Внутреннее сжатие: особенности и ограничения

Особенности систем с реализацией принципа внутреннего сжатия

В криогенных установках, назначением которых является получение жидких агентов для выдачи потребителям или получение продуктов (компонентов) разделения смесей, в том числе воздуха, в жидком или газообразном виде, давление продукционных потоков зачастую выше фактического давления реализации низкотемпературных процессов. Это обусловлено технологическими особенностями процессов на стороне потребителей, например:

• точное регулирование расхода кислорода в узлы смешения установок доменного дутья;
• регулирование расхода азота, кислорода и аргона в процессах обработки высоколегированных и титансодержащих сталей;
• транспортировка / хранение продуктов в жидком состоянии под сверхкритическим давлением для снижения тепловых потерь за счет повышения температуры или подача сверхкритической жидкости в камеры сгорания и пр.

Как известно, реализация низкотемпературных процессов в криогенной установке наиболее эффективна при более низком давлении, в том числе в части:

• снижения затрат энергии или массогабаритных характеристик тепломассообменных аппаратов для разделения смесей;
• повышения геометрической массовой вместимости криогенных танков и транспортируемых цистерн за счет большей плотности жидкости при более низкой температуре насыщения, соответствующей более низкому давлению;
• большей компактности трубопроводной обвязки за счет большей плотности жидкости и выполнения условий безопасного обращения со средой кислорода при меньшем калибре трубопроводов и арматуры;
• большего перепада давления в расширительных устройствах: дросселях и детандерах, с соответствующим изменением доли жидкости (клапаны) в конце процесса расширения или холодопроизводительности (детандеры) и пр.

В противоречивых обстоятельствах: технологической необходимости выдачи продуктов с высоким давлением и снижения давления в целях повышения эффективности реализации низкотемпературных процессов, наиболее компромиссным решением является применение в составе основного технологического оборудования жидкостных криогенных насосов.

Насосы, входящие в состав криогенной установки и выполняющие функции изменения характеристик продукционных потоков или перемещения технологических потоков в пределах установки, принято называть технологическими насосами (process pumps).

Повышение давления продукционных потоков в криогенных насосах перед их газификацией в основном теплообменном аппарате в технологических насосах называется внутренним сжатием. В преобладающем большинстве случаев, когда в технической документации приводится полное наименование установки, указывается ... установка с реализацией принципа внутреннего сжатия ... или подобные формулировки.

Такая запись однозначно определяет механизм обеспечения требуемых параметров продукционных потоков на границе системы или установки в части давления и исключает необходимость предусматривать внешнее / дополнительное оборудование для компримирования газов. Наиболее часто используемые уровни давления в технологических процессах потребителей: 6, 8, 12, 16, 18 и 24 бар (абс.).

Фактическое давление жидкости, которое может быть достигнуто в криогенной системе, ограничено прочностными и массогабаритными характеристиками динамического / статического оборудования, трубопроводной обвязки и арматуры.

Состояние вещества, при котором давление жидкости повышается существенно выше критического, называют сверхкритическим флюидом.

Органичения применения внутреннего сжатия в криогенной системе

Для большинства веществ, в том числе даже для активно используемого в атомной энергетике — воды, параметры в области сверхкритического флюида изучены не в полной мере. Основной аспект, ограничивающий применение такого флюида в криогенной технике, — стохастичность системы, т.е. одни и те же действия могут приводить к различным состояниям или последствиям случайно. Это исключает возможность построения аналитического основания при инженерных расчетах.

Отсюда вытекает важное ограничение — давление жидкости, которое может быть достигнуто и контролируемо реализовано в криогенной системе, ограничено давлением в критической точке. Так, для установок с реализацией принципов внутреннего сжатия предельные давления потоков: азот — 33,96 бар (абс.), кислород — 50,43 бар (абс.), аргон — 48,63 бар. Определить значение давления в критической точке для широкого списка рабочих веществ вы можете в соответствующем калькуляторе на сайте.

При приближении к критической точке фазовое состояние вещества становится квазистабильным, т.е. может мгновенно изменяться, поэтому по аналогии с рекомендациями для выбора холодильного агента в парокомпрессионных системах в части непревышения давления конденсации \((0.75...0.85)\cdot P_{кр}\) фактическое давление для внутреннего сжатия следует назначать соответствующим образом.

