Что такое турбодетандер

Детандеры и турбодетандеры

Применение специальных расширительных машин – детандеров, где происходит адиабатное расширение газа с отдачей внешней работы на вал машины, позволяет получить значительно большее охлаждение, чем при дросселировании газов, при этом, используется и дополнительная работа возвратной части энергии обрабатываемого потока газа.

Работа расширительной машины – детандера оценивается величиной температуры газа на выходе потока и развиваемой мощностью на его валу.

В качестве расширительных машин с успехом применяются:

  1. Поршневые детандеры для установок высокого давления с небольшой холодопроизводительностью.
  2. Турбодетандеры радиального центростремительного типа для установок со значительной холодопроизводительностью и большим расходом газа среднего и высокого давления.
  3. Винтовые детандеры для установок, работающих на неочищенных газах с высоким содержанием частиц жидкой фазы.

Поршневые детандеры

Расширительные поршневые машины используются на рабочих интервалах давлений от 35 до 210 кг/см 2 на входе и до 7-2 кг/см 2 на выходе. Одноцилиндровые детандеры обычно имеют производительность до 30 м 3 /мин, с к.п.д. более 80% при числе оборотов коленчатого вала до 500 об/мин. В качестве холодильного агента предпочтительно применять продукты, отходы или полуфабрикаты данного производства, в частности пропан-бутановые смеси.

Для температур кипения в пределах минус 10°С — минус 40°С рекомендуется применять газовые смеси типа пропан-пропилен. Адиабатическое расширение многокомпонентной углеводородной смеси сопровождается внутренним теплообменом между компонентами, в результате чего температура и теплосодержание определяются как средние величины отдельных компонентов, а внешняя работа определяется как сумма работ отдельных ее компонентов по диаграммам состояния.

Работа расширения смеси сопровождается выпадением жидкой фазы и характеризуется выделением дополнительного тепла конденсации и растворения газов в жидкости. Выделение жидкости интенсивно происходит при изобарическом охлаждении смеси в теплообменниках – конденсаторах.

Турбодетандеры

За рубежом имеется опыт работы газобензиновых заводов (ГБЗ) с турбодетандерными установками в качестве источников холода.

Особенностью работы таких установок является выпадение жидкой фазы в процессе расширения газа. Сжижение газа в турбодетандере значительно повышает эффективность установок для сжижения таких газов, как метан и др.

Современные рабочие циклы сжижения газов, как известно, основаны на использовании более высоких давлений, чем в обычных схемах. Это существенно улучшает технологичность схем, и расширительные машины выполняют здесь не только функции по производству холода и использованию возвратной части энергии, но и функции осушительной установки. При этом поток газа охлаждается менее чем на 20-25%, но зато газ после детандера содержит более чем наполовину жидкую фазу.

Мощность детандерных агрегатов зависит от фактически используемого перепада давления, скорости потока газа и расхода газа. Эти величины определяют габариты и рабочие характеристики расширительно-осушительных установок.

Заводы по сжижению углеводородных газов (метан-этановой фракции) применяют преимущественно высокопроизводительные, малогабаритные одноступенчатые реактивные турбодетандеры с турбокомпрессором на одном валу. При числе оборотов в минуту 60000 и более, они имеют высокий к.п.д., используя высокие скорости газовых потоков.

Однако в заводской практике имеет место и применение осевых турбодетандеров активного типа в одно- и многоступенчатом исполнении. Обычно турбодетандеры комплектуются вместе с турбинным компрессором без редуктора. Турбокомпрессор использует часть энергии, сжимая газ до заданной степени, и поглощает развиваемую детандером мощность с минимальными потерями. Иногда развиваемая детандером мощность поглощается электрогенератором, а иногда для упрощения систем используют обычные тормозные устройства.

Объемная скорость перерабатываемого газа регулируется в турбодетандере реактивного типа соплами переменного сечения, что наиболее эффективно обеспечивает гибкость режима работы при сохранении достаточно высокого к.п.д.

Следует иметь в виду, что турбодетандеры реактивного типа с радиальным расположением лопаток, направляющие поток газа от периферии к центру колеса, совершенно непригодны для проведения процессов расширения газа с образованием жидкой фазы. Колесо турбодетандерв в этом случае отбрасывает капли жидкости на стенки статора и заставляет выделившуюся жидкость рециркулировать, снижая производительность агрегата и вызывая явления эрозии на ободе колеса и на поверхности сопел.

Практикой установлено, что процессы расширения газа с такой рециркуляцией требуют установки на входе в турбодетандер достаточно тонкого фильтра или просто сепаратора для отделения механических примесей в виде твердых пылеватых металлических и льдистых частиц. Это увеличивает срок безаварийной службы турбогенератора.

В осевых турбодетандерах частицы твердых примесей и капельная жидкость проходят через проточную часть машины и лопатки колеса без рециркуляции, но при этом процесс расширения насыщенного газа протекает со значительным понижением к.п.д. машины.

Турбодетандеры небольших габаритов изготавливаются на значительную пропускную способность по газу.

