CC BY
103
УДК 621.565:621.59
А. М. Архаров, В. Ю. Семенов, Ю. А. Л а у х и н, А. В. Козлов, С. Б. Малахов, Г. Н. Л е в д и к, М. Ю. Прокшин
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ КРИОГЕННОГО ВОЛНОВОГО ДЕТАНДЕР-КОМПРЕССОРА
Разработан и апробирован в экспериментальных условиях криогенный волновой детандер-компрессор, не уступающий по термодинамической эффективности классическому детандер-компрессору. Исследовано влияние отдельных конструктивных параметров на термодинамическую эффективность волнового детандер-компрессора при работе в области криогенных температур с относительно небольшим расходом (500... 1800м3/ч) природного газа. Приведены схема испытательного стенда с замкнутым контуром пассивного газа, а также расчетные и экспериментальные данные о влиянии степени расширения активного потока на адиабатный КПД и степени сжатия пассивного потока на относительныйрас-ход газа.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: природный газ, волновой детандер-компрессор, газорасширительное устройство, адиабатный КПД, степень расширения, степень сжатия.
Эффективность криогенных установок определяется совершенством используемых в них машин и аппаратов, в том числе применяемых расширительных устройств — криогенераторов холода. В настоящее время наиболее эффективным устройством с точки зрения термодинамического совершенства является турбодетандер. Однако ценой за столь рациональное использование энергии является сложность конструкции, высокие стоимость и эксплуатационные требования к изделию. Существуют также определенные технические ограничения на использование данного типа криогенераторов, связанные с высокой частотой вращения ротора, характерной для криогенных установок с малым расходом легких газов. Кроме того, сложившаяся в современных экономических условиях монополия ведущих фирм-изготовителей, привела к необоснованному завышению цены на данное изделие. Такая ситуация инициировала разработку и исследование альтернативных источников холода — дешевых, более простых по конструкции и надежных в эксплуатации.
На 1980-е годы пришелся пик исследований безмашинных методов получения холода, основанных на резонансно-акустическом принципе преобразования энергии газа [1, 2]. Достигнутое значение адиабатного КПД в лучших конструкциях криогенераторов этого типа не превышало 20... 25 %. Другие, известные в настоящее время генераторы
холода, такие как дроссели, вихревые трубы, Vortex-tubes имеют КПД, значение которого также не превышает 20 %.
Вместе с тем известны устройства, аналогичные по назначению классическому детандер-компрессору и не уступающие ему по термодинамической эффективности. В этой машине, получившей название "волновой детандер" (ВД) энергия от одного газа к другому передается при их контакте через волны сжатия-разрежения. Пионерские работы в этом направлении выполнены за рубежом в середине прошлого века [3-5] и затем продолжены в ВНИИгазе [6-9] и в ХАИ им. Н.Е. Жуковского [6, 7, 10]. Конечным результатом этих работ стала успешная промышленная эксплуатация разработанной конструкции волнового детандера ВД-1 в качестве генератора холода, предназначенного для охлаждения газов, отходящих с установки стабилизации конденсата Сосногорского ГПЗ, и успешная промышленная эксплуатация волнового детандера ВД-3 в составе установки исследования технологии извлечения из пласта остаточных запасов ретроградного конденсата на Вуктыльском (республика Коми) газоконденсатном месторождении. Отметим, что полученный результат ограничен из-за специфических технических условий, положительной области температур и больших объемных расходов перерабатываемого газа [8, 9].
В силу различия в назначении, условия работы криогенных генераторов холода, в том числе криогенных ВД, существенно менее благоприятны. Являясь частью установки для производства холода на заданном уровне температур, значительно более низком, чем температура окружающей среды, или частью установки по низкотемпературному ожижению газа, криогенераторы устанавливаются после тепло-обменных аппаратов, что предопределяет низкую входную температуру рабочего газа. Данное обстоятельство часто осложняется малыми величинами перерабатываемых массовых расходов и высокими входными давлениями, что приводит к очень низким объемным расходам газа.
Целью настоящей работы являлась экспериментальная проверка возможности создания криогенного ВД и исследование влияния отдельных конструктивных параметров на термодинамическую эффективность ВД, работающего в области криогенных температур с расходами природного газа (в диапазоне от 500 до 1800нм3/ч).
