Энергосберегающие технологии на базе турбодетандерных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат по теме:

Энергосберегающие технологии на базе турбодетандерных установок

Содержание

Введение

Краткая история развития поршневых и турбодетандеров установок

Основные элементы ТД и их назначение

Классификация ТД

Основные схемы использования УТДУ в системе газораспределения

Введение

Детандер (от франц. dйtendre -- ослаблять) -- устройство, преобразующее потенциальную энергию газа в механическую энергию. При этом газ, совершая, работу охлаждается. Самыми распространенными являются поршневые и турбодетандеры.

Турбодетандер - машина для производства холода. В основу положен принцип турбины. При расширении на лопатках рабочего колеса газ производит работу, отдавая энергию, за счёт чего происходит понижения его температуры. А отданная газом энергия отводится. Передача энергии от газов к рабочему телу происходит за счёт силового взаимодействия потока газа с лопатками вращающегося рабочего колеса. Частично она поглощается сопротивлением в подшипниках, а остальная может быть полезно преобразована в электрическую, тепловую, или работу вращающегося колеса компрессора или нагнетателя. В этом и кроется наибольший потенциал для применения ТД установок для энергосбережения.

КПД современных турбодетандеров находится на уровне 80% (выполненных по схеме Капицы).

Так же созданы промышленные турбодетандеры, работающие при числе оборотов 100-300 тысяч в минуту с начальным давлением 15-20 МПа и отношением начального и конечного давления равному от 10 до 30 раз.

Для них так же характерен широкий диапазон расход газа: 300-130000.

Диапазон изменения диаметров рабочих колес: от 600 - 700 мм до 8 - 10 мм.

По существующем магистральным газопроводам газ транспортируется с давлением до 10 МПа. Потом по отводам газопровода газ направляется к ГРС и ГРП в которых давление уменьшается до 1,2 и 0,15 МПа соответственно.

Уменьшение давления газа обычно производится обычно в дросселирующих устройствах различных типов, в которых энергия избыточного давления газа расходуется на преодоление гидравлических сопротивлений, и таким образом безвозвратно теряется.

Если учесть существующие и постоянно растущие в мире расходы природного газа, то при подобном дросселировании потери энергии могут составить многие десятки миллиардов киловатт-часов энергии в год.В целом ряде государств сейчас уделяется большое внимание утилизации энергии избыточного давления природного газа. Внедряются новые установки, мощность некоторых из них достигает 10-12 МВт.

Краткая история развития поршневых и турбодетандеров

Идея создания машин для охлаждения газа при адиабатном расширении возникла еще в начале XIX столетия. Но только в 1902 - 1904 гг. французским ученым Жаком Клодом был создан первый работоспособный поршневой детандер [39]. Детандер Клода работал на воздухе при давлении 4,0 МПа, предварительно охлажденном до температуры (133 - 138 К) и предназначался для кислородных установок среднего давления.

В 1907 - 1915 гг. в Германии Гейляндт разработал и осуществил установку для ожижения воздуха с поршневой расширительной машиной высокого давления [7]. В детандер поступал воздух при давлении примерно 16,0 МПа и температуре, близкой к температуре окружающей среды.

Первый гелиевый низкотемпературный поршневой детандер был создан в 1934 году выдающимся советским ученым, академиком П.Л. Капицей [37].

Работы Клода, Гейляндта, Капицы по поршневым детандерам явились началом широкого применения их в криогенной технике. С созданием этих машин образовались две области применения поршневых детандеров: область воздухоразделительных установок и область гелиевых ожижителей и рефрижераторов. Первые два типа детандеров легли в основу разработки поршневых машин для воздухоразделительных установок среднего и высокого давлений. По типу машин Клода изготавливались детандеры среднего давления; по типу Гейляндта - детандеры высокого давления. Детандер Капицы послужит основой для создания машин, работающих в гелиевых ожижителях и рефрижераторах.

