Турбодетандерный агрегат: основы работы и разнообразие конструкций

Турбодетандерный агрегат (ТДА) представляет собой турбинную лопаточную машину непрерывного действия, предназначенную для охлаждения газа путем его расширения с извлечением внешней работы. Работая на перепадах давления, турбодетандер способен вырабатывать как механическую, так и электрическую энергию.

Применение ТДА

ТДА находит широкое применение в различных отраслях промышленности:

На нефтегазовых промыслах: в установках низкотемпературной обработки газа и сжижения газа. На предприятиях ТЭК, химической и нефтехимической отраслей: в установках низкотемпературного разделения многокомпонентных газовых смесей.
*В черной металлургии, где работа плавильных печей сопровождается мощным потоком доменного газа.

Состав ТДА

Турбодетандерный агрегат состоит из нескольких ключевых элементов:* Корпус.
Ротор. Регулируемый сопловой аппарат.
*Направляющий аппарат компрессора с резьборычажными механизмами поворота.

Принцип работы ТДА

Газ или газовая смесь, проходя через неподвижные направляющие каналы (сопла), преобразует часть своей потенциальной энергии в кинетическую и попадает в систему вращающихся лопаточных каналов ротора. При резком расширении газа происходит падение давления, и, совершая механическую работу, он интенсивно охлаждается. Одновременно с ротором вращается рабочее колесо компрессора, насаженное на него.

Турбодетандерный агрегат обладает герметичностью и не требует потребления электроэнергии.

Конструкции ТДА

Существует множество конструктивных вариантов ТДА, различающихся по следующим параметрам:* Направление движения потока газа:
    – Центробежные.
    – Центростремительные.
    – Осевые (радиальные).

Степень расширения газа в соплах:
    – Активные — давление понижается только в неподвижных направляющих каналах.
    – Реактивные — давление падает также и во вращающихся каналах ротора. Число ступеней:
    – Одноступенчатые.
    – Многоступенчатые.

Оценка эффективности ТДА

Эффективность ТДА как охлаждающего устройства оценивается с помощью изоэнтропийного (адиабатического) КПД ns, который рассчитывается как отношение действительного теплоперепада (разности энтальпий рабочей среды до и после турбодетандерного агрегата) к изоэнтропийному теплоперепаду ΔHs = Н1 — H2 при расширении рабочей среды с начального состояния до одинакового конечного давления.

КПД ТДА зависит от режима работы и параметров рабочей среды, таких как давление, температура и расход газа. При оптимальных условиях достигаются значения КПД до 0,8 и выше. Однако КПД снижается при наличии жидкой фазы в потоке входящего газа, а также при конденсации газа в ТДА.

В промышленности ТДА часто используются для выработки электрической или механической энергии, которая приводит в движение вентиляторы или компрессоры. Однако при чрезмерном количестве или мощности ТДА может образоваться избыточное количество пара под низким давлением, что потребует стравливания пара в атмосферу и снижения эффективности.

История и достижения

Первый ТДА был внедрен в 1968 году для установки НТК газа на Шебелинском газоконденсатном месторождении во времена СССР. Для установок подготовки газа (УПГ) и газоперерабатывающих установок выпускаются ТДА с турбодетандерами и компрессорами центробежного и центростремительного типов.

ТДА рассчитан на работу в УПГ при температуре сепарации до -10°С и диапазоне рабочих давлений от 8 до 0,2 МПа. Пропускная мощность ТДА плавно регулируется в интервале от 2 до 4 млн м3/сутки с помощью поворотного соплового аппарата турбодетандера. Максимальная холодопроизводительность ТДА при давлении 8 МПа и температуре -26°С составляет 4,19 млн*кДж/час, а производительность по газу — 2,5 млн м3/сутки.