CN1118429A - 用于深低温精馏系统的透平膨胀机 - Google Patents

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Abstract

一种适用于深低温精馏系统的透平膨胀机，它包括可转动地支承一长轴的中心壳体，轴两端分别装有透平轮和压缩机轮。透平轮上在圆周上加工有隔开的透平叶片。将生产流体引入使其流过围绕透平轮的导向叶片。导向叶片引导生产流体流过透平叶片，每个导向叶片在离透平轮较远的进气边和离透平轮较近的出气边之间延伸，进气边大体比出气边厚。隔热屏使透平壳体和透平壳体中的生产流体与中心壳体和中心壳体中的润滑剂隔热。沿轴向设有迷宫式密封件可阻止润滑剂沿轴流入透平壳体，同时也阻止生产流体沿轴流出透平壳体并流入中心壳体。

Description

用于深低温精馏系统的透平膨胀机
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。
正如所简述的那样，本发明的深低温透平膨胀机是一种耐用的机器，它的原始成本及维修费用均低，而且可靠性高。带有改进的透平轮(modified turbine wheel)的透平膨胀机的工作效率适于带有废气膨胀或空气膨胀的氮气生产工厂。某些应用(如生产氧气的空气分离工厂，或者更小型的氮气生产厂可能需要采用按现有技术设计的透平轮，这种轮被装于转子上，而不是安装在原有的透平增压器的修整过的膨胀机轮上，由于透平膨胀机的效率极低，后一种装法可能是被禁止的。然而，即使在这种情况，人们仍能得到机器成本低、维修费用低的好处。
本发明的低成本透平膨胀机可用于通过深低温精馏分离空气来生产氧和/或氮的工厂和循环中。该机器尤其适用于带有废气膨胀循环或带有空气膨胀循环的深低温精馏的空气分离的氮气生产工厂。它也可用于其它深低温生产，如需要投资成本低并具有较好性能的膨胀机的氢气深低温生产，天然气深低温生产，或类似的化学生产。
一种能制冷的透平膨胀机，其包括：一个在第一端和第二端之间延伸的中心壳体；一个安装在中心壳体的第一端的透平壳体；一根具有纵向轴线、安装于中心壳体上绕轴线转动的轴，轴的一第一端延伸到透平壳体之中，它的一第二端支承一个负载；一个带有外周缘、安装在轴的第一端上并处于透平壳体内与轴一起转动的透平轮，透平轮上加工有若干个沿圆周方向间隔开的透平叶片，每个透平叶片在靠近透平轮的外圆周的位置与靠近纵向轴线的位置之间延伸；透平壳体限定在远离所述纵向轴线的一个区域接受生产流体并将生产流体朝透平叶片排出的入口装置；并限定位于入口装置和透平轮的中间并包围透平轮的环形喷嘴装置，用来把生产流体从入口装置引向并通过透平叶片，喷嘴装置包括若干个导流叶片，每个导流叶片在离透平轮较远的进气边和离透平轮较近的出气边之间伸展，导流叶片的出气边和透平轮的外周缘之间的距离约在透平轮半径的1％至4％的范围。导流叶片的进气边和出气边之间的距离为一条弦；且弦长约为透平轮直径的5％至15％的范围。每个导流叶片在进气边和出气边之间大体不是等高的(uncontoured)，而且进气边大体上比出气边厚。导流叶片在进气边处的厚度约在0.05英寸至0.15英寸的范围；而每片导流叶片在出气边处的厚度约在0.01英寸至0.10英寸的范围。
下面结合附图对本发明进行描述，通过这些描述，将对本发明的其它特点、优越性和效益认识得更清楚。显然，上面所作的一般性描述和下面将要进行的详细描述只是示例性和解释性说明，并非是对本发明的限制。结合在一起并构成发明的一部分的附图示出了本发明的实施例，这些附图与所进行的描述一起用来概括性地解释本发明的原理。在全部公开文件中相同的标号代表相同的部件。
图1为本发明的一个实施例的深低温透平膨胀机的横截面组装图；