После этих работ в СССР и за рубежом появился целый ряд ученых, школ, институтов, предприятий и НПО (Научно-производственных объединений), которые продолжали совершенствовать конструкции поршневых расширительных машин, порой создавая свои оригинальные детандеры. К их числу можно отнести институт физических проблем, где под руководством П.Л. Капицы продолжали исследование и совершенствование гелиевых поршневых детандеров Данилов И.Б. [38], Ковачев В.Т. [41] и др.

Во ВНИИ кислородного машиностроения был создан целый ряд поршневых детандеров для воздухоразделительных установок среднего и высокого давлений. Большой вклад в создание этих машин внесли Буткевич К.С., Гильман И.И., Епифанова В.И. и др. [23, 31, 35, 36].

Большую ценность в теорию и практику поршневых детандеров внесли работы Василенко А.Н., который исследовал детандер-компрессор ДК-50, Клименко А.П.[40] и Максимука Б.Я. [42] по изучению особенностей работы детандера на природном газе.

Дальнейшее совершенствование поршневых детандеров проводилось в ряде учебных институтов. В МВТУ им. Баумана в 50-х годах Гридиным В.Б. была создана оригинальная конструкция прямоточного, быстроходного детандера высокого давления [27]. Ряд других ученых и инженеров МВТУ им. Н.Э. Баумана своими работами внесли большой вклад в развитие детандеростроения в СССР, это А.Г. Головинцов , А.М.Архаров, В.В.Шишов [1, 5] и др.

В МЭИ В.М. Бродянским в середине 60-х годов была создана целая школа исследователей детандеров. Под его руководством А.Б. Грачевым и Н.В. Савиновой были разработаны непрямоточный и прямоточный варианты поршневых детандеров с внутренним приводом [11,12]. Промышленные образцы этих вариантов были изготовлены на Одесском заводе "Автогенмаш" (ныне НПО «Кислородмаш»), где исследовались автором и другими сотрудниками этого завода [13, 14, 15]. Неадиабатный вариант непрямоточного детандера с внутренним приводом был исследован и В.М. Худзинским [47].

К этой же школе можно отнести В.А. Белушкина и И.Ф. Готвянского, которые разработали оригинальную конструкцию прямоточного детандера с внутренним приводом клапанов для водородного ожижителя [48].

Большой вклад в теорию поршневых детандеров внесли ученые ЛТИХП К.К. Страхович [48] , К.Я. Шмалько, В.Н. Новотельнов [49] и др.

Оригинальные работы по исследованию поршневых детандеров были проведены В. Чернецким и А.З. Миркиным [43]. Весомый вклад в теорию поршневых детандеров внесли авторы ряда работ А.А. Старцев, К.З. Бочавер [50, 51].

Дальнейшее совершенствование поршневых детандеров проводили и проводят И.К. Буткевич, разработавший гелиевый поршневой детандер с манжетным уплотнением [24], В.М. Добров применивший подобное уплотнение в прямоточном поршневом детандере, Е.А. Докшицкий, исследовавший прямоточный поршневой детандер-ожижитель, работающий в области влажного пара [33].

Разработка детандеров, работающих в области влажного пара, является в настоящее время очень актуальной задачей. Ряд работ как зарубежных, так и советских авторов показали, что применение детандеров в двухфазной области вместо дросселей существенно повышает эффективность работы всей криогенной установки.

За рубежом значительные работы по созданию и совершенствованию поршневых детандеров были проведены в Массачусетском технологическом институте (США) С.К. Коллинзом, создавшим оригинальную диафрагмовую расширительную машину, работающую в гелиевом рефрижераторе [55], и гелиевый детандер с гибким штоком. Как было уже отмечено, большой интерес представляет его работа по применению поршневого детандера для работы в области влажного пара гелия.

Интересное конструктивное решение имел детандер Кларка, выпускаемый американской фирмой «Кларк». В детандере было применено лабиринтное уплотнение, что позволяло, как и в детандере Капицы, осуществлять его работу без смазки цилиндров, штоки привода клапанов работали только на растяжение, благодаря чему он выполнялся тонким и гибким и исключал перекос поршня в цилиндре детандера.