Основные требования к турбодетандерам

  1. Надежность и высокая прочность радиальных и упорных подшипников, способных выдерживать значительные перегрузки и вибрации вала из-за осаждения на роторе льда (2-3 г льда при n = 25000 об/мин дает радиальную нагрузку до 1,0 т).
  2. Надежная работа системы смазки и выбор масел, пригодных для работы при низких температурах.
  3. Специальные методы монтажа обвязки трубопроводов турбодетандера, предупреждающие деформации трубопроводов и установки в целом (компенсация температурных напряжений).
  4. Надежность системы очистки газа от попадания во внутрь детандера и компрессора твердых частиц в виде окалин и порошка сернистого железа от металла сварочных швов трубопроводов и т. д.
  5. Надежная система очистки газа от H2O и С02 с удалением тяжелых углеводородов в цикле расширения газа.

При монтаже аппаратов и трубопроводов, в связи с возникновением значительных усилий в результате изменения размеров деталей из-за разницы температур необходимо учитывать следующее:

  • Монтаж горизонтальных аппаратов производят с закреплением только одной стороны, оставляя другую для свободного движения на скользящей опоре;
  • Теплообменные аппараты должны иметь плавающие фланцы трубной системы;
  • Трубопроводы снабжаются П-образными или лирообразными компенсаторами;
  • Тепловая изоляция трубопроводов и оборудования выполняется со скользящими стенками и оставлением свободных зазоров для их перемещения без нарушения теплоизоляционных покрытий.

Источник: «Производство и использование сжиженных газов за рубежом (Обзор зарубежной литературы)» (Москва, ВНИИОЭНГ, 1974)

Принцип действия турбодетандера

Технологические установки и газораспределительные станции, перерабатывая энергию сжатого газа, позволяют не только получать холод. Они способны вырабатывать механическую и электрическую энергию. Такое устройство известно, как турбодетандер, принцип действия которого основан на перепадах давления. Данные установки позволяют получать не использованный энергетический потенциал.

  1. Устройство турбодетандера
  2. Принцип работы турбодетандерных установок
  3. Использование турбодетандеров в промышленности

Устройство турбодетандера

Турбодетандерная установка представляет собой лопаточную турбинную машину с непрерывным действием. С помощью турбодетандера производится расширение газа с целью его дальнейшего охлаждения. Освобожденная энергия позволяет совершать полезную внешнюю работу. Турбодетандер осуществляет низкотемпературную обработку газа в промышленных установках, принимают непосредственное участие в сжижении газа и разделении многокомпонентных газовых смесей.

В конструкцию турбодетандера входит корпус, ротор, сопловой регулируемый аппарат, а также направляющий аппарат, оборудованный поворотными механизмами. Агрегат полностью герметичен и не нуждается в электрической энергии. Направление движущегося потока газа определяет его конструкцию. Поэтому турбодетандеры могут быть центробежными, центростремительными и радиальными (осевыми). В соплах наблюдается различная степень расширения газа. В связи с этим турбодетандеры разделяются на активные и реактивные.

В первом случае давление понижается лишь в неподвижных направляющих каналах, а во втором случае – еще и во вращающихся каналах ротора. Конструкции установок могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми, в зависимости от количества ступеней.

Принцип работы турбодетандерных установок

Прохождения газа или сжиженных газовых смесей происходит через отверстия неподвижных направляющих каналов, исполняющих функции сопел. В этом месте потенциальная энергия газа частично преобразуется в кинетическую, благодаря которой приводятся в действие вращающиеся лопаточные каналы ротора. Резкое расширение газа приводит к падению давления, в результате чего ротором совершается механическая работа с одновременным интенсивным охлаждением газового потока. Одновременно с ротором вращается колесо компрессора, насаженное на него.

Как правило, при использовании установок в промышленности, на входе турбины поддерживается постоянное давление в соответствии с проектным уровнем. В такой ситуации давление регулируется специальными клапанами, что не совсем рационально. Более эффективными считаются турбины с переменным давлением при полностью открытых входных клапанах. Используемые клапана должны иметь максимально большие размеры. Это позволяет достигнуть необходимого дросселирования при перепадах давления всего лишь 5-10%. Для традиционных клапанов этот показатель составляет 25 – 50% из-за слишком малых размеров. То же самое касается насосов, создающих давление газа. Они подбираются в соответствии с конкретными условиями эксплуатации.

Наиболее оптимальным вариантом является применение турбодетандера для производства электроэнергии за счет избыточного давления. Одновременно, газ, проходящий через агрегат, используется по прямому назначению, независимо от режима работы и без каких-либо потерь. Таким образом, весь цикл представляет собой термодинамический обратимый процесс.

Использование турбодетандеров в промышленности

Применение турбодетандеров практикуется совместно с новыми установками или теми из них, которые были подвергнуты существенной модернизации. В обязательном порядке учитывается экономическая целесообразность и условия конкретного предприятия.

В промышленности широко используются турбодетандеры, принцип действия которых позволяет вырабатывать электрическую или механическую энергию, приводящих в движение вентиляторы или компрессоры. Но, несмотря на оптимальную энергетическую эффективность применения этих агрегатов, они должны соотноситься с общей предполагаемой потребностью и балансом пара на предприятии. При чрезмерном количестве или мощности устройств вполне возможно избыточное производство пара под низким давлением. Чаще всего этот пар просто стравливается в атмосферу, что значительно снижает энергетическую эффективность.

Основным условием должна стать доступность парового потока, необходимого для нормальной работы турбодетандера в течение точно установленного и довольно продолжительного отрезка времени. В случае нерегулярного или непредсказуемого поступления пара, его полезное применение существенно затрудняется, и турбина будет работать вхолостую. Наиболее эффективное использование турбодетандеров требует существенных перепадов давления и большого расхода газа. Поэтому агрегаты нашли широкое применение в черной металлургии, где работа плавильных печей сопровождается мощным потоком доменного газа.

