Судовая компрессорная установка для получения газообразного азота высокого давления

Заявляемая полезная модель относится к области судового оборудования, а именно к установкам для получения (производства) из атмосферного воздуха газовой смеси с высоким содержанием азота, используемой для снижения пожарной опасности при выполнении технологических операций с горючими веществами на судах.
Судовая установка инертного газа предназначена для подачи и периодического пополнения (подбивки) азотом цистерн авиационного топлива, которые расположены на каждом авианесущем корабле или судах с вертолетной площадкой. Кроме того, система инертного газа предназначена для периодического пополнения азотом систем самолетов или вертолетов, которые базируются на авианесущем корабле или судах с вертолетной площадкой.
В частности, настоящая полезная модель может применяться для получения азота высокого давления с низкой точкой росы для наддува топливных баков и продувки топливных трубопроводов на авианесущих кораблях.
Специфическими требованиями, предъявляемыми к таким системам инертного газа, являются:
- минимальные габаритные размеры для обеспечения размещения в ограниченном пространстве;
- компоновка на единой стальной несущей раме входящего в состав установки оборудования;
- осуществление привода компрессора от электродвигателя;
- возможность получения на выходе установки азота высокого давления до 20 МПа;
- осуществление водяного охлаждения тепловыделяющего оборудования;
- возможность автоматического управления технологическим процессом получения газообразного азота.
Известна передвижная азотная компрессорная станция, содержащая первый и второй компрессоры с дизельными приводами и газоразделительный блок, при этом выход первого компрессора соединен с входом второго компрессора через газоразделительный блок, первый компрессор выполнен винтовым, а второй компрессор выполнен многоступенчатым поршневым (патент РФ №114490, МПК F04B 41/00, публикация 2012 г.).
Известен генератор азота, содержащий винтовой компрессор с приводом в виде дизельного двигателя, систему подготовки воздуха с подогревателем и газоразделительный блок, при этом выход воздуха компрессора соединен с входом газоразделительного блока (патент РФ №135268, МПК B01D53/00, публикация 2013 г.).
Известна азотная компрессорная станция СДА-50/25, содержащая первый и второй винтовые компрессоры с дизельными приводами, первую и вторую системы подготовки воздуха, первый и второй газоразделительные блоки. При этом выход воздуха первого компрессора соединен с входом воздуха первой системы подготовки воздуха, выход воздуха которой соединен со входом воздуха первого газоразделительного блока. Кроме того, выход воздуха второго компрессора соединен с входом воздуха второй системы подготовки воздуха, выход первого газоразделительного блока соединен с первым запорным клапаном, а выход второго газоразделительного блока соединен со вторым запорным клапаном (патент на полезную модель РФ №161848, МПК F04B 41/00, публикация 2016 г.).
Известна передвижная азотная компрессорная станция, содержащая компрессор, силовой привод компрессора, топливную систему силового привода с топливным баком и газоразделительный блок в которой топливный бак размещен снаружи станции под ее рамой. При этом станция содержит жидкостную систему охлаждения привода компрессора и жидкостную систему охлаждения компрессора (патент на полезную модель РФ №123073, МПК F04B 41/00, публикация 2012 г.).
Недостатком известных устройств является применение для компрессоров дизельных приводов, потребность в наличии запаса дизельного топлива, необходимость обеспечения подачи воздуха для работы и охлаждения дизельных приводов, что ограничено применимо на судах, так как приводит к увеличению габаритных размеров, шума и усложняет эксплуатацию и обслуживание.
Известна автоматизированная компрессорная станция, включающая поршневой многоступенчатый компрессор высокого давления с приводом, блок осушки и очистки сжатого воздуха, систему охлаждения компрессора, систему охлаждения блока осушки, систему виброизоляции компрессора и систему автоматизированного управления, в которой система охлаждения компрессора и система охлаждения блока осушки выполнены двухконтурными и каждая из них содержит жидкостной замкнутый контур с незамерзающей жидкостью для охлаждения непосредственно компрессора или блока осушки, и водовоздушный теплообменник с электроприводными вентиляторами для охлаждения жидкостного контура атмосферным воздухом (патент на полезную модель РФ №135015, МПК F04B 41/00, публикация 2013 г.).
