КОМПРЕССОР ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
HIGH-PRESSURE COMPRESSOR AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к компрессору высокого давления для сжатия газов с, по меньшей мере, двумя рабочими полостями, который выборочно может быть отрегулирован между одноступенчатым рабочим положением, в котором компримируемый газ сжимается в единственной ступени, и многоступенчатым рабочим положением, в котором, по меньшей мере, одна рабочая полость соединена последовательно с, по меньшей мере, одной последующей рабочей полостью, а также к применению компрессора высокого давления, соответствующего изобретению, и, в равной мере, к способу работы компрессора высокого давления, соответствующего изобретению.
В компрессоре высокого давления сжимаемый газ, за счет внутреннего уплотнения этого газа, сжимается до давления более 10 бар, причем компрессоры высокого давления, в частности, выполнены для того, чтобы подавать газ в газовые трубопроводы высокого давления, по которым газ обычно транспортируется под давлением 70 бар.
Уже известны компрессоры высокого давления, у которых несколько рабочих полостей, например цилиндров, в случае поршневого компрессора, расположены параллельно для того, чтобы достигнуть наибольшую возможную производительность.
С другой стороны, известны компрессоры высокого давления, у которых несколько ступеней сжатия соединены последовательно для того, чтобы газ, сжатый в предыдущей ступени сжатия, далее компрессировать в ступени сжатия, идущей следом.
Из DE 916203 С уже известен двухступенчатый нагнетатель, у которого предусмотрен 3-ходовой клапан переключения для того, чтобы иметь возможность переключения между параллельным и последовательным расположением двух компрессоров.
В ЕР 1340919 А описан способ управления несколькими отдельными лопастными машинами. При этом каждая лопастная машина имеет собственную приводную машину, причем параллельно соединенные лопастные машины ступени низкого давления, ступени среднего давления и ступени высокого давления могут быть включены последовательно. Для того чтобы иметь возможность отказаться от так называемого мастер-регулятора (**) для комбинированного последовательного и параллельного включения, каждой лопастной машине придан регулятор машины, и для регулирования лопастных машин, работающих вместе в одной станции, соответствующему регулятору машины непосредственно отправляется общий параметр процесса. Таким образом, ЕР-заявка относится к способу другого вида, при котором не предусмотрено выборочное переключение отдельных рабочих полостей между одноступенчатым и многоступенчатым рабочими положениями установки.
В ЕР 0431287 А также описано управление другого вида для нескольких компрессоров, причем компрессоры подключены или в параллельный, или в последовательный рабочий процесс.
-2
К тому же известно, что у вакуумных насосов другого вида, как они, к примеру, описаны в DE 10249062 А1, из отделителей атмосферного давления может быть откачан воздух до желаемого остаточного вакуума - около 10 миллибар, причем у вакуумных насосов по причине малой разницы давлений не производится существенного внутреннего уплотнения перекачиваемого газа. При этом относительно действенного процесса выкачивания известно, что нужно предусмотреть двухступенчатый вакуумный насос, у которого обе имеющихся колбы, на начальной стадии процесса, всасывают параллельно, и только при давлении в отделителе, при котором газы, всасываемые поршнем, не могут больше передавать атмосферное давление, колбы, ранее соединенные параллельно, нужно соединять последовательно.
В DE 20202190 U1 также описан вакуумный насос, отличный от компрессоров высокого давления, причем здесь, в частности, показан специальный блок клапанов для переключения между параллельным соединением и последовательным соединением. При этом также речь идет о вакуумном насосе, который может использоваться только для получения уровней давления в миллибарном диапазоне.
В противоположность этому, целью предлагаемого изобретения является создание компрессора высокого давления обозначенного вначале вида, с которым иметь возможность сжимать газы, имеющие сильно различающиеся уровни давления на входной стороне компрессора высокого давления, как можно эффективнее, до высокого давления, в частности до 70 бар.
