Криогенные насосы кислородно-компрессорного цеха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Применение криогенных насосов

2. Регулируемый электропривод насосов. Основные способы регулирования

3 Общие тенденции применения частотных преобразователей

4. Преобразователь для управления насосами и вентиляторами. PowerFlex 400

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Технология разделения воздуха с использованием криогенных температур на различные газовые компоненты известна уже довольно давно. Базовый принцип функционирования современных криогенных установок заключается в сжижении воздуха и его последующем разделении на аргон, азот и кислород. Данный вид получения жидких газов называется разделением воздуха с помощью метода глубокого охлаждения.

Вначале воздух сжимается специальным компрессором, а затем после прохождения теплообменников расширяется в дроссельном вентиле или машине-детандере.

Таким образом, происходит его охлаждение и превращение в жидкость. Последующее разделение жидкого воздуха, состоящего преимущественно из жидкого кислорода и жидкого азота, основано на различных показателях их температуры кипения. При испарении жидкого воздуха выпаривается азот, а остальная жидкость обогащается кислородом. В результате получают жидкие азот, кислород, азот и аргон необходимой чистоты.

Стоит отметить, что работа с криогенными жидкостями требует особого внимания к материалам, которые используются при их производстве, транспортировке и хранении - в условиях сверхнизких температур у многих материалов значительно изменяются физико-механические свойства.

Для различных конструкционных материалов в процессе понижения температуры повышаются предел текучести, сопротивление и предел усталости. В то же время, понижается ударная вязкость и показатели пластичности. У многих, прежде всего, металлических материалов появляется склонность к хрупкому разрушению, так называемому явлению хладноломкости.

Криогенные жидкости транспортируются и хранятся в специальных сосудах с очень качественной экранно-вакуумной и порошково-вакуумной теплоизоляцией. О том, для какой именно криогенной жидкости предназначен сосуд можно узнать по надписи на нем и окраске сосуда. При необходимости применения одной емкости для хранения другой, не профильной, криогенной жидкости необходимо проведение специальных мероприятий. К примеру, при переходе с азота на кислород проводится обезжиривание всех внутренних полостей и испарителя.

Мощность промышленных насосов лежит в пределах от единиц киловатт до нескольких десятков мегаватт. По назначению различают следующие группы насосов: коммунального и промышленного водоснабжения; погружные для подачи воды или нефти из скважин; циркуляционные; питательные; водоотлива; для транспорта нефти, пульпы и др.

Насосы, как правило, работают на сеть с противодавлением, причем статический напор в сети составляет обычно не менее 20 % полного напора. Исключением являются циркуляционные насосы, которые могут работать на сеть трубопроводов, практически не имеющую статического напора.

Обычно насосы оснащаются нерегулируемым электроприводом. Регулирование подачи осуществляется при этом практически единственным способом -- дросселированием на стороне нагнетания.

Регулирование подачи насосов применяют в следующих случаях:

? при необходимости регулирования количества жидкости, подаваемой насосом, по требованиям технологического процесса или в связи со случайным изменением потребности в жидкости. Например, подачу жидкости циркуляционным насосом системы охлаждения нужно регулировать в зависимости от количества теплоты, подлежащей отводу; подача воды насосом должна изменяться соответственно режиму водопотребления;

? если не требуется во время работы регулирование подачи жидкости насосом, но обеспечение требуемой подачи связано с первоначальной подрегулировкой насоса. Характерным примером являются станции горячего и холодного водоснабжения и системы отопления зданий. Механизмы этих станций, выбранные исходя из максимальной производительности, значительную часть времени работают с меньшей производительностью, что определяется изменением потребности в разные периоды времени. По некоторым данным среднесуточная загрузка насосов холодного водоснабжения составляет 50... 55 % максимальной. Существующие системы водоснабжения с нерегулируемым электроприводом не обеспечивают заметного снижения потребляемой мощности при уменьшении расхода воды, а также обусловливают при этом существенный рост давления (напора) в системе, что приводит к утечкам воды и неблагоприятно сказывается на работе технологического оборудования и сетей водоснабжения.

