Турбодетандер что это такое

Турбодетандерные агрегаты

О турбодетандерах

Турбодетандер – расширительная машина лопаточного типа, в которой происходит расширение потока газа с совершением внешней механической работы. Расширение газа с отводом энергии приводит к понижению давления и температуры газа, а также выработке «холода».

Турбодетандеры – основные машины по производству «холода» в циклах современных низкотемпературных установок. Турбодетандер представляет собой низкотемпературную турбину, для которой главная задача – понижать давление газа с целью снижения температуры газа и отвода от него энергии вовне за счет совершения газом механической работы.

Рабочие параметры турбодетандеров ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ»

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:

Источник

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.

Как правило, при использовании установок в промышленности, на входе турбины поддерживается постоянное давление в соответствии с проектным уровнем. В такой ситуации давление регулируется специальными клапанами, что не совсем рационально. Более эффективными считаются турбины с переменным давлением при полностью открытых входных клапанах. Используемые клапана должны иметь максимально большие размеры. Это позволяет достигнуть необходимого дросселирования при перепадах давления всего лишь 5-10%. Для традиционных клапанов этот показатель составляет 25 – 50% из-за слишком малых размеров. То же самое касается насосов, создающих давление газа. Они подбираются в соответствии с конкретными условиями эксплуатации.

Наиболее оптимальным вариантом является применение турбодетандера для производства электроэнергии за счет избыточного давления. Одновременно, газ, проходящий через агрегат, используется по прямому назначению, независимо от режима работы и без каких-либо потерь. Таким образом, весь цикл представляет собой термодинамический обратимый процесс.

Использование турбодетандеров в промышленности

Применение турбодетандеров практикуется совместно с новыми установками или теми из них, которые были подвергнуты существенной модернизации. В обязательном порядке учитывается экономическая целесообразность и условия конкретного предприятия.

В промышленности широко используются турбодетандеры, принцип действия которых позволяет вырабатывать электрическую или механическую энергию, приводящих в движение вентиляторы или компрессоры. Но, несмотря на оптимальную энергетическую эффективность применения этих агрегатов, они должны соотноситься с общей предполагаемой потребностью и балансом пара на предприятии. При чрезмерном количестве или мощности устройств вполне возможно избыточное производство пара под низким давлением. Чаще всего этот пар просто стравливается в атмосферу, что значительно снижает энергетическую эффективность.

Основным условием должна стать доступность парового потока, необходимого для нормальной работы турбодетандера в течение точно установленного и довольно продолжительного отрезка времени. В случае нерегулярного или непредсказуемого поступления пара, его полезное применение существенно затрудняется, и турбина будет работать вхолостую. Наиболее эффективное использование турбодетандеров требует существенных перепадов давления и большого расхода газа. Поэтому агрегаты нашли широкое применение в черной металлургии, где работа плавильных печей сопровождается мощным потоком доменного газа.

Источник

Турбодетандеры

Изготовление, сборка, тестирование и испытание турбодетандеров
производится на заводах в Швейцарии, Германии, Франции, Турции, США, Японии и Кореи

Компания в России Интех ГмбХ / LLC Intech GmbH была образована в 1997 году, является официальным дистрибьютором различных производителей промышленного оборудования, предлагает Вашему вниманию турбодетандеры.

Примечание:
Поставляемые турбодетандеры сертифицированы в соответствии с нормами и правилами России и стран СНГ и имеют все необходимые разрешения для использования на их территории.

Особенности конструкции предлагаемых турбодетандеров

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:

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.

Варианты исполнения турбодетандеров:

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:

Пример инжинирингового проекта на турбодетандер

Одноступенчатая детандер – генераторная установка в блочном исполнении. В состав входят следующие основные части:

1. Корпус детандера, включая входной направляющий аппарат и сопутствующие компоненты

Корпус изготовлен из нержавеющей стали. Вертикальный входной патрубок и горизонтальный выпускной патрубок, выполнены по стандарту ANSI 300.

Открытое колесо, изготовленное методом фрезерования из одной заготовки алюминия.

Регулируемые сопла: с пневматическим приводом, с выходом 4-20 мА.

2. Встроенный редуктор

Одноступенчатый редуктор с параллельным валом, с горизонтальным смещением скорости, передающий расчетную мощность от детандера на генератор при 3000 об/мин. Насос смазочного масла с редуктором.

В комплекте контрольно измерительные приборы:

Установленный на горизонтальных лапах асинхронный генератор, подходящий для температуры окружающей среды 40°С, в исполнении NEMA B, с классом изоляции F, эксплуатационный коэффициент 1,15. Допустимое повышение температуры на 80°С сопротивлением при эксплуатационном коэффициенте 1 на основании непрерывной полной синусоиды на зажимах двигателя. Подшипники выполнены с консистентной смазкой.

Из углеродистой стали, с настилами из рифленого материала для исключения проскальзывания. Окраска выполнена для применения на открытом воздухе. С монтажными проушинами для транспортировки и перемещения.

5. Система уплотнения

7. Устройства управления и КИП

Технические предложения на турбодетандер-генераторы

Турбодетандер-генератор

Примерный состав газа

Система генерации электроэнергии (СГЭ) с выходной мощностью 2,3 МВт:

Система генерации электроэнергии (СГЭ) на основе полнопоточного генератора с двухступенчатым детандером:

Примечание по температуре воздуха на входе:

СГЭ с выходной мощностью 2,2 МВт

СГЭ с выходной мощностью 500 кВт

Персонал компании Интех ГмбХ (Intech GmbH) всегда готов предоставить дополнительную техническую информацию по турбодетандерам.