Читайте также  Что такое женский оргазм

Турбодетандеры и поршневые детандеры: особенности работы, области применения, изображения процессов, характеристики турбодетандеров.

О турбодетандерах

Турбодетандер – расширительная машина лопаточного типа, в которой происходит расширение потока газа с совершением внешней механической работы. Расширение газа с отводом энергии приводит к понижению давления и температуры газа, а также выработке «холода».
Турбодетандеры – основные машины по производству «холода» в циклах современных низкотемпературных установок. Турбодетандер представляет собой низкотемпературную турбину, для которой главная задача – понижать давление газа с целью снижения температуры газа и отвода от него энергии вовне за счет совершения газом механической работы.

Рабочие параметры турбодетандеров ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ»

Мощности, кВт от 0,05 до 5000
Расход газа, млрд. нм3/год от 0,002 до 5,0
Температуры на выходе, К от 273 до 4,5
Степень расширения в одной ступени от 1,2 до 30
Адиабатный КПД до 87%
Диаметры рабочих колес, мм от 20 до 500
Скорости вращения роторов, об/мин от 10 000 до 300 000
Рабочие среды турбодетандеров: воздух, азот, кислород, гелий, водород, природный газ, попутный газ и др.

Принцип работы турбодетандерных установок

Прохождения газа или сжиженных газовых смесей происходит через отверстия неподвижных направляющих каналов, исполняющих функции сопел. В этом месте потенциальная энергия газа частично преобразуется в кинетическую, благодаря которой приводятся в действие вращающиеся лопаточные каналы ротора. Резкое расширение газа приводит к падению давления, в результате чего ротором совершается механическая работа с одновременным интенсивным охлаждением газового потока. Одновременно с ротором вращается колесо компрессора, насаженное на него.

Турбодетандерные агрегаты (ТДА). История развития в НПО «ГЕЛИЙМАШ»

Школа развития турбодетандеростроения в НПО «ГЕЛИЙМАШ» имеет большую историю, начавшуюся еще во времена ВНИИКИМАШ. Первыми машинами для расширения газа в лопаточной турбине стали турбодетандеры, созданные под руководством нобелевского лауреата, академика П.Л. Капицы.

Первый турбодетандер, разработанный и изготовленный под руководством нобелевского лауреата в области физики, академика Петра Капицы.

Достижения наших специалистов были неоднократно отмечены специалистами ведущих мировых фирм и получили признание. В 1996 году в Брюсселе на Международной выставке Турбодетандеры ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ» отмечены золотой медалью.

1996 г., Брюссель, Международная выставка. Турбодетандеры Объединения отмечены Золотой медалью.

В процессе развития инженерами и конструкторами ГЕЛИЙМАШ были созданы следующие типы турбодетандеров:

  • Воздушные турбодетандерные агрегаты низкого давления (НД) большой производительности для воздухоразделительных установок (ВРУ) на гидродинамических разъемных подшипниках и с тормозным электрогенератором;
  • Турбодетандерные агрегаты среднего давления (СД) и высокого давления (ВД) большой производительности для воздухоразделительных установок (ВРУ)на гидродинамических подшипниках;
  • Турбодетандерные агрегаты малой производительности на газо- и гидродинамических подшипниках;
  • Турбодетандерные агрегаты для расширения гелия на комбинированных подшипниках;
  • Турбодетандерные агрегаты для расширения водорода;
  • Турбодетандерные агрегаты для расширения природного и попутного газа на гидродинамических подшипниках;
  • Турбодетандерные агрегаты для расширения природного газа большой производительности на магнитных подшипниках.

Принцип действия и устройство турбодетандера

Принцип работы агрегата заключается в том, что подаваемый в турбодетандер Rotoflow технологический газ через специальный направляющее устройство попадает на лопаточную турбину агрегата и вращает ее. В результате этого процесса газ снижает свою температуру и вырабатывает механическую энергию вращения, которую используют для привода генератора или компрессора. Отработанный газ выпускается через выходной диффузор.

Турбодетандер относится к агрегатам непрерывного действия и не нуждается в электроэнергии. Конструктивно они бывают осевыми, центробежными или центростремительными. Турбодетандер состоит из полностью герметичного корпуса; лопаточного ротора; аппарата с регулируемыми соплами; направляющего устройства, оборудованного поворотными механизмами.

В зависимости от степени расширения технологического газа турбодетандеры подразделяются на активные и реактивные агрегаты. В зависимости от того, сколько ступеней имеется в агрегате, они подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые.

Направления применения турбодетандерных агрегатов

Турбодетандерные агрегаты используются в составе следующих видов установок:

  • Воздухоразделительные установки (ВРУ)
  • Ожижители азота, водорода и гелия
  • Воздушные холодильные машины ВХМ
  • Гелиевые рефрижераторы
  • Ожижители природного газа (ПГ)
  • Турбодетандеры-электрогенераторы на перепаде давлений сетевого газа

Использование турбодетандеров в промышленности

Применение турбодетандеров практикуется совместно с новыми установками или теми из них, которые были подвергнуты существенной модернизации. В обязательном порядке учитывается экономическая целесообразность и условия конкретного предприятия.

