Турбодетандер П.Л.Капицы
П. Л. Капица начал штурм «кислородно-криогенной» крепости именно с турбодетандера. Он был вторым, после Ж. Клода, творцом поршневого детандера (вспомним, что Капица еще в 1934 г. в Кембридже создал первый гелиевый поршневой детандер), но с турбодетандерами, также как вообще с турбомашинами, он никогда не имел дела. Именно это (в сочетании, разумеется, с выдающимися способностями и физика, и инженера) ему, по-видимому, и помогло.
За необычайно короткий срок — два года — он с блеском решил задачу, создав новую машину, настолько эффективную, что она обеспечила целую революцию в криогенной технике.
Чем же объясняется резкое повышение КПЛ турбодетандера (на 15-20%, которых не хватало), достигнутое Капицей? Очевидно, что тут дело было не в частных усовершенствованиях, а в принципиальном изменении.
Чтобы разобраться, в чем здесь дело, посмотрим, как устроен турбодетандер внутри (рис. 8.1). Как и у всякой турбины, в. нем имеется расположенный по периферии неподвижный направляющий аппарат и помещенное внутри него вращающееся рабочее колесо. В направляющем аппарате по окружности расположены сопла, где, расширяясь, поток рабочего тела разгоняется и приобретает определенную скорость. Попадая на лопатки рабочего колеса, рабочее тело вращает его, производя работу и отдавая энергию. Скорость при этом снижается. Отработавшее рабочее тело выпускается через патрубок в центре рабочего колеса. Так устроены все турбины — паровые, газовые и водяные. По характеру движения текущего рабочего тела в направляющем аппарате и колесе турбины делятся на активные и реактивные. В турбодетандере активного типа направляющий аппарат имеет сужающиеся каналы, в которых газ разгоняется до большой скорости (близкой к скорости звука, т.е. несколько сот метров в секунду) и снижает начальное давление р1 до значения рm почти равного конечному р2. Струи газа, попадая на вогнутые короткие лопатки рабочего колеса, меняют направление, оказывая на них давление, и вращают его.
Рис. 8.1. Принцип работы турбодетандера: а — активного; б — активно-реактивного; 1 — направляющий аппарат; 2 — рабочее колесо
Таким образом, кинетическая энергия потока преобразуется в работу. При этом давление газа гадает незначительно, достигая конечного р2, а температура понижается.
По такому принципу работали все прежние турбодетандеры. П. Л. Капица решил перейти на другой принцип и создал реактивный (вернее, активно-реактивный) турбодетандер. В нем «распределение обязанностей» между направляющим аппаратом и рабочим колесом стало совсем другим, близким к тому, которое существует в водяных турбинах. Направляющий аппарат здесь снабжен менее длинными каналами, и в нем срабатывается лишь часть интервала давления от p1 до р2; значение pm находится примерно посередине. Газ разгоняется до значительно меньшей скорости, чем звуковая; она достигает лишь значения, необходимого для плавного, безударного входа в каналы рабочего колеса. Лопатки его сделаны длинными, и газ, проходя в каналах между ними, срабатывает оставшуюся часть рm — р2 интервала давлений, расширяясь в них. Работа совершается уже не только в результате изменения направления потока газа, но и под действием реакции струи, вытекающей из межлопаточных каналов (отсюда и термин «реактивный»).
Вследствие того что скорость воздуха в активно-реактивном турбодетандере значительно ниже, гидравлические потери в нем намного меньше, чем в активном; эта разница имеет особенно существенное значение, потому что холодный сжатый воздух по плотности ближе к жидкой воде, чем к водяному пару. Именно это обстоятельство толкнуло Капицу обратить внимание на водяную турбину как конструктивный прототип турбодетандера. В конечном счете Капица сформулировал свое «кредо» так: «. правильно выбранный тип турбодетандера будет как бы компромиссом между водяной и паровой турбиной».
Работа над турбодетандером началась в 1936 г., а уже в 1938 г. в ИФП был создан небольшой опытный турбодетандер, у которого КПД составлял около 0,8! Затем, «не переводя дыхания», на базе этого турбодетандера была собрана опытная установка низкого давления воздуха, на которой получался жидкий воздух. Характерно, что все оборудование этой установки (за исключением компрессора) делалось из подручных материалов и изделий в мастерских ИФП. При этом была проявлена в высшей мере эффективная «солдатская находчивость». Так, например, механизм переключения регенераторов приводился в движение двумя электромагнитными транспортными тормозами завода «Динамо». Таким образом, впервые удалось ожижить воздух, не сжимая его предварительно до высокого давления.
