КОМПРЕССОРНЫЙ АГРЕГАТ

Полезная модель относится к области холодильной компрессорной техники, в частности, к установкам низкотемпературной конденсации, с последующей сепарацией углеводородного газа, для его осушки перед его транспортом в трубопроводы, и дальнейшей переработкой продуктов конденсации на газоперерабатывающих заводах и других нефтехимических производствах.
Известен компрессорный агрегат на базе центробежного компрессора с приводом от газотурбинного двигателя для использования в установках подготовки газа деэтанизации на газоперерабатывающих производствах (http://www.niitk-kazan.ru/about/publikacii/2013.06%20Utilizacziya%20PNG.pdf).
Компрессорный агрегат выполненный в виде законченных блоков полной заводской готовности, испытанных на предприятии-производителе, что позволяет исключить дополнительные нестыковки в процессе монтажа и пуско-наладки.
Работа установки происходит следующим образом: из испарительной системы пары рабочего агента проходят отделитель жидкости и всасываются первой ступенью компрессора. В компрессоре пары рабочего агента сжимаются до промежуточного давления, смешиваются с паром, идущим из промсосуда, и всасываются во вторую ступень компрессора. Во второй ступени пропан сжимается до давления конденсации и направляется в конденсаторы, где, отдавая тепло в окружающую среду, конденсируется и сливается в линейные ресиверы. Жидкий агент из ресивера поступает в трубное пространство промежуточного сосуда, где охлаждается за счет кипения части жидкости, подающейся в межтрубное пространство. Охлажденный пропан подается в испарители, где дросселируется и кипит, отбирая тепло у охлаждаемого продукта.
К недостаткам известной конструкции следует отнести то, что эффективный диапазон регулирования центробежного компрессора невысок и находится в пределах от 70% до 100% производительности. Каждый пуск центробежного компрессора представляет собой огромную нагрузку на основные узлы компрессора, которые переносят многократную перегрузку, что приводит к уменьшению ресурса, поэтому они ориентированы на беспрерывную работу, в том числе и при отсутствии технологической нагрузки, и имеют ограничения по количеству стоп/пусков в год (не более 20/год).
Производительность компрессора регулируется при помощи изменения числа оборотов ротора, в результате чего происходит изменение характеристик компрессора. Принцип регулировки заключается в том, что обороты изменяют таким образом, чтобы рабочая точка постоянно лежала на требуемой прямой или кривой. Это также приводит к изменению в процессе регулирования потребляемой компрессором мощности. Этот способ обеспечивает диапазон регулирования параметров компрессора до границы помпажа. За этой границей потребляемая мощность далее не снижается.
Таким образом, применение центробежных компрессоров с газотурбинным двигателем целесообразно в регионах со стабильным температурным режимом, а в условиях с частыми и значительными температурными перепадами его применение становится неэффективным.
Наиболее близким к предлагаемому - прототипом - является блочно-комплектный компрессорный агрегат на базе двух винтовых компрессоров фирмы «Йорк» с приводом от электродвигателя, предназначенный для использования в установках подготовки газа деэтанизации на газоперерабатывающих заводах и других нефтехимических производствах (Материалы XXV Всероссийского межотраслевого совещания «Проблемы утилизации попутного нефтяного газа и оптимальные направления его использования. Энергоэффективность», А.Н. Белошапка и др. «Подготовка газа на установке осушки Славянской УППГ», ОАО «НИПИгазпереработка», Краснодар, 2012, с.35).
К преимуществам прототипа следует отнести то, что:
- винтовые компрессоры не имеют ограничений по количеству пусков, и при недостатке или отсутствии технологической нагрузки могут быть остановлены, в то время как центробежные должны работать в холостом режиме;
- винтовые компрессоры конструктивно намного проще центробежных и при одинаковой производительности имеют соответственно меньшую инвестиционную стоимость;
- при использовании центробежного компрессора, в случае понижения расхода газа до величины меньшей, чем соответствующей границе устойчивой работы при данном значении степени повышения давления, компрессор начинает работать в нестабильном режиме, который приводит к развитию режима помпажа, являющегося очень опасным явлением для компрессора, защиту от помпажа обеспечивает антипомпажная регулировка при помощи автоматического перепуска определенной части сжимаемого газа с нагнетания обратно на всасывание;
- вследствие своей простоты и «отработанности» конструкции винтовые компрессоры нечувствительны к содержанию небольшого количества капельной влаги во всасываемом паре, имеют существенно более высокую надежность и продолжительность эксплуатации по сравнению с центробежными;
- в отличие от центробежных винтовые компрессоры не требуют постоянного наблюдения за их работой, пригодны для организации круглосуточной работы, техническое их обслуживание практически сводится к своевременной периодической проверке и регламентному обслуживанию.