图2为沿图1中的2-2线截取的详细的剖面图，它示出了本发明的一个实施例的喷嘴导流叶片组件和透平轮的细节；
图3为剖面示意图，它示出了本发明的一个实施例的深低温透平膨胀机的轴封系统的细节；
图4示意性地表示出采用图1和图3的透平膨胀机的废气膨胀深低温生产氮气系统的一个实施例，其为本发明的另一实施例；
图5是与图4类似的示意图，它描绘出一个采用空气膨胀循环的空气膨胀深低温生产氮气系统，其为本发明的又一实施例；
图6是与图4和图5类似的示意图，它描绘出一个采用图1和/或图3的透平膨胀机的氧气和氮气的生产系统的实施例，其为本发明的再一个实施例；以及
图7，图8和图9均为曲线图，它反映出将图1所示的透平膨胀机用于深低温空气分高系统中时，在成本方面的优越性。
下面参见附图，首先参见图1，其为本发明的深低温透平膨胀机的截面组装图。
机器的转子或轴1在轴承箱4中转动，上述轴承箱还卡持住透平端部轴封3，压缩机端部轴封10，喷嘴导流叶片2和隔热屏7。透平轮5可以是轴1整体的一部分，或者也可以将其加工成单独的部分而象安装在轴的另一端的压缩机轮6一样安装在该轴上。喷嘴导流叶片2是位于圆周方向上且紧靠透平轮5，并固定在隔热屏7上的作成一体的一个环形部分。
隔热屏7设置成用来把冷的透平轮区(和生产气体)与轴承箱的热区隔离开。由于下述两个原因这是必要的：第一，为了使轴承中的润滑剂不冻结，而这种冻结会危及机器运转；第二，为了防止热泄漏到生产流体中，而这会使透平膨胀机的效率和性能不必要地降低。为了维持低成本，可以通过修整原有的透平轮外径和其顶端流线而从该原有的透平轮获得本发明的透平轮，然后，使之与固定壳体8配合，壳体8经过用作喷嘴导流叶片2的环和隔热屏7也固定到轴承箱4上。
透平膨胀机壳体9设有引入生产流体以及使之从在此描述的透平膨胀机中排出的机构。透平膨胀机的负载为压缩机轮6和压缩机级，此压缩机级在一个排热回路中运行，在该回路中通常将压缩功经热交换器排入到工厂冷却系统中。在某些情况中，将透平膨胀机作的功随着工艺过程积累起来而加以利用(例如通过压缩氮气产品或生产循环的其它气流)更为有利。
图2示出了图1中所示喷嘴导流叶片组件2的详细结构。该喷嘴导流叶片是在一个环上加工而成的，该环紧靠着透平膨胀机轮的外圆周。环的作用是把推进气体几乎沿着叶轮的切向引导而导入透平膨胀机轮。在喷嘴中，推进气体被加速到绝对速度为C，该速度的切向分量为U，径向分量为W。
虽然可以采用各种不同的喷嘴，但这样做并不是必需的。事实上，为了使成本降低，最好采用整体地加工出的并处于叶轮四周的环上的非常简单的导流叶片。根据本领域技术熟练人员的一般常识，现有设计的作法是建议将由喷嘴后沿(出气边)半径和轮半径之差值限定的无叶片间隙g(如图2所示)设计为透平膨胀机轮半径的5％至7％的量级。这样做可使气体流道足够长，以便气体在叶轮上的进入点处的流动交得更均匀。另一方面，此间隙又不应太大，这是因为这个区域是表面摩擦损失最大的区域(由于在无叶片喷嘴空间气体的绝对速度最高，并且上述损失随气体速度的平方增长)。
事实上，如本领域技术熟练人员可以理解的那样，在喷嘴后沿(出气边)半径比轮直径大5.4％之处所得到的效率最高，参见惠菲尔德(A。Whitfield)和巴纳斯(N.C.Baines)撰写的由英国郎曼(Longman)科学与技术出版公司出版的“径向透平机的设计”第178页，式4.52)。与这种现有设计不同的是本发明的喷嘴出气边半径约比透平膨胀机轮直径大1％至4％，最好约大2％至3％。经这样特殊设计出的喷嘴出气边半径与比现有设计所推荐的长度要短的喷嘴弦长(nozzle chord length)配合起来，其性能既满足要求又结构紧凑。图2所示的简单的喷嘴环结构与更为传统的较昂贵的各种喷嘴结构相比可以以较低的成本更容易地提供更多的喷嘴导流叶片。喷嘴的数量较多还可以以较低的成本使机器更紧凑。