Для решения данной задачи была разработана соответствующая конструкция ВД, принцип работы которой показан на рис. 1. Устройство состоит из цилиндрического ротора 3, вращающегося между торцевыми дисками 4, 5. Ротор представляет собой (рис.2) титановый цилиндр с центральным отверстием для установки на вал 7 и с периферическими прямоугольными отверстиями для прохода газа. В торцевых дисках имеются отверстия для подвода и отвода активного газа
1 6 2 IV 8
14 3 5 III 7 10 9 11
Рис. 1. Конструкция криогенного волнового детандер-компрессора:
I, II — вход и выход расширяемого (активного) потока газа; Ш-1У — вход и выход компримируемого (пассивного) потока газа; 1,2 — газораспределитель активного и пассивного потоков газа; 3 — ротор; 4, 5 — сопла активного и пассивного потоков газа; 6 — корпус ротора; 7 — вал ротора; 8, 9 — ведущая и ведомая магнитные полумуфты; 10 — керамическая втулка; 11 — двигатель
Рис. 2. Ротор волнового детандер-компрессора
высокого давления и отвода пассивного газа низкого давления. Привод ротора осуществляется стандартным асинхронным электродвигателем мощностью 700 Вт. В целях передачи вращающего момента в герметичную полость использовались магнитные полумуфты 8, 9. Расположение вала — консольное, что позволяет поместить подшипниковую группу в теплой зоне устройства. Сопла и газораспределители обеспечивают два цикла работы за один оборот вала.
При расчете рабочего процесса в волновом детандер-компрессоре использовалась математическая модель, разработанная и реализованная В.Ш. Эрсмамбетовым [10], согласно которой одномерное нестационарное течение в каналах ротора описывается системой дифференци-
кпд
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
0,4 1,5
□ расчет
0 Д = 0,00169
□ л А = 0,0012
о Д = 0,000818
ДОо □
$ ^ п
1 1 1
2,5 а
Рис. 3. Влияние степени расширения активного потока пт на адиабатный КПД (а) и степени сжатия пассивного потока пк на относительный расход Qп/Qa (б) при изменении относительного суммарного осевого зазора А = А/Оср (Оср — средний диаметр каналов ротора)
альных уравнений, выражающих законы сохранения массы, импульса, энергии и состава. Также используется математический аппарат нестационарных источников и стоков, воспроизводящих поступление и уход среды. Система уравнений решалась численным методом распада-разрыва С.К. Годунова. Предварительные расчеты показали высокую эффективность ВД в области криогенных температур — адиабатный КПД достигает 0,75 при степени расширения пт = 1,6. Результаты решения приведены на рис. 3.
Для экспериментального подтверждения полученных результатов и апробации разработанной конструкции в реальных условиях был создан экспериментальный стенд, общий вид которого представлен на рис. 4.
Технологическая обвязка стенда и система измерений позволяют исследовать характеристики ВД на различных режимах работы и провести комплекс измерений параметров потоков. Особенностью схемы является замкнутый контур пассивного газа. В качестве активной сре-
Рис. 4. Общий вид испытательного стенда
ды использовался природный газ, подаваемый с выхода аккумулятора компрессорной АГНКС.
При проведении исследований измерялись и регистрировались следующие параметры:
— давление природного газа на входе и выходе ВД в диапазоне от 4 до 1,2 МПа;
— температура природного газа по активному потоку (на входе и выходе) в диапазонах 196... 227 К и 179... 202 К;
— по пассивному потоку (на входе и выходе) в диапазоне 275... ... 305 К и 312... 381 К;
— расходы активного и пассивного потоков в диапазоне 420... ... 1400 нм3/ч и 130.. .310нм3/ч;
— суммарный осевой зазор между соплами и ротором в диапазоне от 0,045 до 0,1 мм.
Анализ результатов экспериментальных данных подтвердил сделанные в работах [7, 8] выводы о максимальной эффективности ВД в области степени расширения активного потока пт менее 2,5, что определено термодинамическими особенностями процесса выхлопа. При этом степень сжатия пассивного потока пк приблизительно равнялась степени расширения активного потока пт, а расход пассивного газа составлял 20... 30% активного потока (см. рис. 3).
