Турбодетандер что это такое

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.

Схема турбодетандерного агрегата

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.

Движение потоков криагента в рабочем колесе ТД

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.

Турбодетандеры и агрегаты

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.

Читайте также  Как определить мощность конденсатора

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.

Детандеры и турбодетандеры

расширительная машина - детандер

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

детандер для сжижения природного газаЗа 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.

детандер для производства сжиженного природного газаОднако 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.

Читайте также  Как заменить автомат в щитке под напряжением

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; 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)

Турбодетандерные установки принцип работы

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.

Изготовление колеса турбодетандера ГЕЛИЙМАШ

Водородный турбодетандер ГЕЛИЙМАШ

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.

Принцип действия турбодетандера

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.

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.

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.

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

турбодетандер природного газа турбодетандер адиабатное расширение газов переработка и утилизация ПНГ турбодетандерный агрегат азотного газа Трехпоточный турбодетандер на природный газ ГЕЛИЙМАШ ожижитель водорода переработка природного газа с выделением целевых компонентов

Детандер принцип работы

Закон сохранения энергии, также известный как «Первое начало термодинамики» гласит: энергия не может быть создана или уничтожена – она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических процессах

Что такое турбодетандер?

Следуя Первому началу термодинамики, турбодетандер преобразует внутреннюю энергию сжатого газа в механическую с понижением его температуры. Иными словами, турбодетандер – динамическая расширительная машина лопаточного типа, в которой происходит адиабатическое расширение потока газа с совершением внешней механической работы. Расширение газа с отводом энергии приводит к понижению давления и температуры газа.

Именно благодаря совершению работы турбодетандер обеспечивает гораздо более низкие температуры газа на выходе при той же величине падения давления по сравнению с дросселем. Учитывая большую развиваемую на валу мощность, в зависимости от требований клиента мы предлагаем турбодетандеры с нагрузкой в виде компрессора – серия АДКГ или генератора – серия ДГА.

Принцип работы турбодетандера

Технологический газ под высоким давлением поступает через входной сопловой аппарат на рабочие лопатки расширительной турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диск турбины на вал.

Таким образом, газ проходит из области высокого давления через турбину в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. В результате этого процесса газ теряет свою температуру и вырабатывает механическую энергию вращения, которую используют для вращения находящегося с ним на одном валу генератора или компрессора. Отработанный газ выпускается через выходной диффузор.

Где используются турбодетандеры

Турбодетандеры используются для обработки технологического газа в промышленных установках различного предназначения. Кроме того, их используют для разделения газовых смесей на составные компоненты и в различных производственных схемах для сжижения газа. Благодаря своей способности вырабатывать механическую энергию вращения и электрическую энергию, они нашли широкое применение в различных промышленных отраслях. Основным условием, ограничивающим их применение, является непрерывное поступление газового или парового потока, в точные временные промежутки.

Турбодетандеры Rotoflow, предлагаемые компанией DMLieferant нашли широкое применение на заводах по производству сжиженного природного газа, очистных сооружениях для очистки и сжижения газов, в трубопроводных газотранспортных системах, в нефтехимических производствах для:

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.

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.

Принцип действия турбодетандера

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.

Читайте также  Как работает автомобильный холодильник

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.

Rotoflow турбодетандеры

Турбодетандеры-компрессоры

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

Турбодетандеры Rotoflow

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.

Детандеры-компрессоры со смазываемыми подшипниками

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

Детандеры-компрессоры

  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.

Турбодетандер Rotoflow 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.

Применение детандеров-генераторов Rotoflow

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

Детандер-генератор 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.

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

Быстрый заказ оборудования

Компания Rotoflow представлена в следующих категориях каталога промышленного оборудования:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

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