为了适应上述用途所要求的规定参数尺寸，把传统的市售透平增压器中使用的部件及其尺寸作了改进。人们发现这些改造措施对最后得到的透平膨胀机的性能的提高是出乎预料的。这些性能的提高在下面参考了图8和图9并结合说明书的描述之后将看得更加清楚。然而，在这里，相信希望能给出透平膨胀机轮的直径与喷嘴导流叶片2的弦长(此处的弦长是进气边和出气边之间的距离)之间的各种常规关系。下面的表1给出了本发明的透平膨胀机的一些这样的常规关系及尺寸。
                          表1
      数据来源 透平轮直径(英寸)   导流叶片弦(英寸)
       本发明        4.4         0.5
  Praxair的早期设计        4.56         2.19
  Praxair的早期设计        5.170         1.404
  Praxair的早期设计        7.41         4.5
  Linde A.G.        6         1
  Linde A.G.    6     1.8
为了实现本发明的目的，现已发现希望弦长大约为轮直径的5％至15％的范围，最好为8％至14％，而导流叶片2的出气边和透平轮5的外边缘之间的间隙g大约为透平膨胀机轮半径的1％至4％的范围，最好为2％至3％。间隙g可以改变，例如根据透平膨胀机轮半径的长度，它可以在0.05英寸和0.50英寸之间变化。
对于机器的流量控制(从而控制机器的容量)而言，喷嘴导流叶片之间的喉道面积t的大小是主要的变量。图2示出的喷嘴叶片具有一种极简单的结构，尽管如果可以以足够低的成本得到这种结构的话，也可以采用常规的更复杂的喷嘴结构。
图3为本发明的深低温透平膨胀机的轴封系统的细节的横截面示意图，上述轴封系统使得它能有效地用于深低温精馏工厂或空气分离循环中。参见图3，本透平膨胀机包括一个透平轮5，它与轴1的一端构成一整体或装于轴1的一端。压缩机轮6安装于轴1的另一端。上述连接透平轮和压缩机轮的轴在两个轴承50中旋转，上述两轴承紧靠着每一个轮，并由两个轴封将它们分别与两个轮子分开。
油之类的润滑剂通过管路51供给到轴承50中。借助于图3所示的轴封系统可防止轴承润滑剂渗入到冷的生产流体中。为了在轴的四周容纳密封气体，设有合适的密封系统。通常，该密封系统包括迷宫式密封3，此迷宫式密封沿轴1方向产生一系列的局部压力增高，同时阻止润滑剂从轴承流向叶轮5，并阻止冷的流程气体从透平轮流向轴承。这就有效地将轴承与生产流体隔离开，从而可确保透平膨胀机可靠地运转，而油润滑剂又不会在轴承中冻结。
可以将密封气体送入密封系统，最好密封气体与生产流体为同一种气体(例如刻氮气或原料空气)。在图3所示的结构中，使在管路53中的通常处在40°F到150°F范围的温度适中的密封气体经阀54流过。调节器55检测靠近透平轮的密封气体进入点的压力，并调节密封气流量。将密封气体送入轴承箱与靠近箱体的轴承(the bearing proximate the housing)之间的密封系统。“靠近箱体”指的是靠近箱体比靠近隔热屏与箱体之间的轴承更近。密封气体随着返回的润滑剂排出。密封气体的适中温度还用来防止存留在轴上的润滑剂因生产流体的温度很低而冻结。一些热的密封气体可能会流入透平膨胀机壳体9。当其与冷的生产流体混合时会引起效率损失。然而，如果在本说明中考虑本发明所提供的最终获益，这种效率损失还是可接受的。
对本技术熟悉的人员可以想到，对密封气体这样安排只是在这种深低温透平膨胀机的透平端才是必要的。在另一端，即轴1的压缩机端不需要密封气体。实际上，可允许压缩机回路生产气体(如空气或氮气)通过类似的迷宫式轴封10泄漏。