1. Применение криогенных насосов

В холодильной и криогенной технике применяют насосы для перекачивания различных жидкостей:

- насосы в общепромышленном исполнении для перекачивания воды в системах оборотного водоснабжения градирен, охладительных прудов, систем охлаждения компрессоров и конденсаторов,

- насосы в общепромышленном исполнении для перекачивания смазочных масел в системах смазки компрессоров,

- насосы для перекачивания агрессивных жидкостей, например, водных растворов солей NaCl и Ca2Cl3, этиленгликоля, используемых в качестве промежуточных теплоносителей при отрицательных температурах,

- насосы для перекачивания сжиженных газов ( аммиака, пропана, бутана, метана, природного сжиженного газа),

- насосы для перекачивания криогенных жидкостей.

Внешний вид криогенного насоса.

Криогенными насосами называют насосы для перекачивания жидкости с температурой ниже 120 К (- 1530С). К таким жидкостям относятся следующие сжиженные газы: гелий (4К), водород(20К), неон(27К), азот(77К), аргон(87К), кислород(90К), метан (112К) и др.

На рис. представлен разрез вертикального моноблочного центробежного насоса типа НкпМ (насос криогенного продукта модульный) с корпусом под засыпную изоляцию.

Рис.1 ? разрез вертикального моноблочного центробежного насоса типа НкпМ (насос криогенного продукта модульный) с корпусом под засыпную изоляцию.

1-электродвигатель, 2- фонарь,

3- кольцо проставочное, 4- шпонка,

5-шайба проставочная, 6- вал-удлинитель, 7-штуцер, 8-крышка,

9-штифт, 10-шпонка, 11-кольцо уплотнительное, 12-кольцо уплотнительное, 13-патрубок,

14-кольцо разжимное, 15-шнек,

16-фланец накидной, 17-гайка,

18-заглушка, 19-втулка, 20-колесо рабочее, 21-пружина, 22-корпус,

23-фланец накидной, 24-заглушка,

25-аппарат направляющий,

26-кольцо опорное

Основные проблемы конструирования криогенных насосов:

- применяемые материалы должны сохранять свои прочностные и пластичные свойства при низких температурах в допустимых пределах,

- применяемые материалы должны противостоять агрессивным перекачиваемым жидкостям,

- опоры и уплотнения должны быть несмазываемыми, узлами сухого трения (графитовые, фторопластовые, композиционные материалы),

- насосные агрегаты должны быть выполнены в пожаро- и взрывобезопасном исполнении,

- насосные агрегаты должны быть теплоизолированы от окружающей среды,

- насосные агрегаты должны быть абсолютно герметичными,

- необходимо исключить опасность возникновения кавитации.

Рис. - 2 Возникновение кавитации в насосе.

Опасность возникновения кавитации в криогенных насосах особенно велика при перекачивании криогенных жидкостей из резервуаров (сосудов Дьюара), так как давление над свободной поверхностью равно давлению насыщенного пара, и необходимый кавитационный запас может быть обеспечен только за счёт глубины погружения насоса в криогенную жидкость.

Из конструктивных, препятствующих появлению кавитации в криогенных насосах, мероприятий можно назвать увеличение диаметра подвода, уменьшение числа лопаток, установку шнека перед рабочим колесом. Для перекачивания криогенных жидкостей применяют не только центробежные, но и поршневые криогенные насосы.

Решение проблемы кавитации в криогенных насосах осложняется ещё тремя обстоятельствами:

- перекачиваемая криогенная жидкость может содержать другие криогенные жидкости с иными давлениями насыщенных паров; это очень распространённая ситуация, так как многие криогенные жидкости (азот, кислород, аргон, ксенон, криптон, неон) получают разделением жидкого воздуха, и добиться полного разделения смесей на идеально чистые компоненты не удаётся;

- приток тепла из окружающей среды к всасывающему трубопроводу и к корпусу насоса способен вызвать вскипание криогенной жидкости и/или повышение её температуры, и кавитационный запас по этой причине снижается;

- нестационарность процесса перекачивания криогенной жидкости может служить ещё одной причиной кавитации; нестационарные режимы работы криогенных насосов обусловлены различными обстоятельствами: заполнением тёплых емкостей, изменением уровней перекачиваемой жидкости в приёмном и напорном баках и другими причинами.

