Детандер принцип работы

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.

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.

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.

Турбодетандеры

Принцип действия турбодетандера и его основное назначение

По принципу действия гурбодстандсры (ТД) относятся к расширительным машинам — турбинам. Однако они отличаются от энергетических машин прежде всего назначением. Основным назначением турбодстандс- ров является производство холода. Назначение энергетических машин, в частности паровых турбин, — это производство работы. Но и в турбодетандерах, и паровых турбинах основным процессом является расширение газов и паров. Процесс расширения в турбодетандерах совершается, как правило, ниже температуры окружающей среды, в паровых турбинах — при температурах существенно выше температуры окружающей среды.

Исходя из этих двух основных факторов — назначения расширительной машины и температурного уровня работы — турбодетандеры по своему конструктивному оформлению значительно отличаются от энергетических турбин, в частности, от паровых турбин.

Турбодетапдеры — это низкотемпературные расширительные машины, предназначенные для производства холода и понижения температуры газа путем его адиабатного расширения с отводом энергии. Передача энергии от газов к рабочему колесу происходит за счет силового взаимодействия потока газа с лопатками вращающегося рабочего колеса (вращающейся решеткой). Внутренняя и кинетическая энергия расширяющегося потока газа преобразуется в механическую работу вращающегося рабочего колеса, которая далее (в зависимости от конструктивного оформления турбодетандера) преобразуется в электрическую или тепловую энергию, или работу вращающегося колеса компрессора или нагнетателя.

Из всех известных устройств, предназначенных для производства холода, детандеры, и в частности турбодетандеры, являются одними из наиболее эффективных.

Этим объясняется самое широкое применение их в низкотемпературной технике, особенно в криогенной области температур, где производство холода значительно «дороже», чем в холодильной технике при умеренных температурах.

Основные элементы турбодетандера и их назначение

Принципиальная схема традиционного турбодетандера радиального типа, применяемая в воздухораздслигсльных установках низкого давления, показана на рис. 2.17. и 2.18.

Рис. 2.1 7. Схема турбодетандерного агрегата

Основными элементами его являются улитка или входной патрубок /; направляющий (сопловый) аппарат 2; рабочее колесо или вращающаяся решетка 3; диффузор 4; корпус 5; уплотняющие элементы (лабиринтные уплотнения) 6; редуктор 7; генератор для отбора мощности 8.

Улитка или входной патрубок служит для равномерного подвода газа по окружности к направляющему аппарату.

Направляющий (сопловой) аппарат выполнен из ряда сопел по окружности и служит для придания потоку газа на его выходе определенной скорости и направления. При течении в соплах часть внутренней энергии сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию потока. Увеличивается скорость рабочего потока до определенной величины, которая может быть дозвуковой, звуковой и сверхзвуковой, при этом понижаются давление и температура газа.

Рис. 2.18. Движение потоков криагента в рабочем колесе ТД

Вращающее рабочее колесо с лопатками (вращающаяся решетка) необходимо для преобразования внутренней и кинетической энергии потока в механическую работу.

Энергия потока передается рабочему колесу за счет силового взаимодействия потока с лопатками вращающегося рабочего колеса. При этом и скорость потока, и давление, и температура понижают свои значения.

Диффузор служит для дальнейшего торможения потока и понижения его скорости до значения в выходящем патрубке и трубопроводе. Температура рабочего тела при этом повышается

Уплотнение рабочего колеса и проточной части необходимо для уменьшения или полного исключения утечек и перетечек газа через неплотности вращающегося рабочего колеса.

Редуктор, установленный на выходящем валу турбодетандера, служит для понижения скорости вращения ротора до скорости двигателя — генератора и передачи мощности на вал генератора, который, как правило, вращается с меньшей скоростью, чем ротор турбо детандера.

Генератор (двигатель-генератор) преобразует механическую энергию вращающегося ротора турбодетапдера в электрическую и передаёт ее в электрическую сеть.

Rotoflow турбодетандеры

Компания Rotoflow была основана в 1958-ом году и с самого начала своей деятельности является пионером в области турбодетандеров для утилизации энергии сжатых газов в нефтегазовой и других отраслях промышленности.

Компания поставила тысячи единиц этого вида оборудования во все регионы мира.

Турбодетандеры Rotoflow завоевали множество наград за технологические инновации и превосходную конструкцию. Превосходная технология, однако, ничего не стоит, если она не обеспечивает превосходную производительность. И это то, благодаря чему данные установки стали лидерами рынка – они работают с максимальной эффективностью независимо от условий процесса.

Принцип действия

Турбодетандер расширяет поступающий технологический газ в два этапа: сначала через входной направляющий аппарат, а затем через рабочее колесо. Когда ускоренная технологическая среда перемещается от входного направляющего аппарата к колесу, кинетическая энергия преобразуется в полезную механическую энергию. Механическая энергия используется для привода другого оборудования: компрессора – в случае детандера-компрессора или генератора – в случае детандера-генератора. Совершивший работу газ охлаждается и попадает в выходной диффузор.

Детандеры-компрессоры

Детандеры-компрессоры Rotoflow используются во всех областях нефтегазовой отрасли для криогенного охлаждения, при этом повышается энергоэффективность объекта и снижаются выбросы CO2.

Типичные области применения

• Плавучие заводы по сжижению природного газа. Детандеры-компрессоры предлагают более легкий вес, более компактные размеры и более эффективные холодильные циклы для сжижения природного газа.
• Сжиженный нефтяной газ (СНГ) и жидкие фракции природного газа (природный газоконденсат): детандер-компрессор обеспечивает энергосберегающее криогенное охлаждение для полного удаления конденсатов из потока углеводородного газа.
• Этилен: повышение общей эффективности установки за счет охлаждения остаточного газа и последующей рекомпрессии топливного газа.
• Контроль точки росы: при удалении влаги, охлаждаются газовые потоки для получения сухого газа или для контроля теплотворной способности топливных газов.