图4示出了废气膨胀深低温氮气生产系统的一个具体实施例，以便进行说明。本发明可以与任何合适的深低温特馏工厂一起使用。它尤其适用于废气膨胀深低温氮气生产循环，在该循环中，为了进行制冷，使从精馏塔流出的废气流膨胀，膨胀后的废气流与流入的原料空气进行间接热交换以冷却原料空气，从而，向精馏塔系统提供制冷，以便进行精馏。
参见图4，原料空气101在主要负载原料空气压缩机102中被压缩，然后流过主热交换器103。在主热交换器103中，压缩后的原料气体通过与膨胀后的废气流进行间接热交换而被冷却，正如下面将要更详细地描述的那样。接着将除去了如水蒸汽和二氧化碳之类的高沸点杂质的被压缩和经冷却的原料气体作为气流105通入深低温精馏塔系统。
图4中示出的深低温精馏塔系统包括一个单塔106和一个顶部冷凝器108。虽然也可采用包括多于一个塔的装置，在本发明的实践过程中，深低温精馏装置最好包括一个塔。塔106最好在从40磅/英寸2到140磅/英寸2的压力范围下工作。
在塔106中，原料空气通过深低温精馏被分离成氮蒸气产品和含氮液体。从塔106的顶部抽出的氮蒸气产品通常其纯度范围为含氮98％到99.9999％，或纯度更高。管道109中氮蒸气产品的一部分气流126流入顶部冷凝器108，并在其中被含氮液体冷凝，然后作为流液117当作回流液返回到塔106中。如果需要，可以提取液流117的部分液流120作为液氮气品通过管道118回收。氮浓度范围通常为60％至70％的含氮液体作为液流107从塔106的下部流出，经阀134减压，并作为流体127进入顶部冷凝器108，在该冷凝器中沸腾，以使流体126冷凝。
在管道109中的被抽出的氮蒸气产品经通过主热交换器103与原料气进行间接热交换而变热，借此冷却原料气体。之后，变热的氮蒸气产品经管道123被回收。如果需要，也可用一台压缩机压缩变热的氮气产品，然后，可以回收所得到的高压氮气产品。
从精馏塔系统的顶部冷凝器108中排出作为液流112的含氮的废流体，然后液流112局部地通过主热交换器103，其再通过改造了的透平膨胀机113而膨胀，按照本发明，膨胀后流体的压力范围从20磅/英寸2至大气压力。如果采用了氮产品压缩机，则透平膨胀机113可以与此压缩机相连。在这类直接耦合的透平——压缩机系统中，两台设备可以用齿轮系或不用齿轮系实现机械连接，所以，从膨胀气流中汲取的能量可以直接由透平经压缩机传给被压缩的产品氮气。这种安排可使与从透平经中间步骤(例如发电)到压缩机的间接能量传递有关的额外损失和基建费用降至最低。当废流体112经过透平膨胀机113时，它驱动透平膨胀机，然后，该透平膨胀机再驱动压缩机。同时，由于通过透平膨胀机113而使膨胀的废流体冷却。
然后经冷却、膨胀的废流体114通过流经主热交换器103与原料气体进行间接热交换而变热，并使原料气体冷却，从而通过原料气体向深低温精馏塔系统提供制冷，以便驱动或实现深低温精馏。所得到的已变热的废流体作为液流116从主热交换器103中流出。
图5示出了一种空气膨胀循环。图5中的标号一般与图4中的标号相对应，但用200序列的标号来代替100序列的标号，两个循环中共有的部件此处不再赘述。
参见图5，废流体212从顶部冷凝器208中排出，通过阀232减压，且所得到的流体240经通过主热交换器203与压缩后的原料空气进行间接热交换而变热，然后作为流体241从系统中流出。被冷却和压缩的原料空气205至少部分地经过按照本发明改造过的透平膨胀机213。在图5所示的实施例中，使经冷却和压缩的原料空气的一部分208直接流入塔206中，而另一部分230部分地横流过主热交换器203，然后通过透平膨胀机213使之膨胀。经透平膨胀机213膨胀的此部分被冷却和压缩的原料空气可以是被冷却和压缩的原料空气的90％至100％。在100％的被冷却和压缩的原料空气流过透平膨胀机213的情况下，图5中所示的流体208就不存在了。
