周楷淼 陳 良 林泓翰 李山峰 趙 康 陳雙濤 侯 予*

(1 西安交通大學能源與動力工程學院 710049 西安)

(2 北京航天試驗技術研究所 100074 北京)

1 引言

氦透平膨脹機可以滿足深低溫(20 K 以下)的大冷量需求,已經(jīng)被廣泛地運用于大科學裝置中以提供低溫環(huán)境,例如核聚變托卡馬克[1-2]、質(zhì)子加速器[3]和超導系統(tǒng)[4]等。除此之外,氦透平膨脹機還被用在液化裝置中以液化沸點極低的氣體,例如氦氣[5]和氫氣[6]。氦透平膨脹機是深低溫裝置中制冷的核心部件,對設備的效率和可靠性有重要影響。

透平膨脹機的工作原理是利用工質(zhì)流動的速度變化將工質(zhì)的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為軸功輸出,降低工質(zhì)自身的溫度[7]。由于氦氣是沸點最低的氣體(4.2 K),氦透平膨脹機實驗和性能測試的主要難點在于對低溫環(huán)境的需求。采用液氮預冷可以達到80 K 溫區(qū),而極低溫環(huán)境一般由膨脹機自身冷量提供[8]。

氦透平膨脹機的研究在國內(nèi)外受到廣泛關注。在實驗研究方面,中國科學院理化所孫郁等為中國散裂中子源裝置(CSNC)測試了一臺99 g/s 的氦透平膨脹機,進口溫度和壓力分別為23.97 K 和6.34 ×105Pa,效率72%[3];中國科學院等離子所張啟勇等為EAST 系統(tǒng)測試的氦透平膨脹機流量達到114.6 g/s,進口溫度和壓力分別為20.52K 和5.53 ×105Pa,效率61.17%[9]。Jadhav 等通過實驗對比測試兩臺43 g/s 的氦透平膨脹機,擇優(yōu)用于氦液化裝置[5]。Ke 等通過測試研究了設計流量18.62 g/s 的氦透平膨脹機不同定制動功率下的降溫過程[10]。而隨著大科學裝置和大型液化設備的發(fā)展,對應氦透平膨脹機的流量和冷量也越來越大。

為測試一臺由西安交通大學和北京航天試驗技術研究所聯(lián)合研發(fā)的2 t/d 氫液化系統(tǒng)用氦透平膨脹機,本研究設計和搭建了一個流量范圍廣、適合于大流量工況的低溫實驗臺,測試溫度為常溫到液氫溫區(qū);進一步對透平膨脹機開展了初步實驗,驗證了實驗臺適用性,并獲得了深低溫氦透平膨脹機的降溫特性。

2 實驗系統(tǒng)布置方案

圖1 顯示了低溫氦透平膨脹機綜合性能實驗臺的流程圖。該實驗平臺主要由5 個部分組成:氦氣供氣系統(tǒng)、冷箱單元(含液氮預冷系統(tǒng)和膨脹機系統(tǒng))、制動風機閉式循環(huán)系統(tǒng)和軸承氣系統(tǒng)。

圖1 實驗臺系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of test rig system

低溫氦透平膨脹機綜合性能實驗臺的主要目的是提供膨脹機運行工況下的低溫環(huán)境,在本設計中通過冷箱單元內(nèi)的液氮預冷系統(tǒng)和膨脹機系統(tǒng)實現(xiàn)。液氮預冷系統(tǒng)將來流氦氣預冷至80 K 溫區(qū),更低溫區(qū)的冷量則由膨脹機自身提供。冷箱單元中包括膨脹機和兩臺低溫換熱器,膨脹機進出口氦氣在此換熱,即利用膨脹機自身冷量創(chuàng)造低溫環(huán)境。在實驗測試中,可根據(jù)實際情況選擇是否啟用液氮預冷系統(tǒng),如測試膨脹機常溫至低溫過程降溫性能,則無需使用液氮預冷。冷箱換熱器中還配備有加熱器,以實現(xiàn)控制、調(diào)節(jié)和維持膨脹機測試點的溫度狀態(tài)。