В 1956 - 1964 гг. Долл и Эдер спроектировали, изготовили и исследовали быстроходный бесклапанный детандер [54].

В последнее время в России Прилуцким И.К. и Кузнецовым Л.Г. [52, 53] на заводе «Компрессор» в Санкт-Петербурге разработаны малорасходные, быстроходные поршневые детандеры с самодействующим клапаном на базе компрессоров с сухим картером и ограниченной смазкой. Применение самодействующих клапанов существенно увеличивает быстроходность детандера, сокращает габариты и массу машин, но в то же время понижает их эффективность работы, по сравнению с клапанными детандерами, имеющих принудительный привод клапанов.

Начало промышленного применения турбодетандеров относится к 30-м годам двадцатого столетия. Первые турбодетандеры выполнялись осевыми; ввиду сравнительно малых расходов адиабатный КПД их в то время не превышал 60 %.

В 1935 году немецкий инженер Зерковец предложил конструкцию центростремительного турбодетандера активного типа с короткими лопатками [6]. По этой схеме фирмой «Линде» было построено большое количество разнообразных турбодетандеров, адиабатный КПД которых находился на уровне 65-70% .

В 1939 году академик П.Л. Капица создал конструкцию радикального центростремительного турбодетандера реактивного типа с длинными лопатками [37, 38]. Адиабатный КПД такого турбодетандера сразу был поднят до 80% и выше. В настоящее время все лучшие отечественные и зарубежные фирмы выполняют конструкцию турбодетандеров по схеме П.Л. Капицы.

В Российской Федерации две основные фирмы разрабатывают и выпускают низкотемпературные турбодетандеры - это АО «КРИОГЕНмаш» и АО «ГЕЛИЙмаш». АО «КРИОГЕНмаш» создает турбодетандеры для крупных воздухоразделительных установок низкого давления, ожижителей природного и других газов. В нем создан типовой ряд воздушных турбодетандеров низкого давления с редукторной передачей механической мощности на генератор электрического тока. Ряд состоит из пяти типов размеров и восемнадцати наименований и охватывает широкий диапазон расхода воздуха - от 8 до 110 тыс. кг/ч [6]. Воздушные и азотные турбодетандеры, выпускаемые АО «КРИОГЕНмаш», надежны в эксплуатации и высокоэффективны: изоэнтропийным КПД турбодетандеров находятся на уровне 86 - 88 %.

АО «ГЕЛИЙмаш» выпускает высокоэффективные и надежные монороторные турбодетандеры относительно небольшой производительности, от 300 до 10 000 кг/ч, (поэтому безредукторные) для воздухоразделительных установок среднего и высокого давления и гелиевых ожижителей. Унифицированный ряд гелиевых турбодетандеров, созданных в «ГЕЛИИмаш», применяется в ожижителях гелия производительностью от 40 до 800 л/ч жидкого гелия. Диапазон мощности этого ряда: 0,5 - 2,5; 1 - 4; 3 - 15 кВт; частота вращения ротора от 100 до 450 тыс. об/мин.

За последнее время в АО «ГЕЛИЙмаш» разработан унифицированный ряд двухступенчатых воздушных турбодетандеров высокого давления.

Ряд включает четыре типоразмера с расходом воздуха, соответственно, 350; 800; 5000; 10000 кг/ч. Кроме этого в АО «ГЕЛИЙмаш» разработаны также водородные турбодетандеры на основе базовой модели воздушного турбодетандера среднего давления.

Обе фирмы и АО «КРИОГЕНмаш» и АО «ГЕЛИЙмаш» выпускают турбодетандеры, отвечающие современному уровню требований.

