Для чего нужен турбодетандер

Турбодетандеры Rotoflow – непрерывный источник чистой энергии

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

Принцип действия и устройство турбодетандера

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

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

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

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:

Материалы рубрики «Промо» публикуются на правах рекламы.

Источник

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:

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.

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

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

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

Источник

Турбодетандер

В настоящее время эксплуатируемые турбодетандеры имеют мощность от примерно 750 Вт до примерно 7,5 МВт (от 1 л.с. до примерно 10 000 л.с.).

СОДЕРЖАНИЕ

Приложения [ править ]

Хотя турбодетандеры обычно используются в низкотемпературных процессах, они используются во многих других областях. В этом разделе обсуждается один из низкотемпературных процессов, а также некоторые другие приложения.

Извлечение углеводородных жидкостей из природного газа [ править ]

Нижний продукт из деметанизатора также нагревается в холодильной камере, поскольку он охлаждает входящий газ, прежде чем он покинет систему в виде СПГ.

Условия эксплуатации морского турбодетандера / рекомпрессора для подготовки газа следующие: [8]

Производство электроэнергии [ править ]

На рисунке изображена система выработки электроэнергии, в которой используется источник тепла, охлаждающая среда (воздух, вода или другое), циркулирующая рабочая жидкость и турбодетандер. Система может работать с самыми разными источниками тепла, такими как:

Циркулирующая рабочая жидкость (обычно органическое соединение, такое как R-134a) нагнетается до высокого давления и затем испаряется в испарителе за счет теплообмена с доступным источником тепла. Образующийся пар высокого давления поступает в турбодетандер, где он подвергается изэнтропическому расширению и выходит в виде парожидкостной смеси, которая затем конденсируется в жидкость за счет теплообмена с имеющейся охлаждающей средой. Конденсированная жидкость перекачивается обратно в испаритель для завершения цикла.

Когда в цикле Ренкина используется органическая рабочая жидкость, такая как R-134a, этот цикл иногда называют органическим циклом Ренкина (ORC). [9] [10] [11]

Система охлаждения [ править ]

В системе охлаждения используются компрессор, турбодетандер и электродвигатель.

В системе используется хладагент под высоким давлением (т.е. хладагент с низкой нормальной температурой кипения ), такой как: [12]

Жидкий хладагент проходит через турбодетандер, где он испаряется, и пар подвергается изэнтропическому расширению, что приводит к низкотемпературной смеси пара и жидкости. Затем парожидкостная смесь проходит через испаритель, где она испаряется за счет тепла, поглощаемого из охлаждаемого пространства. Испаренный хладагент поступает на вход компрессора для завершения цикла.

Восстановление мощности в установке жидкостного каталитического крекинга [ править ]

На рисунке показано, как энергия восстанавливается и используется при пропускании дымовых газов регенератора через турбодетандер. После того, как дымовой газ выходит из регенератора, он проходит через вторичный сепаратор катализатора, содержащий вихревые трубы, предназначенные для удаления 70–90% остаточной мелочи катализатора. [13] Это необходимо для предотвращения эрозионного повреждения турбодетандера.

Как показано на рисунке, расширение дымового газа через турбодетандер обеспечивает достаточную мощность для приведения в действие компрессора воздуха для горения регенератора. Электрический мотор-генератор в системе питания восстановления может потреблять или производить электрическую энергию. Если расширение дымовых газов не обеспечивает достаточной мощности для привода воздушного компрессора, электродвигатель-генератор обеспечивает необходимую дополнительную мощность. Если расширение дымовых газов обеспечивает большую мощность, чем необходимо для привода воздушного компрессора, то электродвигатель-генератор преобразует избыточную мощность в электроэнергию и передает ее в электрическую систему нефтеперерабатывающего завода. [14] паровая турбина используется для приведения в действие компрессора воздуха для горения регенератора во время пуска установки для каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем до тех пор, пока дымовых газов сгорания не будет достаточно для выполнения этой задачи.

Затем расширенный дымовой газ направляется через парогенерирующий котел (называемый CO-бойлером ), где монооксид углерода в дымовом газе сжигается в качестве топлива для получения пара для использования на нефтеперерабатывающем заводе. [14]

История [ править ]

В 1978 году Петр Капица был удостоен Нобелевской премии по физике за свои работы в области физики низких температур. [17]

Типы [ править ]

Турбодетандеры можно классифицировать по нагружающему устройству или подшипникам.

Гидравлические тормоза используются, когда турбодетандер очень мал, и использование мощности на валу экономически нецелесообразно.

Следует также отметить новую технологию квазитурбины [19], которая представляет собой тип роторной турбины прямого вытеснения.

Источник

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.

Источник