ДЕТАНДЕР-КОМПРЕССОРНЫЕ АГРЕГАТЫ (ДКА) НА ОППОЗИТНЫХ БАЗАХ

В ряде работ касающихся поршневых расширительных машин отмечается, что по мере увеличения рабочего объёма цилиндра количество теплоты, подводимой к одному килорамму газа за цикл снижается, что благоприятно отражается на эффективности их работы.

Объясняется это следующими причинами. Объём цилиндра Vh пропорционален кубу его диаметра Dц, в то время как теплообменные поверхности возрастают только в квадратичной зависимости. Следовательно удельная теплообменная поверхность цилиндра Fт.о [м2/м3]с увеличением Dц будет снижаться, что при прочих одинаковых условиях должно приводить к снижению температуры газа на выходе детандерных ступеней и к уменьшению температуры газа в цилиндре компрессорных ступеней в конце процесса всасывания (в начале сжатия).

Повышенные значения Vh в настоящее время соответствуют машинам, создаваемым на оппозитных базах большой мощности, для которых наряду с увеличенным ходом поршня Sп характерна меньшая частота вращения вала n при примерно постоянной средней скорости поршня Сп и отношении хода поршня к диаметру цилиндра 1 ступени = Sп/Dц1.

Нетрудно убедиться, что Fт.о 2(1+)/Sп. Таким образом, при создании ДКА на оппозитных базах, у которых Sп > max, а Сп и const, следует ожидать улучшения показателей эффективности детандерных ступеней.

С учетом сказанного, в ООО «НИИХИММАШ» был выполнен комплекс предварительных расчетных исследований с применением апробированных методов расчета, основанных на математическом моделировании протекающих рабочих процессов. В ходе исследований проанализированы возможные схемы компоновки компрессорных и детандерных ступеней в составе единого агрегата, определены ожидаемые технико-экономические показатели ДКА низкого, среднего и высокого давления при использовании наиболее распространенных 2-х и 4-х рядных оппозитных баз с номинальным усилием по рядам 1.6, 2.5, 4.0 и 10,0 т.

Выполненный анализ показал, что на указанных базах могут быть созданы унифицированные ДКА следующего функционального назначения:

1. автономные экологически чистые источники холодного воздуха с начальным давлением от 0.6 до 3 МПа и давлением на выходе детандерной ступени агрегата равным атмосферному при конечной температуре газа в диапазоне 233 – 143К;

2. ДКА для воздухоразделительных установок, работающие при начальном давлении Рн = 7 МПа и конечном давлении на выходе из детандерной ступени агрегата 0.3-0.5 МПа;

3. малорасходные поршневые детандеры - газовые двигатели, использующие энергию сжатого природного газа на ГРС магистральных трубопроводов и работающие в составе установок многоцелевого назначения.

На рис.1 и 2 приведен ряд схемных решений, использованных авторами при разработке детандер-компрессорных агрегатов на 2-х и 4-х рядных оппозитных базах с номинальным усилием по рядам 2.5…4.0 т.

Расчетные интегральные параметры некоторых из них, соответствующие номинальному режиму работы ДКА, приведены в табл. 1.

- расположение детандерной ступени в отдельном ряде агрегата и её теплоизоляция от базовых элементов агрегата. Такой подход характерен при детандерных ступенях двойного действия с дисковыми поршнями;

- в случае применения дифференциальных поршней между детандерной и компрессорной (как правило, первой) ступенями целесообразно располагать уравнительную полость, на привалочной плоскости которой со стороны детандерной ступени устанавливается теплоизолирующая проставка.

Одним из требований, предъявляемых к ДКА при эксплуатации, является стабильность параметров газа на заданном режиме работы. Условием поддержания стабильной работы детандер-компрессорного агрегата на установившемся режиме (рнг и рн = const) является:

Статистика показывает, что большую часть периода эксплуатации машины рассматриваемого типа работают на нерасчетных режимах, на которых фактические массовые расходы mк и mд отличаются от расчетных (номинальных) значений, поскольку зависят от давления газа в контрольных точках газового тракта агрегата рнг и рн. В связи с указанным практически важной является задача получения на стадии проектирования характеристик компрессорных и детандерных ступеней агрегата на основе апробированных методов расчета с применением современной вычислительной техники.

Ниже приводятся данные, полученные при решении поставленной задачи применительно к детандер-компрессорному агрегату ДКА750-20/1 (см. рис.1), спроектированному на оппозитной базе 2М2.5.

