人员
深入分析后决定在膨胀端、增压端进出口处加波纹
节消除安装应力。但到现场后, 发现膨胀机出口管
线刚性及安装质量是导致喷嘴卡死的主要原因; 而
增压端进口法兰螺丝没拧均匀导致转子卡死。最后
只在膨胀端进出口处加波纹节, 重新把增压端进口
法兰螺丝均匀拧紧, 问题得到解决。
参考文献:
[1 ] 徐忠. 离心式压缩机原理[M] . 北京: 机械工业出版
社, 1978.
[2 ] 苗永淼, 牛锡传, 蒋潞, 等. 离心式压缩机强度
[M] . 北京: 机械工业出版社, 1980.
[3 ] 计光华. 透平膨胀机[M] . 北京: 机械工业出版社,
1982.
[4 ] 黄钟岳. 化工透平式压缩机[M] . 大连: 大连理工大
学出版社, 1989.