И, наконец, насосно-циркуляционная схема подачи жидкого пропана в приборы охлаждения с винтовыми компрессорами по сравнению с безнасосной схемой подачи жидкого пропана в приборы охлаждения с турбокомпрессорами имеет следующие основные преимущества:
- неиспарившаяся в испарителях жидкость пропана повторно направляется в приборы охлаждения природного газа, в связи с чем не требуется дополнительный отделитель жидкости с выпаривателем и подачей горячего теплоносителя от стороннего источника;
- меньшее количество регулируемых параметров;
- большая эффективность теплопередачи в испарителях;
- большая устойчивость и надежность работы, в том числе при изменениях технологических нагрузок;
- регулирование производительности винтовых компрессоров может достигать диапазон от 10% до 100%.
- простота устройства и меньший объем технического обслуживания, несмотря на более развитую систему маслоснабжения и маслоотделения, по сравнению с агрегатами на центробежных компрессорах
Вместе с тем прототип имеет существенный недостаток, а именно, в условиях газодобычи в отдаленных регионах, как правило, отсутствует доступ к недорогой сетевой электроэнергии, а использование автономных электрогенераторов промышленной мощности существенно усложняет конструкцию и удорожает как инвестиционную, так и эксплуатационную составляющие.
Целью полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей холодильного компрессорного агрегата при одновременном снижении инвестиционных и эксплуатационных затрат.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы при одновременном упрощении конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в холодильном компрессорном агрегате, предназначенном для работы в составе пропановой холодильной установки, включающем объединенные в единую гидравлическую цепь два маслозаполненных винтовых компрессора с приводами, имеющими расчетные рабочие частоты вращения, фильтры, трубопроводы, ресиверы, конденсаторы, испарители, запорную и регулирующую арматуру и систему управления, каждый винтовой компрессор оснащен средством регулирования производительности, а приводы выполнены в виде поршневых двигателей внутреннего сгорания, при этом
к
д
900<n=n<1300
где:
к
n - расчетная рабочая частота вращения винтов компрессора,
д
n - расчетная рабочая частота вращения привода компрессора.
Полезная модель поясняется иллюстрациями, где:
- на Фиг. 1 представлена гидравлическая схема компрессорного агрегата в составе пропановой холодильной установки;
- на Фиг.2 представлено устройство винтового компрессора, оснащенного средством регулирования производительности.
Согласно представленной схеме (Фиг. 1) компрессорный агрегат в составе пропановой холодильной установки включает объединенные в единую гидравлическую систему 1 маслозаполненные основные винтовые компрессоры 2 с маслоотделителями 3 и маслоохладителями 4, конденсаторы воздушного охлаждения 5 (количество устанавливается по расчету), линейный ресивер 6, емкостной экономайзер 7, циркуляционный ресивер 8, циркуляционные насосы 9 (в данном исполнении два рабочих и один резервный), теплообменные испарители 10, 11 и 12 (в данном исполнении на разные нагрузки), выпариватели пропана из масла (ректификаторы) 13 (в данном исполнении два), вспомогательный компрессор 14 с конденсатором 15 воздушного охлаждения и маслоотделителем 16, заправочный насос 17 и дренажные ресиверы 18. Маслозаполненные основные винтовые компрессоры 2 оснащены приводами 19, вспомогательный компрессор 14 оснащен приводом 20. Гидравлическая система 1 оснащена функциональной (контрольно-измерительной, управляющей, исполнительной, аварийной и иной) арматурой 21. Пропановая холодильная установка также имеет систему управления (как правило, интегрированную в систему управления производственным циклом конкретного предприятия, не является предметом заявки, в материалах не представлена).
Винтовой компрессор 2 включает корпус 22, впускную 23 и выпускную 24 камеры, ведущий и ведомый винты 25 и средство регулирования производительности, выполненное в виде золотникового клапана 26.
Компрессорный агрегат в составе пропановой холодильной установки функционирует следующим образом.
Испарители 10, 11 и 12 представляют собой высокоэффективные вертикальные теплообменники с набором спиралеобразных теплообменных элементов, выполненных из коррозионностойкой стали. Углеводородный газ в составе, количестве и давлении, определенными техническими параметрами, поступает в теплообменник и охлаждается до температуры 2°C. Охлаждение газа производится подачей в теплообменник жидкого пропана с температурой -10°C в расчетном количестве. Около 60% пропана испаряется при температуре -10°C отнимая тепло от газа, и образовавшаяся парожидкостная смесь сливается в циркуляционный ресивер 8. Регулирование температуры углеводородного газа на выходе из теплообменника осуществляется изменением подачи жидкого пропана в теплообменник в зависимости от температуры газа. Теплообменник оснащен запорно-регулирующей и предохранительной арматурой, приборами и средствами контроля, измерения и автоматики. Устройство и работа всех трех испарителей одинаковы. Различия заключаются в размерах и расчетных параметрах.