При анализе составляющих необратимости рабочего процесса расширения газа в машинах малой производительности следует выделить перетечки рабочего тела из полости высокого давления в полость низкого низкого. Очевидно, что эти перетечки, применительно к разработанной конструкции ВД, пропорциональны суммарному осевому зазору между ротором и соплами. На рис. 3 показано, что уменьшение суммарного осевого зазора с 0,1 мм до 0,045 мм привело к увеличению КПД на 10 %.
Сопоставление результатов расчета и экспериментальных данных (см. рис. 3) показало, что расхождение в области малых степеней расширения не превышает 20%, что объясняется возрастанием влияния перетечек при небольших расходах. При степени расширения пт = 2... 2,5 данное расхождение не превышает погрешности эксперимента.
На разработанной и апробированной в реальных условиях конструкции ВД был достигнут адиабатный КПД 60 % на уровне температур -35 ... — 110 °С. Подтверждена устойчивая работа устройства в условиях сильной загрязненности примесями (водой, маслом, тяжелыми углеводородами), а также при появлении двухфазной среды на выходе активного потока.
По сравнению с современными высокоэффективными турбодетан-дерами, несмотря на некоторый проигрыш в эффективности в широ-
ком диапазоне степеней расширения, ВД имеет неоспоримые преимущества в виде существенно меньшей стоимости как самого устройства, так и при его эксплуатации и большей надежности, что обусловлено существенно меньшей частотой вращения и конструктивной простотой организации волновых процессов. Кроме того, использование ВД для компримирования (с помощью потока пассивного газа) части технологического газа (например, в установках сжижения метана) поможет снизить энергетические затраты и повысить эффективность установки в целом.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Архаров А. М. Развитие безмашинных газодинамических (волновых) методов генерации холода // Сб. науч. докл. III Всесоюз. науч.-техн. конф. Криогенная техника-82, 1983 г. - Ч. 1. - С. 33-46.
2. Архаров А. М., Бондаренко В. Л., Десятов А. Т., Пронь-к о Б. Г. Эффект охлаждения при волновом адиабатном расширении газа // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1981. - № 2. - С. 139-142.
3. Azoury P. H. Introduction to the Dynamic Pressure Exchanger // Proceedings, Institution of Mechanical Engineers. - Vol. 180. Part 1. - No. 18. - P. 1965-1966.
4. Уэтэрсон Р., ГерцбергА. Энергообменник — новая концепция в теории высокоэффективных газотурбинных циклов // Энергетические машины и установки. - 1967. - № 2. - С. 48-62.
5. К ентфилдДж. Характеристики обменников давления — делителей и уравнителей // Труды ASME. 1965. - Сер. D. - № 3.
6. Генераторы холода на базе волновых обменников давления / Д.М. Бобров, Ю.А. Лаухин, А.М. Сиротин и др. // Газовая промышленность. - 1993. - № 1. -С. 48-62.
7. Р е з у л ь т а т ы численных и экспериментальных исследований волнового детандера / В.Ш.Эрсмамбетов, Ю.А. Лаухин, Д.М.Бобров и др. // Химическое и нефтяное машиностроение. - 1996. - № 5. - С. 14-16.
8. Бобров Д. М., Л а у х и н Ю. А., С и р о т и н А. М. Расширительная холодильная техника для газовой и нефтяной промышленности - современное состояние, тенденции развития, опыт эксплуатации // Обзорно-информ. серия. Подготовка и переработка газа и газового конденсата. - М.: ИРЦ Газпром, 2002. - 88 с.
9. К о з л о в А. В. Повышение эффективности эксплуатации волновых детандеров в установках низкотемпературной обработки углеводородного газа: Авто-реф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 2003, - 19 с.
10. Э р с м а м б е т о в В. Ш. Совершенствование модели процесса и исследования режимов работы волнового обменника давления, предназначенного для наддува дизеля: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Харьков, 1988. - 26 с.
Статья поступила в редакцию 1.07.2010
