Жидкостно-кольцевые компрессоры нового поколения

Модернизация 100-летней технологии для безопасного и эффективного улавливания газов и паров.

Жидкостно-кольцевые вакуумные компрессоры используются в различных отраслях промышленности, как правило, для откачки газов и паров. Их применяют в тяжелых условиях эксплуатации, когда безопасность особенно важна.

 

Ожидается, что спрос на подобное оборудование будет расти примерно на 5% в год вплоть до 2029 года1, поскольку жидкостно-кольцевые компрессоры обеспечивают надежные решения при утилизации нефтезаводских факельных газов. Жидкостно-кольцевые компрессоры также идеально подходят для таких применений, как сжатие хлора и водорода, производство мономеров винилхлорида, биодизельного топлива, этанола и других процессов переэтерификации.

 

Непосредственный контакт газа с рабочей жидкостью приводит к почти изотермическому сжатию, что соответствует более низким температурам на выходе. Жикостно-кольцевые компрессоры позволяют работать с конденсирующимися газами, что при использовании других технологий может привести к негативным последствиям.

 

В качестве герметизирующих жидкостей можно использовать разные жидкости (чаще всего это вода), что делает эти компрессоры идеальными в таких ситуациях, когда технологические загрязнения недопустимы. С механической точки зрения в камере сжатия нет контакта металлических поверхностей в отличие от поршневых компрессоров.

 

Единственная вращающаяся деталь - это ротор в сборе. Все эти преимущества обеспечивают конечному потребителю, работающий компрессор с длительным сроком службы и низкими затратами на простои и техническое обслуживание.

 

Как работают жидкостно-кольцевые компрессоры

 

Жидкостно-кольцевые компрессоры занимают особое положение среди подобного оборудования, поскольку в них нет контакта между отдельными деталями для создания трения.

 

Рисунок 1. Схема жидкостно-кольцевого компрессора

 

  1. Рабочее колесо с изогнутыми лопатками вращается внутри цилиндрического корпуса, заполненного рабочей жидкостью (обычно водой).
  2. Вращение создает центробежную силу, которая создает движущееся кольцо жидкости по внутренним стенкам корпуса.
  3. Это приводит к объемному расширению в выпускной части кольца жидкости, что приводит к втягиванию газообразной технологической среды через впускное отверстие в направляющей пластине.
  4. В приточной части кольца жидкости объем уменьшается, сжимая среду.
  5. После сжатия среда выпускается через выпускное отверстие в направляющей пластине вместе с рабочей жидкостью.

Перекачиваемая среда контактирует с рабочей жидкостью, что обеспечивает их взаимодействие.

 

Таблица 1. Характеристики жидкостно-кольцевого вакуумного компрессора (данные предоставлены компанией Flowserve)

 

 

Технология

Некоторые компрессорные технологии не могут обеспечить безотказную работу, если в технологической среде присутствуют жидкости, твердые частицы (мусор) или пары. Жидкостно-кольцевой компрессор эффективно обрабатывает технологические газы, которые отделяются от нежелательных жидкостей и паров и рециркулируются или утилизируются.

 

Сравнение компрессоров для утилизации факельного газа

Жидкостно-кольцевые компрессоры широко используют для утилизации факельного газа благодаря их высокой надежности, низким первоначальным затратам и расходам на техническое обслуживание.

 

Конструкция компрессора

Роторы некоторых жидкостно-кольцевых компрессоров спроектированы с увеличенным диаметром ступицы для максимальных нагрузок (изгибающей нагрузки и собственной частоты). Любые осевые нагрузки берут на себя подшипники с масляной смазкой. Зазор подшипников должен быть как можно меньше, чтобы предотвратить прогиб валов в процессе эксплуатации. Также при выборе компрессора, соответствующего технологическим требованиям, необходимо учитывать следующие особенности.

 

Изотермический КПД

Лопатки каждого рабочего колеса в жидкостно-кольцевом компрессоре изогнуты для оптимальной передачи энергии. Поскольку мощность сжатия вырабатывается из энергии, генерируемой вращательным движением кольца жидкости, количество энергии должно быть, как минимум, эквивалентно коэффициенту изотермического сжатия. Конструкция обеспечивает стабильное состояние кольца жидкости во всем диапазоне давлений. Внутренние направляющие для рабочей жидкости сводят к минимуму внутренние потери на осевых уплотнительных поверхностях между рабочими колесами и направляющими дисками. Таким образом, снижаются потери при переливе.

 

В результате изотермический КПД повышается на 23%3 и при этом снижается энергопотребление.

 

Таблица 2. Затраты за срок службы разных типов компрессоров. (Источник: компания Future Market Insights [2014]) 2

 

Рисунок 2. Вид с частичным разрезом для изображения внутренних компонентов и конструкции корпуса среднегабаритного жидкостно-кольцевого компрессора.

 

Снижение радиальных сил

Вторая ступень используется на некоторых компрессорах для управления высоким перепадом давления. Центральный узел этой ступени разработан таким образом, чтобы кольцо жидкости втекало и вытекало из ячеек лопаток дважды за каждый оборот рабочего колеса. Это позволяет избежать радиальных нагрузок и свести к минимуму возможность прогиба вала, чтобы уменьшить вибрации, которые могут негативно повлиять на эффективность и срок службы.