Циркуляционный ресивер 8 предназначен для выполнения следующих основных функций:
- отделение неиспарившегося в испарителях жидкого пропана от пара, всасываемого компрессорами 2;
- защита компрессоров 2 от попадания в них жидкого пропана;
- сбор неиспарившегося в испарителях 10, 11 и 12 жидкого пропана;
- насосная подача жидкого пропана в испарители 10, 11 и 12;
- возврат смазочного масла из испарительной системы в компрессоры 2.
В состав циркуляционного ресивера 8 (емкостной аппарат с запорно-регулирующей и предохранительной арматурой), входят: система подачи жидкого пропана в испарители 10, 11 и 12, система возврата смазочного масла из испарительной системы в компрессоры 2, приборы и средства контроля, измерения и автоматики.
В нижней (жидкостной) зоне ресивера 8 находится жидкий пропан, в верхней (сепарационной) зоне - пары пропана. Жидкий пропан из нижней зоны ресивера 8 забирается циркуляционными насосами 9 и подается в испарители 10, 11 и 12. В них жидкий пропан частично испаряется и в виде парожидкостной смеси с температурой -10°C возвращается обратно в ресивер 8. Жидкая фаза пропана сливается в нижнюю зону ресивера 8, а паровая фаза, освобожденная от жидкости, отсасывается компрессорами 2. При этом уровень жидкости в ресивере 8 снижается. Контроль и регулирование уровня в ресивере 8 выполняет сигнализатор рабочего уровня, управляющий регулирующим клапаном подачи жидкого пропана из экономайзера 7 в ресивер 8. На вход регулирующего клапана подается жидкий пропан с расчетной температурой 10°C и давлением 6,4 бара, из паровой зоны производится отсос паров в компрессоры 2 до давления 3,4 бара, в регулирующем клапане происходит дросселирование пропана до температуры -10°C. Для защиты от переполнения ресивера 8 и попадания жидкости в компрессоры 2 устанавливаются сигнализатор предельно допустимого уровня жидкости, подающий предупредительные сигналы в систему управления (не показана) на панель оператора, и два сигнализатора аварийного уровня жидкости (действующие независимо один от другого), производящих автоматическую аварийную остановку обоих компрессоров 2 с подачей светового и звукового сигнала на панель оператора.
Система подачи жидкого пропана в испарители 10, 11 и 12 включает три герметичных центробежных насоса 9, из которых два рабочих и один резервный, трубопровод подачи пропана в испарители 10, 11, 12 и запорно-регулирующую арматуру. Насосы 9 оборудуются фильтрами на всасывании и манометрами на всасывании и нагнетании. Защита насосов 9 обеспечивается дифференциальными сигнализаторами давления и диафрагмами минимального и максимального расхода. Для защиты подающего трубопровода от чрезмерного повышения давления при объемном расширении жидкого пропана на нем устанавливается предохранительный клапан со сбросом в ресивер 8.
Система возврата смазочного масла из испарительной системы в компрессоры 2 включает в себя кожухотрубный теплообменник - выпариватель 13, в который подается пропано-масляная смесь, отбираемая из напорного трубопровода подачи жидкого пропана в испарители 10, 11 и 12. В выпаривателе 13 смесь нагревается за счет теплопередачи от горячих паров пропана, отбираемых из нагнетательного трубопровода компрессоров 2. При этом жидкий пропан выпаривается из смеси. Двухфазная смесь, с температурой (25÷30)°C, состоящая из масла, освобожденного от пропана и сухих перегретых паров пропана, отводится во всасывающие трубопроводы работающих компрессоров 2.
Каждый винтовой маслозаполненный компрессор 2 с приводом от газопоршневого двигателя 19 и, помимо собственно компрессора, включает маслоотделитель 3, маслоохладитель 4, систему автоматического управления и защиты, механические фильтры на линиях всасывания компрессора и экономайзерного порта, запорно-регулирующую и предохранительную арматуру, приборы и средства контроля, измерения и автоматики.