Наряду с процессами ожижения Линде и Клода, о которых мы уже говорили, появился новый, получивший в дальнейшем название «процесс Капицы». Поскольку он в дальнейшем стал основой новых процессов получения газообразного кислорода, остановимся на нем несколько подробнее.
На рис. 8.2 показана схема воздухоожижительной установки Капицы (1939 г.). Нетрудно видеть, что отличия этой установки от установки Клода (см. рис. 5.13) связаны как с особенностями схемы, так и с оборудованием — одно обусловило другое. Низкое рабочее давление воздуха 0,6-0,7 МПа дало возможность использовать вместо основного теплообменника регенераторы и турбодетандер вместо поршневого детандера (поршневой компрессор был взят просто потому, что исследовалась модель с малой производительностью; в дальнейшем на более крупных установках устанавливался турбокомпрессор).
Рис. 8.2. Схема воздухоожижительной установки Капицы: 1 — турбокомпрессор для сжатия воздуха; 2 — регенераторы; 3 — турбодетандер; 4 — теплообменник-ожижитель; 5- дроссель; 6 — отделитель жидкого воздуха
В схеме Капицы воздух в детандер отводился из теплообменника на самом низком температурном уровне так, чтобы в конце расширения он начинал конденсироваться и имел ту же температуру, что и пар, возвращающийся из отделителя жидкости. В этом и состоит основное отличие от схемы Клода, где воздух на детандер отбирается в середине теплообменника и возвращается в обратный поток при более высокой температуре, далекой от конденсации.
Расчеты показывают, что чем более высоким выбрано давление сжатого исходного воздуха, тем выше нужно брать температуру воздуха на входе в детандер и тем меньшую долю его нужно расширять в нем. И напротив, чем ниже давление, тем большую долю воздуха нужно пустить в детандер и тем ниже будет оптимальная температура воздуха на входе в него. П. Л. Капица опустил детандер «вниз» до предела и тем самым смог понизить рабочее давление воздуха до 0,6-0,7 МПа, со всеми вытекающими из этого положительными последствиями. Раньше это было невозможно сделать, так как существующие детандеры не могли эффективно работать при столь низких температурах. Теперь же КПД турбодетандера, несмотря на его малые размеры, не только достиг заветного рубежа 0,8, но и перешел его, причем в наиболее сложных условиях — с окончанием процесса на границе ожижения. Успешный пуск и опытная эксплуатация экспериментальной установки показали, что путь к использованию низкого давления не только в технике ожижения воздуха, но и для его разделения открыт. Это, разумеется, не снимало необходимости решить целый ряд задач как по организации достаточной очистки воздуха и его ректификации, так и других, но в основе проблема была разрешена.
Публикация результатов этих работ в начале 1939 г. произвела подлинную сенсацию и поначалу вызвала некоторое замешательство среди специалистов-криогенщиков. Однако никакой явно выраженной реакции не последовало — как у нас, так и за границей еще изучали и «переваривали» сенсационную новость.
Несмотря на все трудности, работы по ожижению воздуха при использовании низкого давления, а потом и по его разделению для получения кислорода продолжались. Их расширение потребовало подключения промышленных предприятий для изготовления оборудования. П. Л. Капица описал [10] много живописных деталей борьбы с руководителями различных уровней, всеми силами отбивавшихся (Капица писал более живописно — «отбрыкивавшихся») от дел, которые отвлекали их от выполнения планов. Тем не менее, благодаря отчаянным усилиям, когда приходилось заниматься не только основным делом, но и снабжением, строительством, кадрами и др., дело продвигалось. Работы шли одновременно в двух направлениях — по получению как жидкого, так и газообразного кислорода.
В июле 1940 г. удалось «пробить» решение Экономсовета при СНК СССР, в котором ИФП официально поручалось техническое руководство проектированием и испытанием турбокислородных (ТК) установок на заводе-изготовителе. К началу 1941 г. в результате испытаний ряда экспериментальных установок был накоплен значительный опыт, позволявший приступить к проектированию и изготовлению первых промышленных образцов.
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
- Принцип работы турбодетандерных установок
- 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.
Турбодетандерные агрегаты
О турбодетандерах
Турбодетандер – расширительная машина лопаточного типа, в которой происходит расширение потока газа с совершением внешней механической работы. Расширение газа с отводом энергии приводит к понижению давления и температуры газа, а также выработке «холода».
Турбодетандеры – основные машины по производству «холода» в циклах современных низкотемпературных установок. Турбодетандер представляет собой низкотемпературную турбину, для которой главная задача – понижать давление газа с целью снижения температуры газа и отвода от него энергии вовне за счет совершения газом механической работы.
Рабочие параметры турбодетандеров ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ»
| Мощности, кВт | от 0,05 до 5000 |
| Расход газа, млрд. нм 3 /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. |
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.
