ПЕРЕДВИЖНАЯ КОМПРЕССОРНАЯ СТАНЦИЯ С НАДДУВОМ

Полезная модель относится к устройствам для получения инертной газовой смеси с высоким содержанием азота и может быть использована преимущественно в передвижных азотных компрессорных станциях высокого давления с мембранными генераторами азота.
Для разных моделей мембранных генераторов азота номинальное давление газа может иметь значение в диапазоне 0,9÷4,0 МПа, и для подачи сжатого воздуха к мембранному генератору на станциях предусматривают воздушный компрессор.
На азотных станциях, у которых номинальное давление инертной газовой смеси выше номинального давления на выходе мембранного генератора (далее называемые станциями высокого давления), необходим дожимной компрессор, вход которого соединен с выходом генератора азота.
Таким образом, станция содержит зону низкого давления, к которой относятся воздушный компрессор и мембранный генератор, и зону высокого давления, к которой относится дожимной компрессор.
Для сжатия газов в зоне высокого давления вообще известно применение поршневого многоступенчатого компрессора, а для сжатия в зоне низкого давления вообще - винтового или ротационного компрессора, которые в зоне низкого давления работают более эффективно по сравнению с поршневыми компрессорами.
В мембранном генераторе азота происходит отбор части воздуха, насыщенного кислородом, что определяет характерную особенность азотных компрессорных станций - объемный выход газовой смеси меньше объема воздуха, подаваемого на вход генератора азота. То есть, приведенный к нормальным условиям объем получаемой инертной газовой смеси в зоне высокого давления меньше приведенного к нормальным условиям объема закачиваемого воздуха в зоне низкого давления. Конкретные показатели зависят, прежде всего, от концентрации азота в газовой смеси и характеристики используемых мембран.
Масса и габаритные размеры передвижных компрессорных станций ограничены рядом условий и требований: параметрами шасси, требованиями к транспортным средствам для передвижения по дорогам общего пользования, а также удобством маневрирования.
Известны азотные компрессорные станции высокого давления, различающиеся схемой сжатия воздуха и инертной газовой смеси (азота).
Известна передвижная азотная компрессорная станция, содержащая первый и второй компрессоры и мембранный газоразделительный блок, при этом первый компрессор выполнен винтовым и содержит на выходе охладитель воздуха, второй компрессор выполнен поршневым многоступенчатым, причем выход охладителя воздуха первого компрессора соединен с входом второго компрессора через мембранный газоразделительный блок [Патент РФ №114490 U1, МПК F04B 41/00, 2011]. Наличие в известном устройстве двух отдельных компрессоров - винтового воздушного в зоне низкого давления и поршневого газового в зоне высокого давления - облегчает согласование их производительности и режимов работы.
Однако использование разнотипных компрессоров усложняет конструкцию и ухудшает ремонтопригодность, что является недостатком известной станции.
Известна также передвижная азотная компрессорная станция, содержащая первый и второй компрессоры и мембранный газоразделительный блок, при этом первый компрессор выполнен поршневым многоступенчатым, выход промежуточной ступени первого компрессора соединен с входом газоразделительного блока, а выход газоразделительного блока соединен со следующей за промежуточной ступенью первого компрессора, при этом второй компрессор выполнен винтовым, и его выход соединен с входом газоразделительного блока [Патент РФ №114489 U1, МПК F04B 41/00, F04B 45/00 2011]. Производительность поршневого компрессора по воздуху может быть принята равной производительности станции по газовой смеси, чем обеспечивается эффективное использование поршневого компрессора, все ступени которого работают в номинальном режиме, при этом дополнительный объем воздуха подается на вход газоразделительного блока вторым (винтовым) компрессором. Давление на выходе винтового компрессора и на выходе промежуточной ступени первого компрессора приблизительно одинаковы.
Недостатком этой известной станции так же является усложнение конструкции и ухудшение ремонтопригодности в результате использования разнотипных компрессоров.
Известен способ получения и сжатия азотно-воздушной смеси, в котором подготовку воздуха к газоразделению осуществляют параллельно двумя многоступенчатыми компрессорами, частичное отделение кислорода производят после третьей ступени с использованием мембранной технологии, а дожатие инертной газовой смеси до рабочего давления нагнетания производят последовательно на IV ступени обоих компрессоров [Патент РФ №2252378, МПК F25J 3/00, 2003]. Таким образом, первые три ступени обоих компрессоров работают параллельно в зоне низкого давления, а в зоне высокого давления работают IV ступени обоих компрессоров, соединенные последовательно. Привод одного компрессора осуществляется от дизельного двигателя автомобиля, второго - от палубного двигателя шасси.