Важно! Ограничение по давлению жидкости в системе с внутренним сжатием накладывается только в том случае, когда жидкость подвергается газификации в теплообменных аппаратах, непосредственно участвующих в технологическом процессе, или в случае, когда проводится аналитическое обоснование объема вспомогательных сред (электроэнергии, водяного пара или др.) для газификации продукционной жидкости.

Например, в ВРУ нагрев жидкости, ее конденсация и нагрев газа (для потоков с реализацией внутреннего сжатия) при конкретных прогнозируемых температурных уровнях в основном теплообменном аппарате — важнейшее условие обеспечения работоспособности и эффективности установки, особенно в части (1) температурного уровня работы турбодетандеров (тонкий баланс между температурой на входе, соответствующей давлению в сечении колонны подвода, и отсутствием или непревышением максимально допустимой доли жидкости для конкретно взятой машины) и (2) доли жидкости после основного дросселя для орошения колонны.

Конкретно

Для строго аналитического расчета криогенной системы и ее составных частей переход рабочих веществ в область состояний сверхкритического флюида недопустим.

Достоинства и недостатки

В настоящее время системы с внутренним сжатием очень распространены. Это объясняется следующими достоинствами:

• повышение давления среды в жидкостных насосах энергетически существенно выгоднее, чем теплое компримирование газа

Конкретный пример

Условия:

• азот 1 кг/с;
• давление начала компримирования 1,12 бар (абс.);
• температура начала компримирования 77,8 К (внутреннее сжатие);
• температура начала компримирования 300 K (теплое сжатие);
• давление конца компримирования 28 бар (абс.);
• изоэнтропный КПД компрессора 0,78;
• изоэнтропный КПД насоса 0,5.

Потребляемая мощность:

• внутреннее сжатие — 6,7 кВт;
• теплое сжатие — 602,5 кВт.

• жидкостной криогенный насос, теплоизолированный кожух (pump box), арматурная обвязка существенно дешевле компрессорной машины с системой межступенчатого и концевого охлаждения аналогичного теплого решения;
• кислородное исполнение насоса гораздо безопаснее / конструктивно проще / менее нормативно контролируемо относительно аналогичного теплого решения;
• жидкостной криогенный насос значительно компактнее, размещается в локальном теплоизолированном кожухе рядом с холодным блоком, а не в машинном зале.

Системы с внутренним сжатием имеет ряд недостатков:

• принципиально необходимо обеспечить переохлаждение среды на входе в насос (запас системы по кавитации) для предотвращения развития кавитации и выхода из строя важного для технологического процесса оборудования;
• для существенного повышения давления (от 200 бар) используются плунжерные насосы со всеми вытекающими недостатками, альтернатива - многоступенчатые погружные центробежные насосы, в которых переохлаждение перед каждой следующей ступенью происходит за счет объема жидкости вокруг корпуса;
• для насосов непрерывного принципа действия необходимо организовывать подвод уплотняющей среды, которая при определенных обстоятельствах в случае отличия от рабочей среды в насосе может приводить к ухудшению чистоты продукционных потоков;
• доступ к насосу и элементам его обвязки затруднен помещенным в объем кожуха перлитовым песком, т.е. для обслуживания требуется расперличивание с последующей засыпкой и подсыпкой песка в объем кожуха;
• в случаях, когда теплоизолированный кожух не оснащен системой наддува, вероятны ситуации с набором влаги в объеме перлитового песка и снижением его теплоизоляционных свойств при захолаживании насоса.

Выводы

Криогенные системы с реализацией принципа внутреннего сжатия весьма эффективны и рациональны при текущем уровне развития машиностроения и конструкционных материалов, но в каждом конкретном случае использование того или иного метода компримирования продукционных потоков требует грамотной инженерной и экономической оценки.

Чтобы ознакомиться с особенностями криогенных жидкостных насосов, рекомендациями по их обвязке, методами защиты системы от кавитации, изучите буклет Пособие криогенщика. Насосы жидкостные криогенные, в статье на сайте.