当原料空气流过透平膨胀机213时，它驱动透平，然后，上述透平驱动压缩机，以压缩氮产品。同时，通过流经透平膨胀机213使膨胀原料空气冷却。被冷却和膨胀的原料空气242再从透平膨胀机213流入深低温精馏工厂的塔206中，从而，向深低温精馏工厂提供了制冷，以驱动或实现深低温精馏。
图6说明性地示出了气态氧生产循环的一个具体实施例。本发明可以与任何适合的深低温精馏工厂结合使用。它尤其适用于或者带有上塔空气膨胀或者带有如图6所示的废氮膨胀的氧气生产装置。在带有废氮膨胀的氧气生产装置中，为了制冷，使从精馏塔流出的废氮流膨胀。上述膨胀后的废氮流体与流入的原料空气进行间接热交换而使原料空气冷却，从而为精馏塔系统提供制冷，以实现精馏。
参见图6，原料空气301在主负载进气压缩机302中被压缩，并在预清洁器303中除去杂质，然后流过主热交换器304。在主热交换器304中，上述被压缩的原料空气与产品气和其它回流的冷的流体进行间接热交换而被冷却，对此部分内容下面将作更详细的描述。然后，使被压缩并冷却的原料空气305流入深低温精馏塔系统的下塔306。
图6所示的深低温精馏塔系统包括下塔306，上塔315以及主冷凝器311。下塔306的工作压力范围最好从40磅/英寸2到140磅/英寸2。在下塔306中，通过深低温精馏作用将原料空气分离成废氮蒸气和富含氧液体。氮蒸气的一部分310流入主冷凝器311的顶部，在该主冷凝器中，它与上塔的沸腾液态氧逆向流动而被冷凝，然后将此股液流312作为回流液送回到下塔306。
氮浓度通常在60％至70％的含氮液体316从下塔306的底部流出，再进入热交换器317与产品氮液流或废氮流320逆向流动而变热，减压后作为流体318流入上塔315。上塔的工作压力范围最好为15磅/英寸2到25磅/英寸2。从主冷凝器中流出的氧产品为液流321，它在主热交换器304中与原料空气逆向流动而被加热，然后作为气态氧产品液流322被提取。
从主冷凝器311的再循环高压蒸气流中排出废氮流307，使之在主热交换器304的一条流道中被原料空气部分加热，然后在透平膨胀机308中膨胀，以便产生维持精馏过程所需要的制冷。被冷却且膨胀的废流体再通过流经主热交换器304与原料空气进行间接热交换的过程中变热，从而冷却原料空气，以驱动或实现深低温精馏。所产生的热氮液流从主热交换器304中流出，并作为废流309排走。
从来自主冷凝器的返回的氮冷凝液流312中排出另一股氮液流313，使其在热交换器314的部分变热后作为回流液注入上塔的盖帽部中。为了使上部的低压精馏塔能生产高纯度氮和氧产品，必需要有上述回流液。
通过采用本发明经改造过的透平膨胀机，人们可以用低加工成本和低运转费用的深低温精馏过程来生产氮或氧，而不必为了得到适中的效率而承担高的费用。
图7显示了本发明的低成本机器的优越性，它反映的是采用通过透平膨胀机的废气膨胀用来产生维持自身运行所需冷量的氮气生产工厂的低成本优点。对于如图4所示的循环而言，没有附加的动力投资成本，也没有与透平膨胀机效率低有关的代价。事实上，对于这类氮气生产工厂而言，透平膨胀机的效率降低到40％也能提供足够的制冷来维持循环运行。
由此得出，具有低核定投资额(即原始成本加上运行费用之和)的透平膨胀机比同样效率或效率较高的更贵的透平膨胀机要显出费用上的优越性。图7给出的曲线是针对日产50吨氮气的氮气生产工厂而言的。从曲线中可看出，透平膨胀机效率为50％时，低费用的透平膨胀机(用带菱形数据点的直线LCE表示)比较高费用的机器(用带方形数据点的曲线HCE表示)节约费用大约达73％。当透平膨胀机的效率为85％时，费用方面的好处提高到83％。此外，如图7，图8和图9以及下表2所表示的那样，人们可以发现存在一个低效率范围，在此范围中，本发明的透平膨胀机可以比现有技术的透平膨胀机的运行更有利。