冷箱外單元主要是為冷箱單元提供潔凈、可靠的壓力氣源。在氦氣供氣系統(tǒng)中,氦氣源和系統(tǒng)回收氦氣經(jīng)螺桿壓縮機升壓和過濾后,可滿足450 g/s 流量、最高壓力1.1 MPa 的氦低溫透平膨脹機的測試需求。對于采用制動風機制動的氦透平膨脹機,本試驗臺將制動風機進出口連接成一個循環(huán),減少氦氣的消耗。制動風機系統(tǒng)中包含一個水冷換熱器,以帶走產(chǎn)生的熱量,使制動風機的進口溫度可以維持在環(huán)境溫度;壓力控制方面,制動風機回路的流道很長,可用作緩沖器,以保持壓力穩(wěn)定;還配備一個排空閥以調(diào)節(jié)壓力。軸承供氣系統(tǒng)則是為膨脹機提供穩(wěn)定的軸承氣和密封氣,進出口壓力通過調(diào)節(jié)閥閥控制。

低溫氦透平膨脹機實驗臺性能測試包括溫度、壓力、流量和轉(zhuǎn)速等。溫度采用電阻溫度傳感器測量,量程為4—340 K,最大測量誤差為±0.3 K;壓力采用壓力變送器測量,量程為0—1.6 MPa,測量精度為0.075%F.S;轉(zhuǎn)速采用磁電傳感器測量,量程為1.5 ×103—210 ×103r/min,測量精度為0.005%F.S;流量采用質(zhì)量流量計測量,量程為0—620 g/s,測量精度為2.5% F.S。低溫氦透平膨脹機實驗臺如圖2所示。

圖2 實驗臺實景圖Fig.2 Scene photograph of test rig

3 氦透平膨脹機測試方案

3.1 測試對象

在搭建的氦低溫透平膨脹機綜合性能測試平臺上對一臺深低溫氦透平膨脹機的降溫性能進行了測試,膨脹機設計參數(shù)如表1 所示。該低溫氦透平膨脹機應用于基于氦逆布雷頓循環(huán)的2 t/d 的氫氣液化裝置中,液化系統(tǒng)簡化流程圖如圖3 所示。測試的是氫液化系統(tǒng)中的第一級氦透平膨脹機。該膨脹機使用氣體軸承,徑向為箔片動壓軸承、止推為小孔供氣靜壓軸承,膨脹機主機如圖4 所示。

表1 氦透平膨脹機設計參數(shù)Table 1 Design parameters of helium turbo-expander

圖3 基于氦逆布雷頓循環(huán)的2t/d 氫氣液化裝置流程圖Fig.3 Flow chart of a 2 t/d hydrogen liquefaction plant based on helium reserve Brayton cycle

圖4 被測氦低溫透平膨脹機Fig.4 Tested helium cryogenic turbo-expander

3.2 測試方案

本測試目標為實現(xiàn)氦透平膨脹機從常溫利用自身冷量降溫至設計溫度,并測試整個降溫過程中透平膨脹機的性能特性。由于氦透平膨脹機的設計參數(shù)中壓力較高,對應設計點的制動風機進氣壓力為0.68 MPa,若采用定制動功率的控制方法,即制動壓力和轉(zhuǎn)速均保持在設計點,則會引起膨脹機軸向力過大和效率過低的問題[11]。因此,本測試方案采用變制動壓力的方法,即在降溫過程中,隨著膨脹機進出口壓力升高、進口溫度降低,逐漸升高制動壓力。

增大膨脹機入口壓力會提高轉(zhuǎn)速,而增大膨脹機出口壓力、降低膨脹機入口溫度或增大制動鼓風機壓力都會降低轉(zhuǎn)速[11]?？紤]到實際情況和操作難度,膨脹機降溫過程分為以下3 個階段:啟動階段、穩(wěn)定冷卻增壓階段和工況實驗階段。

啟動階段:制動風機的進口壓力在啟動時設置為0.26 MPa,既可防止壓力過高時軸向力過大,又同時防止壓力過低時膨脹機超速;隨著膨脹機進口壓力逐漸升高,膨脹機速度達到設計值69 000 r/min。

穩(wěn)定冷卻增壓階段:達到設定轉(zhuǎn)速后,膨脹機進口壓力仍未達到設計點,需調(diào)節(jié)背壓和膨脹機進出口壓力,同步升高膨脹機制動壓力,控制膨脹機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設計值附近,直至降溫至設計溫度。

工況實驗階段:當膨脹機的進口溫度經(jīng)自冷冷至設計溫度后,膨脹機的冷量是大于冷卻進口氣流所需的,此時需要啟動加熱器反饋,使膨脹機進口溫度和壓力穩(wěn)定在設計值,進行設計工況實驗。

