图1 乙烯工艺流程图。

透平膨胀/再压缩机是现代乙烯装置的重要设备之一，它为深冷分离系统的冷箱内其他介质提供冷量的同时，又能利用膨胀机做功驱动压缩机使介质增压，从而达到能量回收、综合利用的目的。本文对磁力轴承透平膨胀机和传统的油润滑轴承透平膨胀机进行了比较，不难发现磁力轴承透平膨胀/再压缩机用于乙烯装置具有的优势。

乙烯装置的工艺流程

乙烯装置的工艺流程根据不同专利商提供的工艺包不同而有所差别，一般可分为裂解炉区、急冷区、压缩及碱洗区、分离冷区、分离热区、制冷部分。典型的乙烯工艺流程有顺序分离流程（主要代表是美国ABB LUMMS公司）、前脱乙烷前加氢流程（主要代表是德国LINDE公司和美国KBR公司）和前脱丙烷前加氢流程（主要代表是美国S&W公司和美国KBR公司）。本文以前脱丙烷乙烯工艺流程为例，说明透平膨胀机/再压缩机在乙烯工艺中的应用。乙烯裂解气经脱甲烷塔深冷分离后，高压脱甲烷工艺产生的尾气约含85%甲烷（体积分数）和15%氢气，压力高达3.0MPa 以上。大部分甲烷和少部分氢气由塔顶排出，经膨胀机减压后，产生更低的温度（约-140℃），为深冷分离系统的冷箱内其他介质提供所需要的冷量，同时为压缩机提供动力。从冷箱出来换热至常温的裂解气经压缩机压缩后分为两路，一路经换热后去各分子筛干燥器，另一路直接进入各干燥器。其流程简图如图1。

图2 磁力驱动轴承透平膨胀机/再压缩机结构。

膨胀机基本技术

甲烷尾气的膨胀制冷有两种方式：节流膨胀和膨胀机膨胀。在国内一些早期的乙烯裂解装置中，尾气膨胀基本采用节流阀进行，节流膨胀接近于等焓膨胀，其膨胀过程不能用来做功，且因能量损失较大故膨胀后的气流温度降低不太多，制冷效果不佳。采用透平膨胀机进行膨胀制冷则接近于等熵膨胀，由于绝热等熵膨胀可以对外做功，并且使膨胀后的气流温度达到最大程度的降低，因此绝热等熵膨胀是获得低温最有效的膨胀过程，能取得较好的制冷效果，同时大大减小了乙烯压缩机的负荷，降低了乙烯装置能耗。由此可见采用透平膨胀机一方面可使介质的温度显著降低，另一方面还能利用膨胀机做功驱动压缩机，从而达到能量回收，综合利用的目的。

国外石油化工、炼油、天然气、采油等工业中，广泛使用透平膨胀机用来回收高压气体的能量。透平膨胀机按轴承润滑方式不同可分为有油润滑透平膨胀机和无油润滑磁力驱动轴承透平膨胀机。在国内，早期的乙烯装置大多采用有油润滑的透平膨胀机，但由于磁力驱动轴承透平膨胀机具有无摩擦、无磨损、低能耗、低噪声、寿命长以及无污染等优点，被越来越多的乙烯装置脱甲烷系统采用。世界上主要的膨胀/再压缩机制造商有法国的CRYO-STAR，美国的MAFI-TRENCH和GE下属的ROTOFLOW公司。

磁力驱动轴承之发展历史

磁力驱动轴承是由磁悬浮技术发展而产生的一种高性能的机电—体化轴承，它是利用磁悬浮来支撑运动部件使其与固定部件脱离接触来实现轴承的功能。磁悬浮有无源（被动）和有源（主动）之分，所谓有源磁悬浮是由位移传感器测量物体的位置，伺服控制系统根据其位置信号来迅速改变磁场力，使物体始终保持在一定的位置范围内，以达到稳定的悬浮，无源磁悬浮是指利用位置变化来直接改变电路本身的参数以达到悬浮的目的。

依靠磁力使转轴悬浮的设想很早就出现了，早在1842年，英国剑桥大学的S.Earnshaw教授就提出了磁悬浮的设想。1957年，法国第一个提出了利用电磁铁和感应传感器组成全部有源磁力悬浮系统的设想，并取得了法国专利，但是由于当时控制元件没有发展起来，因此无法进行开发利用。到了60年代中期，随着控制理论的不断发展，半导体技术的成熟，法国、日本、美国相继投入了有源磁悬浮的研究。进入70年代后，随着现代控制理论的发展和磁力驱动轴承研究的深入，人们逐步开始研究把磁力轴承应用到工业设备中去。1976年，法国成立了S2M公司，专门发展工业用磁力驱动轴承，并在美国、日本建立了分公司。随后磁力驱动轴承在工业上的应用获得了突飞猛进的发展。

