摘 要
動態(tài)氣體軸承膨脹機-盡管已在氦制冷機和液化器中應(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。通過在2004年開發(fā)出用于氣體軸承渦輪機的新設(shè)計概念，軸向軸承容量得到了顯著提高，從而使這項技術(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)試驗臺上通過了多次測試，隨后在德國Leuna的Linde Gas氫氣液化器上進行了工業(yè)規(guī)模的演示。自安裝以來，該渦輪機已經(jīng)成功運行了16,000多個小時，并且在性能，可維護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)動態(tài)軸承燃?xì)廨啓C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終市場推出的步驟，更具體地講，這種渦輪技術(shù)的財務(wù)收益，包括資本投資和運營支出。
林德（Linde）在1950年Z初使用含油透平機時開始了氦氣液化業(yè)務(wù)。隨著其動態(tài)氣體軸承透平機的發(fā)展，從1972年起，林德開始為其低溫工廠配備無油透平機。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，并且沒有復(fù)雜而危險的油品處理，因此客戶意識到了氣體軸承透平機的優(yōu)勢。結(jié)果，將這項技術(shù)轉(zhuǎn)移到氫氣應(yīng)用的呼聲越來越高。這一要求以及對進一步提高液化系統(tǒng)效率的渴望，引發(fā)了新型動態(tài)氣體軸承透平機的開發(fā)。
2000年，啟動了一項開發(fā)計劃，Z終導(dǎo)致設(shè)計出了效率更高的動態(tài)氣體軸承渦輪機，即所謂的TED透平機，該透平機同時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是個決定在其德國Leuna的設(shè)施中與油軸承膨脹機平行安裝一個氣體軸承膨脹機透平機的客戶。這兩種渦輪機的并聯(lián)布置允許TED透平機連續(xù)運行，但在出現(xiàn)問題甚至故障的情況下，油軸承膨脹機可以提供備用支持。但是，由于氣體軸承膨脹機的操作簡便性和可靠性方面勝過了操作員的期望，因此油軸承膨脹機的支持已經(jīng)過時了。
Leuna操作的結(jié)果為在氫工廠中向市場推出氣體軸承膨脹機提供了依據(jù)。
動態(tài)氣體軸承透平機的優(yōu)勢
對于具有膨脹頭透平機的低溫系統(tǒng)，可以應(yīng)用三個技術(shù)概念，如圖1所示。它們是：
油軸承膨脹機配備有供油系統(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，但油軸承膨脹機的特點是復(fù)雜，昂貴且操作油系統(tǒng)棘手。操作錯誤可能會導(dǎo)致油殘留到工藝氣體系統(tǒng)中，然后需要進行精心且費時的清潔。
靜態(tài)氣體軸承膨脹機需要高壓工藝氣流中的氣體來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程會導(dǎo)致渦輪效率的損失，該損失會隨著溫度的降低而增加。即靜態(tài)氣體軸承透平機對降低低溫系統(tǒng)冷端的效率特別敏感。此外，需要配備高壓儲氣罐以確保在緊急停車或軸承氣故障時，提供應(yīng)急保護。
動態(tài)氣體軸承透平機通過軸承殼體內(nèi)的閉環(huán)循環(huán)氣流獲得承載力，而不會影響工藝氣體。即使在緊急停機的情況下也能保持推力，從而確保工藝氣在膨脹機的中的安全。
圖1.低溫膨脹渦輪機不同軸承系統(tǒng)的圖示
無油系統(tǒng)，高效率，緊湊設(shè)計，高可靠性，故障安全運行功能和免維護運行是將動態(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。氫的動態(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機的比較
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的比較
投資支出空間是節(jié)省資本支出的一個指標(biāo)：與裝有油軸承膨脹機的冷箱（包括各自的供油系統(tǒng)）相比，裝有氣體軸承?脹機的冷箱所需的投資空間要少20％。
圖2顯示了德國Leuna的Linde Gas氫氣液化器的油軸承和氣體軸承膨脹機機的比較。
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，由于沒有復(fù)雜的供油系統(tǒng)以及額外的機械設(shè)備，因此安裝和調(diào)試工作量減少了約30％。
運營支出比較
氣軸膨脹機沒有油，極大地方便了日常操作。沒有與機油系統(tǒng)有關(guān)的所有活動，例如日常目視檢查機油泄漏，機油控制，與相關(guān)過濾器的機油更換和泵維修都變得不必要了。此外，建議對油軸承進行年度檢查，而氣體軸承膨脹機實際上是免維護的。如果需要檢查，可以每四年檢查一次。
但是，主要的節(jié)省來自氣軸膨脹機效率的提高。在循環(huán)壓縮機的運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％的運行成本。對于日產(chǎn)5,000公斤液態(tài)氫產(chǎn)品的工廠，預(yù)計每天Z多可增加350公斤產(chǎn)品，相當(dāng)于每年額外獲得100萬美元的利潤。
帶動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渦輪機之前，在林德天然氣公司在德國Leuna工廠的液化器中進行首次演示安裝之前，進行了全面的測試程序。除了在常規(guī)測試臺上進行渦輪機的Z終檢查和驗收之外，還對不同幾何形狀的渦輪機在Leuna站點的小型測試臺中進行了測試。向軸承供應(yīng)來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)理論軸承推力計算模型。隨后，將氣體軸承膨脹機與三個串聯(lián)油軸承膨脹機中的個并聯(lián)安裝。選擇這種布置，以便在氣體軸承膨脹機運行遇到不可預(yù)見的故障的情況下，可以快速完成向油軸承運行的轉(zhuǎn)換。
（來源：愛空分圈）