В промышленности широко используются турбодетандеры, принцип действия которых позволяет вырабатывать электрическую или механическую энергию, приводящих в движение вентиляторы или компрессоры. Но, несмотря на оптимальную энергетическую эффективность применения этих агрегатов, они должны соотноситься с общей предполагаемой потребностью и балансом пара на предприятии. При чрезмерном количестве или мощности устройств вполне возможно избыточное производство пара под низким давлением. Чаще всего этот пар просто стравливается в атмосферу, что значительно снижает энергетическую эффективность.

Основным условием должна стать доступность парового потока, необходимого для нормальной работы турбодетандера в течение точно установленного и довольно продолжительного отрезка времени. В случае нерегулярного или непредсказуемого поступления пара, его полезное применение существенно затрудняется, и турбина будет работать вхолостую. Наиболее эффективное использование турбодетандеров требует существенных перепадов давления и большого расхода газа. Поэтому агрегаты нашли широкое применение в черной металлургии, где работа плавильных печей сопровождается мощным потоком доменного газа.

Детандер (с французского détendre переводится как «ослаблять») является устройством, с помощью которого дополнительно снижают температуру газа. В современном исполнении детандер представляет собой газовую турбину, работающую на перепаде газового давления. В его рабочий комплект, помимо расширительной турбины, входят насосы, компрессоры и генераторы.

КОМПЛЕКТНОСТЬ и АВТОМАТИЗАЦИЯ

Установки ЭТДА поставляются в 100%-й заводской готовности.

Оборудование может быть смонтировано на единой платформе (раме) либо установлено раздельно, в соответствии с проектным решением.

В комплект ЭТДА входят следующие блоки (узлы):

ТИПОРАЗМЕРНЫЙ РЯД

вход: 4.0 – 10.0 МПа, выход: 0.2 – 1.6 МПа

вход: 0.2 – 1.6 МПа, выход: 0.05 – 0.2 МПа

Модель ЭТДА-1500 ЭТДА-2500 ЭТДА-4000 ЭТДА-6000 ЭТДА-8000 ЭТДА-12000
Расход газа, норм. м 3 /ч (*) 70 000 100 000 140 000 180 000 230 000 320 000
Снижение газа
1 500 2 500 4 000 6 000 8 000 12 000
Частота вращения вала 3 000 или 3 600 об/мин. (частота эл. тока 50 или 60 Гц)
Напряжение Стандартно 6.3 или 10.5 кВ
Габариты агрегата макс. 13 х 2.8 х 3.2 м (вагонный тренспортный габарит)
Вес агрегата 25-60т

* — дрпустимый диапазон расхода газа

50% от номинального значения.

СХЕМА ОБВЯЗКИ

Детандер-генераторные установки ЭТДА (1) размещаются параллельно существующим ГРС (ГРП) и перенимают весь или часть потока редуцируемого газа.

Для предварительной очистки газа используется блок газоподготовки (2), уже имеющийся на ГРС (ГРП). Отсекающие задвижки (3) обеспечивают возможность отключения ЭТДА и возврата потока газа на ГРС (ГРП).

Теплообменник (4) осуществляет подогрев газа перед подачей в детандер (при необходимости).

Может использоваться любой недорогой теплоноситель (дымовые газы котельной, горячая вода, пар и др.)

Регулирующие клапаны (5) и (6) задействуются для выравнивания нагрузки на ЭТДА, в случае значительных вариаций потока газа.

Вырабатываемая ЭТДА электроэнергия через распределительный шкаф (на схеме не показан) отправляется потребителям.

РЕСУРС

Простота и надежность конструкции установок ЭТДА обеспечивают им чрезвычайно высокий эксплуатационный ресурс. По итогам многолетней эксплуатации установлены следующие нормативные показатели:

Промышленный прототип ЭТДА, установка УТДУ-2500, находится в эксплуатации с 1991 г. (24 года) с общей наработкой свыше 80 000 моточасов без необходимости в капитальном ремонте.

Турбодетандеры и агрегаты

Как работает турбодетандер

Утилизация энергии, возникающей при избыточном давлении в газотранспортной системе, представляет собой одну из важных задач, решаемых в газовой промышленности. Для этих целей применяются особые расширительные турбины, которые механическим способом связываются с потребителем мощности – компрессором или электрическим генератором. Такое утилизирующее энергию устройство, не потребляющее топлива, называется турбодетандером.
По своей конструкции турбодетандер – это газовая турбина, которая работает при перепадах давления газа. К самой расширительной турбине подсоединяются генераторы, компрессоры и насосы. В этой сложной системе турбодетандер выполняет центральную функцию, являясь ее «сердцем».

Одна из технических задач, над решением которой работают конструкторы турбодетандеров, состоит в устранении вибрации, разрушительным образом действующей на устройство.

В основу работы турбины положен принцип расширения газа в рабочем устройстве. Проходя через рабочее колесо, газ отдает свою энергию. При этом происходит существенное понижение его температуры. Освобождающаяся энергия может быть использована для сжатия газа в компрессоре или для приведения в действие электрогенератора. В последнем случае турбодетандер дает не только сравнительно дешевую электрическую энергию, но и вырабатывает холод.

