Перспективы использования детандерных агрегатов в производстве холода

К криогенным машинам в настоящее время можно отнести низкотемпературные машины, которые предназначены для производства холода на температурном уровне, как правило, ниже 150°С и перекачивания криогенных жидкостей. К таким машинам следует отнести расширительные машины – детандеры, криогенные газовые машины, работающие по различным циклам, и криогенные насосы для перекачивания криогенных жидкостей.

Детандеры – это расширительные низкотемпературные машины, служащие для производства холода путем расширения рабочего тела с понижением температуры и отдачей внешней работы (энергии). Термин «детандер» происходит от французского слова «dе'tendre», что означает уменьшение давления, и введен выдающимся французским ученым, академиком и создателем первого в мире детандера Жаком Клодом [1].

Детандеры получили широкое распространение в качестве генератора холода в воздухоразделительных установках, в гелиевых и водородных рефрижераторных и ожижительных системах для получения жидких гелия, водорода и других низкотемпературных жидкостей. В последнее время они стали широко применяться в ожижителях природного газа.

По принципу действия детандеры представляют собой энергетические машины, в которых одновременно с производством холода вырабатывается еще и работа в виде механической и электрической энергии, которую можно использовать в качестве привода различных машин и систем. Однако они отличаются от традиционных энергетических машин (паровых и газовых турбин, двигателей и т.п.), прежде всего температурным уровнем их работы. Если энергетические машины работают при температурах выше температуры окружающей среды, то детандеры работают при температурах ниже температуры окружающей среды. Главным назначением энергетических машин является производство работы, а главным назначением детандеров - производство холода. Это отличие детандеров накладывает на них особые условия работы, конструктивного оформления и эксплуатации [2].

На практике существует в основном два класса детандеров: это расширительные машины объемного действия, типа поршневых, винтовых и ротационных детандеров, и кинетического действия, типа турбодетандеров. В детандерах объёмного действия расширение газа происходит за счет непосредственного изменения объема рабочего тела путем движения поршня, или какого - либо другого устройства.

В детандерах кинетического действия - турбодетандерах расширение газа происходит за счет силового взаимодействия потока рабочего газа с лопатками рабочего колеса при движении потока газа в специально спрофилированном канале, в котором устанавливается вращающаяся решетка лопаточного аппарата (рабочее колесо). С помощью вращающихся лопаток рабочего колеса внутренняя и кинетическая энергия потока газа преобразуется в механическую энергию вращающейся решетки лопаточного аппарата. Эта механическая энергия затем преобразуется в электрическую или тепловую энергию, а в последнее время передаётся на вращение рабочего колеса нагнетателя или компрессора [3].

Как детандеры объемного действия, так и кинетического в зависимости от давления рабочего тела, применяемого на входе, подразделяются на детандеры высокого, среднего и низкого давления. Детандеры высокого давления - при давлении на входе более 10 МПа; среднего давления - 1,5-10 МПа; низкого давления менее 1,5 МПа.

Адиабатный КПД поршневых детандеров, практически не зависит от их производительности, и находится на уровне 80% и несколько выше. Они применяются до производительности 8000 м3/ч в установках высокого давления и до 2500 м3/ч в установках среднего давления. У турбодетандеров, напротив, адиабатный КПД существенно зависит как от производительности, так и от давления на входе. При производительности меньше 800 м3/ч адиабатный КПД турбодетандеров среднего давления становится ниже 70%, а у турбодетандеров высокого давления адиабатный КПД становится меньше 70% при производительности менее 2500 м3/ч. Это объясняется тем, что с уменьшением производительности турбодетандеров на этих уровнях производительности диаметры их рабочих колес значительно уменьшаются и сокращаются размеры проточной части. Относительные потери на трение о поверхности проточной части, в связи с высокими скоростями потока возрастают. Таким образом, масштабный фактор в турбодетандерах существенно отражается на величине потерь [4].

В России две основные фирмы разрабатывают и выпускают низкотемпературные турбодетандеры – это ПАО «Криогенмаш» и ОАО «НПО Гелиймаш». ПАО «Криогенмаш» создает турбодетандеры для крупных воздухоразделительных установок низкого давления, ожижителей природного и других газов. В нем создан типовой ряд воздушных турбодетандеров низкого давления с редукторной передачей механической мощности на генератор электрического тока. Ряд состоит из пяти типов размеров и восемнадцати наименований и охватывает широкий диапазон расхода воздуха – от 8 до 110 тыс. кг/ч. Воздушные и азотные турбодетандеры, выпускаемые ПАО «Криогенмаш», надежны в эксплуатации и высокоэффективны: изоэнтропийным КПД турбодетандеров находятся на уровне 86-88%.

ОАО «НПО Гелиймаш» выпускает высокоэффективные и надежные монороторные (безредукторные) турбодетандеры относительно небольшой производительности, от 300 до 10000 кг/ч, для воздухоразделительных установок среднего и высокого давления и гелиевых ожижителей. Изоэнтропийный КПД таких турбодетандеров составляет 68-75%.

В настоящее время турбодетандеры оказываются наиболее эффективными из всех известных устройств для производства холода.

Поэтому как за рубежом, так и в России выпускаются турбодетандеры самой разнообразной конструкции, которые все больше находят применения в энергетике, газовой и нефтехимической промышленности, на морских платформах и танкерах для транспортировки сжиженного природного газа.