摘　要

動態氣體軸承膨脹機-盡管已在氦製冷機和（hé）液化器中應（yīng）用（yòng）了數十年（nián），但由於軸向（xiàng）軸承容量的（de）限製，在氫氣應用方麵（miàn）受到了限製。通過在2004年開發出用於氣體軸承渦輪機（jī）的新設計概念，軸向軸承容量得到（dào）了顯著（zhe）提高，從而使這項技術可以轉移（yí）到氫液化器中。在將該（gāi）技術推廣（guǎng）到工業工廠之前，渦輪軸承技術在研（yán）發（fā）試（shì）驗台上通過了多次測試，隨後在德國Leuna的Linde Gas氫氣液化器上進（jìn）行了工業規模的演示。自安裝以來，該渦輪機已經成功運行了16,000多個小時，並且在性能，可維護性和可靠性方麵均（jun1）優於其含油兄弟。

本文基於Linde Kryotechnik 發表的有關動態軸承燃氣輪機在氫氣領域的應用的論文。與前一篇論文相反，該文側重於（yú）向Z終市場推（tuī）出的步驟，更具體地講，這種渦（wō）輪技術（shù）的財務收益，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（kāi）始了氦氣液化業務。隨著其動態氣體（tǐ）軸承透平機的發展，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隻能用於氦氣應用。由於工廠的（de）性能得到了提高和更（gèng）有（yǒu）效，並且沒有（yǒu）複雜（zá）而危險的（de）油品處理，因（yīn）此（cǐ）客戶意識到了氣體軸承透平機（jī）的優勢。結果，將這項技術轉移到氫氣應用的呼聲越來越高（gāo）。這一要求以及對進（jìn）一步提高液化（huà）係統效率的渴望，引發了新型（xíng）動態氣體軸承透平（píng）機的開發。

2000年，啟動了一項（xiàng）開發計劃，Z終導致設計出了效（xiào）率更高的動態氣體軸承渦（wō）輪機，即所謂的TED透平（píng）機，該（gāi）透平機同時提供了顯著更高的軸向承載能力。因此，它允許在基於氫克勞德循（xún）環的氫液化器中應用。

Linde Gas是個決定在其德國Leuna的設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（jī）的客戶。這（zhè）兩種渦輪機的並聯（lián）布置允許TED透平機連續運行，但在出現問題甚至故障（zhàng）的情況下，油軸承膨脹機可以提供備用支持。但是，由於氣體軸承（chéng）膨脹機（jī）的操作簡便性和可靠性方麵勝過了操作員的期望，因此油軸承膨脹機的支持已經過時（shí）了。

Leuna操作的結果為在氫工廠（chǎng）中向（xiàng）市場推出氣體軸承膨脹機提供了依據。

動態氣體軸承透平機的優勢

對於具有膨脹頭透平機的低溫係統，可以應用三個（gè）技術概念，如圖1所示。它們是：

油軸承膨脹機配備有供油係統，該係統向軸頸軸承，軸向軸承以及（jí）製動係統提供油。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，從而導致效率連續（xù）不（bú）斷下降。盡管油軸承膨脹機在氦氣和氫氣的各種應（yīng）用中已得到數十年的證（zhèng）明，但油軸承膨脹機的特點是複雜，昂貴且操作油係統棘手。操作錯誤可（kě）能會導致（zhì）油殘留到工藝氣體係統中，然（rán）後需要進（jìn）行精（jīng）心且費時的清潔。

靜態（tài）氣體軸承膨脹機需要高壓工藝（yì）氣流（liú）中的氣體（tǐ）來建立軸（zhóu）頸和軸向軸承的承（chéng）載能力。少量軸承氣在（zài）軸承中從高溫氣體到低溫過程會導致（zhì）渦輪效率的（de）損失，該損失會隨著溫度（dù）的降低而增加（jiā）。即靜態氣體軸承透平機（jī）對降低低溫（wēn）係統冷端的（de）效率特別（bié）敏感。此外（wài），需要配備高壓儲氣罐以確保在緊急停車或軸承氣故障時，提供應急保護。

