Азотная компрессорная установка

Заявляемая полезная модель относится к области машиностроения, а именно компрессорным установкам для получения из атмосферного воздуха газовой смеси с высоким содержанием азота, используемой при выполнении технологических операций в различных отраслях промышленности.
В частности, настоящая полезная модель может применяться для получения азота высокого давления для наддува топливных баков и продувки топливных трубопроводов на авианесущих кораблях.
Специфическими требованиями, предъявляемыми к таким азотным компрессорным установкам, являются:
- минимальные габаритные размеры для обеспечения размещения в ограниченном пространстве;
- компоновка на единой раме входящего в состав установки оборудования;
- осуществление привода компрессоров от электродвигателя;
- возможность получения на выходе установки азота высокого давления до 35 МПа;
- возможность использования компрессора высокого давления для компримирования азота низкого давления, подаваемого на вход установки с береговых азотных установок;
- 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 со 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 со входом газоразделительного блока (патент РФ №135268, МПК B01D 53/00, 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 со входом воздуха первой системы подготовки воздуха, выход воздуха которой соединен со входом воздуха первого газоразделительного блока. Кроме того, выход воздуха второго компрессора соединен со входом воздуха второй системы подготовки воздуха. Кроме того, выход первого газоразделительного блока соединен с первым запорным клапаном, а выход второго газоразделительного блока соединен со вторым запорным клапаном (полезная модель к патенту РФ №161848, МПК F04B 41/00, публикация 2016 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.
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 подачи азота низкого давления от береговой азотной станции или другого источника на вход установки для последующего компримирования компрессором высокого давления и закачки, например, в корабельные системы или в баллоны.
Задачей создания предлагаемой полезной модели является расширение арсенала технических средств, используемых для производства газообразного азота высокого давления.
Технический результат заключается в реализации указанного назначения и создание эффективной в работе и удобной в эксплуатации конструкции устройства, используемого для получения газообразного азота из воздуха.
Указанный технический результат достигается использованием азотной компрессорной установки, включающей в себя размещенные на единой раме винтовой и поршневой компрессоры с приводными электрическими двигателями, блок управления, блок подготовки воздуха с подогревателем, мембранный газоразделительный блок, на выходе которого установлен газоанализатор, при этом вход блока подготовки воздуха соединен с выходом винтового компрессора, мембранный газоразделительный блок подключен к выходу блока подготовки воздуха, а 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 со входом в поршневой компрессор и далее с выходом азота высокого давления, причем емкости для газообразного азота дополнительно подключены к внешнему источнику азота низкого давления посредством трубопровода с последовательно установленными на нем редукционным, запорно-регулирующим и невозвратным клапанами.
На выходе поршневого компрессора установлен запорно-регулирующий клапан.
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 предназначена для получения газообразного азота из воздуха методом селективного разделения на полимерных мембранах с использованием двух компрессоров с электроприводом.
Азотная компрессорная установка (см. фиг. 1) включает винтовой компрессор 1, блок подготовки воздуха 2, мембранный газоразделительный блок 3, емкости для газообразного азота 4, управляемый клапан 5, поршневой компрессор высокого давления 6, редукционный клапан 7. Все элементы установки расположены последовательно и соединены между собой, а емкости 4 соединены параллельно. Для подвода продуктового азота низкого давления от внешнего источника азота низкого давления (не показан) азотная компрессорная установка снабжена патрубком 8, а для отвода продуктового азота высокого давления - патрубком 9. Для отвода пермеата азотная компрессорная установка снабжена выходным патрубком 10. На выходе мембранного газоразделительного блока 3 для отвода некондиционного азота в процессе выхода на режим предусмотрен патрубок 11, сброс на который обеспечивается запорно-регулирующим клапаном 12 и управляемым клапаном 13. Для контроля газовой смеси на выходе мембранного газоразделительного блока 3 предусмотрен газоанализатор 14, для автоматического отвода конденсата из блока подготовки воздуха 2 азотная компрессорная установка снабжена выходным патрубком 15.
Для управления подачей продуктового азота высокого давления потребителю на выходе поршневого компрессора высокого давления 6 перед патрубком 9 установлен запорно-регулирующий клапан 16.
Емкости 4 дополнительно подключены через патрубок 8 к внешнему источнику азота низкого давления (не показан) посредством трубопровода 17 с последовательно установленными на нем запорно-регулирующим клапаном 18, невозвратным клапаном 19 и редукционным клапаном 7.
Азотная компрессорная установка (см. фиг. 2 и фиг. 3) содержит блок управления 20, для обеспечения контроля основных параметров и автоматического управления установкой, с панелью оператора 21, обеспечивающий визуализацию и настройку азотной компрессорной установки, все узлы и системы соединены функциональными связями и закреплены на единой несущей раме 22.
Азотная компрессорная установка 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 15.
Из блока подготовки воздуха 2 сжатый воздух поступает на вход термостата (не показан), в котором он нагревается до температуры, соответствующей оптимальному режиму работы мембранного газоразделительного блока 3 (45-55°С). Поддержание требуемой температуры термостата 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 10, и поток воздуха, обогащенный азотом (ретентат), на выходе патрубка 11. 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 12, управляемый клапан 13 и патрубок 11 для сброса некондиционного азота. В стадии выхода на рабочий режим газовая смесь азота контролируется газоанализатором 14 и при не достижении целевой концентрации азота сбрасывается через управляемый клапан 13 и патрубок сброса 11. При достижении целевой концентрации азота, также контролируемой по газоанализатору 14, клапан 13 закрывается, регулирующий клапан 12 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 запорно-регулирующий клапан 16 на выходной патрубок 9.
Предусмотрены два режима работы азотной компрессорной установки:
- подача газовой смеси на основе азота под высоким давлением (25-35 МПа), при этом работает винтовой компрессор 1, блок подготовки воздуха 2, мембранный газоразделительный блок 3, регулирующий клапан 12 и дожимающий поршневой компрессор 6.
- прием азота под низким давлением (1,0 МПа) от внешнего источника азота (от береговой азотной установки), при этом не включается винтовой компрессор 1 и блок подготовки воздуха 2, мембранный газоразделительный блок 3 выведен из работы, регулирующий клапан 12 закрыт, термостат отключен.
В режиме приема азота низкого давления от внешнего источника поступающий в установку азот через входной патрубок низкого давления 8 по трубопроводу 17 через запорно-регулирующий клапан 18, невозвратный клапан 19 и редукционный клапан 7 подается в емкости 4, на вход поршневого компрессора 6 и через запорно-регулирующий клапан 16 на выходной патрубок 9.
Блок управления 20 (см. фиг. 2, фиг. 3) осуществляет контроль основных параметров, визуализацию на панели оператора 21 и автоматическое управление установкой.
3
3
Мембранная азотная установка компрессорная позволяет решать газоразделительные задачи производительностью до 21 м/ч по целевому продукту с чистотой азота до 99,5%, точкой росы до минус 60°С (до 90 м/ч по перерабатываемому воздуха).
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.