ТУРБОДЕТАНДЕРНЫЙ АГРЕГАТ
TURBO-EXPANDER ASSEMBLY

Предлагаемый турбодетандерный агрегат относится к холодильной технике и используется в качестве источника холода в различных системах, в частности, в установках низкотемпературной сепарации газа или его охлаждения перед транспортировкой в условиях экстремально низких температур.
Из уровня техники широко известны конструкции газовых турбин с неповоротными сопловыми аппаратами, так например, известна газовая турбина с камерой сгорания, прикрепленной к сопловому аппарату (см. RU2368790, кл. F01D9/02, опубл. 2009 г. [1]).
Известная газовая турбина [1] содержит камеру сгорания и соединенный с ней сопловой аппарат турбины высокого давления с образованием единого узла.
При этом сопловой аппарат данной турбины содержит неподвижные лопатки, распределенные вокруг оси, совпадающей с осью камеры сгорания.
Из недостатков известного технического решения можно отметить, что части соединительных деталей,  расположенных между узлом, образованным камерой сгорания и сопловым аппаратом спроектированы исключительно для поддержания упомянутого узла и не рассчитаны на то, чтобы выдерживать вращающие или смещающие усилия.
Из уровня техники также известен ряд газовых турбин, в которых применяется поворотный сопловой аппарат.
Так, известна система газотурбинного двигателя с регулируемым сопловым аппаратом (см. RU2027049, кл. F02C9/22, опубл. 1995 г. [2]).
Известная система газотурбинного двигателя с регулируемым сопловым аппаратом  турбины [2] содержит регулируемый сопловой аппарат с поворотными сопловыми лопатками, которые установлены между наружным и внутренним обводом (цилиндром). Все лопатки установлены с возможностью перемещения.
При этом к каждой лопатке подключен датчик радиального зазора между концом лопатки и внутренним обводом (цилиндром).
Представленный в решении [2] способ регулировки радиального зазора заключается в том, что сигналы от указанных датчиков поступают на приводы перемещения лопаток, одновременно сигналы поступают в блок сравнения через сумматоры, где они сравниваются с сигналом от задатчика минимального суммарного зазора, и в случае наличия сигнала от сумматора с меньшим значением, чем сигнал от задатчика, блок сравнения формирует управляющий сигнал, устанавливая новое положение сопловых лопаток.
Указанный выше метод анализа сигналов основывается на принципе сравнения поступающего сигнала и эталонного сигнала и в случае несоответствия автоматически формируются определенные управляющие команды для задания правильного режима работы устройства.
Использование указанного приема по мониторингу и регулировке режимов работы соплового аппарата турбины эффективно и оправдано при относительно стабильных условиях окружающей среды и относительной стабильности параметров, потребляемых двигателем ресурсов (топливо, электрическая энергия), в противном случае неизбежно появление ошибок и неточностей при работе системы, в частности, формирования искаженных управляющих команд (сигналов), при однократном программировании которых, вероятно не учитывалось возможное резкое изменение внешних воздействующих факторов и изменение в лучшую или худшую сторону показателей используемого питания.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является турбодетандер, используемый в различных условиях окружающей среды, в том числе в условиях критически пониженных температур (см. RU2200916, кл. F25B11/00, публ. 2003 г. [3]).
Известный турбодетандер [3] относится к холодильному оборудованию и может быть использован в качестве источника холода в разнообразных системах, использующих природный газ, в частности в установках низкотемпературной сепарации газа или его охлаждения перед транспортировкой на дальние расстояния.
Данный турбодетандерный агрегат [3] содержит корпус с полостями, установленный в корпусе на магнитных подшипниковых опорах вал, размещенные на валу компрессор и турбину, щелевые уплотнения и сопловой аппарат.
Данное техническое решение имеет эффективную установку регулируемой газовой разгрузки в виде автоматической системы перепуска газа из полости на выходе из компрессора в полость на выходе из турбины, а также улучшенные уплотнения между газовой и масляной полостями турбодетандера.
В качестве недостатка можно отметить отсутствие технических возможностей по изменению показателей расхода газа с учетом условий сезонности, что является производственной необходимостью на объектах газовой отрасли.
Дополнительным недостатком в отношении характеристик турбодетандера  следует считать вероятные перетечки (потери) газа и недостаточная оптимизация работы в части максимально возможной эффективности охлаждения газа при изменении параметров.
