Детандер

Причины разработки турбодетандеров, значимость

В начале XX века велись поиски способов повысить температуру в домнах, и тем самым упростить выплавку чугуна. Для этого предполагалось применять поддув в домну обогащённого кислородом воздуха. Кислород получают из жидкого воздуха посредством пофракционной перегонки. Соответственно возникла проблема получения жидкого воздуха в промышленных масштабах. Существовавший на то время способ охлаждения (дросселирование через тонкую трубку) был очень энергозатратным и недостаточно эффективным, что не позволяло применять кислород в металлургии. Попытки применять поршневые детандеры оканчивались неудачей, так как они быстро выходили из строя, забиваясь водяным льдом. Для применения поршневых детандеров воздух приходилось осушать, пропуская через специальные химические смеси, что опять же чрезмерно усложняло и удорожало процесс.

Разработка турбодетандера позволила применять кислород в доменных печах и конвертерах. Это не только упростило выплавку чугуна, но и упростило преобразование чугуна в железо (сталь). Получаемая сталь была более высокого качества, чем ранее, так как содержала меньше растворённого в ней азота. Применение чистого кислорода вместо воздуха также существенно повышает температуру в конвертере, что позволяет в нём переплавлять существенно большее количество металлолома.

В разработке детандеров ведущую роль в СССР с 1936 года играл академик Капица, в частности предложивший усовершенствованную конструкцию турбодетандера, позволившую поднять его КПД с 0,52—0,58 до 0,79—0,83, то есть в 3 раза снизить потери (по сравнению с лучшими до того в мире турбодетандерами немецкой фирмы Линде).

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.

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.

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.

Поршневые детандеры

Расширительные поршневые машины используются на рабочих интервалах давлений от 35 до 210 кг/см2 на входе и до 7-2 кг/см2 на выходе. Одноцилиндровые детандеры обычно имеют производительность до 30 м3/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.

Пригласить на тендер

Если у Вас идет тендер и нужны еще участники:

Выберите из списка инересующий вас вид работАудит промышленной безопасностиИдентификация и классификация ОПО, получение лицензии на эксплуатацию ОПОРазработка ПЛА, планов мероприятий, документации, связанной с готовностью предприятий к ГОЧС и пожарной безопасностиОбследование и экспертиза промышленной безопасности зданий и сооруженийРаботы на подъемных сооруженияхРаботы на объектах котлонадзора и энергетического оборудованияРаботы на объектах газового надзораРаботы на объектах химии и нефтехимииРаботы на объектах, связанных с транспортированием опасных веществРаботы на производствах по хранению и переработке растительного сырьяРаботы на металлургических литейных производствахРаботы на горнорудных производствахОценка соответствия лифтов, техническое освидетельствование лифтовРазработка обоснования безопасности опасного производственного объектаРазработка документации системы управления промышленной безопасностьюРазработка деклараций промышленной безопасностиРаботы на объектах Минобороны (ОПО воинских частей) и объектах ФСИН России (ОПО исправительных учреждений)ПроектированиеРемонтно-монтажные работыЭлектроремонтные и электроизмерительные работыРазработка и производство приборов безопасности для промышленных объектовРазработка и изготовление нестандартных металлоизделий и оборудованияНегосударственная экспертиза проектной документации (инженерных изысканий)Предаттестационная подготовка по правилам и нормам безопасностиПрофессиональное обучение (рабочие профессии)Обучение по охране труда, пожарной безопасности и электробезопасности, теплоэнергетикеСпециальная оценка условий труда (СОУТ) (до 2014г. аттестация рабочих мест)Аккредитация и аттестация в системе экспертизы промышленной безопасностиСертификация оборудования, декларирование соответствияЭнергоаудитРазработка схем теплоснабжения и водоснабженияДругие работыПовышение квалификации, профессиональная переподготовкаОсвидетельствование стеллажейСкопируйте в это поле ссылку на Ваш тендер, для этого перейдите в браузер, откройте Вашу площадку, выделите и скопируйте строку адреса, затем вставьте в это поле. Если не получится напишите просто номер тендера и название площадки.персональных данных

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.

Турбокомпрессор устройство и принцип действия

Генератор постоянного тока: устройство и принцип действия

Силовые трансформаторы устройство и принцип действия

Безлопастной вентилятор: принцип действия

Герконовое реле: принцип действия

Принцип действия синхронного двигателя

Использование — турбодетандер

Использование турбодетандеров предполагается как в начальной, так и в завершающей стадии разработки месторождений. Поэтому в расчетах при определении потребного количества теплоты следует охватывать весь рабочий диапазон давлений. В этой же таблице показано влагосодержание газа при выбранных давлениях и температурах.
 