Принцип работы турбодетандерных установок

Прохождения газа или сжиженных газовых смесей происходит через отверстия неподвижных направляющих каналов, исполняющих функции сопел. В этом месте потенциальная энергия газа частично преобразуется в кинетическую, благодаря которой приводятся в действие вращающиеся лопаточные каналы ротора. Резкое расширение газа приводит к падению давления, в результате чего ротором совершается механическая работа с одновременным интенсивным охлаждением газового потока. Одновременно с ротором вращается колесо компрессора, насаженное на него.

Как правило, при использовании установок в промышленности, на входе турбины поддерживается постоянное давление в соответствии с проектным уровнем. В такой ситуации давление регулируется специальными клапанами, что не совсем рационально. Более эффективными считаются турбины с переменным давлением при полностью открытых входных клапанах. Используемые клапана должны иметь максимально большие размеры. Это позволяет достигнуть необходимого дросселирования при перепадах давления всего лишь 5-10%. Для традиционных клапанов этот показатель составляет 25 – 50% из-за слишком малых размеров. То же самое касается насосов, создающих давление газа. Они подбираются в соответствии с конкретными условиями эксплуатации.

Читайте также  Что такое волонтерство

Применение турбодетандеров

Турбодетандеры находят применение в криогенных установках. Их также с успехом используют в устройствах для разделения воздуха и в установках для ожижения азота, находящегося под давлением. Без расширительной турбины сегодня сложно представить себе современное предприятие по переработке природного газа.

Турбодетандер фактически представляет собой источник дешевой и чистой энергии.

Основное же применение турбодетандеры находят в газовой промышленности, где играют роль установок для расширения газа. В турбине происходит процесс преобразования энергии, количество которой прямо связано с мощностью энергетического потенциала газового потока. Применение турбодетандеров позволяет утилизировать избыток энергии, который образуется при перекачивании газа через распределительные станции.

Активно применяются турбодетандеры в период пуска газотурбинных установок и проворачивания роторов машин с целью их охлаждения. Снижение температуры газа необходимо и в установках, где происходит его сжижение, а также при предварительной подготовке газового продукта к транспортировке и для удаления избыточной влаги посредством ее вымораживания.

Устройство турбодетандера

Турбодетандерная установка представляет собой лопаточную турбинную машину с непрерывным действием. С помощью турбодетандера производится расширение газа с целью его дальнейшего охлаждения. Освобожденная энергия позволяет совершать полезную внешнюю работу. Турбодетандер осуществляет низкотемпературную обработку газа в промышленных установках, принимают непосредственное участие в сжижении газа и разделении многокомпонентных газовых смесей.

В конструкцию турбодетандера входит корпус, ротор, сопловой регулируемый аппарат, а также направляющий аппарат, оборудованный поворотными механизмами. Агрегат полностью герметичен и не нуждается в электрической энергии. Направление движущегося потока газа определяет его конструкцию. Поэтому турбодетандеры могут быть центробежными, центростремительными и радиальными (осевыми). В соплах наблюдается различная степень расширения газа. В связи с этим турбодетандеры разделяются на активные и реактивные.

В первом случае давление понижается лишь в неподвижных направляющих каналах, а во втором случае – еще и во вращающихся каналах ротора. Конструкции установок могут быть одноступенчатыми или многоступенчатыми, в зависимости от количества ступеней.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно: к машинам объемного действия, в частности, поршневым детандер-компрессорным агрегатам, и может быть использовано в холодильной технике, например в воздушных холодильных установках, установках кондиционирования воздуха и т.д.

Известны поршневые детандер-компрессорные агрегаты, включающие в себя поршневой компрессор, поршневой детандер, размещенные в одном корпусе, имеющие общую шатунно-поршневую группу с расположением цилиндра детандера над цилиндром компрессора и систему принудительного газораспределения для детандера [Расширительные машины. Под ред. К.И. Страховича — М. — Л.: Машиностроение, 1966. стр. 101-104].

Существенными недостатками таких детандер-компрессорных агрегатов являются сложность их конструкции, большая удельная металлоемкость, низкая эксплуатационная надежность, а также невысокая эффективность работы, обусловленная теплопритоками из-за близкого расположения цилиндров детандера и компрессора и принудительным механизмом газораспределения детандера.

Известна другая конструкция детандер-компрессорного агрегата [2], в которой исключены теплопритоки со стороны горячего цилиндра компрессора к холодному цилиндру детандера благодаря разделению их промежуточной камерой. Однако сохранение принудительного механизма газораспределения детандера не исключает вышеперечисленных недостатков [Расширительные машины. Под ред. К.И. Страховича — М. — Л.: Машиностроение, 1966. стр. 101-104].

Известен способ работы и поршневой детандер-компрессорный агрегат, включающий в себя поршневой компрессор, поршневой детандер, размещенные в одном корпусе, с присоединенными к коленчатому валу шатунно-поршневыми группами, в котором стенки цилиндра поршневого детандера содержат выпускные окна, соединенные общим коллектором, а впускной клапан выполнен нормально открытым и снабжен закрепленным на пружине запорным элементом. (патент РФ №2134850, заявка №. МПК: F25B 9/00, F25B9/06 — прототип),

Указанный поршневой детандер-компрессорный агрегат работает следующим образом. В компрессоре происходит сжатие всасываемого из атмосферы воздуха, при этом растет его температура и давление. Сжатый воздух поступает в холодильник, где происходит его охлаждение на входе в детандер. При подаче охлажденного сжатого воздуха через штуцер происходит впуск части его в цилиндр через нормально открытый впускной клапан. Поршень при этом находится в верхней мертвой точке и выпускные окна перекрыты. При истечении воздуха в зазоре между седлом и запорным элементом происходит нарастание перепада давлений над запорным элементом и под ним. Клапан, преодолевая упругие силы пружины, закрывается, перекрыв истечение сжатого воздуха в цилиндр. Попавшая в цилиндр часть воздуха давит на поршень и при его перемещении расширяется с понижением температуры и совершением внешней работы. При открытии поршнем в нижней мертвой точке выпускных окон расширяющийся охлажденный воздух выталкивается в общий коллектор и направляется к потребителю. При достижении поршнем верхней мертвой точки давление в цилиндре растет за счет сжатия остаточного воздуха. При достижении давления в цилиндре выше начального давления на воде в детандер клапан за счет упругости пружины открывается, цикл повторяется.