                       表2
产品 循环    膨胀机效率范围％(本发明)     膨胀机效率范围％(目前实际情况)
    氮 废气膨胀(图4)    40％-85％     75％-90％
    氮 空气膨胀(图5)    40％-85％     70％-90％
 氧(加氮) 图6所示的循环    65％-85％     75％-92％
图8所示的曲线表示了在日产50吨的氮气生产工厂中采用空气膨胀循环用于产生维持自身运行所需制冷的低成本透平膨胀机在经济方面的优越性。与图8的曲线相关的装置循环在图5中已给出。正如所看到的那样，在空气膨胀循环中，当透平膨胀机效率从100％降至40％时，核定投资额剧增。
图7，图8和图9中透平膨胀机效率100％点的核定投资额表示为了生产维持工厂运行所需的制冷所需要作为液体加入工厂中的进口液氮的美元值(与液体等量的每100立方英尺气体为25美分)。在图8所示的空气膨胀循环的情况中，本发明的低成本透平膨胀机仍用带菱形数据点的直线LCE表示，而现有技术的高成本的机器用带方形数据点的曲线HCE表示。带雪花状数据点的曲线CPC表示与相应于用液氮附加制冷的工厂运行时在透平膨胀机效率为100％的参考点处使工厂运转所需的动力相比，以空气膨胀循环运行所需的附加的动力核定投资额。
继续参见图8，带三角形数据点的曲线S1被看作是高透平膨胀机费用(曲线HCE，带方形数据点)与附加动力核定投资额(曲线CPC，带雪花状数据点)之和。曲线S1表示与在如图5所示的带空气膨胀循环的氮气生产工厂中采用现有技术的高性能透平膨胀机有关的总费用。正如所看到的那样，对于此种情况，最佳及费用最低的运行对应于透平膨胀机的效率是在70％到80％的范围。另一方面，带圆形数据点的曲线S2表示本发明的低费用透平膨胀机(用带菱形数据点的直线LCE表示)和附加动力核定投资额(曲线CPC，带雪花状数据点)之和。
正如所见到的那样，采用本发明的低费用机器(如曲线S2表示的那样)与现有技术的高费用透平膨胀机相比在费用上有明显的优越性。在效率40％到85％的整个范围内都能体现出这种费用方面的优越性。尽管这种节省随透平膨胀机效率降低而减少，在效率为80％的最佳点(与使用较高费用的机器的最低核定投资额相对应)，本发明比较高费用的膨胀机约节省70％的费用。
图9所示的曲线表示与生产氧气的另一类深低温空气分离工厂有关的低费用透平膨胀机在经济方面的优越性。这是一种日产20吨的气态氧生产厂。有关的生产循环如图6所示。正如所看到的那样，当透平膨胀机的效率从100％降至40％时，这种氧生产工厂的特点是由于透平膨胀机的效率低，附加核定投资额增长更快。
与图8一样，图9中的透平膨胀机效率100％点的核定投资额表示为了生产维持这种带氧气生产循环的工厂运行所需的制冷而需要作为液体加入工厂中的进口液氮的美元值(与液体等量的每100立方英尺气体为25美分)。图中，本发明的低费用透平膨胀机仍用带菱形数据点的直线LCE表示，而现有技术的较高费用的机器用带方形数据点的曲线HCE表示。带雪花状数据点的曲线CPC表示相应于用添加液氮制冷的工厂运行时在透平膨胀机效率为100％的参考点处维持工厂运转所需的电力以外，使氧生产循环运行所需的附加动力核定投资额。
继续参照图9，带三角形数据点的曲线S1表示高透平膨胀机费用(曲线HCE，方形数据点)和附加动力核定投资额(曲线CPC，雪花状数据点)之和。曲线S1表示与在带有如图6所示的热力学循环的氧气生产工厂中采用现有的高性能透平膨胀机有关的总费用。正如所看到的那样，在这种情况中，最佳及费用最低的运行状态对应于透平膨胀机的效率是在80％到90％的范围。另一方面，带圆形数据点的曲线S2表示本发明的低费用透平膨胀机(用带菱形数据点的直线LCE表示)和附加动力核定投资额(曲线CPC，雪花状数据点)之和。
