Турбодетандеры

 

Дета́ндер (от франц. détendre — ослаблять) — устройство, преобразующее потенциальную энергию газа в механическую энергию. При этом газ, совершая работу, охлаждается. Используется в цикле получения жидких газов, таких как воздух и гелий. Наиболее распространены поршневые детандеры и турбодетандеры.

Основное применение турбодетандеры нашли в технологических процессах получения жидкого водорода, кислорода, воздуха, азота и других криогенных газов. Однако сегодня турбодетандеры начинают применяться в процессах утилизации избыточной «даровой» энергии дросселируемого природного газа на ГРС и ГРП при распределении газа, транспортируемого по магистральным газопроводам. Большие перспективы применения турбодетандеров в технологических процессах производств с применение пара в качестве основного энергоносителя (нефтеперерабатывающие и химические заводы), а также на газовых и нефтяных промыслах.

 

Причины разработки турбодетандеров, значимость

 

В начале XX века велись поиски способов повысить температуру в домнах, и тем самым упростить выплавку чугуна. Для этого предполагалось применять поддув в домну обогащённого кислородом воздуха. Кислород получают из жидкого воздуха посредством пофракционной перегонки. Соответственно возникла проблема получения жидкого воздуха в промышленных масштабах. Существовавший на то время способ охлаждения (дросселирование через тонкую трубку) был очень энергозатратным и не достаточно эффективным, что не позволяло применять кислород в металлургии. Попытки применять поршневые детандеры оканчивались неудачей, так как они быстро выходили из строя, забиваясь водяным льдом. Для применения поршневых детандеров воздух приходилось осушать, пропуская через специальные химические смеси, что опять же чрезмерно усложняло и удорожало процесс.

 

Разработка турбодетандера позволила применять кислород в доменных печах и конвертерах. Это не только упростило выплавку чугуна, но и упростило преобразование чугуна в железо (сталь). Получаемая сталь была более высокого качества, чем ранее, так как содержала меньше растворённого в ней азота. Применение чистого кислорода, вместо воздуха также существенно повышает температуру в конвертере, что позволяет в нём переплавлять существенно большее количество металлолома.

 

В разработке детандеров ведущую роль в СССР с 1936 года играл академик Капица, в частности предложивший усовершенствованную конструкцию турбодетандера, позволившую поднять его КПД на целых 15-20 % — с 0,52-0,58 до 0,79-0,83[1], то есть в 3 раза снизить потери (по сравнению с лучшими до того в мире турбодетандерами немецкой фирмы Линде).

 

Насосы

Что может вызвать поломку насоса

 

Причина 1. «Сухой ход» (иными словами, работа при отсутствии воды). Она ведет к перегреву двигателя, поскольку перекачиваемая среда, как правило, выполняет еще и охлаждающую функцию. Кроме того, работа «всухую» вредна для уплотнителей, которые обычно «смазываются» жидкостью в процессе ее перекачки.

Причина 2. Гидравлический удар. Он происходит при включении «сухого» насоса. При этом закачиваемая в него жидкость ощутимо бьет по лопастям крыльчатки и может повредить их. Попадание воздушного пузыря в водозаборный шланг во время работы также сопровождается гидрав­лическим ударом.

Внимание.

Рабочий объем большинства поверхностных бытовых насосов перед началом работы необходимо вручную наполнить водой.

Причина 3. Замерзание жидкости в корпусе. Оно недопустимо, так как это может серьезно повредить аппарат.

Внимание.

Если насос находится в том месте, где температура окружающей среды опускается ниже нуля градусов Цельсия (например, остается зимовать в неотапливаемом помещении), всю воду из него надо слить.

Причина 4. Превышение максимально допустимой температуры перекачиваемой среды. Оно не столь пагубно действует на насос, как «сухой ход», но «симптомы» те же: при высокой температуре воды теплоотдача происходит медленнее, и двигатель перегревается.

 

Диагностика неисправностей насосов и способы устранения

Неисправность 1. Кавитация. В каких случаях возникает кавитация, и каковы способы ее устранения? Причина 1. Забита вентиляционная труба (или ее диаметр слишком мал) при высокой температуре перекачиваемой жидкости.

Устранение. Прочистить или установить новую трубу большего диаметра.

Причина 2. Длинный всасывающий трубопровод для насосов при монтаже «Сухая установка».

Устранение. Подобрать другой подходящий насос.

Причина 3. Частицы воздуха или газа в перекачиваемой жидкости. Устранение:

♦ обеспечить глубокое погружение насоса в воду;

♦ установить отбойные щитки с целью исключить попадания струи воды на участок вблизи насоса.

Причина 4. Забит или зашлакован подводящий трубопровод. Устранение:

♦ очистить подводящий трубопровод насоса или шахту;

♦ очистить гидравлическую часть насоса.

Причина 5. Высокая температура перекачиваемой жидкости. Устранение. Подобрать другой насос.

Причина 6. Насос работает в правой части характеристики. Устранение:

♦ подобрать другой насос;

♦ повысить сопротивление на напорном трубопроводе путем установки искусственных сопротивлений таких, как дополнительные колена, трубопровод малого диаметра.

 

Неисправность 2.