Основным недостатком является то, что часть рабочего тела остается в цилиндре после рабочего хода, сжимается при обратном ходе поршня и разогревается при сжатии, после чего смешивается с холодным рабочим телом, поступившим через впускной канал, и повышает его температуру за счет конвективного теплообмена, что снижает эффективность работы детандера.

Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и повышение эффективности работы поршневого детандера за счет удаления использованного рабочего тела из цилиндра при обратном ходе поршня.

Указанная задача решается за счет того, что в предложенном способе работы поршневого детандера, заключающемся в подаче рабочего тела через впускные каналы в цилиндр, в котором установлен поршень, связанный с кривошипно-шатунным механизмом, последующем расширении рабочего тела с одновременным падением его температуры и перемещением поршня, и отводе рабочего тела из цилиндра через выпускные каналы, согласно изобретению, основную часть объема рабочего тела отводят из цилиндра через выпускные окна, которые располагают выше нижней мертвой точки поршня, причем полости окон объединяют общим коллектором, а оставшуюся часть рабочего тела сжимают при обратном ходе поршня и направляют через выпускные каналы, полость которых связывают с полостью упомянутого коллектора выпускных окон через перепускной клапан, при этом упомянутый клапан закрывают при подаче рабочего тела в цилиндр и открывают при сжатии его оставшейся части.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструктивная схема детандера, в начальный период времени цикла, на фиг. 2 изображена конструктивная схема детандера, в середине рабочего хода, на фиг. 3 изображена конструктивная схема детандера, в конечный период времени цикла.

Предложенный способ может быть реализовав при помощи детандера, имеющего следующую конструкцию.

Поршневой детандер содержит корпус 1 с цилиндром 2, в котором установлен поршень 3, связанный с кривошипно-шатунным механизмом 4. В торцевой части цилиндра расположены впускные 5 и выпускные 6 каналы для рабочего тела. В стенках цилиндра 2 выполнены выпускные окна 7. Выпускные окна 7 расположены выше уровня нижней мертвой точки поршня 3 и объединены общим коллектором 8. Полость указанного коллектора 8 связана с полостью выпускного канала 6 при помощи перепускного клапана 9. Для отвода рабочего тела из коллектора 8 служит канал 10.

Предложенный способ может быть реализован следующим образом.

Рабочее тело под давлением через впускной канал 5 подают в цилиндр 2 и воздействуют на поршень 3, связанный с кривошипно-шатунным механизмом 4. После впуска рабочего тела в цилиндр 2, впускной 5 канал перекрывают. Выпускной канал 6 и перепускной клапаны 9 в это время закрыты.

Под действием давления рабочего тела, поршень 3 перемещается от впускного 5 канала к нижней мертвой точке с увеличением объема цилиндра, при этом увеличение объема рабочего тела сопровождается понижением его температуры. При достижении поршнем 3 нижней мертвой точки выпускные окна 7 открываются, и основная часть рабочего тела поступает в общий коллектор 8. Поршень 3 начинает движение вверх и сжимает оставшуюся часть рабочего тела в цилиндре 2, с одновременным ее нагреванием. В это время открывают выпускной канал 6 и перепускной клапаны 9, и оставшуюся часть рабочего тела направляют через их полости в полость канала 10, где она перемешивается с основной частью и поступает для дальнейшего использования. После достижения поршнем верхней мертвой точки, выпускной канал 6 и перепускной клапаны 9 закрывают, а впускной канал 5 открывают для подачи новой порции рабочего тела в цилиндр 2. Далее цикл повторяется.

Предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность и эксплуатационную надежность детандера, упростить конструкцию, снизить удельную металлоемкость агрегата за счет увеличения его производительности, связанной с изменением температуры рабочего тела.
Способ работы поршневого детандера, заключающийся в подаче рабочего тела через впускные каналы в цилиндр, в котором установлен поршень, связанный с кривошипно-шатунным механизмом, последующем расширении рабочего тела с одновременным падением его температуры, перемещением поршня и отводе рабочего тела из цилиндра через выпускные каналы, отличающийся тем, что основную часть объема рабочего тела отводят из цилиндра через выпускные окна, которые располагают выше нижней мертвой точки поршня, причем полости окон объединяют общим коллектором, а оставшуюся часть рабочего тела сжимают при обратном ходе поршня и направляют через выпускные каналы, полость которых связывают с полостью упомянутого коллектора выпускных окон через перепускной клапан, при этом упомянутый клапан закрывают при подаче рабочего тела в цилиндр и открывают при сжатии его оставшейся части.