Турбодетандеры и поршневые детандеры: особенности работы, области применения, изображения процессов, характеристики турбодетандеров.
О турбодетандерах
Турбодетандер – расширительная машина лопаточного типа, в которой происходит расширение потока газа с совершением внешней механической работы. Расширение газа с отводом энергии приводит к понижению давления и температуры газа, а также выработке «холода».
Турбодетандеры – основные машины по производству «холода» в циклах современных низкотемпературных установок. Турбодетандер представляет собой низкотемпературную турбину, для которой главная задача – понижать давление газа с целью снижения температуры газа и отвода от него энергии вовне за счет совершения газом механической работы.
Рабочие параметры турбодетандеров ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ»
| Мощности, кВт | от 0,05 до 5000 |
| Расход газа, млрд. нм3/год | от 0,002 до 5,0 |
| Температуры на выходе, К | от 273 до 4,5 |
| Степень расширения в одной ступени | от 1,2 до 30 |
| Адиабатный КПД | до 87% |
| Диаметры рабочих колес, мм | от 20 до 500 |
| Скорости вращения роторов, об/мин | от 10 000 до 300 000 |
| Рабочие среды турбодетандеров: | воздух, азот, кислород, гелий, водород, природный газ, попутный газ и др. |
Принцип работы турбодетандерных установок
Прохождения газа или сжиженных газовых смесей происходит через отверстия неподвижных направляющих каналов, исполняющих функции сопел. В этом месте потенциальная энергия газа частично преобразуется в кинетическую, благодаря которой приводятся в действие вращающиеся лопаточные каналы ротора. Резкое расширение газа приводит к падению давления, в результате чего ротором совершается механическая работа с одновременным интенсивным охлаждением газового потока. Одновременно с ротором вращается колесо компрессора, насаженное на него.
Турбодетандерные агрегаты (ТДА). История развития в НПО «ГЕЛИЙМАШ»
Школа развития турбодетандеростроения в НПО «ГЕЛИЙМАШ» имеет большую историю, начавшуюся еще во времена ВНИИКИМАШ. Первыми машинами для расширения газа в лопаточной турбине стали турбодетандеры, созданные под руководством нобелевского лауреата, академика П.Л. Капицы.
Первый турбодетандер, разработанный и изготовленный под руководством нобелевского лауреата в области физики, академика Петра Капицы.
Достижения наших специалистов были неоднократно отмечены специалистами ведущих мировых фирм и получили признание. В 1996 году в Брюсселе на Международной выставке Турбодетандеры ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ» отмечены золотой медалью.
1996 г., Брюссель, Международная выставка. Турбодетандеры Объединения отмечены Золотой медалью.
В процессе развития инженерами и конструкторами ГЕЛИЙМАШ были созданы следующие типы турбодетандеров:
- Воздушные турбодетандерные агрегаты низкого давления (НД) большой производительности для воздухоразделительных установок (ВРУ) на гидродинамических разъемных подшипниках и с тормозным электрогенератором;
- Турбодетандерные агрегаты среднего давления (СД) и высокого давления (ВД) большой производительности для воздухоразделительных установок (ВРУ)на гидродинамических подшипниках;
- Турбодетандерные агрегаты малой производительности на газо- и гидродинамических подшипниках;
- Турбодетандерные агрегаты для расширения гелия на комбинированных подшипниках;
- Турбодетандерные агрегаты для расширения водорода;
- Турбодетандерные агрегаты для расширения природного и попутного газа на гидродинамических подшипниках;
- Турбодетандерные агрегаты для расширения природного газа большой производительности на магнитных подшипниках.
Принцип действия и устройство турбодетандера
Принцип работы агрегата заключается в том, что подаваемый в турбодетандер Rotoflow технологический газ через специальный направляющее устройство попадает на лопаточную турбину агрегата и вращает ее. В результате этого процесса газ снижает свою температуру и вырабатывает механическую энергию вращения, которую используют для привода генератора или компрессора. Отработанный газ выпускается через выходной диффузор.
Турбодетандер относится к агрегатам непрерывного действия и не нуждается в электроэнергии. Конструктивно они бывают осевыми, центробежными или центростремительными. Турбодетандер состоит из полностью герметичного корпуса; лопаточного ротора; аппарата с регулируемыми соплами; направляющего устройства, оборудованного поворотными механизмами.
В зависимости от степени расширения технологического газа турбодетандеры подразделяются на активные и реактивные агрегаты. В зависимости от того, сколько ступеней имеется в агрегате, они подразделяются на одноступенчатые и многоступенчатые.
Направления применения турбодетандерных агрегатов
Турбодетандерные агрегаты используются в составе следующих видов установок:
- Воздухоразделительные установки (ВРУ)
- Ожижители азота, водорода и гелия
- Воздушные холодильные машины ВХМ
- Гелиевые рефрижераторы
- Ожижители природного газа (ПГ)
- Турбодетандеры-электрогенераторы на перепаде давлений сетевого газа
Использование турбодетандеров в промышленности
Применение турбодетандеров практикуется совместно с новыми установками или теми из них, которые были подвергнуты существенной модернизации. В обязательном порядке учитывается экономическая целесообразность и условия конкретного предприятия.
В промышленности широко используются турбодетандеры, принцип действия которых позволяет вырабатывать электрическую или механическую энергию, приводящих в движение вентиляторы или компрессоры. Но, несмотря на оптимальную энергетическую эффективность применения этих агрегатов, они должны соотноситься с общей предполагаемой потребностью и балансом пара на предприятии. При чрезмерном количестве или мощности устройств вполне возможно избыточное производство пара под низким давлением. Чаще всего этот пар просто стравливается в атмосферу, что значительно снижает энергетическую эффективность.
Основным условием должна стать доступность парового потока, необходимого для нормальной работы турбодетандера в течение точно установленного и довольно продолжительного отрезка времени. В случае нерегулярного или непредсказуемого поступления пара, его полезное применение существенно затрудняется, и турбина будет работать вхолостую. Наиболее эффективное использование турбодетандеров требует существенных перепадов давления и большого расхода газа. Поэтому агрегаты нашли широкое применение в черной металлургии, где работа плавильных печей сопровождается мощным потоком доменного газа.
Детандер (с французского détendre переводится как «ослаблять») является устройством, с помощью которого дополнительно снижают температуру газа. В современном исполнении детандер представляет собой газовую турбину, работающую на перепаде газового давления. В его рабочий комплект, помимо расширительной турбины, входят насосы, компрессоры и генераторы.
КОМПЛЕКТНОСТЬ и АВТОМАТИЗАЦИЯ
Установки ЭТДА поставляются в 100%-й заводской готовности.
Оборудование может быть смонтировано на единой платформе (раме) либо установлено раздельно, в соответствии с проектным решением.
В комплект ЭТДА входят следующие блоки (узлы):
ТИПОРАЗМЕРНЫЙ РЯД
вход: 4.0 – 10.0 МПа, выход: 0.2 – 1.6 МПа
вход: 0.2 – 1.6 МПа, выход: 0.05 – 0.2 МПа
| Модель | ЭТДА-1500 | ЭТДА-2500 | ЭТДА-4000 | ЭТДА-6000 | ЭТДА-8000 | ЭТДА-12000 |
| Расход газа, норм. м 3 /ч (*) | 70 000 | 100 000 | 140 000 | 180 000 | 230 000 | 320 000 |
| Снижение газа | ||||||
| 1 500 | 2 500 | 4 000 | 6 000 | 8 000 | 12 000 | |
| Частота вращения вала | 3 000 или 3 600 об/мин. (частота эл. тока 50 или 60 Гц) | |||||
| Напряжение | Стандартно 6.3 или 10.5 кВ | |||||
| Габариты агрегата | макс. 13 х 2.8 х 3.2 м (вагонный тренспортный габарит) | |||||
| Вес агрегата | 25-60т | |||||
* — дрпустимый диапазон расхода газа
50% от номинального значения.
СХЕМА ОБВЯЗКИ
Детандер-генераторные установки ЭТДА (1) размещаются параллельно существующим ГРС (ГРП) и перенимают весь или часть потока редуцируемого газа.
Для предварительной очистки газа используется блок газоподготовки (2), уже имеющийся на ГРС (ГРП). Отсекающие задвижки (3) обеспечивают возможность отключения ЭТДА и возврата потока газа на ГРС (ГРП).
Теплообменник (4) осуществляет подогрев газа перед подачей в детандер (при необходимости).
Может использоваться любой недорогой теплоноситель (дымовые газы котельной, горячая вода, пар и др.)
Регулирующие клапаны (5) и (6) задействуются для выравнивания нагрузки на ЭТДА, в случае значительных вариаций потока газа.
Вырабатываемая ЭТДА электроэнергия через распределительный шкаф (на схеме не показан) отправляется потребителям.
РЕСУРС
Простота и надежность конструкции установок ЭТДА обеспечивают им чрезвычайно высокий эксплуатационный ресурс. По итогам многолетней эксплуатации установлены следующие нормативные показатели:
Промышленный прототип ЭТДА, установка УТДУ-2500, находится в эксплуатации с 1991 г. (24 года) с общей наработкой свыше 80 000 моточасов без необходимости в капитальном ремонте.