У компрессора высокого давления обозначенного вначале вида это достигается вследствие того, что предусмотрены, по меньшей мере, три рабочих полости, имеющие все одинаковый рабочий объем. Предпочтительно, в частности, если предусмотрены четыре или пять рабочих полостей. У обычных компрессоров высокого давления, у которых несколько рабочих полостей соединены параллельно друг другу, и имеется, таким образом, большой объем подачи, может достигаться степень сжатия, например, природного газа, максимально - около 1:5. Следовательно, компрессорами высокого давления подобного вида возможно вводить в газопровод высокого давления, имеющий обычно уровень давления 70 бар, только природный газ, который подается на компрессор под давлением около 15 бар. Компрессором высокого давления, соответствующим изобретению, у которого на выбор может выбираться между одноступенчатым режимом работы и многоступенчатым режимом работы, при достижении определенного уровня давления на входной стороне компрессора высокого давления может последовательно подсоединяться, по меньшей мере, одна рабочая полость, так что может достигаться более высокое конечное сжатие, делающее возможным, в частности, ввод сжатого газа в газопровод высокого давления. При этом посредством предусмотрения рабочих полостей с одинаковым рабочим объемом достигается наибольшее возможное эффективное сжатие, то есть высокая производительность, в одноступенчатом режиме работы, в котором все рабочие полости могут быть соединены параллельно. Вместе с этим, посредством предусмотрения трех, в частности, четырех или пяти рабочих полостей достигается высокая эффективность в многоступенчатом режиме работы со степенью сжатия, в частности, 1:3 или 1:4. Таким образом, посредством предусмотрения, по меньшей мере, трех рабочих полостей с одинаковыми рабочими объемами можно достигнуть наибольшего возможного эффективного сжатия сжимаемого газа как в одноступенчатом режиме работы, так и в многоступенчатом режиме работы.
Для того чтобы достигнуть наибольшей возможной производительности в одноступенчатом режиме работы, преимуществом является, если в одноступенчатом рабочем положении все рабочие полости соединены параллельно друг другу.
Для того чтобы достигнуть наибольшего возможного сжатия со степенью сжатия 1:3 или 1:4, преимуществом является, если в многоступенчатом рабочем положении три или четыре рабочие полости соединены параллельно, а одна рабочая полость соединена последовательно с остальными рабочими полостями.
Компрессор высокого давления, имеющий высокую эффективность, конструктивно проще исполнен, если предусмотрен поршневой компрессор, так что в качестве рабочей полости предусмотрен цилиндр. Разумеется, могли бы предусматриваться также компрессоры другого вида с разобщенными рабочими полостями, например винтовой нагнетатель, турбонагнетатель, воздуходувка или тому подобные.
Что касается конструктивно простой возможности селективной настраиваемости между одноступенчатым и многоступенчатым режимом работы, преимуществом является, если для переключения между одноступенчатым рабочим положением и многоступенчатым рабочим положением предусмотрен, по меньшей мере, один клапан, в частности 3-ходовой клапан, в, по меньшей мере, одном газовом трубопроводе.
Для того чтобы одну рабочую полость, в одноступенчатом режиме работы включенную параллельно, простым образом подключить к остальным рабочим полостям в многоступенчатом режиме работы, является выгодным, если один клапан расположен в одном из, по меньшей мере, двух, соединенных параллельно в одноступенчатом рабочем положении, газоподводящих трубопроводов рабочих полостей, а другой клапан расположен в одном из, по меньшей мере, двух, соединенных параллельно в одноступенчатом рабочем положении, газоотводящих трубопроводов рабочих полостей.
При этом для автоматического переключения между одноступенчатым режимом работы и многоступенчатым режимом работы является преимуществом, если клапаны для переключения между одноступенчатым рабочим положением и многоступенчатым рабочим положением приведены в действие электрически, пневматически или гидравлически.
Для того чтобы посредством переключения клапанов простым образом достигнуть перемены с одноступенчатого рабочего положения на многоступенчатое рабочее положение, является выгодным, если предусмотрен соединительный трубопровод, по которому в многоступенчатом рабочем режиме газоотводящий трубопровод рабочей полости соединен с газоподводящим трубопроводом другой рабочей полости.
Если в соединительном трубопроводе расположено охлаждающее устройство, то может конденсироваться определенная доля газа, компримированного (*) в первой ступени сжатия при многоступенчатом режиме работы; при этом является выгодным, если в соединительном трубопроводе расположен отделитель конденсата для того, чтобы отделять конденсат от газа, предусмотренного для последующего сжатия. Также на основании внутреннего компримирования газа в компрессоре высокого давления является преимуществом, если в центральном газоотводящем трубопроводе расположено охлаждающее устройство, причем для отделения конденсата, полученного с помощью охлаждающего устройства, является преимуществом, если в центральном газоотводящем трубопроводе расположен отделитель конденсата.