Наличие двух многоступенчатых поршневых компрессоров усложняет конструкцию и приводит к увеличению габаритных размеров.
Наиболее близкой к предложенной станции является известная передвижная компрессорная станция, содержащая многоступенчатый поршневой компрессор, мембранный газоразделительный блок, включенный между выбранными смежными ступенями поршневого компрессора, систему очистки воздуха от паров и капельной влаги и фильтры очистки воздуха, размещенные на шасси [Патент РФ №2189264 С2, А62С 3/02, А62С 3/06, B01J 7/00, 2000], выбранная в качестве прототипа полезной модели.
В известной станции при использовании обычного поршневого компрессора, в силу указанной выше характерной особенности компрессорных станций с мембранным генератором азота, имеет место несогласованность по производительности ступеней компрессора в зоне низкого давления и ступеней, относящихся к зоне высокого давления, что ограничивает производительность станции в целом. В известной компрессорной станции для эффективного использования ступеней компрессора в зоне высокого давления необходимо значительно увеличить (по сравнению с воздушным компрессором той же производительности) объемы поршней и цилиндров в зоне низкого давления. Увеличение объема поршней и цилиндров является технически сложным и приводит к увеличению массы и габаритных размеров ступеней в зоне низкого давления.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение указанных недостатков - на увеличение производительности компрессорной станции без значительного увеличения габаритов.
Технический результат при осуществлении полезной модели заключается в увеличении производительности по воздуху ступеней компрессора в зоне низкого давления до значений, соответствующих номинальной производительности по газовой смеси ступеней, относящихся к зоне высокого давления, без значительного увеличения габаритов компрессора.
Указанный результат достигается тем, что передвижная компрессорная станция, содержащая основной многоступенчатый поршневой компрессор, мембранный газоразделительный блок, включенный между выбранными смежными ступенями основного компрессора, систему очистки воздуха от паров и капельной влаги и фильтры очистки воздуха, размещенные на шасси или раме, дополнительно содержит вспомогательный компрессор низкого давления, вход которого соединен с атмосферой, а выход соединен с входом первой ступени основного компрессора, с возможностью создания в цилиндре этой ступени к концу хода всасывания избыточного давления, выбранного в диапазоне значений от 0,03 до 0,10 МПа.
Граничные значения указанного диапазона определены тем, что передвижные компрессорные станции с мембранными генераторами азота проектируются на получение инертной газовой смеси с содержанием азота (%) от 90 до 95 при номинальной производительности станции, и при использовании современных половолоконных мембран отношение объема закачиваемого воздуха к объему получаемой инертной газовой смеси, приведенным к нормальным условиям, находится в диапазоне 1,3÷2,0. Конкретное значение избыточного давления выбирают, исходя из характеристик мембранного газоразделительного блока и параметров инертной газовой смеси при номинальной производительности станции.
В качестве основного компрессора может быть использован обычный многоступенчатый поршневой компрессор с требуемыми характеристиками по давлению и производительности на выходе, доработанный с учетом повышения давления в первой и последующих ступенях, относящихся к зоне низкого давления.
В качестве вспомогательного компрессора могут быть использованы известные компрессоры как объемного, так и динамического действия, с соответствующими параметрами по давлению и производительности.
Передвижная компрессорная станция может быть смонтирована на самоходном, передвижном, переносном шасси или на передвижной, переносной раме и предназначена для обслуживания без дополнительных монтажных работ.
В частном случае реализации полезной модели соединение вспомогательного компрессора с первой ступенью основного компрессора выполнено трубопроводом, что создает дополнительный технический результат - выбор места установки вспомогательного компрессора осуществляют в интересах компактной компоновки станции, при этом внутренний объем трубопровода выполняет функцию буферной емкости, что уменьшает возможные пульсации давления на входе в первую ступень основного компрессора.
В другом частном случае реализации полезной модели вспомогательный компрессор оснащен средствами регулирования производительности. Могут быть использованы известные средства регулирования производительности - например, привод с регулируемой частотой вращения. При этом создается дополнительный технический результат - возможность изменения подачи воздуха в надмембранную полость газоразделительного блока для регулирования режимов работы станции.
Сущность предложенной полезной модели поясняется структурной пневматической схемой компрессорной станции.
