КОМПРЕССОРНЫЙ АГРЕГАТ КОМПРИМИРОВАНИЯ АЗОТО-ВОДОРОДНОЙ СМЕСИ В ПРОИЗВОДСТВЕ АММИАКА (ВАРИАНТЫ)
COMPRESSOR UNIT FOR NITROGEN-HYDROGEN MIXTURE COMPRESSION IN AMMONIA PRODUCTION (EMBODIMENTS)

Изобретение относится к компрессоростроению, в частности, к компрессорным агрегатам высокого давления.
2
В технологической линии производства аммиака турбокомпрессорный агрегат служит для компримирования (сжатия) азото-водородной смеси (синтез-газа) до давления 230 … 260 кгс/см, а также обеспечивает циркуляцию синтез-газа через колонну синтеза. Работая с частотой вращения около 11000 об/мин, агрегат потребляет более половины энергии всего производства аммиака. Приводом турбокомпрессорного агрегата служит паровая турбина, которая в качестве энергоносителя использует пар с высокими параметрами, в частности, давлением до 10 МПа и температурой 720 - 740 К.
Изменения на энергетическом рынке, связанные со значительным увеличением стоимости энергоресурсов, ставят перед предприятиями химической промышленности задачу повышения объемов выпускаемой продукции с улучшением показателей эффективности производственного оборудования, без дополнительных затрат энергоносителей, с минимальными капитальными вложениями на модернизацию производства и увеличением пробега между ремонтами от 1-го года до 2-х … 6-ти лет.
Из уровня техники известен ряд технических решений, направленных на совершенствование конструкции компрессорного оборудования, предназначенного для сжатия синтез-газа в производстве аммиака с учетом решения названных выше задач.
Известен компрессорный агрегат синтез-газа производства компании Dresser-Rand, [Марцинковский В.С, Плякин А.В.: Проблемы, возникающие при эксплуатации компрессоров синтез-газа производства аммиака их причины и рекомендации по их устранению. // Труды 13-й международной научно-технической конференции «Герметичность, вибронадежность и экологическая безопасность насосного и компрессорного оборудования» Сборник докладов участников семинара «ЭККОН-11» «Ремонт и модернизации компрессорного и насосного оборудования химических производств» - г. Сумы: изд-во СумГУ, 2011 - т. 3, С. 36-44.], который имеет рабочую схему, включающую привод, которым является паровая турбина, компрессор низкого давления (КНД), компрессор высокого давления (КВД) и компрессор среднего давления.
Недостатком данной конструкции является то, что достижение необходимых технологических параметров, в частности, производительности порядка 200 000 нм /час и выше, решается путем повышения оборотов привода и увеличения нагрузки на агрегат. При таком решении возникают проблемы с надежностью агрегата, поскольку при эксплуатации на режиме повышенного расхода, аэродинамические силы, действующие на роторы, возрастают, что, в свою очередь, приводит к росту низкочастотной вибрации, совпадающей по частоте с собственными частотами ротора. Работа компрессорного агрегата в таком режиме приводит к разрушению штатных подшипников, плавающих уплотнений, износу лабиринтных уплотнений проточной части, что приводит к увеличению протечек газа по ступеням, снижению эффективности сжатия и, как следствие, к еще большему росту амплитуды вибрации, превышающей допустимые нормы.
Известен компрессорный агрегат производства Mitsubishi, включающий в качестве основных узлов, паровую турбину, центробежный компрессор низкого давления и центробежный компрессор высокого давления [Masataka Yamada. Использование передовых технологий при модернизации приводной паровой турбины (103-JT) компрессора синтез-газа для завода по производству удобрений. Презентация. Материалы XVI-й научно-технического семинара "ЭККОН 2016" (Кемерово, Россия, 10 октября - 14 октября 2016 года)].
Представленная конструкция дает возможность исключить или уменьшить недостатки компрессорного агрегата компании Dresser-Rand. Компрессорный агрегат производства Mitsubishi, за счет замены в конструкции агрегата приводной паровой турбины на более высокооборотную, позволяет уменьшить количество ступеней сжатия в агрегате в целом, что дает возможность обеспечить необходимые технологические параметры, изменить критические частоты вращения и снизить аэродинамические силы, действующие на роторы.
Однако данная конструкция, в свою очередь, также имеет недостатки, среди которых - низкая надежность работы агрегата, связанная с высокими частотами вращения и повышением риска выхода из строя приводной паровой турбины, а также высокая стоимость деталей турбины как следствие использования дорогих высококачественных материалов для их изготовления.
В целом, исследуя график зависимости КПД агрегата от расходных коэффициентов, можно сделать вывод о неэффективности данной схемы и неоптимальности расходных коэффициентов рабочих ступеней.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является компрессорный агрегат, защищенный патентом на полезную модель Украины №84669, F04D 17/12, 2013, включающий, в том числе паровую турбину, присоединенную к многовальному многоступенчатому компрессору низкого давления, и центрооежныи компрессор высокого давления.
В сравнении с указанными выше конструкциями, преимуществом данного технического решения является наличие многовального компрессора низкого давления, что позволяет снизить обороты и нагрузку на паровую турбину. Многовальный КНД дает возможность использовать ступени с коэффициентом ϕ ≥0,03, что невозможно реализовать в схемах Dresser-Rand и Mitsubishi. Обороты для корпуса КВД с циркуляционной ступенью выбираются из условия максимальной эффективности комбинации ступеней сжатия и циркуляционной ступени с ϕ=0,03 … 0,08.