Турбодетандер, двухступенчатый интегрированный для работы с электрогенератором

Исполнение основано на типовой схеме. Основным масляным насосом является механический насос, приводимый в движение валом редуктора, во время запуска пусковой насос приводится в действие электродвигателем. Масляные аккумуляторы не требуются, так как механический насос будет смазывать подшипники до полной остановки детандера-генератора.

Объем поставки включает в себя детандер-генератор, смонтированный на раме, с основными компонентами:

Турбодетандер включает в себя:

* система газового уплотнения с двойными фильтрами, регулятором перепада давления и всеми необходимыми контрольно-измерительными приборами, согласно стандарту API 614. Нагреватель уплотнительного газа и панель управления (тиристорная панель) не требуются, поскольку уплотнительный газ можно брать с входа детандера, где газ уже нагрет до необходимой температуры.

* система сепарации газа с двойными фильтрами, регулятором перепада давления и всеми необходимыми контрольно-измерительными приборами, согласно стандарту API 614.

Низкоскоростные и высокоскоростные муфты; гибкие, с диском и с искробезопасным защитным кожухом

Синхронный генератор: включены в базовый объем поставки.

Система подачи смазочного масла, установленная на отдельной раме

В базовый объем поставки входят следующие изделия:

Данные для выбора детандера

Температура природного газа на входе в газорегуляторные пункты соответсвует температуре окружающей среды (за исключением ГРП-9), так как транспортировка газа происходит по наружным надземным газопроводам

Источник

Детандеры и турбодетандеры

Применение специальных расширительных машин – детандеров, где происходит адиабатное расширение газа с отдачей внешней работы на вал машины, позволяет получить значительно большее охлаждение, чем при дросселировании газов, при этом, используется и дополнительная работа возвратной части энергии обрабатываемого потока газа.

Работа расширительной машины – детандера оценивается величиной температуры газа на выходе потока и развиваемой мощностью на его валу.

В качестве расширительных машин с успехом применяются:

Поршневые детандеры

Расширительные поршневые машины используются на рабочих интервалах давлений от 35 до 210 кг/см 2 на входе и до 7-2 кг/см 2 на выходе. Одноцилиндровые детандеры обычно имеют производительность до 30 м 3 /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.

Турбодетандеры

За рубежом имеется опыт работы газобензиновых заводов (ГБЗ) с турбодетандерными установками в качестве источников холода.

Современные рабочие циклы сжижения газов, как известно, основаны на использовании более высоких давлений, чем в обычных схемах. Это существенно улучшает технологичность схем, и расширительные машины выполняют здесь не только функции по производству холода и использованию возвратной части энергии, но и функции осушительной установки. При этом поток газа охлаждается менее чем на 20-25%, но зато газ после детандера содержит более чем наполовину жидкую фазу.

Мощность детандерных агрегатов зависит от фактически используемого перепада давления, скорости потока газа и расхода газа. Эти величины определяют габариты и рабочие характеристики расширительно-осушительных установок.

Заводы по сжижению углеводородных газов (метан-этановой фракции) применяют преимущественно высокопроизводительные, малогабаритные одноступенчатые реактивные турбодетандеры с турбокомпрессором на одном валу. При числе оборотов в минуту 60000 и более, они имеют высокий к.п.д., используя высокие скорости газовых потоков.

Однако в заводской практике имеет место и применение осевых турбодетандеров активного типа в одно- и многоступенчатом исполнении. Обычно турбодетандеры комплектуются вместе с турбинным компрессором без редуктора. Турбокомпрессор использует часть энергии, сжимая газ до заданной степени, и поглощает развиваемую детандером мощность с минимальными потерями. Иногда развиваемая детандером мощность поглощается электрогенератором, а иногда для упрощения систем используют обычные тормозные устройства.

Объемная скорость перерабатываемого газа регулируется в турбодетандере реактивного типа соплами переменного сечения, что наиболее эффективно обеспечивает гибкость режима работы при сохранении достаточно высокого к.п.д.

Следует иметь в виду, что турбодетандеры реактивного типа с радиальным расположением лопаток, направляющие поток газа от периферии к центру колеса, совершенно непригодны для проведения процессов расширения газа с образованием жидкой фазы. Колесо турбодетандерв в этом случае отбрасывает капли жидкости на стенки статора и заставляет выделившуюся жидкость рециркулировать, снижая производительность агрегата и вызывая явления эрозии на ободе колеса и на поверхности сопел.

Практикой установлено, что процессы расширения газа с такой рециркуляцией требуют установки на входе в турбодетандер достаточно тонкого фильтра или просто сепаратора для отделения механических примесей в виде твердых пылеватых металлических и льдистых частиц. Это увеличивает срок безаварийной службы турбогенератора.

В осевых турбодетандерах частицы твердых примесей и капельная жидкость проходят через проточную часть машины и лопатки колеса без рециркуляции, но при этом процесс расширения насыщенного газа протекает со значительным понижением к.п.д. машины.

Турбодетандеры небольших габаритов изготавливаются на значительную пропускную способность по газу.

Основные требования к турбодетандерам

При монтаже аппаратов и трубопроводов, в связи с возникновением значительных усилий в результате изменения размеров деталей из-за разницы температур необходимо учитывать следующее:

Источник: «Производство и использование сжиженных газов за рубежом (Обзор зарубежной литературы)» (Москва, ВНИИОЭНГ, 1974)

Источник