Другой серьезной проблемой известного решения следует считать образование значительного количества газового конденсата, который оказывает негативное влияние на надежность и стабильность работы оборудования, что в свою очередь, может приводить к эрозийному износу лопаток турбины и к нарушению сопротивления изоляции магнитных подшипников.
Технической проблемой предлагаемого изобретения является создание универсального турбодетандера, обладающего широкими эксплуатационными возможностями и высокими технико-эксплуатационными показателями.
Техническим результатом предлагаемого изобретения, который объективно проявляется в ходе его использования, является оптимизация эффективности функционирования турбодетандерного агрегата, подразумевающая предотвращение потерь газа и повышение эффективности его охлаждения в условиях нестабильности внешних факторов, а также повышение надежности и стабильности работы оборудования вследствие предотвращения образования жидкости, т.е. газового конденсата, приводящего к эрозийному износу лопаток турбины и нарушению изоляции магнитных подшипников.
Указанный технический результат, решающий существующую техническую проблему достигается в результате того, что турбодетандер содержит корпус с полостями, установленный в корпусе на магнитных подшипниковых опорах вал, размещенные на валу компрессор и турбину, щелевые уплотнения и сопловой аппарат, при этом сопловой аппарат выполнен поворотным или неповоротным, при этом неповоротный сопловой аппарат обладает неизменным проходным сечением с отсутствием зазора на участках крепления лопаток и корпуса, а поворотный сопловой аппарат обладает изменяемым проходным сечением с перемещающимися лопатками между двумя коаксиальными цилиндрами с переменным радиальным зазором по концам лопатки, кроме того над рабочими лопатками турбины в корпусе выполнены дренажные отверстия, обеспечивающие отвод образовавшейся в процессе расширения жидкости и сбрасывание ее на выход газа, в нижней части полостей размещения опор турбины и компрессора выполнены дренажные каналы, служащие для слива и сброса скопившегося газового конденсата и жидкости в выходные полости турбины и компрессора соответственно.
Предлагаемый турбодетандерный агрегат является важнейшим элементом технологических схем для охлаждения природного газа в установках комплексной подготовки к транспорту на станциях охлаждения газа, на газоперерабатывающих заводах и в других технологических процессах.
Конструкция предлагаемого турбодетандерного агрегата является осевой и по существу является более надежной в работе в газовой среде, содержащей как паровую, так и жидкую фракции в виде капель и особенно жидкостных пробок, а также механических примесей.
Конструкции осевых турбин, как правило, эффективнее защищены от возникновения эрозии сопловых лопаток и диска колеса.
В предлагаемом турбодетандере предлагается к применению сопловой аппарат поворотный и неповоротный, при этом поворотный сопловой аппарат обладает изменяемым проходным сечением с перемещающимися лопатками между двумя коаксиальными цилиндрами с переменным радиальным зазором по концам лопатки, а неповоротный сопловой аппарат обладает неизменных проходным сечением с отсутствием зазора на участках крепления лопаток и корпуса.
Данная техническая особенность сопловых аппаратов позволяет оптимизировать эффективность функционирования турбодетандерного агрегата, которая подразумевает предотвращение потерь газа и повышение эффективности его охлаждения в условиях нестабильности внешних факторов.
В настоящий момент времени на существующих объектах газовой отрасли отмечается производственная необходимость изменения расхода газа в зависимости от условий использования оборудования и сезонности, для чего и предлагается к применению новая конструкция турбодетандера с поворотным или неповоротным сопловым аппаратом.
Схемы подключения предлагаемого турбодетандерного агрегата на объекте эксплуатации могут быть разделены по двум вариантам работы:
- коллекторная, т.е. параллельное размещение и работа турбодетандера с объединенными входами и выходами потоков газа, как правило, с неповоротным сопловым аппаратом турбины;
- ниточная, т.е. отдельные входы и выходы газа и независимая друг от друга работа турбодетандера, как правило, с поворотным сопловым аппаратом турбины.
Регулировка расхода при коллекторной схеме обеспечивается одновременным изменением режима работы группы параллельно включенных турбодетандеров, а при ниточной схеме регулировка обеспечивается изменением проходного сечения соплового аппарата турбодетандера, установленного на каждой (отдельной) технологической линии.
Указанные альтернативные варианты применения сопловых аппаратов позволяют на объектах газовой отрасли принимать эффективные решения по оптимизации режимов работы турбодетандеров.
Как уже было указано ранее в процессе расширения газа и соответственно его охлаждения в турбине турбодетандера, как правило, на объектах добычи газа, отмечается выпадение значительного количества газового конденсата, что оказывает отрицательное влияние на надежность и стабильность работы оборудования. При этом применение в турбодетандере осевой турбины обеспечивает некую стабильность и снижает факторы, приводящие к износу лопаток. Однако при высоком содержании жидкости этого бывает недостаточно, в связи с чем, для исключения таких явлений в конструкции над рабочими лопатками в корпусе выполнены дренажные отверстия, которые обеспечивают отвод образовавшейся в процессе расширения жидкости и сбрасывают ее на выход газа из турбины. Эффективность данного технического приема подтверждена экспериментально в условиях эксплуатации приближенным к реальным.
Также, как было упомянуто ранее, появление газового конденсата негативно сказывается и на работе магнитных подшипников, в том числе нарушается сопротивление изоляции. Так для предотвращения этого в конструкции сменной проточной части турбодетандера в нижней части полостей размещения опор выполнены дополнительные дренажные каналы, по которым скопившейся газовый конденсат и жидкость сливаются и сбрасываются в выходные полости турбины и компрессора.
Таким образом, предлагаемое выше конструктивное выполнение турбодетандерного агрегата, с учетом его технических особенностей, образует совокупность признаков необходимых и достаточных для достижения и решения указанных выше технического результата и технической проблемы соответственно.
Предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером выполнения и реализации, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядным образом демонстрируют достижение указанной совокупностью существенных признаков технического результата, а также решение существующей технической проблемы.
На фиг. 1 представлен общий вид турбодетандерного агрегата;
На фиг. 2 изображено сечение турбины с неповоротным сопловым аппаратом;
На фиг. 3 изображено сечение турбины с поворотным сопловым аппаратом;
На фиг. 4 представлен трехмерный вариант турбины с поворотным сополовым аппаратом;
На фиг. 5 представлена коллекторная схема подключения турбодетандерного агрегата;
На фиг. 6 представлена ниточная схема подключения турбодетандерного агрегата;
На фиг. 7 изображена организация дренажа из полости опоры компрессора;
На фиг. 8 изображена организация дренажа из полости опоры турбины.
На упомянутой фиг. 1 обозначены следующие части и элементы предлагаемого турбодетандерного агрегата:
1 – корпус;
2 – разрезное кольцо;
3 – прижимное кольцо;
4 – крышка компрессора;
5 – детандер;
6 – компрессор;
7 – герморазъемы.
На упомянутых фиг. 2, 3, 5-8 условно представлены следующие обозначения:
А – первый участок крепления лопатки турбины и корпуса;
Б – второй участок крепления лопатки турбины и корпуса;
В – посадочное место лабиринтного кольца над рабочими лопатками;
Г – дренажные отверстия;
Д – детандерная сторона турбодетандерного агрегата;
К – компрессорная сторона турбодетандерного агрегата;
Е – первый дренажный канал;
Ж – второй дренажный канал.
Следует отметить, что цель последующего описания предлагаемого изобретения заключается не в его ограничении конкретным исполнением, а наоборот в охвате всевозможных дополнений, не выходящих за рамки представленной формулы изобретения.
И так, согласно изобретательскому замыслу предлагаемый турбодетандерный агрегат содержит корпус 1 с полостями, установленный в корпусе 1 на магнитных подшипниковых опорах вал, размещенные на валу компрессор 6 и турбину, щелевые уплотнения и сопловой аппарат.
Сопловой аппарат изготавливается поворотным или неповоротным.
Поворотный сопловой аппарат обладает изменяемым проходным сечением с перемещающимися лопатками между двумя коаксиальными цилиндрами с переменным радиальным зазором по концам лопатки (см. рис. 3, обозначения А, Б и В).
Неповоротный сопловой аппарат обладает неизменным проходным сечением с отсутствием зазора на участках крепления лопаток и корпуса (см. рис. 2 обозначения А, Б и В).
Над рабочими лопатками турбины в корпусе 1 выполнены дренажные отверстия, обеспечивающие отвод образовавшейся в процессе расширения жидкости и сбрасывание ее на выход газа (см. фиг. 2, 3, обозначение Г).
В нижней части полостей размещения опор турбины и компрессора выполнены дренажные каналы, служащие для слива и сброса скопившегося газового конденсата и жидкости в выходные полости турбины и компрессора соответственно (см. фиг. 7, 8, обозначение Е).