2. Регулируемый электропривод насосов. Основные способы регулирования.

Автоматизированная система, позволяющая насосу работать с переменной угловой скоростью. Регулируемый электропривод насосов состоит из электродвигателя, устройства, изменяющего угловую скорость электродвигателя, и аппаратуры управления. Иногда в состав регулируемого электропривода насосов входят ременная или зубчатая передача, гидравлическая или электрическая муфта скольжения и т.п. При этом регулирование угловой скорости насоса может осуществляться при постоянной угловой скорости электродвигателя за счет изменения передаточного отношения трансмиссии. В таких случаях регулируемый электропривод насосов дополняется устройством, изменяющим передаточное отношение трансмиссии.

Механические характеристики регулируемого электропривода в отличие от хаактеристик нерегулируемого "мягкие", т.е. изменяют свое положение и форму в процессе регулирования угловой скорости. Если при этом вращающий момент электропривода становится больше момента сопротивления насоса, то насосный агрегат начинает работать с ускорением до тех пор, пока эти моменты не уравновесятся и не наступит установившийся режим работы агрегата. Если в процессе регулирования вращающий момент электродвигателя станет меньше момента сопротивления насоса, то агрегат начнет работать с замедлением впредь до наступления установившегося режима работы.

Регулируемые электроприводы насосов подразделяют на две основные группы: постоянного и переменного тока. В насосных установках преимущественное распространение получили электродвигатели переменного тока. Регулируемые электроприводы насосов переменного тока бывают трех основных групп: частотные, с дополнительным сопротивлением в роторной цепи и с приводом на базе асинхронно-вентильного каскада.

Частотный регулируемый электропривод насосов состоит из асинхронного короткозамкнутого электродвигателя и тиристорного преобразоватетеля, в котором постоянная частота тока, питающего электрические сети, преобразуется в переменный. Пропорционально переменной частоте регулируется угловая скорость электродвигателя и сочлененного с ним насоса. Частотным регулируемым электроприводом насосов оснащают преимущественно низковольтные (380--660 В) насосные агрегаты мощностью до 400--1600 кВт. Частотные преобразователи подразделяют на два вида -- со звеном постоянного тока и с непосредственной связью без звена постоянного тока. Чаще используют первые. Частотные преобразователи выполняют на базе автономных инверторов тока и напряжения, а также автономных инвенторов напряжения с широтно-импульсной модуляцией, которые отличаются высокими энергетическими характеристиками.

Регулируемый электропривод насосов с дополнительным сопротивлением в роторной цепи состоит из асинхронного электродвигателя с фазным ротором и реостата. Плавное регулирование угловой скорости электродвигателя обеспечивается при использовании жидкостных реостатов. Наряду с ними применяют блоки резисторов, изготовленных из металлических сплавов, обладающих высоким удельным электрическим сопротивлением (константан, нейзильбер и т.п.). Блоки резисторов включают в роторную цепь с помощью контакторов, обеспечивая при этом ступенчатое регулирование угловой скорости электродвигателя и сочлененного с ним насоса. Введение в роторную цепь дополнительного сопротивления влечет за собой потери энергии скольжения, которые выделяются в виде тепла в реостатах. Мощность потерь скольжения пропорциональна потребляемой насосом мощности. Для более экономичного регулирования угловой скорости в роторную цепь электродвигателя вводят встречную эдс. Привод по схеме асинхронно-вентильного каскада, в котором осуществляется этот принцип регулирования, состоит из электродвигателя с фазным ротором, преобразователя и вспомогательных устройств; пусковых резисторов, станции управления, согласующего трансформатора, сглаживающего дросселя. Преобразователь асинхронно-вентильного каскада служит для введения встречной эдс и рекуперации энергии скольжения обратно в питающую сеть. Он состоит из неуправляемого вентиля и управляемого инвертора.