Недостатком известной компрессорной станции является то, что несмотря на наличие возможности жидкостного охлаждения тепловыделяющего оборудования (компрессора и блока осушки) в системе охлаждения предусмотрен малоэффективный водовоздушный теплообменник, который имеет габаритные размеры значительно большие по сравнению с водо-водяным теплообменником, а также требует непосредственного контакта с атмосферным охлаждающим воздухом, что сложно реализовать в судовых установках, которые, как правило, размещаются в машинных отделениях.
Ближайшим аналогом предлагаемого устройства является азотная компрессорная установка, которая включает в себя размещенные на единой раме винтовой и поршневой компрессоры с приводами от электродвигателей, блок управления, блок подготовки воздуха с подогревателем, мембранный газоразделительный блок, на выходе которого установлен газоанализатор, при этом вход блока подготовки воздуха соединен с выходом первого компрессора, а мембранный газоразделительный блок подключен к выходу блока подготовки воздуха, причем выход мембранного газоразделительного блока сообщен трубопроводом через запорно-регулирующий клапан с размещенными на раме двумя параллельно подключенными емкостями для газообразного азота, одна из которых через запорно-регулирующий клапан сообщена с входом в поршневой компрессор и далее через фильтр с выходом азота высокого давления, а вторая через редукционный клапан и запорно-регулирующий клапан сообщена с выходом азота низкого давления (патент РФ №180075, МПК F04B 41/00, публикация 2018 г.).
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности водяного охлаждения тепловыделяющего оборудования (компрессоров) посредством блока охлаждения с пресным контуром, снятие теплоты с которого осуществляется внешним теплоносителем (забортной водой), что предпочтительно для судового оборудования.
Задачей предлагаемой полезной модели является расширение арсенала технических средств, используемых для производства газообразного азота высокого давления.
Технический результат заключается в реализации указанного назначения и создании эффективной в работе и удобной в эксплуатации конструкции устройства, используемого для получения газообразного азота из воздуха.
Указанный технический результат достигается использованием судовой компрессорной установки для получения газообразного азота высокого давления, включающей в себя расположенные в едином корпусе и последовательно сообщенные трубопроводами винтовой компрессор, блок подготовки воздуха, мембранный газоразделительный блок, поршневой компрессор, фильтр-осушитель и жидкостную систему охлаждения компрессоров, при этом между мембранным газоразделительным блоком и поршневым компрессором размещена емкость для газообразного азота. Установка характеризуется тем, что жидкостная система охлаждения компрессоров включает два контура - внутренний замкнутый контур с циркулирующей в нем пресной водой, обеспечивающей посредством теплообмена охлаждение
теплонагруженных элементов винтового и поршневого компрессоров, и внешний контур, подключенный через патрубки, выполненные в корпусе установки, к внешнему источнику охлаждения (забортной воде) для возможности охлаждения пресной воды, циркулирующей во внутреннем контуре.
Судовая система инертного газа предназначена для получения газообразного азота из воздуха методом селективного разделения на полимерных мембранах с использованием двух компрессоров с электроприводом с водяной системой охлаждения.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема азотной компрессорной установки, на фиг. 2 приведена азотная компрессорная установка вид спереди, на фиг. 3 - то же, вид сверху.
Азотная компрессорная установка (см. фиг. 1) включает винтовой компрессор 1, блок подготовки воздуха 2, мембранный газоразделительный блок 3, емкость для газообразного азота 4, управляемый клапан 5, поршневой компрессор высокого давления 6, фильтр-осушитель 7. Все элементы установки расположены последовательно и соединены между собой, а емкости 4 соединены параллельно. Для отвода продуктового азота высокого давления установка снабжена патрубком 8. Для отвода пермеата азотная компрессорная установка снабжена выходным патрубком 9. На выходе мембранного газоразделительного блока 3 для отвода некондиционного азота в процессе выхода на режим предусмотрен патрубок 10, сброс на который обеспечивается работой запорно-регулирующего клапана 11 и управляемым клапаном 12. Для контроля газовой смеси на выходе мембранного газоразделительного блока 3 предусмотрен газоанализатор 13, для автоматического отвода конденсата из блока подготовки воздуха 2 азотная компрессорная установка снабжена выходным патрубком 14.