Читайте также  Что такое самокритика

Авиационная Корпорация «Рубин»

Как работает турбодетандер

Утилизация энергии, возникающей при избыточном давлении в газотранспортной системе, представляет собой одну из важных задач, решаемых в газовой промышленности. Для этих целей применяются особые расширительные турбины, которые механическим способом связываются с потребителем мощности – компрессором или электрическим генератором. Такое утилизирующее энергию устройство, не потребляющее топлива, называется турбодетандером.
По своей конструкции турбодетандер – это газовая турбина, которая работает при перепадах давления газа. К самой расширительной турбине подсоединяются генераторы, компрессоры и насосы. В этой сложной системе турбодетандер выполняет центральную функцию, являясь ее «сердцем».

Одна из технических задач, над решением которой работают конструкторы турбодетандеров, состоит в устранении вибрации, разрушительным образом действующей на устройство.

В основу работы турбины положен принцип расширения газа в рабочем устройстве. Проходя через рабочее колесо, газ отдает свою энергию. При этом происходит существенное понижение его температуры. Освобождающаяся энергия может быть использована для сжатия газа в компрессоре или для приведения в действие электрогенератора. В последнем случае турбодетандер дает не только сравнительно дешевую электрическую энергию, но и вырабатывает холод.

Каталог промышленного оборудования Rotoflow

Основная деятельность компании – это производство генераторов, компрессоров, турбодетандеров, детандеров и подшипников к ним.

Турбодетандеры в газовой промышленности используются для:

  • Запуска газотурбинной установки (ГТУ) ;
  • Охлаждении природного газа в установках сжижения;
  • Подготовка газа (охлаждение) для транспортировки трубопроводом (удаление влаги за счет вымораживания);
  • В качестве привода компрессора для подачи газа в подземные хранилища;
  • Выработки электричества на газораспределительных станциях.
  • Турбодетандеры – машины лопаточного типа, в которых происходит расширение газа с отводом энергии. Сперва газ подается через входной аппарат, затем газ направляется на рабочее колесо. Процесс сопровождается снижением температуры и давления рабочего газа.
  • Детандеры- генераторы Rotoflow применяются там, где требуется высокая мощность, надежность и экономическая эффективность оборудования.

Назначение агрегатов: добыча газа и нефти (восстановление сжиженного нефтяного газа, газожидкостная конверсия, комбинированный интегрированный цикл газификации); нефтехимия (производство этилена; очистка азота, аммиака и водорода); понижение давления в транспортной магистрали; генерация геотермальной энергии; выработка тепла и энергии с утилизацией выделенного тепла.

  • Детандеры-компрессоры. Используются для нефтяного и газового оборудования. Предназначены для криогенного охлаждения и снижения выбросов углекислого газа. Изоэнтропный КПД – до 91%.

Особенности: управление тягой пассивное, электроприводы контролируют электропоток; надежная защита оборудования благодаря системе масляных баков гравитационного типа.

Сфера применения компрессоров – заводы по сжижению природного газа плавучего типа. Детандер с компрессором гарантирует эффективное криогенное охлаждение для удаления влаги из углеводородного газа.

  • Детандеры с плотной текучей средой. Бывают разновидности масляного и генераторного типа. Имеют КПД до 88%.

Особенности: запускаются без предварительного охлаждения; контроль скорости двигателя при запуске; минимальное время монтажа и ввода в эксплуатацию оборудования.

  • Криогенные насосы – создают сверхвысокий вакуум. Применяются в составе агрегатов для обслуживания на газовых и нефтяных скважинах. Бывают: поршневого и центробежного типа. Поршневые подходят для работы на промышленных предприятиях, где требуется высокое давление; центробежные предназначены для перекачки сжиженных технических газов.
  • Многоступенчатое криогенное оборудование (турбомашины)– созданы для решения индивидуальных и сложных задач. Надежная работа в тяжелых условиях, экономное энергопотребление. Из этого типа машин Rotoflow производит: криогенные компрессоры (CCGM-6) и редукторные компандеры (ETACGM-14).
  • Масляные, воздуходувные и резисторные детандеры. Агрегаты масляного типа – экономное решение для техники с небольшой мощностью. Достоинства: конструктивно прочные; производительные – на входе лопатки выполнены без зазора; КПД – до 88%; есть виды с опорной рамой и без нее – для индивидуальных решений.

Насосы и турбодетандеры Rotoflow

Поршневые криогенные насосы – надежное нефтяное оборудование. Применяются преимущественно в газовой промышленности, где используется аргон, азот и жидкий кислород.

Преимущества насосов Rotoflow:

  • минимизация потерь в криогенных резервуарах;
  • повышенное охлаждение;
  • снижение затрат на перекачку и хранение;
  • быстрая скорость откачки;
  • высокая криоадсорбционная емкость;
  • возможность создавать разрежение ниже 10 -8 Па.

Достоинства турбодетандеров Rotoflow:

  • корпуса исполнены из прочной углеродистой и нержавеющей стали;
  • аппараты выпускаются как с масляными, так и подшипниками магнитного типа. Магнитные подшипники не требуют смазки, не загрязняются. Активные подшипники улучшают осевое усилие аппаратов за счет автоматической системы управления тягой, определяющей положения ротора (регулирует поступающий на электромагниты ток);
  • эксплуатация оборудования с минимальными затратами на сервисное обслуживание;
  • высокая производительность в охлаждении газа, КПД агрегатов до 92 %.