поршевый турбодетандерный газораспределение

Основные элементы турбодетандера и их назначение

Принципиальная схема традиционного турбодетандера радиального типа, применяемая в воздухоразделительных установках низкого давления, показана на рис. 1 и 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1 Схема турбодетандерного агрегата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.2 Движение потоков криоагента в рабочем колесе ТД

Основными элементами его являются улитка или входной патрубок - 1; направляющий или сопловый аппарат - 2; рабочее колесо или вращающаяся решетка - 3; диффузор - 4; корпус - 5; уплотняющие элементы (лабиринтные уплотнения) - 6; редуктор - 7; генератор для отбора мощности - 8.

Улитка или входной патрубок служит для равномерного подвода газа по окружности к направляющему аппарату.

Направляющий или сопловой аппарат выполнен из ряда сопел по окружности и служит для придания потоку газа на его выходе определенной скорости и направления. При течении в соплах часть внутренней энергии сжатого газа преобразуется в кинетическую энергию потока. Увеличивается скорость рабочего потока до определенной величины, которая может быть дозвуковой, звуковой и сверхзвуковой, при этом понижаются давление и температура газа.

Вращающее рабочее колесо с лопатками или вращающаяся решетка необходимо для преобразования внутренней и кинетической энергии потока в механическую работу.

Энергия потока передается рабочему колесу за счет силового взаимодействия потока с лопатками вращающегося рабочего колеса. При этом и скорость потока, и давление, и температура понижают свои значения.

Диффузор служит для дальнейшего торможения потока и понижения его скорости до значения в выходящем патрубке и трубопроводе. Температура рабочего тела при этом повышается

Уплотнение рабочего колеса и проточной части необходимо для уменьшения или полного исключения утечек и перетечек газа через неплотности вращающегося рабочего колеса.

Редуктор, установленный на выходящем валу турбодетандера, служит для понижения скорости вращения ротора до скорости двигателя - генератора и передачи мощности на вал генератора, который, как правило, вращается с меньшей скоростью, чем ротор турбодетандера.

Генератор (двигатель - генератор) преобразует механическую энергию вращающегося ротора турбодетандера в электрическую и передаёт ёе в электрическую сеть.

Классификация турбодетандеров

Классификация турбодетандеров проводится:

- по применяемому давлению;

- по характеру процесса расширения;

- по направлению движения газа;

- по состоянию рабочего тела;

- по числу ступеней.

По применяемому начальному давлению на входе турбодетандеры подразделяются на машины низкого, среднего и высокого давлений.

У машин низкого давления - среднего давления высокого давления -

По характеру процесса расширения турбодетандеры подразделяются на активного и реактивного действия.

В турбодетандерах активного действия понижение энтальпии, давления и температуры происходит в основном на 85 % в сопловом аппарате, где сжатый газ, понижая свое давление и температуру в процессе расширения, разгоняется до высокой скорости, как правило, выше скорости звука. В рабочем колесе происходит преобразование только кинетической энергии потока в механическую работу.

В турбодетандерах реактивного действия понижение энтальпии, давления и температуры происходит как в сопловом аппарате, так и рабочем колесе. В сопловом аппарате в процессе расширения газ, понижая свое давление и температуру, разгоняется до относительно высокой скорости, но не выше местной скорости звука, а в рабочем колесе и внутренняя энергия сжатого газа, и кинетическая энергия потока преобразуется в механическую работу путем силового взаимодействия потока с лопатками рабочего колеса.

Отечественные турбодетандеры в основном выпускаются реактивного действия.

По направлению движения газа турбодетандеры подразделяются на радиальные, осевые и радиально - осевые или диагональные. В свою очередь радиальные турбодетандеры подразделяются на центростремительные и центробежные (рис. 2.31).

В радиальных турбодетандерах движение газа осуществляется в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Соответственно, в центростремительных движение газа направлено от периферии к оси машины, в центробежных, наоборот, от оси машины к периферии. В осевых, движение газа происходит по цилиндрическим поверхностям параллельным оси, а в радиально - осевых по промежуточным поверхностям между осевыми и радиальными.