Использование турбодетандеров в установках низкотемпературной сепарации газа было предложено работниками института ВНИИГаз А. И. Арутюновым и В. И. Ивановым в 1962 г. ВНИИГаз, ЮжНИИГипрогаз совместно с МВТУ им.
 

Использование турбодетандеров требует особого внимания к проблемам герметичности, вибрации ( высокие скорости), регулированию, и обслуживание должно осуществляться работниками высшей квалификации.
 

Идея использования турбодетандера для сжижения воздуха была выдвинута в 1898 г. Редеем и Группой. Практически трубоде-тандеры начали применяться в 30 — х гг. в установках Линде-Френкль.
 

При использовании турбодетандеров в схемах установок НТС давление в конечной ступени сепарации следует поддерживать на уровне 5 5 — 6 5 МПа, с тем чтобы увеличить выход пропана, бута-нов и более тяжелых углеводородов. Дальнейшее дожатие газа с помощью компрессора турбодетандерного агрегата позволяет подавать газ в магистральный газопровод при давлении, соответствующем давлению на его головном участке.
 

При использовании двухступенчатого турбодетандера газ с верха де-метанизатора проходит холодильник-конденсатор Т-3 и поступает в емкость орошения Е-1, откуда жидкая фаза насосом подается на орошение колонны. Газ поступает на II ступень турбодетандера, где его давление снижается с 2 8 до 2 МПа, а температура — с минус 77 до минус 95 6 С. Полученный холод используется для охлаждения газа перед емкостью орошения для повышения степени конденсации тяжелых углеводородов. Количество деметанизированного продукта при одно — и двухступенчатом детандировании составляет 2304 и 2347 м3 / сут.
 

Способов повышения среднегодовой эффективности использования турбодетандера в кислородных установках может быть несколько. В этом случае в ущерб взаимозаменяемости машин можно заметно поднять среднегодовую эффективность турбодетандера.
 

Для существенного повышения эффективности использования турбодетандеров установок разделения воздуха необходимо тур боде-тандеры снабжать специальными приспособлениями для регулирования расхода газа.
 

Схема охлаждения верха метановой колонны с использованием турбодетандера приведена на рис. 1.10. Метано-водородная фракция после конденсаторов 2 и 3 поступает в газосепаратор 4, в котором сжиженный метан отделяется от газообразной метано-водо-родной фракции. Газ из сепаратора 4 расширяется в детандере 5, где его давление снижается до 0 4 МПа. Работа, отдаваемая в детандере, может быть использована для привода компрессоров.
 

Посмотрим, как это отражается на эффективности использования турбодетандера. Для проведения количественной оценки введем в рассмотрение коэффициент использования располагаемого теплоперепада, определяемый отношением изоэнтропийного теплоперепада в турбодетандере h к располагаемому изоэнтро-пийному теплоперепаду / г / ( фиг.
 

Установка работает по схеме низкого давления с использованием турбодетандеров на потоке чистого азота для восполнения холодопотерь.
 

Выше отмечалось, что для последних лет характерна тенденция использования турбодетандеров для расширения очень малых расходов воздуха при больших теплоперепадах. Соответственно этой тенденции во многих странах ведется разработка высокооборотных турбодетандеров на опорах с масляной и газовой смазкой. Многими фирмами построены воздушные турбодетандеры, надежно работающие с числом оборотов до 200 000 в минуту. Самые миниатюрные турбодетандеры работают на гелии с числом оборотов 720 000 в минуту. Это турбодетандеры радиально-осевого типа, направляющий аппарат — радиальный, рабочее колесо — осевого типа, диаметр кЬлеса — 5 мм.
 

Рассмотрим вопрос о том, что следует понимать под эффективностью использования турбодетандера в установке в процессе эксплуатации.
 

Пуск — турбодетандер

Пуск турбодетандера должен начинаться с включения мотор-генератора.
 

Пуск турбодетандера производят следующим образом. Сначала включают рубильник на электрощите, подводящем ток к центробежному выключателю и через него к генератору. Если турбо-детандер соединен муфтой непосредственно с турбокомпрессором, то сначала пускают турбокомпрессор, а затем открывают вентиль подачи воздуха в турбодегандер.
 

Пуск турбодетандера начинается с включения тормозного мотор-генератора.
 

Все обнаруженные неисправности устраняют до пуска турбодетандера. Пуск, испытания и наладку турбодетандера проводят так же, как турбокомпрессора.
 

В отношении деформации опасным является лишь период охлаждения при пуске теплового турбодетандера, поскольку при быстром охлаждении деформации могут быть неравномерными. Однако, постепенное охлаждение турбодетандера в течение относительно малого времени является вполне надежной гарантией.
 