Специфика использования насосов в системах водоснабжения и водоотведения не требует регулирования угловой скорости в полном диапазоне. Благодаря тому, что насосы работают с противодавлением, обусловленным подъемом воды на высокие геодезические отметки поверхности земли и верхние этажи зданий, достаточно регулировать угловую скорость насосов на 20--50% ниже минимальных значений. Эта особенность позволяет использовать в приводе насосов сравнительно простые схемы асинхронно-вентильного каскада, обеспечивающие регулирование угловой скорости в узком диапазоне (до 50% номинального значения).

Особое место в ряду регулируемых электроприводов насосов переменного тока занимает привод на базе вентильного электродвигателя. Вентильным электродвигателем называется электромеханическая система, состоящая из тиристорного преобразователя частоты, синхронного электродвигателя переменного тока и устройства, указывающего положение ротора электродвигателя в пространстве. Преобразователь выполняется с промежуточным звеном постоянного тока и состоит из управляемых выпрямителя и инвертора. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения в звено постоянного тока включаются сглаживающие дроссели. По принципу действия вентильные электродвигатели аналогичны двигателю постоянного тока, у которого функции коллектора и щеточного аппарата выполняют тиристорный инвертор и устройство, указывающее положение ротора в пространстве. По этой причине вентильный электропривод иногда называется бесколлекторным электродвигателем постоянного тока. В то же время наличие в составе привода тиристорного частотного преобразователя позволяет отнести его к группе частотных электроприводов. Регулирование угловой скорости вентильного электродвигателя в регулируемом электроприводе насосов осуществляется изменением напряжения на выходе управляемого выпрямителя аналогично тому, как это делается в приводе постоянного тока. Регулируемый электропривод насосов на базе вентильного электродвигателя используют в приводе мощных (800--12000 кВт) высоковольтных насосных агрегатов, особенно часто -- в вертикальных насосных агрегатах, где невозможно применение белее простых и дешевых регулируемых электроприводов, например по схеме асинхронно-вентильного каскада, из-за отсутствия электродвигателей с фазным ротором в вертикальном исполнении.

Угловую скорость насосов при постоянной угловой скорости электродвигателей регулируют с помощью специальных устройств: механических вариаторов, гидравлиеских и электромагнитных муфт скольжения рамных типов. Наиболее часто в насосных агрегатах применяются регулируемые электроприводы насосов с электромагнитными муфтами скольжения индукторного типа. Они обычно используются в горизонтальных насосных агрегатах мощностью до 200--250 кВт. 
Наряду с электромагнитными муфтами скольжения в регулируемых электроприводах насосов нашли применение гидравлические муфты скольжения (гидромуфты). Они используются в ряде насосных установок, в частности в электроприводе мощных (2000-8000 кВт) питательных насосов теплоэлектроцентралей.

Регулируемый электропривод насосов оснащается один из двух-трех агрегатов насосной установки, при разнотипных насосах -- наиболее мощные агрегаты. Режим работы насосной установки регулируют изменением угловой скорости регулируемых насосов в сочетании с изменением количества работающих нерегулируемых агрегатов. Применение регулируемого электропривода насосов в системе АСУ насосной установки улучшает режим ее работы, делает его энергетически и экономически более выгодным: потребление энергии снижается на 5--15%, а в отдельных случаях на 20--25%; расход чистой воды снижается на 2--5% за счет снижения утечек и непроизводительных расходов воды; строительные объемы знаний насосных станций уменьшаются на 15-- 20% вследствие увеличения единичной мощности насосных агрегатов и уменьшения их количества.