1980年，BOC低温之星（CRYO-STAR）与一家磁轴承制造商结成伙伴关系，开发了一种采用磁力驱动轴承（Acticve magnetic bearing）的透平膨胀机/再压缩机。随后进行了大量的运转试验，于1988年成功用于不同的工艺生产装置，至今已有约60多台磁力驱动透平膨胀机在世界各地运转，可靠率达99.9％。美国的MAFI-TRENCH公司也已经制造了约65台套磁力驱动轴承膨胀机，其中24台套用于乙烯装置。磁力驱动透平膨胀机/再压缩机所使用的磁力驱动轴承大都采用S2M公司的产品。

结构简单 功能强大

磁力驱动轴承透平膨胀机/再压缩机结构比较简单，是一种单体装置（见图2），一端是膨胀机叶轮，另一端是增压机叶轮。由两个叶轮和轴组成的转子由两端的径向磁力驱动轴承及一个中间的止推磁力驱动轴所支承。为了防止在磁力驱动轴承失去磁性时刮伤轴端密封以及在主电源和返回式电池电源都失电时能保护设备，在轴的两端还安装了故障状态时的防磨损轴承。 磁力驱动轴承采用从压缩机出口端引入中间室的气体来冷却，冷却后的气体返回压缩机入口。因此，在这种过程循环中没有气体损失（见图3）。

磁力驱动轴承借助固定的电磁铁，由黑色金属制成的转子可以在磁场中被支承起来。在定子与转子之间建立起一个小的空气隙并对电磁铁施以恰当的电力控制，则转子可在负荷变动的情况下维持精确的位置（见图4）。

径向轴承示意图控制系统在理论上比较简单，但在电子学上是复杂的。电磁铁接收正在指示转轴位置的位置传感器的信号，并将其与转轴的标准位置（径向和轴向）相对应的信号进行比较。这两个信号之间的任何偏差都将产生出一个误差信号。在控制回路中对这个误差信号进行加工后，会发出一个命令给功率放大器，使某个电磁铁的供电电源增大或者减小（见图5）。

磁悬浮轴承具有优异的自诊断能力。由于控制线圈位置的传感器有着非凡的灵敏度，只需12个传感器就可以给出精确的位置信息以及与之同步的电源信息，因此，对应于工艺条件的每一个变化，都能获得转子组件的实时数据。这样，就能正确评估出施加到转子上的各种力的影响。磁悬浮轴承的承载能力主要受到所用材料可能达到的磁力线密度的限制。

磁力驱动轴承与有油润滑轴承之应用比较

磁力驱动轴承技术的出现和发展较有油润滑轴承晚，但是发展比较迅速，尤其是在乙烯装置运转的透平膨胀机/再压缩机中已经得到了普遍的应用。API617第四章关于膨胀-压缩机的标准中已认定了两种轴承类型：一种是常规的稀油润滑轴承，另一种是磁力驱动轴承。

相对有油润滑轴承的透平膨胀机/再压缩机而言，磁力驱动轴承的透平膨胀机/再压缩机有以下优缺点：

优势

1.工艺介质完全不会被油污染；

传统的油润滑轴承中会有少量润滑油被带入到介质中，使裂解气的热值降低，还会降低干燥器内分子筛的吸附能力。而磁力驱动轴承由于实现了无油化从而避免了润滑油对介质的污染。

2.轴承完全无磨损，减少了振动，没有机械噪声；

应用磁力驱动轴承，使转子动力学性能有了很大改进，机组运转平稳，振动值大大降低。

3.不需要润滑和密封，节省了笨重的润滑油系统，结构紧凑，降低了维护、维修成本。

4.高可靠性。

由于没有磨损，没有润滑油和油封装置，设备配置简化，保证了高的可靠性。从最早的第一台样机MTC300开始直到现在为止，BOC 低温之星生产的这些设备的可靠性或年运行可靠率超过99.9％(其中很多装置的年运行可靠率实际上是100％)。

表1 气体动力学效率之比较

5.发热很小，功耗很低。与普通轴承相比，功耗降低到1/10~1/100。

6.重量轻，占地面积小，运输方便。

7.转子可达到更高的线速度。

由于转子和定子没有摩擦，转子速度仅受材料抗拉强度的限制，所以转子线速度可比其它各种轴承都高。

缺点

1.制造、安装、试车、开车成本较高；

2.特殊要求的电缆成本较高；

3.备件成本高；

4.用户需要接受培训。

表1和表2是一家著名的透平膨胀机/再压缩机制造商对某一型号的产品所提供的数据比较。

结论

磁力驱动轴承与传统有油润滑轴承透平膨胀机/再压缩机相比，具有较高的效率，较好的性价比，高可靠性，节省了润滑油系统，还具有更好的过程保护和环境保护功能。因此，在乙烯装置使用的低温透平膨胀机/再压缩机上，磁力驱动轴承的使用已经得到越来越多用户的青睐。

表2 占地面积和重量的比较

参考文献

[1]. Keenan Klaus Reuter.磁悬浮轴承低温透平膨胀机的设计、经验及经济方面的优点.在1994年捷克机械工程学会第三次国际会议上发表

[2]. 陈钢，胡业发.磁力轴承的原理、应用及发展动向.China Academic Journal Electromic Publishing House. 1995年第4期