Исправное действие систем сигнализации, блокировок и противо-аварийной защиты необходимо проверять перед каждым пуском турбодетандера в работу. Результаты проверок следует фиксировать в вахтенном журнале и в агрегатной книге за подписью руководителя работ.
 

Турбодетандерный агрегат, предназначенный для охлаждения сжатого гелия, включает в себя дпа турбодетандера, агрегат смазки, щит контроля и пуска турбодетандеров.
 

После того как давление в нижней колонне достигнет 2 5 — 3 0 ати, пускают турбодетандер. Пуск турбодетандера осуществляется следующим образом. Прокачивают масло ручным масляным насосом. Не прекращая подкачки вручную, включают двигатель турбодетандера и, убедившись, что давление масла возрастает, быстро закрывают вентиль, отсекающий маслопровод от ручного насоса. Необходимо следить за тем, чтобы давление масла до фильтра не превышало 3 5 ати, а после холодильника — не снижалось менее 0 8 ати. Нормальным следует считать давление масла до фильтра 2 5 — 3 ати, а после холодильника-1 5 — 1 7 ати. Излишне большой перепад давлений свидетельствует о сильной засоренности фильтра.
 

После остановки машины необходимо продуть турбодетандер и коммуникации перед ним. Пуск турбодетандера разрешается только после устранения причин, вызвавших остановку.
 

Перед пуском турбодетандера убеждаются в устранении неисправностей, обнаруженных в предыдущий период его работы. Внешним осмотром устанавливают наличие и исправность контрольно-измерительных приборов и предохранительных устройств.
 

Турбодетандерный агрегат

Турбодетандерные агрегаты снабжаются устройством для защиты от разгона в случае внезапного исчезновения напряжения в любой из фаз сети, при перегрузке и коротком замыкании. Защита осуществляется прекращением подачи воздуха в турбину с помощью быстродействующего запорного клапана, работающего с воздушным сервомотором.
 

Турбодетандерный агрегат для кислородной установки КТ-3600 ( рис. 61) предназначен для расширения азота. Сжатый и охлажденный азот расширяется в направляющем аппарате 2 и с большой скоростью входит на лопатки 3 рабочего колеса, отдает твою кинетическую энергию и выходит с более низкой температурой.
 

Турбодетандерный агрегат включает собственно турбодетандер в кожухе с теплоизоляцией; подшипники, вынесенные в область нормальной температуры; машину, являющуюся потребителем механической энергии, или тормоз; масляный фильтр-холодильник; пусковой и рабочий шестеренчатые масляные насосы.
 

Турбодетандерные агрегаты предназначены для получения холода в установках НТС, основаны на принципе политропического расширения газа с совершением внешней работы. Внешняя работа, вырабатываемая турбодетандером, может быть использована для вращения вала компрессора, в котором газ дожимается до давления в газопроводе. В турбодетандере в зависимости от степени расширения газа может быть получена высокая холодопроизводительность агрегата, обеспечивающая поддержание низкотемпературного режима сепарации газа на установке НТС на завершающих стадиях эксплуатации месторождений.
 

Турбодетандерный агрегат с маслосистемой установлен в — отапливаемом помещении, оборудованном вытяжной вентиляцией, включающейся автоматически при повышении уровня загазованности машинного зала сверх нормы.
 

Турбодетандерный агрегат предназначен для осуществления процесса расширения газа с получением холода, который используется в установках НТС для достижения необходимой точки росы по влаге и углеводородам.
 

Турбодетандерные агрегаты широко используются также в схемах промысловых установок комплексной подготовки газа ( УКПГ) вместо дроссельного устройства.
 

Турбодетандерный агрегат состоит из двух основных элементов: детандера, представляющего собой турбину, работающую за счет расширения газа, и компрессора, расположенного на одном валу с детандером, работающего за счет энергии детандера. Совмещение турбодетандера и компрессора в один агрегат позволяет ликвидировать уплотнение вала; так как состав газа в детандере и компрессоре одинаковый, отпадает необходимость установки редуктора и муфты сцепления.
 

Турбодетандерные агрегаты ( ТДА) предназначены для получения холода на установках низкотемпературной сепарации природного газа за счет снижения давления газа с совершением внешней работы ( процесс политропического расширения газа), которая используется для привода вала компрессора, предназначенного для повышения давления, равного давлению в газопроводе. Турбодетандер входит в состав блочно-комплексной турбохолодильной установки ТХУ, содержащей также блок теплообменников и блок сепарации.
 

Турбодетандерный агрегат устанавливают на фундамент по уровню с помощью установочных винтов и опорных плит. Уровень помещают на обработанные площадки.
 