Монтаж и ремонт промышленного оборудования Rotoflow

Сотрудничая с нами вы не просто приобретаете агрегат, но и получаете квалифицированный сервис. Официальный дилер Rotoflow гарантирует: • Специализированную команду послепродажного обслуживания: ремонт, запчасти, выездное обслуживание. • Индивидуальные решения. • Поддержку более 2000 детандеров, работающих по всему миру. • Обновления, повторная оценка, устранение неисправностей, обучение, ремонт на месте. • Круглосуточную техническую поддержку.

К техническим возможностям производителя Rotoflow относится: • Индивидуальные решения для оборудования и предложения стандартных изделий; • Передовые технологии КЭА и РГД. • Специалисты по роторной динамике. • Полное 3D-моделирование, дизайн и анализ. • Системы, совместимые с интерфейсом прикладных программ (API) и соответствующие требованиям заказчика. • Специализированная команда инженеров, занимающаяся научно-исследовательской работой, а также разработкой новых изделий. • Обеспечение технологических решений для оборудования в целях удовлетворения сложных потребностей заказчиков. • Контроль качества. • Гидравлические испытания. • Балансировка и сборка.

Компания DM Energy – официальный дистрибьютор нефтехимического оборудования концерна Air Products. Агрегаты в наличие и под заказ. Широкий ассортимент продукции.

Характеристики агрегатов:

  • мощность от 2 Квт до 15 МВт;
  • входное давление до 100 бар;
  • температура на входе до -268°С;
  • скорость до 100 000 оборотов в минуту;
  • коэффициенты расширения до 19:1
  • жидкости: Воздух, N2, O2, CH4, H2, He, CO и другие смеси

Применение турбодетандеров

Турбодетандеры находят применение в криогенных установках. Их также с успехом используют в устройствах для разделения воздуха и в установках для ожижения азота, находящегося под давлением. Без расширительной турбины сегодня сложно представить себе современное предприятие по переработке природного газа.

Турбодетандер фактически представляет собой источник дешевой и чистой энергии.

Основное же применение турбодетандеры находят в газовой промышленности, где играют роль установок для расширения газа. В турбине происходит процесс преобразования энергии, количество которой прямо связано с мощностью энергетического потенциала газового потока. Применение турбодетандеров позволяет утилизировать избыток энергии, который образуется при перекачивании газа через распределительные станции.

Активно применяются турбодетандеры в период пуска газотурбинных установок и проворачивания роторов машин с целью их охлаждения. Снижение температуры газа необходимо и в установках, где происходит его сжижение, а также при предварительной подготовке газового продукта к транспортировке и для удаления избыточной влаги посредством ее вымораживания.

Турбодетандеры и агрегаты

Турбодетандеры для ожижителей водорода, азота, гелия

Для установок по ожижению водорода, гелия, азота …
Подробнее

Низкого/среднего/высокого давления для воздухоразделительных установок

Воздухоразделительные установки высокого давления с …
Подробнее

Для воздушных холодильных установок

В зависимости от вида физического процесса, в …
Подробнее

Для работы с природным газом

Турбодетандеры, применяемые в криогенных установках, …
Подробнее

По своей конструкции турбодетандер – это газовая турбина, которая работает при перепадах давления газа. К турбине подсоединяются генераторы, компрессоры и насосы. В этой сложной системе турбодетандер выполняет центральную функцию, являясь ее «сердцем». Турбодетандеры находят применение в криогенных установках. Их также с успехом используют в устройствах для разделения воздуха и в установках для ожижения азота, кислорода, природного газа (метана) находящегося под давлением. Без расширительной турбины сегодня сложно представить себе современное предприятие по переработке природного газа.

«Криомаш -БЗКМ» более 40 лет осуществляет разработку, производство и поставки высокотехнологичного оборудования для генерации «холода» — криогенных турбодетандеров различного назначения. Наличие опытных высококвалифицированных специалистов в области дизайна, технологии и производства, вооруженных современными программными средствами 3Д проектирования на базе САД, САМ и САЕсистем, и наличие современного интеллектуального производственного оборудования позволяет ставить и решать задачи любой сложности по созданию турбодетандерных агрегатов для систем кондиционирования, ожижителей и рефрижераторов азота, воздуха, гелия и природного газа с широким спектром изменения параметров по давлению, температуре и холодопроизводительности в диапазоне от 5 кВт до 1 МВт.

В стадии производства находятся гелиевые турбодетандеры на газостатических опорах с высокоэффективными закрытыми рабочими колесами, изготовленными методом пространственного фрезерования межлопаточных каналов, и криогенный стенд для проведения исследований опытных образцов турбодетандеров, в том числе парожидкостных, и модельных испытаний штатных агрегатов. Разрабатываются и производятся турбодетандеры для новых или модернизируемых объектов с поглотителями механической энергии (тормоз) в виде гидротормоза, газодувки или компрессорной ступени на гидродинамических масляных или на газостатических опорах.

«Криомаш — БЗКМ» выполняет полный комплекс работ по индивидуальному проектированию, производству, доставке, монтажу и проведению пуско-наладочных работ турбодетандеров и турбодетандерных агрегатов с дальнейшим гарантийным техническим обслуживанием. Также, предприятие производит все необходимые сопутствующие элементы и инфраструктуру для обеспечения работы турбодетандеров. Свяжитесь с нашими специалистами по телефону +7(495)521-59-77 или закажите обратный звонок.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: