Передвижная азотная компрессорная станция

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно к установкам для получения из атмосферного воздуха газовой смеси с высоким содержанием азота. Заявляемая передвижная азотная компрессорная станция используется при производстве работ по освоению и ремонту нефтяных скважин, подачи сжатого газа в качестве источника энергии для технологических процессов, ремонте и испытании трубопроводов, снабжении сжатым газом пневматического инструмента и других целей в различных отраслях промышленности.
Предшествующий уровень техники.
Известна передвижная азотная компрессорная станция (патент RU113312 на полезную модель, F04B 41/00, 2012), содержащая шасси транспортного средства, силовой привод и капот, под которым размещены поршневой многоступенчатый компрессор, воздушный фильтр, выход которого соединен с входом вышеупомянутого компрессора, охладитель, фильтр грубой очистки, по крайней мере один фильтр тонкой очистки и газоразделительный блок, при этом выход промежуточной ступени поршневого многоступенчатого компрессора соединен с входом охладителя, а выход газоразделительного блока соединен с входом следующей за промежуточной ступенью вышеупомянутого компрессора, отличающаяся тем, что передвижная азотная компрессорная станция содержит вихревой сепаратор и угольный фильтр, причем:
выход охладителя соединен с входом вихревого сепаратора;
выход вихревого сепаратора соединен с входом фильтра грубой очистки;
выход фильтра грубой очистки соединен с входом фильтра тонкой очистки;
выход фильтра тонкой очистки соединен с входом угольного фильтра;
выход угольного фильтра соединен с входом газоразделительного блока.
Недостатком указанного аналога является то, что выход охладителя соединен с газоразделительным блоком только через сепаратор и блок фильтров. Известно, что эффективность очистки воздуха от влаги, масла и других примесей в сепараторе и фильтрах повышается с понижением температуры. Также известно, что эффективность разделения воздуха на азот и другие газы в газоразделительном блоке более высокая при температуре 60-70°С. Таким образом, для обеспечения оптимальной температуры воздуха на входе в газоразделительный блок охладитель не может значительно охлаждать воздух для обеспечения наилучшей работы сепаратора и фильтров. Сепаратор и фильтры в этом случае работают в режиме недоохлаждения поступающего в них воздуха. Эффективность сепаратора и фильтров в этом случае относительно низкая - больше частиц влаги и масла попадают с выхода фильтров на вход газоразделительного блока. При этом попадание паров масла в газоразделительный блок приводит к относительно быстрой деградации мембран газоразделения, что приводит к уменьшению их ресурса, увеличению времени выхода станции на режим обеспечения заданной концентрации азота на выходе или даже снижению указанной концентрации азота.
Раскрытие полезной модели.
Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемой полезной моделью, является обеспечение возможности снижения температуры воздуха на входе в фильтры для целей повышения эффективности их работы при одновременном сохранении оптимальной температуры воздуха на входе в газоразделительный блок.
Другим техническим результатом является снижение температуры азота на выходе из станции.
Сущность полезной модели состоит в том, что передвижная азотная компрессорная станция содержит шасси транспортного средства, силовой привод компрессора и капот, под которым размещены поршневой многоступенчатый компрессор, первый охладитель и газоразделительный блок, при этом выход промежуточной ступени упомянутого компрессора соединен с входом охладителя, выход охладителя соединен с блоком фильтров, а выход газоразделительного блока соединен с входом следующей за промежуточной ступенью упомянутого компрессора. Отличается тем, что станция снабжена дополнительным теплообменником, вход первой среды которого соединен с выходом упомянутого блока фильтров, выход первой среды теплообменника соединен с входом упомянутого газоразделительного блока, а выход компрессора соединен с входом второй среды теплообменника.
Вышеуказанная сущность является совокупностью существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивающих достижение всех заявленных технических результатов.
Размещение теплообменника, как описано выше, позволяет утилизировать тепло азота на выходе компрессора для нагрева воздуха на входе в газоразделительный блок. Это позволяет с помощью первого охладителя снизить температуру воздуха, подаваемого на блок фильтров, обеспечив в сравнении с прототипом более эффективную очистку воздуха от влаги и масла.
Выход второй среды теплообменника предпочтительно соединен с входом второго охладителя.
Компрессор может быть выполнен четырехступенчатым. При этом выход его второй ступени соединен с входом охладителя, а выход газоразделительного блока соединен с входом третьей ступени компрессора.
Компрессор может быть выполнен пятиступенчатым. При этом выход его третьей ступени соединен с входом охладителя, а выход газоразделительного блока соединен с входом четвертой ступени компрессора.
Компрессор может быть выполнен шести- или семиступенчатым. При этом выход его четвертой ступени соединен с входом охладителя, а выход газоразделительного блока соединен с входом пятой ступени компрессора.
Газоразделительный блок может содержать горизонтально или вертикально установленные мембранные модули и газоанализатор.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 показана схема передвижной азотной компрессорной станции; на фиг. 2 - схема станции с установкой воздуходувки перед воздушным фильтром.
Осуществление полезной модели.
Передвижная азотная компрессорная станция (фиг. 1) содержит шасси транспортного средства, капот, силовой привод компрессора (10), промышленную вихревую воздуходувку (1), поршневой многоступенчатый компрессор (3), воздушный фильтр (2), первый охладитель (4), вихревой сепаратор (5), фильтр грубой очистки (6), фильтр тонкой очистки (7), угольный фильтр (8), газоразделительный блок (9), теплообменник (11) и второй охладитель (12).
Капот предназначен для защиты подкапотного пространства станции от воздействия атмосферных осадков и повреждений.
Промышленная вихревая воздуходувка (1) предназначена для снижения затрат энергии и повышения производительности поршневого многоступенчатого компрессора (3). Воздуходувка (1) установлена между воздушным фильтром (2) и входом поршневого многоступенчатого компрессора или перед воздушным фильтром (2) (фиг. 2). Воздуходувка обеспечивает избыточное давление до 0,6 МПа, снабжена электрическим силовым приводом (не показан), для электропитания которого станция снабжена дизель-генератором (не показан) мощностью 10кВт, который размещен под капотом.
Вихревая воздуходувка (1) содержит вал, на котором закреплен импеллер с лопатками. На входе воздуходувки может быть установлен шумоглушитель.
Дизель-генератор также может запитать ТЭНы предпускового подогрева средства смазки механизма движения, масла для смазки цилиндров компрессора в баке лубрикатора и подогреватели подкапотного пространства типа «Планар».
Установка промышленной вихревой воздуходувки (1) обеспечивает нагнетание воздушных масс до уровня избыточного давления 0,6 МПа и позволяет:
значительно облегчить и оптимизировать конструкцию применяемого в станции компрессора, убрать самую тяжелую и энергоемкую первую ступень компрессора, фактически заменив компрессор на более легкий и эффективный дожимающий бустер,
расширить диапазон эксплуатации по температуре окружающей среды, увеличить надежность и продолжительность службы установки, снизить массогабаритные характеристики средства охлаждения компрессора за счет снижения рабочих температур на всех ступенях сжатия и оптимизации температурного режима,
снизить эксплуатационные затраты за счет снижения уровня энергопотребления станции, установки менее мощного силового привода компрессора,
оптимизировать распределение масс агрегатов по площади станции, что особенно важно для передвижных азотных станций в целях увеличения их маневренности.
Поршневой многоступенчатый компрессор (3) предназначен для сжатия и нагнетания атмосферного воздуха и продукта газоразделения (азот).
Воздушный фильтр (2) предназначен для предварительной очистки воздуха от механических примесей. Выход воздушного фильтра (2) соединен с входом поршневого многоступенчатого компрессора (3). Воздушный фильтр (2) преимущественно выполнен в виде воздушного ячейкового фильтра контактно-масляного типа.
Привод компрессора (3) осуществляется от силового привода компрессора (10).
Выход промежуточной ступени поршневого многоступенчатого компрессора (3) соединен с входом первого охладителя (4).
Первый охладитель (4) предназначен для охлаждения сжатого нагретого воздуха. Выход первого охладителя (4) соединен с входом вихревого сепаратора (5).
Вихревой сепаратор (5) предназначен для удаления продуктов трения, механических примесей, капельных жидкости и масла из охлажденного в первом охладителе (4) воздуха. Большее охлаждение воздуха в первом охладителе, чем в прототипе, обеспечивает большее выпадение конденсата в сепараторе (5) и последующих фильтрах, улучшая, таким образом, качество воздуха на входе в газоразделительный блок. Выход вихревого сепаратора (5) соединен с входом фильтра грубой очистки (6).
Фильтр грубой очистки (6) предназначен для очистки воздушного потока от неотсепарированных в вихревом сепараторе (5) мелких механических примесей, масляных аэрозолей и капельной жидкости. Выход фильтра грубой очистки соединен с входом фильтра тонкой очистки (7).
Фильтр тонкой очистки (7) предназначен для отделения не задержанных фильтром грубой очистки (6) микрочастиц влаги и масла в виде очень мелкой аэрозоли. Выход фильтра тонкой очистки (7) соединен с входом угольного фильтра (8).
Угольный фильтр (8) предназначен для адсорбции паров масла и жидкости, не сконденсированных в первом охладителе (4) и не задержанных в вихревом сепараторе (5), фильтрах грубой (6) и тонкой (7) очистки. Выход угольного фильтра соединен с входом первой среды теплообменника (11).
Теплообменник (11) предназначен для передачи тепла от азота на выходе из компрессора воздуху на входе в газоразделительный блок (9). Это обеспечивает подогрев воздуха после фильтрации до оптимальной температуры газоразделения в газоразделительном блоке. Выход первой среды теплообменника (11) соединен с входом газоразделительного блока (9).
Газоразделительный блок (9) предназначен для получения азота из атмосферного воздуха. Выход газоразделительного блока (9) соединен с входом следующей за промежуточной ступенью поршневого многоступенчатого компрессора (3). Газоразделительный блок (9) содержит горизонтально или вертикально установленные мембранные модули и газоанализатор.
Выход компрессора соединен с входом второй среды теплообменника (11). Выход второй среды теплообменника (11) соединен с входом второго охладителя (12). Использование тепла азота, выходящего из компрессора (3), для нагрева воздуха в теплообменнике (11) снижает нагрузку на второй охладитель (12). Благодаря этому второй охладитель имеет по сравнению с прототипом меньший размер или меньшее количество секций.
Примеры конкретного выполнения.
Пример 1. Транспортное средство представляет собой автомобиль, прицеп или полуприцеп.
Пример 2. Силовой привод компрессора (10), вихревая воздуходувка (1) с дизель-генератором, поршневой многоступенчатый компрессор (3), первый охладитель (4), вихревой сепаратор (5), фильтр грубой очистки (6), фильтр тонкой очистки (7), угольный фильтр (8), теплообменник (11), газоразделительный блок (9) и второй охладитель (12) смонтированы на раме, которая закреплена к шасси транспортного средства.
Пример 3. Капот выполнен съемным.
Пример 4. Силовой привод компрессора (10) выполнен газопоршневым.
Пример 5. Силовой привод компрессора (10) выполнен электрическим.
Пример 6. Транспортное средство представляет собой автомобиль. С целью более эффективного использования силового привода компрессора (10) и снижения нагрузки на оси автомобиля, силовым приводом компрессора является силовой агрегат автомобиля.
Пример 7. Силовой привод компрессора (10) соединен с поршневым многоступенчатым компрессором (3) гидроприводом.
Пример 8. Поршневой многоступенчатый компрессор (3) выполнен четырехступенчатым, при этом выход второй ступени поршневого многоступенчатого компрессора (3) соединен с входом первого охладителя (4), а выход газоразделительного блока (9) соединен с входом третьей ступени поршневого многоступенчатого компрессора (3).
Пример 9. Поршневой многоступенчатый компрессор (3) выполнен пятиступенчатым, при этом выход третьей ступени поршневого многоступенчатого компрессора (3) соединен с входом первого охладителя (4), а выход газоразделительного блока (9) соединен с входом четвертой ступени поршневого многоступенчатого компрессора (3).
Пример 10. Поршневой многоступенчатый компрессор (3) выполнен шестиступенчатым или семиступенчатым, при этом выход четвертой ступени поршневого многоступенчатого компрессора (3) соединен с входом первого охладителя (4), а выход газоразделительного блока (9) соединен с входом пятой ступени поршневого многоступенчатого компрессора (3).
Пример 11. Поршневой многоступенчатый компрессор (3) расположен в хвостовой части станции.
Пример 12. С целью уравновешивания поршневых сил, поршневой многоступенчатый компрессор (3) содержит уравнительные полости.
Пример 13. С целью отвода тепла от нагруженных деталей и поддержания оптимального температурного режима работающего поршневого многоступенчатого компрессора (3), передвижная азотная компрессорная станция содержит средство охлаждения поршневого многоступенчатого компрессора (3).
Пример 14. С целью получения на выходе передвижной азотной компрессорной станции высокого давления 69-196 МПа, выход поршневого многоступенчатого компрессора (3) соединен с водяным насосом. При этом с целью накопления воды и поддержания необходимого давления воды, выход поршневого многоступенчатого компрессора (3) может быть соединен с водяным насосом через водяной бак. С целью очистки газа от капельной жидкости, выход водяного насоса желательно соединен с сепаратором высокого давления.
Пример 15. С целью удаления конденсата, скапливающегося при работе оборудования, передвижная азотная компрессорная станция содержит средство продувки.
Пример 16. С целью предпускового подогрева дизеля и компрессора в холодный период года, передвижная азотная компрессорная станция содержит средство подогрева станции, содержащей ТЭНы.
Пример 17. Дизельный силовой привод компрессора снабжен блоком охлаждения жидкости и масла.
Реализация конструктивных элементов заявляемой полезной модели не ограничивается приведенными выше примерами.
Описание работы.
Передвижная азотная компрессорная станция приводится в действие дизельным силовым приводом компрессора (10). Атмосферный воздух всасывается вихревой воздуходувкой (1). Импеллер воздуходувки, вращающийся с постоянной угловой скоростью, заставляет воздух двигаться по вихревой траектории. Благодаря этому, в каждом витке энергия частиц воздуха возрастает, а с ним возрастает давление. Через выходное отверстие воздуходувки воздух под избыточным давлением поступает на вход поршневого компрессора (3), сжимается в его промежуточных ступенях. После сжатия в промежуточных ступенях, горячий воздух значительно охлаждается в первом охладителе (4).
При охлаждении воздуха первым охладителем (4) происходит конденсация содержащихся в воздухе паров жидкости. После охлаждения воздух поступает на вход вихревого сепаратора (5). В вихревом сепараторе (5) создается завихрение воздушного потока, при этом механические примеси, капли воды и масла отбрасываются центробежной силой на стенки сепаратора и стекают в его нижнюю часть, а воздух направляется в фильтр грубой очистки (6). В фильтре грубой очистки (6) происходит очистка воздуха от неотсепарированных в вихревом сепараторе (5) мелких механических примесей, масляных аэрозолей и капельной жидкости. После фильтра грубой очистки (6) поток воздуха поступает в фильтр тонкой очистки (7). В фильтре тонкой очистки (7) происходит дополнительная очистка воздуха от не задержанных в фильтре грубой очистки (6) микрочастиц влаги и масла в виде очень мелкой аэрозоли. С выхода фильтра тонкой очистки (7) воздух поступает в угольный фильтр (8). Угольный наполнитель угольного фильтра (8) адсорбирует пары масла и жидкости, не сконденсированные в первом охладителе (4) и не задержанные в вихревом сепараторе (5), фильтрах грубой (6) и тонкой (7) очистки. Очищенный в угольном фильтре (8) воздух поступает на вход теплообменника (11), в котором он разогревается азотом с выхода компрессора до оптимальной температуры газоразделения и направляется в газоразделительный блок (9). В газоразделительном блоке (9) происходит разделение потока сжатого воздуха на два: поток газов с высоким содержанием кислорода - пермеат, и поток газов, обогащенных азотом. Пермеат отводится в атмосферу, а поток газов, обогащенных азотом, поступает в следующую за промежуточной ступенью поршневого многоступенчатого компрессора (3) для дальнейшего сжатия. С выхода компрессора азот подается в теплообменник (11) для нагрева воздуха, поступающего в газоразделительный блок. С выхода теплообменника (11) азот через второй охладитель подается на выход станции и, затем, потребителю.
Промышленная применимость.
На предприятии-заявителе изготовлены опытные образцы заявленной передвижной азотной компрессорной станции, испытания которых подтвердили достижение технических результатов.
Заявляемая передвижная азотная компрессорная станция реализована с применением промышленно выпускаемых устройств и материалов, может быть собрана на машиностроительном предприятии и найдет широкое применение в химической, угольной и горнодобывающей промышленности, областях добычи, переработки, транспортировки и сбыта нефтяных и газовых продуктов.