Осуществляется предлагаемый турбодетандерный агрегат, следующим образом.
В соответствии с замыслом в предлагаемой конструкции турбодетандерного агрегата может применяться неповоротный сопловой аппарат (фиг. 2) или поворотный сопловой аппарат (фиг. 3 и 4).
Применение неповоротного или поворотного соплового аппарата предложенного конструктивного выполнения реализует исключение перетечек газа (потери), что в свою очередь обеспечивает максимальные КПД турбины и высокую эффективность охлаждения газа. При этом обеспечивается сохранение требуемой эффективности работы в узком диапазоне изменения расхода ±5-10%. Кроме того, оптимизируется работа турбодетандера в отношении сохранения эффективности охлаждения газа при существенном изменении внешних факторов или рабочих параметров (давление, расход газа) на различных режимах работы в более широком диапазоне ±25– 30%.
При этом использование турбодетандера с неповоротным сопловым аппаратом оправдано при необходимости размещения на объектах большой группы агрегатов, параметры работы, которых существенно не изменяются в процессе эксплуатации.
Использование турбодетандера с поворотным сопловым аппаратом оправдано для применения агрегатов на объектах, где требуется один, два или три турбодетандера.
Как упомянуто ранее на объектах газовой отрасли существует производственная необходимость изменения расхода газа от внешних условий и сезона.
Так схемы подключения турбодетандеров на объекте эксплуатации разделяются, предпочтительно, по двум вариантам работы:
1. Коллекторная, т.е. параллельное размещение и работа турбодетандера с объединенными входами и выходами потоков газа, как правило, с неповоротным сопловым аппаратом турбины (см. фиг 5);
2. Ниточная, т.е. наличие отдельных входов-выходов газа и независимая друг от друга работа турбодетандера, как правило, с поворотным сопловым аппаратом турбины (см. фиг. 6).
Регулировка расхода при коллекторной схеме осуществляется одновременным изменением режима работы группы параллельно включенных турбодетандеров. Например, при необходимости снижения или увеличения общего расхода газа на объекте производится отключение и подключение одного или нескольких агрегатов.
Регулировка расхода при ниточной схеме осуществляется изменением проходного сечения соплового аппарата турбодетандера, установленного на каждой (отдельной) технологической линии.
Представленные варианты применения сопловых аппаратов турбодетандеров позволяют максимально эффективно оптимизировать режимы работы оборудования газовой отрасли.
В процессе расширения газа и как следствие при его охлаждении в турбине турбодетандера, как правило, отмечается выпадение существенного количества газового конденсата, что отрицательно влияет на надежность и стабильность оборудования. При этом применение осевой турбины повышает стабильность и надежность работы и снижает предпосылки приводящие к эрозийному износу лопаток и уплотнительных элементов.
Однако при высоком содержании жидкости (конденсата) и этого бывает недостаточно, поскольку конденсат может накапливаться по посадочному месту лабиринтного кольца над рабочими лопатками (см. фиг. 2 и 3, обозначение В), что в свою очередь может приводить к сужению данного кольца, выработке, увеличению радиального зазора и в конечном итоге к значительному снижению эффективности охлаждения газа. С целью исключения упомянутого негативного явления в конструкции турбодетандера над рабочими лопатками в корпусе 1 выполнены дренажные отверстия (см. фиг. 2 и 3, элемент Г), которые обеспечивают отвод образовавшейся в процессе расширения жидкости и сбрасывают ее на выход газа из детандера 5 турбодетандера. Эффективность данного приема экспериментально установлена в условиях использования, приближенных к реальным.
Упомянутое образование газового конденсата также может отрицательно сказываться на надежности магнитных подшипников, таким образом для недопущения этого в конструкции сменной проточной части турбодетандера в нижней части полостей размещения опор выполнены дренажные каналы Е и Ж (см. фиг. 7 и 8), по которым скопившейся газовый конденсат и жидкость сливается и сбрасывается в выходные полости турбины и компрессора.
Представленное выше описание предлагаемого турбодетандерного агрегата и вариант его осуществления подтверждают достижение указанного технического результата и решение существующей технической проблемы соответственно.
Предлагаемое изобретение может быть успешно использовано в газовой отрасли в качестве источника холода в установках низкотемпературной сепарации газа или его охлаждения перед транспортировкой в условиях экстремально низких температур.