Компрессор 2 всасывает пары пропана из циркуляционного ресивера 8 и экономайзера 7, сжимает их до давления конденсации и нагнетает их в маслоотделитель 3. Компрессор оборудован средством плавного регулирования производительности от 10 до 100%, выполненном в виде золотникового клапана 26. Расчетная частота вращения винтов 25 синхронизирована с частотой вращения привода и составляет 1000 об/мин. Такое решение позволяет исключить из конструкции передаточный механизм и соединить компрессор с приводом напрямую.
Привод компрессора 2 осуществляется от газопоршневого двигателя 19 во взрывозащищенном исполнении мощностью 1879 кВт при частоте вращения 1000 об/мин. с турбонаддувом и промежуточным охлаждением надувочного воздуха, обеспечивающим работу компрессора 2 в длительном режиме.
В маслоотделителе 3 пары пропана освобождаются от смазочного масла и подаются в конденсаторы 5. Маслоотделитель 3 имеет многоуровневую систему сепарации масла, состоящую из агломерата, демистера (туманоуловителя) и интегрированных коалесцентных маслосепарирующих элементов, обеспечивающих отделение масла от пропана до уровня 5 p.p.m. Отделенное от пропана масло подается в маслоохладитель 4.
В кожухотрубном маслоохладителе 4 термосифонного охлаждения масло охлаждается до рабочей температуры жидким пропаном, поступающим из линейного ресивера 6, и возвращающимся в конденсаторы 5.
Система управления установкой обеспечивает управление, автоматический пуск, регулирование производительности и защиту от опасных режимов работы. Контрольные значения могут быть выбраны по таким параметрам, как давление и температура всасывания, нагнетания и масла. Настройки меню позволяют контролировать экономайзер 7, впрыск жидкости, автоматический золотниковый клапан 26 объемной производительности.
Блок конденсаторов состоит из шести V-образных конденсаторов 5 воздушного охлаждения с запорно-регулирующей арматурой во взрывозащищенном исполнении. Регулирование производительности конденсаторов 5 производится плавным изменением скорости вращения собственных вентиляторов в зависимости от давления конденсации.
Линейный, он же термосифонный, ресивер 6 по принципу действия представляет собой сосуд-уровнедержатель, в который сливается жидкий пропан из конденсаторов 5. Отбор и отвод жидкости из него в экономайзер 7 производится на определенной высоте от нижней образующей обечайки, а отбор жидкости на охлаждение масла - с нижней части ресивера 6. Вследствие этого в ресивере 6 постоянно наличествует определенный запас жидкого пропана, необходимый для приоритетного охлаждения смазочного масла компрессоров 2 при задержках слива жидкости из конденсаторов 5 и в случае экстренной остановки установки на время реакции защитной автоматики и персонала. Нагретый в маслоохладителях 4, и частично (или полностью) испарившийся пропан возвращается в конденсаторы 5. Побудительной силой, обеспечивающей движение пропана через маслоохладители 4, является разность гидростатического давления на входе и на выходе из маслоохладителей 4, обусловленная разностью плотности среды на входе и выходе из маслоохладителей 4 (принцип «термосифона»).
Линейный ресивер 6 представляет собой горизонтальный емкостной аппарат, оборудованный визуальным указателем уровня жидкого пропана, сигнализатором нижнего и верхнего его уровня, запорно-регулирующей и предохранительной арматурой. Предназначен для содержания определенного запаса жидкого пропана, необходимого для компенсации изменения количества пропана в установке при изменениях режима ее работы, объемного расширения пропана и компенсации небольших потерь пропана при проведении ремонтно-профилактических работ.
Экономайзер 7 предназначен для переохлаждения жидкого пропана на входе в регулирующий клапан подачи пропана в циркуляционный ресивер 8 и тем самым увеличения холодопроизводительности установки и представляет собой горизонтальный (вертикальный) емкостной аппарат, оборудованный визуальным указателем уровня жидкого пропана, сигнализаторами рабочего, предельно допустимого и аварийного уровней жидкости и запорно-регулирующей и предохранительной арматурой.
В экономайзер 7 подается жидкий пропан с расчетной температурой 47°C и давлением 16,3 бара из линейного ресивера 6 через регулирующий клапан, управляемый сигнализатором рабочего уровня жидкого пропана в сосуде, из паровой зоны сосуда производится отсос паров в экономайзерные порты компрессоров 2 до давления 6,4 бара, в регулирующем клапане происходит дросселирование пропана до температуры 10°C. Жидкий пропан сливается в нижнюю зону сосуда, контролируемую сигнализаторами рабочего, предельно допустимого и аварийного уровня, откуда отводится в циркуляционный ресивер 8. Сигнализатор предельно допустимого уровня, подает предупредительные световой и звуковой сигналы в систему управления на панель оператора, а два сигнализатора аварийного уровня (действующие независимо один от другого), производят автоматическую аварийную остановку обоих компрессоров 2 с подачей светового и звукового сигнала на панель оператора. Пары пропана отсасываются из верхней (сепарационной) зоны в экономайзерные порты компрессоров 2 через регуляторы давления «до себя», поддерживающие в экономайзере 7 давление 6,4 бара.