Далее изобретение касается применения компрессора высокого давления, соответствующего изобретению, для размещения в соединительном трубопроводе между резервуаром отбора газа с давлением на входе, уменьшенным относительно начального давления, и резервуаром приема газа с постоянным уровнем давления, соответствующим, по существу, начальному давлению, причем компрессор высокого давления сначала установлен в одноступенчатое рабочее положение, а при падении давления на входе компрессора высокого давления для поддержания постоянного уровня давления на выходе переключается в многоступенчатое рабочее положение. Здесь под резервуаром отбора газа может подразумеваться, в частности, составляющий участок газопровода высокого давления, который, например, должен ремонтироваться по причине негерметичности, или подвергается очистке, или тому подобное. В удаленных регионах, в которых не имеется в наличии газопроводная система среднего давления - 12 или 30 бар, а также нет газопроводной системы низкого давления - около 35 - 50 миллибар, весь газ, собранный в перекрытом отрезке газопровода с начальным давлением 70 бар, отводится в окружающую среду. Благодаря применению соответствующего изобретению компрессора высокого давления в соединительном трубопроводе, который, к примеру, соединяет два участка трубопровода высокого давления, почти весь объем газа, находящийся в перекрытом составляющем участке, может нагнетаться с помощью компрессора высокого давления, соответствующего изобретению, и, таким образом, опять вводится в газопровод высокого давления.
При этом, для того чтобы иметь возможность использовать компрессор высокого давления для подобных нагнетаний, является выгодным, если давление на выходе составляет, по существу, 70 бар.
Если компрессор высокого давления переключается в многоступенчатое рабочее положение при давлении на входе между 10 бар и 20 бар, а, по существу, преимущественно, 15 бар, то сначала в одноступенчатом режиме работы может достигаться наибольшая возможная эффективная компрессия давления на выходе, составляющего до 1/5 от давления на выходе 70 бар, и только потом осуществляется переключение на многоступенчатый режим работы для того, чтобы наиболее возможным способом эффективно достигнуть желаемой компрессии высокого давления.
Далее изобретение касается способа работы компрессора высокого давления, соответствующего изобретению, причем давление на входе компрессора высокого давления регистрируется, а при уходе давления ниже фиксированного значения компрессор автоматически переключается из одноступенчатого рабочего положения в многоступенчатое рабочее положение. Таким образом, без всякого ручного вмешательства у компрессора высокого давления выбирается соответственно самое эффективное рабочее положение.
Далее изобретение подробнее поясняется с помощью изображенного на чертежах предпочтительного примера осуществления, которым изобретение не должно быть ограничено. По отдельности показаны на чертежах:
фиг.1 - схематично-компрессор высокого давления 1 с четырьмя цилиндрами, соединенными параллельно друг другу;
фиг.1а - схематично - вид приводного агрегата компрессора высокого давления;
фиг.2 - схематично - компрессор высокого давления 1, согласно фиг.1, у которого один цилиндр подсоединен последовательно к остальным цилиндрам;
фиг.3 - схематично - применение компрессора высокого давления, согласно фиг.1 и 2, в одноступенчатом режиме работы в соединительном трубопроводе двух участков газопровода; и
фиг.4 - схематично - применение компрессора высокого давления, согласно фиг.3, в двухступенчатом режиме работы.
В рабочем положении компрессора 1 высокого давления, показанном на фиг.1, рабочие полости 3, 3' и поршневые нагнетатели 2, 2' соединены параллельно друг другу, так что имеется только одна, единственная ступень сжатия. Как очевидно из фиг.1а, шатуны 2", которые соответственно приданы рабочей полости 3, 3', приводятся в движение общим коленчатым валом 1" общего приводного агрегата 1'. При этом по газовводному трубопроводу 4, на котором расположены газостравливающий трубопровод 5, а также клапан ограничения давления 6, и по газоподводящим трубопроводам 7, 7' сжимаемый газ параллельно вводится в рабочие полости 3, 3' и затем по газоотводящим трубопроводам 8, 8' подается в центральный газоотводящий трубопровод 9, в котором предусмотрены охлаждающее устройство 10, а также отделитель конденсата 11 и газостравливающий трубопровод 12.
В этом рабочем положении компрессор 1 высокого давления может достигать наивысшей производительности, причем возможная степень сжатия природного газа на основании одноступенчатого рабочего положения ограничена отношением давления на входе к давлению на выходе - около 1:5.