Насос не развивает необходимой мощности (Н, Q).

Причина 1. Неверное направление вращения насоса (только для 3-х фазных насосов).

Устранение. Для установки правильного направления поменять местами две фазы (жилы кабеля питания насоса).

Причина 2. Повреждение рабочего колеса по причине его абразивного износа и коррозии.

Устранение. Заменить поврежденные детали (например, ржавое рабочее колесо).

Причина 3. Забита подающая линия насоса или рабочее колесо.

Устранение. Очистить их.

Причина 4. Забился или заклинил обратный клапан.

Устранение. Очистить клапан.

Причина 5. Не полностью открыта задвижка на напорном трубопроводе.

Устранение. Полностью открыть задвижку.

Причина 6. Частицы воздуха или газа в перекачиваемой жидкости.

Устранение. Обеспечить глубокое погружение насоса в воду или установить отбойные щитки с целью исключить попадания струи воды на участок вблизи насоса.

Причина 7. Забита вентиляционная труба.

Устранение. Проверить и при необходимости прочистить

Неисправность 3.

Прибор управления подает сигнал превышения тока.

Причина 1. Падение напряжения в сети

Устранение. Проверить напряжение в сети.

Причина 2. Слишком высокая вязкость перекачиваемой жидкости, что вызывает перегрузку мотора.

Устранение. Установить рабочее колесо меньшего диаметра или другой мотор.

Причина 3. Работа насоса в правой части характеристики.

устранение. Ограничить производительность насоса с помощью запорной арматуры на напорном трубопроводе.

Причина 4. Слишком сильное повышение температуры мотора.

Устранение. Проверить количество запусков и остановок и при необходимости ограничить прибором управления через настройку частоты включений.

Причина 5. Неверное направление вращения насоса (только для 3-х фазных моторов).

Устранение. Для установки правильного направления поменять местами две фазы (жилы кабеля питания насоса).

Причина 6. Выпадение одной из фаз.

Устранение. Проверить контакты подключения кабеля, а при необходимости - заменить неисправные предохранители.

Неисправность 4.

Насос и напорный трубопровод забиваются отложениями.

Причина 1. Образование отложений происходит при пониженной подаче по причине снижения скорости жидкости.

Устранение. Проверить рабочую точку насоса и диаметр трубопровода на их соответствие скорости жидкости.

Причина 2. Слишком частое включение для перекачки небольших объемов.

Устранение. Произвести перерасчет высоты уровня жидкости для включения насоса (увеличить объем перекачки за один цикл работы насоса), при необходимости увеличить быстродействие на приборе управления.

Неисправность 5.

Возникают гидравлические удары.

Каким образом их можно избежать/уменьшить?

Причина 1. Перемещение большого объема жидкости через небольшое сечение трубы в момент запуска насоса.

 

Устранение. Проверить рабочую точку насоса и диаметр трубопровода на предмет их соответствия скорости жидкости.

Причина 2. Образование воздушных пробок в трубопроводе.

Устранение. Установка вентиляционных и воздухоспускных клапанов за обратным клапаном или в верхних точках трубопровода.

Причина 3. Быстрый выход насоса на режим.

Устранение. Заменить 2-х полюсный мотор на 4-х полюсный или использовать устройство плавного пуска/преобразователь частоты.

 

Причина 4. Запуск насоса производится очень часто.

Устранение. Настроить быстродействие на приборе управления.

Причина 5. На некоторых участках трубопровода установлена быстрозапорная арматура.

Устранение. Заменить арматуру на обычную.

Неисправность 6.

Шумит обратный клапан.

Как устранить/ослабить шумовой эффект.

Причина 1. Клапан слишком медленно закрывается и после выключения насоса ударяет по посадочному гнезду.

Устранение. Замена на быстрозапорный клапан, использование клапана с резиновым уплотнением, с плавающим шаром, настройка быстродействия на приборе управления.

Неисправность 7. Насос/установка слишком громко работает.

Причина 1. Неверное направление вращения насоса (только для трехфазных моторов).

Устранение. Для установки правильного направления поменять местами две фазы (жилы кабеля питания насоса).

Причина 2. Повреждение рабочего колеса по причине его абразивного износа и коррозии.

Устранение. Заменить поврежденные детали (например, ржавое рабочее колесо).

Причина 3. Забита подающая линия насоса или его рабочее колесо.

Устранение. Очистить их.

Причина 4. Забита вентиляционная труба.

Устранение. Проверить и при необходимости прочистить.

Причина 5. Слишком низкий уровень жидкости в резервуаре.

Устранение. Проверить указатель уровня и при необходимости перенастроить.

Причина 6. Причина звуков - колебания трубопроводов.

Устранение. Проверить эластичные соединения и прочно закрепить трубопроводы анкерами, проверить вводы труб через стену.

Причина 7. Работу насоса в шахте слышно даже в здании.

Устранение:

♦ шахта не звукоизолирована от здания;

♦ установить звукоизоляционные перегородки в прямых жестких каналах, соединяющих дом и шахту.

Причина 8. Установку слышно по всему зданию.

Устранение. Установка не изолирована от пола/стены, необходимы изолирующие прокладки.