Дренажные ресиверы 18 предназначены для эвакуации из сосудов и аппаратов установки жидкого и парообразного пропана, хранения оперативного запаса жидкого пропана, заполнения и пополнения элементов установки пропаном, приема пропана из специализированных транспортных средств и слива в них жидкого пропана из установки.
Дренажные ресиверы 18 объемом по 18÷20 м каждый, оборудованные визуальными указателями и сигнализаторами минимального и максимального уровня жидкости, оснащены вспомогательной пропановой компрессорно-конденсаторной установкой во взрывозащищенном исполнении с маслоотделителем и конденсатором воздушного охлаждения, герметичным дозирующим насосом, фильтром-осушителем пропана, запорно-регулирующей и предохранительной арматурой, приборами и средствами контроля, измерения и автоматики.
При работе установки один из ресиверов 18 используется для хранения оперативного запаса жидкого пропана. Второй ресивер 18 используется в качестве дренажного, в нем содержится минимальное количество жидкого пропана и посредством работы вспомогательного компрессора 14 в нем создается пониженное давление пропана, достаточное для эвакуации пропана из основных сосудов циркуляционного ресивера 8.
Заправочный насос 17 используется для перекачивания жидкого пропана из одного дренажного ресивера 18 в другой, подачи жидкого пропана в линейный 6 и циркуляционный 8 ресиверы, приема пропана из специализированных транспортных средств и перекачивание в них жидкого пропана из дренажных ресиверов 18.
Для осуществления сервисных и ремонтных работ (при текущем ремонте, авариях и т.п.) в установке предусмотрены функциональные системы:
- Заправка (Фиг. 1) - для рабочей и сервисной заправки/дозаправки установки хладагентом (пропаном);
- Аварийный слив (Фиг. 1) - для быстрого сбора и утилизации жидкого хладагента (пропана);
Подвод инертного газа (Фиг. 1) - для вытеснения из трубопроводов и емкостей установки хладагента (пропана) с целью безопасного осуществления ремонтных и иных работ;
На факел (Фиг. 1) - система, предназначенная для освобождения трубопроводов и емкостей установки от образующихся в них неутилизируемых остатков газовой смеси.
Таким образом, вышеописанный компрессорный агрегат в составе пропановой холодильной установки обеспечивает требуемый температурный режим подготовки газа деэтанизации, поступающего из технологической цепочки в испарители 10, 11 и 12 по стрелке сверху и, после охлаждения, поступающего далее в технологическую цепочку по стрелке влево (Фиг. 1).
Данные расчетов эксплуатационных характеристик заявленного компрессорного агрегата в составе пропановой холодильной установки подтверждают его эффективность и сведены в Таблицу 1.
При этом достигается устойчивая и безопасная работа компрессорного агрегата в составе пропановой холодильной установки в диапазоне 20-100% от номинальной производительности, допустимое число пусков в год не ограничено.
С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача полезной модели - расширение эксплуатационных возможностей компрессорного агрегата в составе пропановой холодильной установки при одновременном снижении инвестиционных и эксплуатационных затрат - решена, и заявленный технический результат - повышение эффективности, в том числе при изменениях технологических нагрузок, при одновременном упрощении конструкции - достигнут.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области холодильной компрессорной техники, в частности, к установкам низкотемпературной конденсации, с последующей сепарацией углеводородного газа, для его осушки перед его транспортом в трубопроводы, и дальнейшей переработкой продуктов конденсации на газоперерабатывающих заводах и других нефтехимических производствах;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно:
- для двигателей внутреннего сгорания, предназначенных для работы с постоянной нагрузкой в длительном режиме, характерен диапазон эффективных частот вращения от 750 до 1300 об/мин. Для винтовых маслонаполненных компрессоров диапазон эффективных частот вращения составляет от 900 до 12000 об/мин. Таким образом, приемлемый как для двигателя, так и для компрессора диапазон составляет от 900 до 1300 об/мин. Следовательно, данный количественный признак необходим для обеспечения эффективной работы компрессорного агрегата;
- использование заявленного диапазона в компрессорном агрегате позволяет исключить из его конструкции сложный и дорогостоящий мультипликатор (редуктор), как это имеет место в прототипе, а соединить компрессор с приводом напрямую. Следовательно, данный количественный признак необходим для обеспечения упрощения конструкции компрессорного агрегата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.