Турбодетандерный агрегат с магнитными подшипниками

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.

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.

Компании, которые занимаются возобновляемыми источниками энергии

Рост инвестиций в возобновляемую энергетику и поддержка правительства помогает многим компаниям успешно вести бизнес.

First Solar Inc.

Эта американская компания была образована в 1990 году и стала известной благодаря производству солнечных батарей. Сейчас это крупнейшая фирма, которая продаёт солнечные модули, поставляет оборудование и отвечает за технический сервис.

Vestas Wind Systems A/S

Старейший производитель ветрогенераторов из Дании. Компания основана в 1898 году и на сегодняшний день ей удалось установить более 60 тысяч ветровых турбин в 63 странах. Vestas продаёт отдельные генераторы, комплексные станции и обслуживает устройства.

Atlantica Yield PLC

Эта компания с офисом в Лондоне владеет классическими линиями электропередач, солнечными и ветровыми станциями в Северной Америке, Испании, Алжире, Южной Америке и Южной Африке.

ABB Ltd. Asea Brown Boveri

Шведско-швейцарская компания, известная автомобильными двигателями, генераторами и робототехникой. С 1999 года бренд занимается преобразованием солнечной и ветровой энергии. В 2013 году компания стала мировым лидером в области оборудования фотоэлектрической энергии.

Читайте: Персональный мир и полная автоматизация. Что такое четвёртая промышленная революция?

Типы

Турбодетандеры можно классифицировать по нагружающему устройству или подшипникам.

В турбодетандерах используются три основных загрузочных устройства: центробежные компрессоры, электрические генераторы или гидравлические тормоза. В центробежных компрессорах и электрических генераторах мощность на валу турбодетандера компенсируется либо для повторного сжатия технологического газа, либо для выработки электроэнергии, что снижает счета за коммунальные услуги.

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

Используемые подшипники представляют собой масляные подшипники или магнитные подшипники.

Также стоит отметить новый Квазитурбина технологии , которая представляет собой тип роторной турбины прямого вытеснения.

Биотопливо

Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.

Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.

Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).

Третье поколение – биотопливо из водорослей.

Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.

Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.

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.

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.

Рекомендации

1. Хайнц Блох и Клэр Соарес (2001). Турбодетандеры и технологические приложения. Gulf Professional Publishing. ISBN  0-88415-509-9.
2. ^ Фрэнк Г. Керри (2007). Справочник по промышленному газу: разделение и очистка газов. CRC Press. ISBN  0-8493-9005-2.
3. Томас Флинн (2004). Криогенная инженерия (Второе изд.). CRC Press. ISBN  0-8247-5367-4.
4. Газовые процессы 2002, Hydrocarbon Processing, страницы 83–84, май 2002 г. (блок-схемы и описания процессов добычи NGL-Pro и NGL).
5. Схема технологического процесса NW Hutton 1987
6. ^
7. Алекс К. Хоффнаб и Льюис Э. Стейн (2002). Газовые циклоны и вихревые трубы: принципы, конструкция и работа (1-е изд.). Springer. ISBN  3-540-43326-0.
8. ^ Реза Садегбейги (2000). Справочник по каталитическому крекингу (2-е изд.). Издательство Gulf Publishing. ISBN  0-88415-289-8.
9. ^ Эббе Альмквист (2002). История промышленных газов (Первое изд.). Springer. п. 165. ISBN  0-306-47277-5.

Архивы

Выберите месяц Сентябрь 2018 Август 2018 Июль 2018 Июнь 2018 Май 2018 Апрель 2018 Март 2018 Декабрь 2017 Сентябрь 2017 Август 2017 Июль 2017 Май 2017 Апрель 2017 Февраль 2017 Январь 2017 Декабрь 2016 Ноябрь 2016 Октябрь 2016 Сентябрь 2016 Август 2016 Июль 2016 Июнь 2016 Май 2016 Апрель 2016 Март 2016 Февраль 2016 Январь 2016 Декабрь 2015 Ноябрь 2015 Октябрь 2015 Сентябрь 2015 Август 2015 Июль 2015 Июнь 2015 Май 2015 Апрель 2015 Март 2015 Февраль 2015 Январь 2015 Декабрь 2014 Ноябрь 2014 Октябрь 2014 Сентябрь 2014 Август 2014 Июль 2014 Июнь 2014 Май 2014 Апрель 2014 Март 2014 Февраль 2014 Декабрь 2013 Октябрь 2013 Август 2013 Июнь 2013 Май 2013 Февраль 2013 Январь 2013 Октябрь 2012 Апрель 2012 Сентябрь 2011 Январь 2011 Ноябрь 2010

Турбодетандеры

1. Корпус турбодетандера
Проектируется и изготавливается по стандарта ASME.
Гидравлические испытания проводятся под давлением, в 1,5 раза превышающем максимально допустимое рабочее давление.