Для того чтобы тем же компрессором 1 высокого давления достигнуть более высокого сжатия, компрессор 1 высокого давления может простым образом переключатся в многоступенчатое рабочее положение, показанное на фиг.2. При этом в газоотводящем трубопроводе 8 предусмотрен 3-ходовой клапан 13, через который газоотводящие трубопроводы 8 поршневых нагнетателей 2, соединенные параллельно друг другу, могут подсоединяться к соединительному трубопроводу 14. В многоступенчатом рабочем положении соединительный трубопровод 14, кроме того, связывается с помощью 2- или 3-ходового клапана 15 с газоподводящим трубопроводом 7' поршневого нагнетателя 2', так что газоотводящие трубопроводы 8 трех поршневых нагнетателей 2, соединенные параллельно друг другу, сообщаются с газоподводящим трубопроводом 7' поршневого нагнетателя 2', и, следовательно, посредством переключения клапанов 13, 15 простым образом может достигаться последовательный режим эксплуатации отдельных рабочих полостей 3, 3'.
При этом в соединительном трубопроводе 14 предусмотрены охлаждающее устройство 16****, а также отделитель конденсата 17 для того, чтобы охладить газ, находящийся под внутренним сжатием в первой ступени сжатия в рабочих полостях 3 и отделить производимый конденсат, благодаря чему достигается эффективное последующее сжатие в подсоединенном поршневом цилиндре 2'.
У изображенного примера осуществления здесь показаны четыре поршневых нагнетателя 2, 2' с соответственно идентичными рабочими полостями 3 или 3', так что эффективная компрессия достигается как в параллельном одноступенчатом режиме работы, так и в многоступенчатом режиме работы, так как в многоступенчатом режиме работы предварительно сжатый газ затем сжимается в следующей рабочей полости 3', которая содержит только треть рабочего объема первой ступени сжатия, вследствие чего во второй ступени сжатия достигается эффективная степень сжатия 1:3.
На фиг.3 и 4 показано особое применение компрессора 1 высокого давления, схематично представленного на фиг.1 и 2, в контакте с трубопроводом 18 высокого давления для перекачки природного газа. Подобные газопроводы 18 высокого давления проложены, в частности, в очень отдаленных регионах, в которых нет в наличии параллельной газовой сети низкого давления, в которую мог бы отводиться газ, поставляемый по газопроводу 18 высокого давления. Подобные газопроводы высокого давления имеют участки трубопровода 18', 18", которые могут на определенной дистанции, обычно около 30 км, отделяться друг от друга запорными механизмами 19. Если на трубопроводе 18 для перекачки природного газа, в районе участка 18' трубопровода, вдобавок в удаленных регионах, возникает негерметичность или должны проводиться очистные работы или тому подобное, то обычно участок трубопровода 18' отделяется от остального газопровода 18 запорным механизмом 19, и газ, находящийся в участке 18' трубопровода под давлением 70 бар, отводится через клапан 20 в окружающую среду. Для того чтобы предотвратить отвод в окружающую среду, на фиг.3 (*****) показан компрессор 1 высокого давления, подсоединенный через соединительный или байпасный трубопровод 21 к клапанам 20 участков трубопровода 18', 18", который, как видно из фиг.3, функционирует в одноступенчатом режиме работы, показанном ранее на фиг.1, на начале подачи природного газа по соединительному трубопроводу 21.
Если в участке трубопровода 18' все еще накоплен природный газ под давлением около 15 бар, то при одноступенчатом режиме работы компрессора 1 высокого давления на основании ограниченной степени сжатия - около 1:5 последующий природный газ не может вводиться в участок трубопровода 18", в котором преобладает давление около 70 бар. Вследствие этого, как показано на фиг.4, рабочая полость 3' посредством переключения клапанов 13 и 15 (см. фиг.2) подсоединяется последовательно к остальным рабочим полостям 3, благодаря чему может достигаться хотя и меньшая производительность, но все же большее сжатие.
Посредством переключения в многоступенчатое рабочее положение, показанное на фиг.2 и 4, природный газ из участка трубопровода 18' с давлением до около 2-3 бар может вводиться в участок трубопровода 18" с давлением 70 бар. Разумеется, это было бы возможно, если предусмотреть еще одну или более последующих ступеней сжатия для того, чтобы газ, находящийся под еще более низким давлением в участке трубопровода 18', вводить с давлением 70 бар в участок трубопровода 18".