動態氣體軸承（chéng）透平機（jī）通過軸承殼體內的閉環循環氣流獲得承（chéng）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（quán）。

圖1.低溫膨脹渦輪機（jī）不同軸承係統的圖示

無油係（xì）統，高（gāo）效率，緊湊設計，高可靠性（xìng），故障安全運行功能和免維護運行是將動態氣體軸從低溫氦氣係統轉換為基於氫克勞德（dé）循環（huán）的氫應用的關鍵因素。

但是，這種轉移需要調（diào）整氣體軸承膨脹機。氫（qīng）的動態粘度為8.76•10-6 Pa-s，比氦的粘度低約2倍，因此影響動態氣體軸承係統的功能。相應（yīng）的修改涵蓋了特殊的軸承間隙，膨脹機控製參（cān）數的調（diào）整以及軸承工作範圍的限製。此外，在氫氣氛中的使用要求遠離鐵元（yuán）素材料，例如鐵（tiě）氧體。用於磁性支撐軸（zhóu）承。Z後，材（cái）料的（de）選擇必須滿足歐洲ATEX的（de）要求，以確保防爆。

油（yóu）軸承和氣體軸承膨脹機機的比較

由於小型氫液化係（xì）統通常（cháng）使（shǐ）用（yòng）基於布雷頓循環的（de）氦製冷回（huí）路，因（yīn）此氣體軸承（chéng）膨脹機在這些應用中使用了數十年。因（yīn）此，以下比（bǐ）較適用於具（jù）有基於克勞德循環的氫氣製冷回（huí）路的氫氣係統。

圖2. 林德設施的油軸承（chéng）和氣體軸承機的比（bǐ）較

投資支出空間（jiān）是（shì）節省資本支出的一個指標：與裝有油軸承膨脹機的冷箱（包括各自的供油係統）相比，裝有氣體軸承?脹機的（de）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（zhàng）機機的比較。

這種節省的設備和空間可以使冷箱的成本降低（dī）10％到20％，具體取決於冷箱的（de）尺寸。此（cǐ）外，由於沒（méi）有複雜的供油係統以及額外的（de）機械設備，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（zhàng）機沒有油，極大地方便了日常操作。沒有與機油係統有關的所有活動，例如日常目（mù）視檢查機油泄（xiè）漏（lòu），機油（yóu）控製，與相關過濾器的（de）機油更換和泵維修都變得（dé）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（jì）上是免維護的。如果需要檢查，可以每四年檢查一次。

但是（shì），主（zhǔ）要的節省來自氣軸膨（péng）脹機效率的提高。在循環壓縮機的（de）運行（háng）條件不變的情況下（xià），可（kě）節省多達7％的（de）能（néng）耗或降低（dī）產品（pǐn）輸出，從而節省多達7％的運行成本。對於日產5,000公斤液態氫產品的工廠，預計每天Z多可增加350公斤（jīn）產（chǎn）品，相當於每年額外獲（huò）得100萬美元的（de）利潤。

帶動渦輪增壓器的製氫廠

在基於氫克勞（láo）德循環為氫液化工廠推出TED渦輪機之前，在林德天然氣公司在（zài）德國Leuna工廠的液化器中進行首（shǒu）次演示安裝之前，進行了全麵的測試程序（xù）。除了在常規測試台上進行渦輪機的（de）Z終檢查和驗收之外（wài），還（hái）對不同幾（jǐ）何形狀的渦輪機在Leuna站點的小型測試台中進行了測試。向軸承供應來自相鄰蒸汽重整裝置的氫氣，以重新檢查（chá）軸承容量並（bìng）校準理論（lùn）軸（zhóu）承推力計算（suàn）模型（xíng）。隨後，將氣體（tǐ）軸承膨（péng）脹機與三個串聯油軸承膨脹機中的個並聯安（ān）裝。選擇這種布置，以便在氣體軸承膨脹機運（yùn）行遇到不（bú）可預見的故障的情況下，可以快速完成向油軸承運行的轉換。

（來源：愛空（kōng）分圈）