正如所看到的那样，采用本发明的低费用机器(由曲线S2表示)与现有技术的高费用透平膨胀机相比在费用上有明显的优越性。在效率约为85％的最佳点(与采用高费用机器的最低核算投资额相对应)，本发明比较高费用膨胀机总费用约节省70％。然而，这种节约随透平膨胀机效率降低而减少。本发明的低费用机器虽然效率适中，如果透平膨胀机的效率在65％以上，则是一种较好的替代方案。与采用效率达85％以上的较高费用机器(也就是说，当较高费用的机器在其最佳的最低费用点运行时)相比，在透平膨胀机的效率为65％这一点使用低费用机器没有优越性。
尽管对本发明的优选实施进行了详细描述，但对本技术熟悉的人员应当懂得，在不超出说明书中所描述的以及权利要求书中所限定的本发明的构思的前提下，可以对所说明的实施例作出多种其它变型。

Claims (16)

1.一种能制冷的透平膨胀机，其包括：
—个在第一端和第二端之间延伸的中心壳体；
一个安装在所述中心壳体的所述第一端的透平壳体；
一根具有纵向轴线、安装于所述中心壳体上绕所述轴线转动的轴，所述轴的一第一端延伸到所述透平壳体之中，它的一第二端支承一个负载；
一个带有外周缘、安装在所述轴的所述第一端上并处于透平壳体内与所述轴一起转动的透平轮，所述透平轮上加工有若干个沿圆周方向间隔开的透平叶片，每个所述透平叶片在靠近所述透平轮的外周缘的位置与靠近所述纵向轴线的位置之间延伸；
所述透平壳体限定在远离所述纵向轴线的一个区域接受生产流体并将生产流体朝所述透平叶片排出的入口装置；并限定位于所述入口装置和所述透平轮的中间并包围所述透平轮的环形喷嘴装置，用来把生产流体从所述入口装置引向并通过所述透平叶片，所述喷嘴装置包括若干个导流叶片，每个所述导流叶片在离所述透平轮较远的进气边和离所述透平轮较近的出气边之间伸展，所述导流叶片的所述出气边和所述透平轮的所述外周缘之间的距离约在透平轮半径的1％至4％的范围。
2.如权利要求1所述的透平膨胀机，其中所述导流叶片的所述进气边和所述出气边之间的距离为一条弦；且所述弦长约为透平轮直径的5％至15％的范围。
3.如权利要求2所述的透平膨胀机，其中所述每个导流叶片在所述进气边和所述出气边之间大体不是等高的(uncontoured)，而且所述进气边大体上比所述出气边厚。
4.如权利要求3所述的透平膨胀机，其中每个所述导流叶片在所述进气边处的厚度约在0.05英寸至0.15英寸的范围；而每片所述导流叶片在所述出气边处的厚度约在0.01英寸至0.10英寸的范围。
5.如权利要求1所述的透平膨胀机，其还包括：
安装在所述中心壳体上用于支承所述轴并使其可旋转的轴承装置；
用于将润滑剂供给到所述轴承装置及使润滑剂从其中离开的装置；以及
隔热屏装置，用以使所述透平壳体和所述透平壳体中的生产流体与所述中心壳体和所述中心壳体中的润滑剂隔热。
6.如权利要求5所述的透平膨胀机，其包括：沿着所述轴承装置和所述透平壳体之间的所述轴的长度方向设置的迷宫式密封装置，以阻止润滑剂沿所述轴流入所述透平壳体中，同时阻止生产流体沿所述轴流出所述透平壳体并流入所述中心壳体。
7.如权利要求6所述的透平膨胀机，其包括：用来给所述迷宫式密封装置提供密封气体的装置以及从所述迷宫式密封装置中排出密封气体的装置，作为一种附加措施来阻止润滑剂沿所述轴流入所述透平壳体，同时也阻止生产流体沿所述轴流出所述透平壳体并流入所述中心壳体。
8.如权利要求1所述的透平膨胀机，其包括：设置在所述中心壳体的所述第二端上的一个压缩机壳体，所述轴的所述第二端伸入所述压缩机壳体中；以及安装于所述轴的所述第二端上并位于所述压缩机壳体内与所述轴一起转动的一个压缩机轮。