3. Общие тенденции применения частотных преобразователей

В современном электроприводе наиболее быстро и динамично развивающееся направление - это асинхронный электропривод. Это связано, прежде всего, с непревзойденными эксплуатационными свойствами асинхронного двигателя, его простотой и надежностью. Несмотря на кризисы и падения рубля, асинхронный двигатель, как старая добрая "рабочая лошадка", продолжает потихоньку вращать скрипящее колесо нашей промышленности.

Новая страница в развитии асинхронного электропривода была открыта с появлением надежных и доступных преобразователей частоты - электронных устройств, позволяющих плавно регулировать скорость вращения асинхронного двигателя. Это в настоящее время позволяет широко применять регулируемые асинхронные электропривода там, где раньше применялись нерегулируемые привода, или регулируемые привода постоянного тока. Данная статья, как раз, рассматривает случай замены нерегулируемого привода на регулируемый и эффект возникающий при этом.

Отсутствие регулирования.

Отсутствие регулирования, при пониженных расходах, приводит к росту давления в системе, а это вызывает:

· потери энергии на создание избыточного давления

·потери перекачиваемой жидкости за счет утечек на негерметичных стыках

·износ оборудования и повышение эксплуатационных расходов

Дросселирование.

При дросселировании регулирование расхода осуществляется за счет изменения эффективного сечения трубопровода с помощью заслонки. В этом случае насос, так же как и при отсутствии регулирования, тратит энергию на преодоление противодавления заслонки, а повышенное давление вызывает утечки жидкости и износ оборудования.

Прерывистое регулирование.

При прерывистом регулировании изменение расхода обеспечивается коммутацией в гидросистему различного числа насосов. Например, если один насос не обеспечивает необходимый расход, в параллель ему включается второй, третий и т. д.

Недостатком такого регулирования является именно его прерывистость. Качество такого регулирования нельзя назвать удовлетворительным в силу его слишком грубой дискретности, приводящей к потерям энергии. Кроме того, включение и выключение насосов приводит к постоянным гидроударам в системе, что исключительно вредно влияет на ресурс оборудования, а пусковые токи двигателей насосов вызывают 5 - 7 кратные, относительно номинала, броски тока в электроцепях.

Наиболее современным способом регулирования насосов является регулирование с помощью преобразователей частоты.

В случае применения преобразователя частоты, осуществляется поддержание давления в гидросисте-ме независимо от расхода, с помощью регулирования частоты вращения электродвигателя насоса. Таким образом, при малых расходах насос вращается на малой скорости необходимой только для поддержания номинального давления и не расходует лишней энергии. Экономится электроэнергия, а так же вода, тепло и ресурс оборудования.

Одним из основных положительных качеств данных преобразователей является их высокая надежность, основанная на последних достижениях фирмы в области микроэлектроники и силовой электронной техники.

Кроме того, функции преобразователя максимально продуманы, что позволяет учесть практически любые потребности конкретного потребителя и особенности любой конкретной технологической ситуации. Гарантия этому - богатейший опыт работы фирмы во всем мире, в частности, и в области управления насосами.

Рис 3.? Срабатывание защиты и функция автосброса.

Преобразователи  Allen-Bradley PowerFlex имеют функцию автосброса, позволяющую им надежно и устойчиво работать даже в "грязных" и "слабых" отечественных силовых сетях.

Как правило, все преобразователи реагируют срабатыванием защиты на кратковременное понижение напряжения питания в сети. Такая ситуация не редкость, например, когда где-то рядом включается мощная силовая нагрузка. Если преобразователь не снабжен функцией автосброса, подобная безобидная ситуация вызовет остановку насоса. С Allen-Bradley PowerFlex этого не произойдет, так как функция автосброса вновь запустит преобразователь.

Время между срабатыванием защиты и автоматической попыткой пуска, а так же количество таких попыток программируются. Если же причина срабатывания защиты более серьезна, то преобразователь, исчерпав количество заданных попыток автосбросу, остановится и выдаст во внешние цепи релейный сигнал срабатывания защиты, по которому можно автоматически переключить насос на работу напрямую от сети.