4 測試結果

在搭建的低溫氦透平膨脹機實驗臺上,對這臺氦透平膨脹機完成了多次測試,實現(xiàn)了膨脹機利用自身冷量從常溫降低到設計溫度的全過程。

膨脹機啟動時長為36 min,調(diào)節(jié)背壓達到穩(wěn)定狀態(tài)時間為52 min。如圖5 所示,膨脹機進口溫度歷時378 min 從278.2 K 降低至設計點48.9 K。在啟動和控制加熱器后,進口溫度維持該溫度點附近。膨脹機流量隨溫度降低和壓力升高而增長,最大流量達到333.3 g/s。實驗臺冷箱絕熱效果好、換熱器效率高、透平膨脹機運行高效穩(wěn)定,保障了系統(tǒng)的高效運行,也充分體現(xiàn)了透平膨脹機在大冷量快速制冷方面的優(yōu)勢。

圖5 膨脹機進出口溫度及流量變化Fig.5 Variations of expander inlet and outlet temperatures and flow rate

實驗過程中,采用變制動壓力和同步調(diào)節(jié)膨脹機進出口壓力與背壓的控制方法,膨脹機始終保持在設計轉(zhuǎn)速附近,如圖6 所示。在100 min 左右,通過壓力控制方法提升膨脹機轉(zhuǎn)速,超速最高達72 995 r/min,膨脹機運行平穩(wěn),驗證了氦氣體軸承高速透平的可靠性。膨脹機達到設計工況后,控制膨脹機進口壓力,保障膨脹機在低溫設計工況下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。

圖6 膨脹機進出口壓力及制動壓力變化Fig.6 Variations of expander inlet and outlet pressures and brake pressure

由于被測氦透平膨脹機膨脹側(cè)和風機側(cè)的壓力高,變化范圍大,軸向力在變工況條件下變化較大。實驗中曾出現(xiàn)在啟動階段,制動壓力過低時膨脹機超速,以及過高時膨脹機軸向力過大無法啟動的情況。在降溫過程中,制動壓力不合適也會導致轉(zhuǎn)子不穩(wěn)定。因此,區(qū)別于傳統(tǒng)的定制動壓力的方法,本實驗采用了變制動壓力的控制方法。制動壓力控制在膨脹側(cè)進出口壓力之間,實現(xiàn)了變工況運行。變制動壓力的控制方法被證實在控制低溫氦透平膨脹機大范圍穩(wěn)定降溫時,具有可行性。

特性比,即工作輪輪緣速度與膨脹機等熵速度之比,是膨脹機的一個重要設計參數(shù)[12]。由于氦氣透平膨脹機高溫區(qū)焓降遠高于低溫區(qū),當轉(zhuǎn)速基本維持不變時,隨著溫度降低、膨脹機等熵速度減小,特性比逐漸增大。在膨脹機進口溫度達到設計溫度時,膨脹機的特性比靠近設計值。膨脹機效率隨特征比的變化如圖7 所示,膨脹機效率隨特性比增大而升高,當特性比達到0.672 時,出現(xiàn)最大效率點78.83%;過此點后,膨脹機效率有所降低。在本研究中,氦透平膨脹機的特征比的設計值為0.665、設計效率79.3%,與實驗結果符合較好。

圖7 效率與特性比關系Fig.7 Relationship between efficiency and characteristic ratio

5 結論

論文搭建了大流量深低溫氦透平膨脹機綜合性能實驗臺,并在該實驗臺上對一臺2 t/d 氫液化系統(tǒng)用氣體軸承氦透平膨脹機的機械性能及熱力性能展開了初步實驗,得到以下結論:

(1)氦透平膨脹機綜合性能實驗臺運行情況良好,可實現(xiàn)大流量、深低溫區(qū)的氦透平膨脹機的實驗測試,為中國大型氫液化裝置的研制提供了良好的測試條件。

(2)自主設計研發(fā)的氦氣體軸承透平膨脹機性能優(yōu)異,最高轉(zhuǎn)速可達72 900 r/min,流量333.3 g/s,最高等熵效率78.83%。

(3)氦透平膨脹機大溫區(qū)跨度下的變工況實驗,難度較大。本實驗中采用了變制動壓力的控制方法,實現(xiàn)了全溫區(qū)設計轉(zhuǎn)速(69 000 r/min)穩(wěn)定運轉(zhuǎn),用時378 min 從常溫快速降溫至設計溫度,實現(xiàn)大流量和大冷量的功能。

(4)透平膨脹機特性比與等熵效率關系圖驗證了該深低溫、大流量透平膨脹機設計的正確性和先進性,為2 t/d 的氫氣液化裝置的實現(xiàn)和高效運行提供了保障。