[发明专利]用于深低温精馏系统的透平膨胀机

说明书

本发明一般说来涉及透平膨胀机，更具体地说，涉及一种用于制冷或用于对原料空气进行深低温精馏以便生产氮气和其它气体的透平膨胀机。

诸如氮气和氧气等工业气体在商业上是通过对原料空气进行深低温精馏而大量地生产出来的。进行深低温精馏所需的制冷是由经压缩的生产流体的透平膨胀来实现的，一般说来，此生产流体或者是被压缩的原料空气流，或者是从精馏塔中提取的高压气流。就运行和维修而言，空气分离工厂中的透平膨胀机是一个昂贵的设备，因此，人们希望能降低这些费用。

实际上，氮气生产设备中所采用的透平膨胀机的原始成本占工厂本身的投资成本的可观一部分。对于一个小规模工厂而言，透平的费用约为全部工厂成本的10％。因此，为了提高整个工厂的经费利用率，希望能降低此类应用中透平膨胀机的原始成本。另一方面，也不能忽视透平膨胀机性能或效率的相对重要性。所以，这变成一个性能价格比的传统问题。从理论上讲，人们渴望有一种高性能低费用的机器，较为现实的是在费用和性能之间取一折衷。本发明通过提供一种低费用且性能良好的机器、即效率高达85％左右(mid-tighties percent)的机器来解决此难题。

通过深低温精馏分离空气生产氮气或氧气就需要采用深低温透平膨胀机，就其功能而言，这种膨胀机的结构与透平增压器的结构非常类似。例如，二者的使用都需要一个透平机级和一个压缩机级，上述透平机级和压缩机级由安装在轴承箱中的旋转轴相连接。但是，透平增压器不同于深低温透平膨胀机，它通常是在高温条件下运转。这是自然的，因为透平增压器采用从内燃机中排出的废气作为推动气体，以使装于轴的一端的透平轮转动。将压缩机轮安装在轴的另一端，它由透平轮来驱动，以便压缩空气，然后将上述压缩空气送入内燃机中，借此，向内燃机提供加压空气，以便提高内燃机的性能。由于批量生产的优越性，使用在内燃机的典型透平增压器的原始成本较低。反之，深低温透平膨胀机的原始成本通常要高1至2个数量级。

以往，除了通过市场上的供求压力外，从技术入手来解决费用问题没有作明显的努力。确立现有的深低温透平膨胀机卖方的则是这类机器的供应商。更具体地说，人们从卖方那里能够得到的是一种效率较低但价格适中的机器，或者是价格昂贵的高效率机器。本发明欲提供另外一种有吸引力的价格低廉的且具有适中至高性能的机器。

如上所述，透平机的原始成本过高，例如，对于一个日产约25吨氮气的小型生产厂而言，透平机的原始成本可能占工厂总建造费用的10％以上。由于现有机器或者性能好但价高，或者价格适中但性能差，所以，先有技术对此问题的解决办法在技术上是有缺陷的。一种性能适中但价格低廉的机器市场上目前还买不到。

为了建造用于深低温空气分离工厂的效率不错且费用低的透平膨胀机，人们已考虑使用批量生产的部件。这一途径导致采用改进了的柴油机透平增压机作为价廉物美的深低温透平膨胀机。标准的柴油机透平增压机包括一个透平机级，转子，轴承，壳体和一个压缩机级。对于深低温空气分离应用而言，至少必须对透平增压器的透平机级进行改造，使之适于低温(深低温)运行。通常，透平增压器被设计成借助内燃机的热排气(1000°F以上)进行工作。而当将其用作深低温透平膨胀机时，工作温度非常低(低于-200°F)，由于构件的材料、密封及其它限制，这种应用不仅不是显而易见的，而且被认为是不可能的。

本发明主要的优点在于机器的原始成本低，它比目前市售的现有技术透平膨胀机相比低一个数量级。由于批量生产透平增压器的优越性，这种低成本是可能的。但是，若没有本文所公开的适于深低温应用的具体改造措施，现有的透平增压器是不能使用的。本发明另一优点是设计简单，以及与此有关，其性能很可靠。而且作这些改造也不影响透平机的性能。相反，尽管本发明的透平膨胀机的效率不超过现有的透平膨胀机，其所达到的85％左右(mid-eighties percent)的等熵效率是低原始成本和较好的性能之间极佳的组合，其结果是总费用效益超过现有技术。此优点在利用各种空气分离循环的多种不同深低温工厂中都是有价值的。

本发明的主要目的是提供一种可以有效地使用于深低温生产循环中的价格低廉的透平膨胀机。本发明的另一目的是提供一种能有效地采用这种效率较高的原始成本低的透平膨胀机的深低温生产循环。