Для управления подачей продуктового азота высокого давления потребителю на выходе фильтра-осушителя 7 перед патрубком 8 установлен запорно-регулирующий клапан 15. Для контроля точки росы продуктового азота предусмотрен анализатор точки росы 16.
Для охлаждения теплонагруженных элементов винтового и поршневого компрессоров предусмотрен блок охлаждения 17, состоящий из внутреннего замкнутого контура с пресной водой, циркулирующей во внутреннем замкнутом контуре, и внешнего контура, подключенного через патрубки, выполненные в корпусе установки, к внешнему источнику охлаждения (забортной воде). Подвод воды к блоку охлаждения 17 от внешнего источника охлаждения (забортной воде) предусмотрен через патрубок 18. Отвод воды к внешнему источнику охлаждения (забортной воде) осуществляется через патрубок 19.
Судовая компрессорная установка для получения газообразного азота высокого давления (см. фиг. 2 и фиг. 3) содержит блок управления 20, для обеспечения контроля основных параметров и автоматического управления установкой, включающий панель оператора 21, обеспечивающий визуализацию и настройку азотной компрессорной установки. Все узлы и системы соединены функциональными связями и закреплены на единой несущей раме 22.
Судовая компрессорная установка для получения газообразного азота высокого давления работает следующим образом.
Исходный воздух с помощью компрессора 1 сжимается и под давлением последовательно подается на блок подготовки воздуха 2, где происходит его очистка от паров масла, капельной влаги, твердых частиц и других вредных примесей, а также происходит стабилизация основных параметров воздуха (давление, температура).
Удаление конденсата из фильтров, входящих в блок подготовки воздуха 2, производится в автоматическом режиме через конденсатоотводчики (не показаны) и далее на выходной патрубок 14.
Из блока подготовки воздуха 2 сжатый воздух поступает на вход подогревателя (не показан), в котором он нагревается до температуры, соответствующей оптимальному режиму работы мембранного газоразделительного блока 3 (45-55°С). Поддержание требуемой температуры подогревателя с электронагревательным элементом осуществляется с помощью блока управления 20.
Очищенный и подогретый воздух подается в мембранный газоразделительный блок 3.
Проходя через мембранный газоразделительный блок 3, сжатый воздух разделяется на два потока: поток воздуха с высоким содержанием кислорода (пермеат) на выходе патрубка 9 и поток воздуха, обогащенный азотом (ретентат) на выходе патрубка 10. Разделение газов происходит за счет различных коэффициентов проницаемости азота и кислорода через полимерную мембрану газоразделительного блока 3. Движущей силой разделения является разность парциальных давлений газов на мембране.
Настройка основных рабочих параметров производится с панели оператора 21, расположенной в блоке управления 20, и при необходимости может быть изменена.
На выходе мембранного газоразделительного блока 3 расположен запорно-регулирующий клапан 11, управляемый клапан 12 и патрубок 10 для сброса некондиционного азота. В стадии выхода на рабочий режим газовая смесь азота контролируется газоанализатором 13 и при не достижении целевой концентрации азота сбрасывается через управляемый клапан 12 и патрубок сброса 10. При достижении целевой концентрации азота, также контролируемой по газоанализатору 13, клапан 12 закрывается, запорно-регулирующий клапан 11 открывается и газообразный азот с заданной концентрацией поступает в емкости 4.
С выходного коллектора емкостей 4 газообразный азот через клапан 5 поступает на вход дожимающего поршневого компрессора 6 и далее через фильтр-осушитель 7 и запорно-регулирующий клапан 15 на выходной патрубок 8.
Блок управления 20 (фиг. 2, 3) осуществляет контроль основных параметров, визуализацию на панели оператора 21 и автоматическое управление установкой.
3
Судовая система инертного газа позволяет решать газоразделительные задачи производительностью до 250 нм/ч по целевому продукту с чистотой азота от 95 до 99,5%, при давлении до 35 МПа, с точкой росы до минус 60°С.
Настоящая полезная модель обеспечивает создание эффективной в работе и удобной в эксплуатации конструкции устройства, используемого для получения газообразного азота из воздуха, чем расширяет арсенал технических средств, используемых для производства газообразного азота, применяемого на кораблях и судах и в других отраслях промышленности.