Турбодетандерный агрегат, предназначенный для охлаждения сжатого гелия, включает в себя дпа турбодетандера, агрегат смазки, щит контроля и пуска турбодетандеров.
 

Турбодетандерные агрегаты снабжаются устройством для защиты от разгона в случае внезапного исчезновения напряжения в любой из фаз сети, при перегрузке и коротком замыкании. Защита осуществляется прекращением подачи воздуха в турбину с помощью быстродействующего запорного клапана, работающего с воздушным сервомотором.
 

Турбодетандерная установка НПК

Целью разработки, которую ООО НПК «НТЛ» проводит с 2006 года, является решение задачи обеспечения собственной электрической энергией объектов газоснабжения. Анализ показал, что наиболее проблемными объектами являются небольшие ГРС, удаленные от развитой энергоинфраструктуры.

Энергопотребление таких объектов редко превышает 5 кВт. Отсюда сформировалась максимальная мощность разрабатываемого типоряда турбодетандерных установок. Удаленность объектов одновременно накладывает требования к технической составляющей.

Установка должна быть проста и доступна в эксплуатации, ремонтопригодна или, как минимум, должна легко подлежать замене. Установка, наряду с использованием на вновь проектируемых объектах, должна предполагать возможность модернизации существующих ГРС, а это сотни станций.

Соответственно, для широкого внедрения требуется минимизация стоимости. Таким образом, в основу работы легли три основных принципа:

1. Максимальное использование имеющихся серийных узлов и агрегатов;
2. Простота конструкции и удобство эксплуатации;
3. Сведение к минимуму капитальных затрат на интегрирование установки в состав существующих или вновь разрабатываемых ГРС.

УСТРОЙСТВО ТУРБОДЕТАНДЕРНОЙ УСТАНОВКИ

Турбодетандерная установка (турбогенератор) состоит из двух основных блоков: турбодетандерного агрегата (ТДА) и системы автоматического управления (САУ).  ТДА представляет собой силовой корпус, на котором смонтированы: фильтр защитный, кран отсечной, регулятор оборотов.

Внутри корпуса находится генератор с детандерным двигателем. ТДА рассчитан на давление до 10МПа (100кгс/см2).  Электрическая часть, состоит из статора и ротора. Непосредственно на вал ротора генератора устанавливается турбина.

Так же в корпусе установлен сопловой аппарат, в котором происходит расширение газа, при этом потенциальная энергия сжатого газа преобразуется в кинетическую, поэтому его давление и температура уменьшаются, а скорость потока увеличивается.

Снаружи корпуса имеются фланцы для подвода и отвода газа и кабельное вводное отделение. Конструкция турбогенератора не имеет внешних подвижных уплотнений.

САУ осуществляет контроль и управление турбодетандерной установкой. Благодаря высокой степени автоматизации и надежной системе управления, установка работает в автоматическом режиме, не требуя постоянного присутствия персонала.

В системе управления реализованы сложные алгоритмы, которые поддерживают устойчивую работу установки. В частности, предусмотрена возможность автоматического запуска при падении напряжения в сети (при использовании ТДУ в качестве резервного источника электроэнергии).

САУ управляет режимами автоматического пуска, остановки, контролирует параметры работы,  скорости вращения, электрическую нагрузку. Система управления обеспечивает работу ТДУ в автономном режиме.

В случае возникновения нештатной ситуации САУ автоматически остановит ТДА и запомнит причину аварийного отключения.

В состав САУ входит:

– микроконтроллерный блок управления; – блок полупроводниковый выпрямительный с интегральным регулятором напряжения; – необслуживаемая аккумуляторная батарея; – инвертор, преобразующий 56В постоянного тока в 220В переменного тока.

Турбодетандерная установка (турбогенератор) не требует дополнительного подогрева газа, что значительно снижает затраты на ее монтаж и эксплуатацию. Так же в состав установки входит электроконтактный манометр или датчик давления, в задачу которого входит контроль за уровнем давления в отводящей магистрали.

Компоновка установки на объекте выполняется следующим образом. Турбогенератор устанавливается в технологическом отсеке параллельно одному из регуляторов давления. Для случая, когда в составе ГРС турбогенераторы будут использоваться и как базовый источник электроснабжения, и как резервный, второй турбогенератор можно будет устанавливать параллельно первому.

Из за незначительного размера, турбогенераторы хорошо компонуются в технологических отсеках, не создавая помех в обслуживании оборудования. Электроконтактный манометр устанавливается в непосредственной близости от турбогенератора на подводящем и отводящем газопроводах.

Автоматическая система управления выполнена в виде напольного шкафа и устанавливается в операторной.