Турбодетандеры осевого типа применяются крайне редко. Эти машины требуют очень больших расходов. В основном используются радиальные и радиально - осевые турбодетандеры. В центростремительных машинах движение газа происходит против действия поля центробежных сил, что способствует понижению энтальпии газа. В центробежных поле центробежных сил способствует увеличению энтальпии газа. Поэтому для турбокомпрессорных машин центробежное движение газа целесообразно, для турбодетандеров выгоднее центростремительное движение газа. По этой причине турбодетандеры в основном исполняются центростремительного типа.

По состоянию рабочего тела турбодетандеры за последнее время стали подразделяться на газовые и парожидкостные. В газовых машинах рабочее тело не меняет своего фазового состояния, и расширение происходит только в газовой области. В парожидкостных машинах расширение происходит из области газа в двухфазную область влажного пара с образованием части жидкости.

По числу ступеней турбодетандеры бывают одноступенчатые и двухступенчатые.

В настоящее время турбодетандеры, как правило, изготавливаются одноступенчатые даже при относительно высоких отношениях давлений Увеличение отношения давлений приводит к повышению частоты вращения вала машины. Применяемые в настоящее время подшипники скольжения и тормозные устройства позволяют развивать достаточно высокие числа оборотов в турбодетандерах, 200 тыс. об/мин и выше.

Рис. 3 Схемы а) центростремительного и б) центробежного турбодетандеров; радиального турбодетандера:

1 - направляющий аппарат;

2 - рабочее колесо

В свое время ограничение частоты вращения вала привело к необходимости ограничивать отношение давлений в ступени и выполнять двухступенчатые турбодетандеры.

Однако известно, что уменьшение отношения давлений в ступени приводит к повышению изоэнтропийного КПД турбодетандера. Поэтому турбодетандеры высокого давления целесообразнее выполнять двухступенчатыми.

В низкотемпературной технике современные турбодетандеры выполняются, как правило, центростремительные радиального или радиально - осевого типа, одноступенчатые или двухступенчатые с реактивным характером расширения газа.

Основные схемы использования утилизационных турбодетандерных установок в системе газораспределения

Для выработки электроэнергии на ГРС (ГРП):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Служит для выработки электроэнергии. Турбодетандерная установка подключается параллельно ГРС (ГРП). Для повышения стабильности выходных параметров электроэнергии, при малых расходах газа целесообразно иметь повышенную частоту вращения, для этого между ТД и генератором целесообразно размещать редуктор. При больших расходах связь между ними осуществляется напрямую.

На сахарном заводе города Феррара по аналогичной схеме вырабатывается 70% электроэнергии необходимой для подогрева газа. Срок окупаемости 3 года.

Для выработки электроэнергии на ГТКС (ТЭС):

Размещено на http://www.allbest.ru/

В утилизационных установках на ГТКС и ТЭС обычно в электричество преобразуется потенциальная энергия избыточного давления топливного газа, поступающего в камеру сгорания ГТД, как правило он берётся из магистрального газопровода параллельно узлу редуцирования топливного газа. Топливный газ может поступать в утилизационную установку может поступать от одного или нескольких ГТД.

С помощью УТДУ ДГА-500 созданного АО Криокор на ТЭС установка по данной схеме может выработать с 1 кг газа 130-200 КВт электрической мощности, и как следствие выбросы вредных веществ(окислы азота, серы и двуокись углерода) уменьшаются на 100 тонн в год.

Для выработки холода и электроэнергии на ГРС:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отличие схемы 1 состоит в том что за ТД размещён потребитель холода.

Для сжижения метана на ГРС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, сжижается до 5% потребляемого газа. Характерными особенностями этой УТДУ являются отсутствие подогрева газа, применение теплообменника для охлаждения газа перед турбодетандером холодным обратным потоком газа и дожимного компрессора.

В системе охлаждения масла ГПА.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Масло, сливаемое из системы смазки агрегата, сначала охлаждается воздухом в радиаторе, через который прогоняется холодный воздух с помощью эжектора приводимого в движение ТД. Затем поток масла доохлаждается в теплообменнике, где ему навстречу идут два потока газа один из магистрального трубопровода, другой из ТД.

Размещено на Allbest.ru