9.如权利要求1所速的透平膨胀机，其包括：与所述中心壳体的所述第二端相连的负载装置壳体，所述轴的所述第二端伸入该负载装置壳体中。
10.一种能制冷的透平膨胀机，其包括：
一个在第一端和第二端之间延伸的中心壳体；
一个装于所述中心壳体的所述第一端上的透平壳体；
一根具有纵向轴线、安装于所述中心壳体上用以绕所述轴线转动的轴，所述轴具有伸入所述透平壳体中的一第一端和支承负载的一第二端；
一个带有外周缘、安装在所述轴的所述第一端上并处于所述透平壳体内与所述轴一起转动的透平轮，所述透平轮上加工有若干个沿圆周方向间隔开的透平叶片，每个所述透平叶片在靠近所述透平轮的所述外周缘的位置与靠近所述纵向轴线的位置之间延伸；所述透平壳体限定在远离所述纵向轴线的一个区域接受生产流体并将生产流体朝所述透平叶片排出的入口装置；以及
位于所述入口装置和所述透平轮的中间并包围所述透平轮的环形喷嘴装置，用来把生产流体从所述入口装置引向并通过所述透平叶片，上述喷嘴装置包括若干个导流叶片，每个所述导流叶片在离所述透平轮较远的进气边和离所述透平轮较近的出气边之间延伸，所述进气边和出气边之间的距离为一条弦，所述弦的长度约为透平轮直径的5％至15％的范围。
11.一个系统，其包括：
(a)一个主热交换器；和
(b)一个与所述主热交换器流体连通的透平膨胀机，其中，所述透平膨胀机包括：
一个在第一端和第二端之间延伸的中心壳体；
一个安装在所述中心壳体的所述第一端的透平壳体；
一根具有纵向轴线、安装于所述中心壳体上用以绕所述纵向轴线转动的轴，所述轴具有伸入所述透平壳体的一第一端和支承一个负载的一第二端；
一个带外周缘、安装在所述轴的所述第一端上并处于所述透平壳体内用以与所述轴一起转动的透平轮，所述透平轮上加工有若干个沿圆周方向间隔开的透平叶片，每个所述透平叶片在靠近所述透平轮的所述外周缘的位置与靠近所述纵向轴线的位置之间延伸；
所述透平壳体限定在远离所述纵向轴线的一个区域接受生产流体并将生产流体朝所述透平叶片排出的入口装置；以及
位于所述入口装置和所述透平轮的中间并包围所述透平轮的环形喷嘴装置，用来把生产流体从所述入口装置引向并通过所述透平叶片，所述喷嘴装置包括若干导流叶片，每个所述导流叶片在离所述透平轮较远的进气边和离所述透平轮较近的出气边之间延伸，所述导流叶片的所述出气边与所述透平轮的所述外周缘之间的距离约为透平轮半径的1％至4％的范围。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述进气边和出气边之间的距离是一条弦；该弦的长度约为透平轮直径的5％至15％的范围。
13.如权利要求11所述的系统，其包括：
一个精馏塔系统；
用于使流体从所述透平膨胀机流向所述精馏塔系统的装置；以及
用于从所述精馏塔系统回收产品的装置。
14.如权利要求13所述的系统，其包括：
用于使废流体从所述精馏塔流到所述主热交换器的装置；以及
用于从所述主热交换器中排出废流体的装置。
15.如权利要求11所述的系统，其包括：
一个精馏塔系统；
用于使流体从所述主热交换器流向所述精馏塔系统的装置；
用于从所述精馏塔系统中回收产品的装置；
用于使废流体从所述精馏塔系统流到所述主热交换器或所述透平膨胀机的装置；以及
用于使流体或废流体从所述透平膨胀机流到所述主热交换器的装置。
16.如权利要求11所述的系统，其包括：
一个位于所述主热交换器与所述透平膨胀机之间的一个精馏塔系统，用以接收来自所述主热交换器的原料流体，并将废流体送至所述透平膨胀机；
用于从所述精馏塔系统回收产品的装置；以及
用于将废流体从所述透平膨胀机送至所述主热交换器或所述精馏塔中的装置。
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