 

Переменная температура газа на выходе и расход воды

Жидкостно-кольцевые компрессоры и система предварительного и добавочного охлаждения позволяют использовать минимум воды для охлаждения. Благодаря регулированию температуры также гарантируется, что компоненты в среде не затвердеют и не заблокируют систему обработки.

 

После выпуска из компрессора смеси жидкостей и газов жидкость можно отделить от газа в сепараторе и повторно использовать в качестве рабочей жидкости после охлаждения. Охлаждение необходимо, поскольку большая часть тепла, выделяемого при сжатии и процессах конденсации, поглощается жидкостью. В некоторых компрессорах можно регулировать расход рабочей жидкости в диапазоне от 53 до 106 галлонов/мин. Компрессоры также предсказуемо реагируют на изменение количества воды, поддерживая стабильное сжатие.

 

Литые или сварные детали

Наиболее высокая производительность и надежность достигается при использовании литых основных деталей, таких как корпус и рабочее колесо. Литые материалы более надежны, чем сварные конструкции. Кроме того, в соответствии со стандартом API 681 сварные детали должны пройти рентгенографический контроль и испытания с помощью проникающих красящих веществ. При использовании литых деталей не нужны эти дорогостоящие и трудоемкие проверки качества. Однако следует узнать у производителя, как проектировались и испытывались литые детали. Некоторые производители компрессоров проектируют свое оборудования на основе результатов моделирования литья. Это позволяет визуализировать заполнение формы, затвердевание и охлаждение, а также спрогнозировать расположение внутренних дефектов, таких как усадочная пористость, песчаные включения и спаи.

 

Выпускные патрубки слева или справа

Выбирайте жидкостно-кольцевые компрессоры с выпускным патрубком на уровне вала, который можно присоединить с левой или с правой стороны корпуса. Это экономит место и позволяет расположить оборудование передними или задними сторонами друг к другу. Компрессоры можно устанавливать в любых положениях, меняя расположение выпускного патрубка. Конструкции с выпускными патрубками на уровне вала также помогают избежать переполнения компрессора при запуске. При полном заполнении жидкостью возможна деформация вала и лопаток рабочего колеса.

 

Снижение вибрации

В некоторых конструкциях жидкостно-кольцевых компрессоров уменьшают расстояние между подшипниками вала и точками крепления на опоре к полозьям или полу. В результате уменьшается прогиб и амплитуда в процессе эксплуатации, что положительно влияет на упругие колебания компрессора. Вибрация снижается. Это позволяет предотвратить чрезмерное напряжение материала, преждевременное старение, повреждение подшипников и механических уплотнений.

 

Встроенная опора ротора

Выбирайте компрессоры с механическими уплотнениями, предназначенными для интеграции с внутренней опорой ротора; это обеспечит легкий доступ к подшипникам для проведения обслуживания. Уплотнение должно выдерживать статическую нагрузку от веса ротора. Для обслуживания других конструкций требуется разбирать компрессор на месте, отсоединять трубопроводы и поднимать установку с помощью крана для транспортировки в сторонний ремонтный центр. Выбирайте жидкостно-кольцевой компрессор со встроенной опорой ротора, чтобы менять подшипники на месте.

 

Современный дизайн

Принцип работы жидкостно-кольцевого компрессора позволяет повысить производительность, уменьшить затраты на техническое обслуживание и ремонт и обеспечить более длительный срок службы оборудования. Современная, надежная конструкция жидкостно-кольцевого компрессора соответствует стандарту API 681 и позволяет использовать для проверки средства моделирования. Кроме того, жидкостно-кольцевые компрессоры энергоэффективны; они снижают расход воды на предприятии и экономят пространство в установках для нефтяных, газовых и химических процессов.

 

Список использованных источников

 

  1. Анализ стабильности рынка, “Исследование мирового рынка жидкостно-кольцевых вакуумных насосов: высокопроизводительные насосы в нефтегазовой отрасли”, октябрь 2019 г.
  2. Аналитическая картина перспектив рынка, “Анализ мирового рынка систем утилизации факельного газа и оценка перспектив, 2014 – 2020 г.”, 2015 г.
  3. Внутреннее исследование компании Flowserve, 2020 г.

 

Стефан Лен - ответственный за товарный ассортимент компании Flowserve. Эл. почта для связи с автором: slahn@flowserve.com. Дополнительная информация представлена на сайте www.flowserve.com.

 

---

 

Использование сложных промышленных процессов

Жидкостно-кольцевые компрессоры широко применяются при утилизации факельного газа и обработке особо агрессивных, воспламеняющихся или коррозионноактивных газов и паров при:

 

  • химической обработке;
  • сжатии хлора;
  • обработке CO2;
  • отбелке озонированным воздухом;
  • получении мономера винилхлорида и ароматических соединений;
  • водоподготовке.

 

Основные процессы:

 

  • реакторы периодического действия;
  • деаэрация и газификация;
  • сжатие газов;
  • утилизация факельных газов;
  • утилизация отходящих газов;
  • сжатие продувочного газа;
  • утилизация пара.

---

 

Соблюдение стандарта API 681

Стандарт API 681 устанавливает минимальные требования для жидкостно-кольцевых вакуумных компрессорных систем, применяемых в нефтяной, газовой и химической промышленности. В 2021 году планируется выпуск обновленных требований. При выборе оборудования перед покупкой необходимо проверять, соответствует ли конструкция подшипника стандарту API 681.