Недостатком данной конструкции является то, что необходимые технологические параметры достигаются при все еще высоких рабочих оборотах приводной турбины, оставляя нерешенной проблему надежности работы агрегата. Кроме того, из-за нерационального расположения и соединения приводной паровой турбины с концом вала КВД, передача высокого крутящего момента обязательно связана с необходимостью значительного увеличения диаметральных габаритов валопровода и соединительных муфт.
В основу изобретения поставлена создания конструкционной схемы компрессорного агрегата с оптимальным соотношением энергоэффективности и надежности работы ступеней сжатия.
Поставленная задача решается тем, что в компрессорном агрегате компримирования азото-водородной смеси в производстве аммиака, содержащем приводную турбину, присоединенную к многовальному компрессору низкого давления, и компрессор высокого давления, согласно изобретению, один конец вала приводной турбины присоединен к компрессору низкого давления посредством зубчатого зацепления, а другой конец вала приводной турбины присоединен непосредственно к компрессору высокого давления.
Поставленная задача также решается тем, что в компрессорном агрегате компримирования азото-водородной смеси в производстве аммиака, содержащем приводную турбину, присоединенную к многовальному компрессору низкого давления, и компрессор высокого давления, согласно изобретению, один конец вала приводной турбины присоединен к компрессору низкого давления посредством зубчатого зацепления, при этом сам компрессор низкого давления посредством зубчатого зацепления присоединен к компрессору высокого давления.
При этом как в первом, так и во втором варианте могут применяться высокоэффективные осерадиальные пространственные рабочие колеса.
Преимуществом изобретения является то, что при многовальной конструкции центробежного компрессора низкого давления, благодаря подсоединению привода посредством зубчатого зацепления появляется возможность выбора паровой турбины и компрессора высокого давления с оптимальным количеством рабочих оборотов для обеспечения их высокой надежности и энергоэффективности. Применимость каждого из вариантов определяется, исходя из имеющихся условий (параметры энергоносителей, наличие ограничений по массогабаритным показателям и др.) Например, при наличии в сети пара с давлением 100 кгс/см2 целесообразно использовать конструкцию по первому варианту, а при меньших значениях этого параметра рекомендуется использовать второй вариант.
Решение по первому варианту дает возможность снизить обороты турбины с 11000 об./мин до 8000 … 9000 об / мин, повысить КПД агрегата на 10 … 15%, что позволяет сэкономить до 4 МВт потребляемой мощности.
Решение по второму варианту дает возможность снизить обороты турбины с 11000 об./мин. до 5000 … 6000 об./мин., повысить КПД агрегата на 12 … 20%, что позволяет сэкономить до 7 МВт потребляемой мощности.
Эффективность схемы достигается свободой выбора количества ступеней с использованием колес оптимальной аэродинамической формы, обеспечением оптимальных скоростей для каждого рабочего колеса за счет выбора диаметров шестерен ведомых валов, однородным осевым входом на всех колесах, возможностью охлаждения газа между ступенями. Применение осерадиальных колес позволяет дополнительно поднять КПД агрегата на 3 … 5%).
Также к преимуществам можно отнести компактность, широкий диапазон регулирования производительности, минимальные капитальные и эксплуатационные затраты и другие.
Далее приведено описание примеров конкретного осуществления изобретения со ссылками на чертежи, где:
на Фиг. 1 изображена схема конструкции компрессорного агрегата по одному из вариантов заявляемого технического решения;
на Фиг. 2 - схема конструкции компрессорного агрегата по другому варианту заявляемого технического решения.
на Фиг. 3 представлен график зависимости КПД компрессорного агрегата от расходных коэффициентов рабочих ступеней
Компрессорный агрегат по первому из вариантов состоит из паровой турбины 1, один конец вала которой присоединен к многовальному компрессору 2 низкого давления посредством зубчатого зацепления А, а другой конец вала паровой турбины 1 присоединен непосредственно к компрессору 3 высокого давления (Фиг. 1).
Компрессорный агрегат по второму варианту состоит из паровой турбины 1, один конец вала которой присоединен к многовальному компрессору 2 низкого давления посредством зубчатого зацепления А, при этом сам компрессор 2 низкого давления посредством зубчатого зацепления Б присоединен к компрессору 3 высокого давления (Фиг. 2).
При этом как в первом, так и во втором варианте могут применяться высокоэффективные осерадиальные пространственные рабочие колеса 4.
Компрессорный агрегат функционирует следующим образом.
Плавной постепенной нагрузкой паровой турбины 1, присоединенной к компрессорам 2 низкого и компрессором 3 высокого давления, осуществляют плавный запуск компрессорного агрегата до достижения рабочей частоты вращения роторов. Затем путем настройки запорно-регулирующей арматуры осуществляют постепенную нагрузку компрессорного агрегата до выхода на рабочий режим и обеспечения требуемых технологических параметров.
График зависимости КПД компрессорного агрегата от расходных коэффициентов рабочих ступеней (Фиг. 3) показывает повышение КПД компрессорного агрегата по сравнению с аналогами.