Конструктивные особенности детандеров-компрессоров Rotoflow

1. Распределительные коробки
   Две коробки для подключения сигнального кабеля для контроля положения, скорости и температуры подшипника. Две коробки для подключения силового кабеля. Все распределительные коробки и проходные уплотнения испытываются под давлением на соответствие самим высоким стандартам.
2. Уплотненные проходные соединения
   Обеспечивается герметичное уплотнение между силовой и сигнальной распределительной коробкой и находящимся под давлением корпусом подшипника.
3. Активные магнитные подшипники
   Стальной кованый корпус подшипника обеспечивает максимальную жесткость, позволяющую выдерживать высокие нагрузки на трубопроводную обвязку.
4. Диффузор
   Здесь завершается расширение технологического газа. Диффузор дополнительно замедляет поток, чтобы увеличить падение давления. Изготавливается, как правило, из углеродистой или нержавеющей стали.
5. Корпус
   Изготовлен из пластин и поковок. Обязательно проходит неразрушающие испытания. Геометрия оптимизирована для минимизации искажений потока. Специальные решения для «нулевой утечки» доступны для сернистых и токсичных газов. Изготавливается из углеродистой или нержавеющей стали.
6. Сопловой узел (входной направляющий аппарат)
   Аэродинамические параметры оптимизированы в соответствии с условиями применения для достижения наилучших характеристик потока. Конструкция разработана таким образом, чтобы свести к минимуму негативное влияние каплей жидкости и твердых частиц.
7. Рабочее колесо
   Открытая или закрытая конструкция. Разрабатывается с использованием вычислительной гидрогазодинамики для максимальной эффективности. Изготавливается фрезерованием из алюминия, титанового сплава или нержавеющей стали. Имеет малый вес для стабильной динамики ротора.
8. Теплозащитная стенка
   Отделяет криогенную среду от теплого корпуса подшипника. Обычно изготавливается из Микарты со специальной вставкой для размещения газового лабиринтного уплотнения.
9. Корпус подшипника
   Доступны в двух вариантах конструкции: для смазываемого или активного магнитного подшипника. Как правило, изготавливается из углеродистой или нержавеющей стали, и предназначен для максимальной жесткости и прочности.
10. Корпус компрессора
    Материал: углеродистая или нержавеющая сталь
11. Выходная спираль компрессора
    Увеличивает давление на выходе рабочего колеса, чтобы обеспечить более высокие коэффициенты сжатия. Все спирали литые, легко демонтируются.

Применение активных магнитных подшипников

Rotoflow выпускает турбодетандеры как со смазываемыми, так и с активными магнитными подшипниками.

1. Магнитные упорные подшипники
2. Магнитные радиальные подшипники
3. Вспомогательный подшипник

Активные магнитные подшипники являются альтернативой традиционным смазываемым подшипниковым системам и обладают рядом особенностей и преимуществ:

• Магнитные подшипники не требуют смазки, что устраняет риск загрязнений.
• Отсутствует необходимость в каких-либо компонентах масляной системы, таких как насосы, фильтры.
• В детандере-компрессоре с магнитными подшипниками узел ротора поддерживается активными магнитными радиальными подшипниками, как показано на рисунке выше.
• Осевое усилие агрегатов с активными магнитными подшипниками улучшается с помощью автоматической системы управления тягой, которая управляет положением ротора, регулируя поступающий на электромагниты ток в зависимости от сигналов датчиков положения вала. Датчики группируют для обеспечения автоматического устранения гармоник сигнала вращения, эллиптических или треугольных деформаций на поверхности ротора.

Детандеры-генераторы

Детандеры-генераторы Rotoflow отвечают потребностям отрасли в увеличении мощности, снижении затрат и максимальной надежности в широком спектре применений.

Типичные области применения

• Добыча нефти и газа (заводы по переработке газоконденсатной жидкости, восстановлению сжиженного нефтяного газа; обработка остаточного газа; газожидкостная конверсия; интегрированный комбинированный цикл газификации).
• Сжижение и очистка газов на очистных сооружениях.
• Нефтехимия (очистка водорода, азота и аммиака; производство этилена).
• Понижение давления в трубопроводе.
• Генерация геотермальной энергии (например, органический цикл Ренкина, Калина, прямая генерация пара).
• Утилизация отработанного тепла и комбинированное производство тепла и энергии.

Конструктивные особенности детандеров-генераторов Rotoflow

1. Высокоэффективная аэродинамика, адаптированная к требованиям заказчика.
2. Запатентованный многоканальный входной направляющий аппарат для точного управления и плавной регулировки.
3. Сухие газодинамические уплотнения могут применяться в одиночных, двойных или тандемных конфигурациях, чтобы минимизировать утечку буферного газа.
4. Рабочие колеса монтируются непосредственно на высокоскоростных шестернях, а генератор соединен с низкоскоростным механизмом.
5. Гидравлические, пневматические или электрические приводы управляют входным направляющим аппаратом с высокой точностью, в диапазоне от 0 до 130% расхода.
6. Если контролируемое давление двух противоположных упорных подшипников не сбалансировано, контроллер автоматически регулирует давление за колесом для того, чтобы ротор всегда был центрирован.
7. Высокие коэффициенты давления или высокие скорости потока требуют многоступенчатой компоновки. Турбодетандеры Rotoflow могут включать до четырех ступеней на общем встроенном редукторе.

Читайте также  Земляная защита принцип действия

Если вы хотите заказать продукцию Rotoflow или запчасти (комплектующие) – воспользуйтесь формой обратной связи:

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.