2. Рабочее колесо турбодетандера
Открытое / закрытое рабочее колесо.
Высокая производительность: до 94%.
Измельчение посторонних твердых частиц.
Термическая обработка для максимальной прочности и долговечности.
Материальное исполнение: алюминиевый сплав, нержавеющая сталь.

3. Входные направляющие лопатки
Аэродинамическая эффективная конструкция.
Эрозионно-устойчивый материал.
Широкий эксплуатационный диапазон.

4. Вал
Специально сконструированные приспособления для обеспечения крутящего момента трансмиссии

5. Лабиринтное уплотнение
Безопасная и надежная система.

6. Подшипники
Комбинация радиально упорного подшипника с самоустанавливающимися сегментами и осевого упорно конического подшипника.
Высокая устойчивость и надежность.

7. Корпус компрессора
Проектируется и изготавливается по спецификациям стандарта ASME.
Гидравлические испытания проводятся под давлением, в 1.5 раза превышающем максимально допустимое рабочее давление.

8. Рабочее колесо компрессора
Открытое рабочее колесо 3D.
Высокая производительность.
Измельчение твердых посторонних частиц.
Термическая обработка для максимальной прочности и долговечности.
Материал: алюминиевый сплав, нержавеющая сталь или титан.

Входные регулируемые лопатки турбодетандера спроектированы таким обзом, чтобы обеспечить нулевые перепускные потери (без потерь для производительности), контроль движения и высокую производительность для широкого эксплуатационного диапазона.

Проектированию рабочих колес: широкое использование моделирующих компьютерных программ для оптимизации формы насадок, что позволяет осуществить оптимальное проектирование лопаток и ограничение размеров привода.

Предварительно подготовленные материалы, специальная обработка рабочих поверхностей обеспечивают плавную эксплуатацию при всех рабочих условиях.

Усовершенствованные рабочие колеса для турбодетандеров

Рабочие колеса турбодетандеров изготавливаются под конкретные задачи заказчиков, чтобы обеспечить наилучшие рабочие параметры и максимальную производительность. Они изготавливаются из кованых цельных заготовок.

Рабочие колеса турбодетандеров изготавливаются из алюминиевых сплавов, титана или нержавеющей стали, чтобы свести к минимуму производственные потери из-за зазора бандажа лопаток с открытыми рабочими колесами. Все рабочие колеса турбодетандеров и компрессоров спроектированы так, чтобы обеспечить максимальную производительность.

Рабочие параметры турбодетандеров:

Мощность: от 100 до 60 МВт;
Производительность: до 80 млн.м³/сут;
Давление на входе: до 150 атм;
Температура на входе: от -196°С;
КПД детандера: до 93%

Существующие типы турбодетандеров:

Детандер-компрессор
Широкое применение в промышленности. После сепарации тяжелых углеводородов в сепарационном барабане, газ сжимается в центробежном компрессоре. Агрегат имеет единый вал с одним колесом детандера и одним компрессорным колесом. Этот тип турбодетандера применяют в технологических циклах для понижения температуры газа и для повышения давления технологического газа вследствие работы ступени компрессора.

Детандер-генератор
Используется для выработки электроэнергии (с получением холода) в технологических установках и на газораспределительных станциях при утилизации (регенерации) энергии сжатого газа.

Детандер с гидротормозом
Используется там, где необходима небольшая холодопроизводительность (до 100 кВт), а утилизация мощности, вырабатываемой детандером, экономически не целесообразна.

Область применения:

Турбодетандеры с успехом применяются в области переработки природного газа и нефтехимии, в энергетике.

При работе с природным газом можно также выделить следующие применения турбодетандеров: контроль точки росы, регенерация этана, охлаждение и сжижение газов и проекты с большим расходом жидкости на выходе из детандера.

Основные направления применения турбодетандеров:

• Рынок промышленного газа
• Танкеры для перевозки сжиженных природных газов
• Морские платформы
• Газоперерабатывающие заводы
• Заводы по производству сжиженного природного газа
• Заводы по производству олефинов
• Выработка электроэнергии для станций снижения давления и газогенераторных станций

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.

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.