Защита от неквалифицированного использования.

Преобразователь, настроенный при пуске, не требует квалифицированного обслуживания.

Для исключения неквалифицированного вмешательства в настройки, существует специальный параметр, запрещающий все изменения. Кроме того, пульт управления может быть снят, и далеко спрятан, что не нарушит работоспособность и гарантирует сохранение настроек от любознательного персонала.

Опыт применения преобразователей частоты для управления центробежными насосами показывает их исключительно высокую эффективность в области энергосбережения. Экономия энергии тем выше, чем больше перепады рабочих расходов жидкости.

4. Преобразователь для управления насосами и вентиляторами. PowerFlex 400

Рис. - 4 Внешний вид преобразователя PowerFlex 400.

PowerFlex 400 отличается от других преобразователей частоты Allen-Bradley Rockwell Automation 4-й серии встроенным набором функций, облегчающих управление насосами и вентиляторами. Также реализована возможность обработки сигнала от системы пожарной безопасности, после получения которого частотный преобразователь разгоняет вентилятор до заданной скорости, при этом другие управляющие сигналы игнорируются. В случае, если в технической документации вентиляторов имеются предупреждения о недопустимых подаваемых частотах, возможна настройка привода на пропуск таких резонансных частот.

PowerFlex 400 может управлять связанными с регулируемым вентилятором шиберами и заслонками, блокируя запуск двигателя вентилятора до момента их полного открытия. Данная особенность частотного привода позволяет заказчику в ряде случаев отказаться от дополнительной внешней управляющей аппаратуры.

Для определенных моделей PowerFlex 400 есть возможность использовать большие длины кабелей между приводом и двигателем (до 365 м). Это достигается благодаря наличию дросселей и блоку подавления отраженных волн.  Последний рекомендуется применять в случае, если регулирование осуществляется на старом двигателе, при этом достигается защита от перегрева мотора, пробоя изоляции / виткового замыкания.

Частотный преобразователь PowerFlex 400 позволяет реализовать групповое управление пятью электродвигателями. В случае, если производительность регулируемого двигателя не будет достаточной, автоматически задействуется дополнительный двигатель. С целью обеспечения равнозначного износа моторов можно чередовать их подключение. Есть возможность задания автоматического отключения двигателя, что часто применяется, когда потребности оборудования в мощности ниже установленного уровня. Так же как и в частотном преобразователе PowerFlex 40, в PowerFlex 400 реализована функция автоподхвата, которая обеспечивает включение на вращающийся ротор.

Заключение

криогенный насос преобразователь электропривод

Во время прохождения практики на кислородно-компрессорном производстве я ознакомился с основными принципами работы оборудования для разделения воздуха: теплообменных аппаратов, насосов, компрессоров, ректификационных колонн и др. Также я присутствовал при монтаже кислородного турбокомпрессора №1 компрессорного цеха, в результате чего подробно ознакомился с его внутренним устройством. Участвовал при запуске компрессора №1 СТМ 1600кВ·А. В результате прохождения практики я получил значительный объем дополнительных знаний в области промышленной теплоэнергетики, которые могут в последствии пригодиться при работе.

Список используемой литературы

1 Технологический регламент установки производства азота, аргона, кислорода ОАО «Уральская Сталь».

3 Шкатов Е.Ф. Шувалов В.В. «Основы автоматизации технологических процессов Химических производств».

4 Дытнерский Ю.И. «Основные процессы и аппараты химической технологии»

6 Захарова А. А., Бахшиева Л. Т., Кондауров Б. П., Салтыкова В. С. «Процессы и аппараты химической технологии». - М.: Академия, 2006.

7 Кульбицкий В. Г. Камышев Г. Н. "Краткая характеристика ОХМК".

8 Отчёты по заводским научно-исследовательским работам.

9 Сайт «http://engineeringsystems.ru/r/reguliruemiy-elektroprivod-nasosov.php».

Размещено на Allbest.ru