Анализ работы компрессорного блока агрегата, состоящего из 3-х ступеней сжатия, выполнен на основе прикладной программы расчета ступени компрессора, освоенной в ООО «НИИХИММАШ» за последние годы. Результаты расчетов, показанные на рис. 3, позволяют констатировать:

1. при номинальном давлении нагнетания рнг = рнг.ном = 2.2 МПа массовый расход газа на выходе 3-й ступени компрессора составляет mк 800 кг/ч;

2. с ростом давления нагнетания наблюдается увеличение давлений всасывания рвс, перераспределение отношений давлений П по ступеням и соответствующее изменение величин коэффициента подачи ступеней. На 3-й ступени сжатия, определяющей производительность компрессорного блока, снижение и увеличение рвс наиболее существенны по величине. Однако их влияние на расход газа через ступень противоположно, вследствие чего в рассматриваемом диапазоне 1.7 рнг 3.0 МПа массовый расход компрессора изменяется незначительно (не более 1.5%).

Более сложные закономерности изменения интегральных параметров характерны для прямоточной детандерной ступени агрегата (см. рис.4), укомплектованной самодействующим впускным клапаном.

С увеличением начального давления на входе в детандерную ступень рн пропорционально возрастает и плотность газа н, что способствует увеличению массового расхода газа через детандерную ступень mд. С другой стороны, увеличение плотности газа является причиной снижения mд. Действительно, с увеличением н в процессе наполнения цилиндра свежим газом дроссельные потери во впускном клапане возрастают, что с учетом особенностей работы самодействующих впускных клапанов приводит к снижению продолжительности процесса наполнения, характеризуемой величиной относительного хода поршня с2 в момент посадки пластин впускного клапана на седло.

Массовый расход детандерной ступени определяется зависимостью

Поскольку с увеличением рн плотность газа н линейно возрастает, а коэффициент подачи снижается по логарифмической зависимости, функция расхода газа mд =f( рн ) имеет минимум. Для рассматриваемой конструкции ДКА минимальный расход газа через детандерную ступень составляет примерно 93% от номинальной производительности компрессорного блока агрегата. При начальном давлении на входе в детандерную ступень рн>3.0 МПа и рн <1.7 МПа расход газа через детандерную ступень становится больше подачи компрессора (mд > mк), что приводит к нарушению установившегося режима работы ДКА.

Таким образом, рассмотренный вариант ДКА750-20/1 работоспособен в диапазоне давлений 1.7 < рн < 3.0 МПа. При необходимости указанный диапазон давлений может быть расширен путем изменения объёма мертвого пространства детандерной ступени в сочетании с изменением числа, натяга и жесткости пружин впускного клапана.

Номинальный режим работы ДКА750-20/1 характеризуется следующими параметрами: на входе в детандерную ступень начальная температура и давление газа соответственно равны Тн = 303К и рн = 2.2 МПа; на выходе из агрегата рк = 0.1 МПа. При этом конечная температура газа на выходе из детандерной ступени (см. рис.4) Тк = 167К (-1060С).

При постоянном давлении рк увеличение (снижение) начального давления рн приводит к пропорциональному изменению степени расширения газа в детандерной ступени, что отражается и на величине конечной температуры газа Тк. В пределах указанного выше рабочего диапазона начальных давлений (1.7 < рн < 3.0 МПа) фактическая Тк и теоретически возможная Тк.s конечная температура газа на выходе из агрегата ДКА750-20/1 в условиях эксплуатации может быть установлена оператором в пределах 150 Тк 186К, т.е от -90 до -1230С. При незначительной перенастройке параметров впускного клапана начальное давление газа на входе в детандерную ступень рн может быть снижено до 0.7…1.0 МПа, а соответствующий новым значениям рн верхний предел конечной температуры газа отрегулирован на диапазон - 40…-800С.

Важнейшими показателями вновь создаваемых детандер-компрессорных агрегатов являются холодопроизводительность Q (кВт) и удельная мощность Nуд (кВт/кВт), равная отношению затраченной мощности к холодопроизводительности агрегата. При условии mд = mк = m (кг/с) величина Q может быть найдена по уравнению

Их анализ показывает, что с увеличением массового расхода газа и отношения давлений рн/рк эффективность работы детандер-компрессорных агрегатов возрастает.

Фактические показатели эффективности ДКА при заданных режимных параметрах (частота вращении вала, средняя скорость поршня и т.д.) в конечном итоге будут определяться конструктивным совершенством комплектующих узлов агрегата, наличием или отсутствием смазки в парах трения, качеством применяемых материалов и уровнем технологии на предприятии-изготовителе.

Труды XIII международной научно-технической конференции по компрессоростроению. Сумы 2004