3
В качестве примера выбрана азотная компрессорная станция со следующими характеристиками: содержание азота в инертной газовой смеси равно 95% при номинальной производительности станции 18 м/мин.; номинальное давление инертной газовой смеси на выходе станции 25 МПа.
Компрессорная станция содержит основной многоступенчатый поршневой компрессор 1 с общим числом ступеней N (1.1, … 1.n, 1.n+1, … 1.N), мембранный газоразделительный блок 2, вспомогательный компрессор низкого давления 3, влагоотделитель 4, теплообменники-охладители 5÷7, фильтры 8÷12. Компрессор 1 выполнен предпочтительно шестиступенчатым (N=6) и оснащен дизельным приводом.
В газоразделительном блоке 2 использованы половолоконные мембраны, с отношением объема закачиваемого воздуха к объему получаемой инертной газовой смеси с концентрацией азота 95%, приведенным к нормальным условиям, равным 1,7.
3
Вспомогательный компрессор выбран со следующими номинальными параметрами: производительность 30 м/мин., избыточное давление на выходе (с учетом потерь) 0,08 МПа. Место установки вспомогательного компрессора выбирают из конструктивных соображений, из условий компактной компоновки станции в целом.
Вход первой ступени 1.1 компрессора 1 соединен с атмосферой через фильтр 8 и обратный клапан 13, а также с выходом вспомогательного компрессора 3 через теплообменник-охладитель 5, трубопровод 14 и запорный клапан 15. Вход вспомогательного компрессора 3 соединен с атмосферой через фильтр 9.
Выход ступени 1.n компрессора 1 соединен с входом мембранного газоразделительного блока 2 через теплообменник-охладитель 6, влагоотделитель 4 и фильтры: грубой очистки 10, тонкой очистки 11 и адсорбционный 12. Число ступеней n выбирают из условия наиболее эффективного режима работы мембран в газоразделительном блоке, предпочтительно n=2…3. Надмембранная полость 16 соединена с выходом 17 газоразделительного блока 2 и далее с входом в цилиндр ступени 1.n+1, а подмембранная полость 18 соединена с выходом 19. К выходу последней ступени 1.Ν компрессора последовательно подключены теплообменник-охладитель 7, обратный клапан 20 и запорный клапан 21 для выдачи инертной газовой смеси потребителю.
Компрессорная станция работает следующим образом.
Атмосферный воздух после предварительной фильтрации поступает в компрессор низкого давления 3, затем сжатый до 0,08 МПа и охлажденный в охладителе 5 воздух поступает по трубопроводу 14 в первую ступень 1.1 компрессора 1 (при этом обратный клапан 13 находится в закрытом состоянии). Сжатый в первых n ступенях компрессора 1 воздух охлаждается в охладителе 6 и после очистки во влагоотделителе 4 и фильтрах 10÷12 поступает в надмембранную полость 16 газоразделительного блока 2.
Парциальные давления кислорода, азота и углекислого газа в надмембранной полости 16 выше, чем в подмембранной полости 18. Кислород, водяные пары, углекислый газ и часть азота через полупроницаемую мембрану 22 диффундируют в подмембранную полость 18 и сбрасываются в атмосферу через выход 19 (этот обогащенный кислородом воздух может быть при необходимости использован, например, в системе турбонаддува дизеля). Инертная газовая смесь, образующаяся в надмембранной полости 16, через выход 17 поступает в ступень 1.n+1 компрессора 1 и сжимается в этой и последующих ступенях до рабочего давления 25 МПа.
Через охладитель 7, обратный 20 и запорный 21 клапаны инертная газовая смесь с содержанием азота 95% подается потребителю.
Компрессор низкого давления 3 может быть оснащен известными средствами регулирования производительности - например, регулирующим клапаном, регулируемым приводом и т.д. Это позволит изменять подачу воздуха в надмембранную полость 16 газоразделительного блока 2 при регулировании режимов работы азотной станции.
Компрессор низкого давления 3 может быть при необходимости отключен, тогда воздух из атмосферы поступает в первую ступень 1.1 компрессора 1 через фильтр 8 (обратный клапан 13 находится в открытом состоянии).
Примеры выполнения подтверждают возможность осуществления полезной модели.
Указанные примеры не исчерпывают возможные варианты реализации полезной модели в части применения известных схемных решений, выбора типа мембран, приводов, устройств очистки, осушки и охлаждения воздуха и газовой смеси и др.).