Цветковская Л.Н. Газификационные установки. Для студентов специальности Криогенная техника и технология
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 6. Принципиальная схема холодного газификатора
1 - резервуар; 2 - вакуумный клапан; 3 , 17 - мембрана; 4, 9 , 12 , 13,
19 - запорные вентили; 5 - уровнемер; 6 - трехходовый кран; 7 -
манометр; 8 - вентиль контроля уровня продукта в резервуаре; 10 -
дренажный вентиль; 11, 18 , 20 , 25 - предохранительные клапаны;
14 - автоматический дренажный клапан; 15 - вентиль сброса; 16 -
регулятор давления; 21 - арматурный шкаф; 22 - испаритель подъема
давления; 23 - продукционный испаритель; 24 - обратный клапан;
25 - газовый коллектор.
I – дистанционный контроль уровня и давления; II – визуальный контроль
уровня; III – наполнение-опорожнение; IУ – газосброс.
Рис. 7. Т-S диаграмма холодного газификатора
Испарители применяют панельного типа размером 1500 х 500 мм. Их
изготавливают прокатно-сварным методом из двухслойных алюминиевых
12
заготовок. Заготовку смазывают специальной пастой, накладывают второй лист
и соединяют роликовой сваркой. Затем в каналы подают давление и за счет
деформации листов в приспособлениях получают каналы круглого сечения.
В каждой панели имеется 8 каналов, в которых осуществляется
испарение продукта и подогрев. Панели собраны в блоки. Каждый блок состоит
из двух элементов: испарителя подъема давления и продукционного испарителя.
Оба испарителя выполнены из одинаковых теплообменных панелей.
Продукционный испаритель состоит из 32 панелей, испаритель подъема
давления из 6. Соединение панелей испарителя подъема давления
параллельное, панелей продукционного испарителя секционное: две или более
последовательно соединенные секции панелей.
Один блок испарителя обеспечивает газификацию примерно 250 м
3
/ ч
продукта. Таким образом газификаторы производительностью 250, 500, 1000 и
2000 м
3
/ ч комплектуются соответственно 1, 2, 4 и 8 блоками испарителей.
Рабочий режим поддерживается автоматически.
Под действием гидростатического давления криогенная жидкость
подается из нижней части резервуара в панели испарителей подъема давления,
в которых испаряется за счет теплообмена с окружающим воздухом.
Образовавшийся пар направляется в паровое пространство резервуара через
регулятор давления, поддерживающий заданное давление в резервуаре. Под
избыточным давлением жидкий продукт по трубопроводу подается в панели
продукционного испарителя, газифицируется и направляется в сеть
потребителю.
Автоматическая работа газификатора обеспечивается регулятором
давления, настроенным на рабочее давление 1,6 МПа. Допускается
перенастройка регулятора.
Типы холодных газификаторов / 13 / :
ГХК 3 / 1,6 - 200; ГХК 8 / 1,6 - 500; ГХК 8 / 1,6 - 1000;
ГХК 8 / 1.6 - 2000; ГХК 25 / 1,6 - 500; ГХК 25 / 1,6 - 2000.
Суточная испаряемость продукта в резервуаре 0.1 - 0.5 % .
13
Так как рабочее давление криогенного продукта довольно высокое, то
можно хранить его достаточно долгое время без сброса газов .
1.4. Газификаторы с насосом
Это газификаторы высокого давления ( 22 - 42 МПа ). Они выпускаются
как в стационарном, так и в транспортном исполнении.
Стационарные газификационные установки предназначены для
газификации сжиженных газов: азота, аргона, кислорода, а также заполнения
емкостей газообразным продуктом или выдачи его в линию.
Установки состоят из комплекта унифицированных блоков, включающих
в себя цистерну, насос, испаритель подъема давления в цистерне, испаритель
продукционный, узел выдачи продукта, щит управления. На рис.8 представлена
принципиальная схема газификационной установки с насосом.
Рис. 8. Принципиальная схема газификационной установки с насосом
1 - резервуар; 2 - испаритель подъема давления; 3 - насос
сжиженного газа; 4 - продукционный испаритель; 5 – наполнительная
рампа; 1-2 – процесс сжатия в насосе; 2-3 – процесс газификации жидкости;
4-5 –процесс испарения.
На рис.9 показаны процессы газификационной установки с насосом
14
в Т-S диаграмме
Рис. 9. Т-S диаграмма газификационной установки с насосом
1 -состояние криогенной жидкости перед насосом; 1-2 сжатие в
насосе; 2-3 процесс газификации в продукционном испарителе;
4,5 – состояние насыщенной жидкости и пара соответственно при
создании избыточного давления в резервуаре
В режиме хранения криогенная жидкость в резервуаре находится при
атмосферном давлении. В рабочем режиме газификационной установки перед
включением в работу насоса часть криогенной жидкости подается в испаритель
подъема давления, в котором она испаряется за счет теплообмена с
окружающим воздухом. Образовавшийся пар поступает в паровое пространство
резервуара, что приводит к повышению давления в нем. Криогенная жидкость
при избыточном давлении 0.1 - 0.25 МПа направляется в насос. При этом по
отношению к созданному давлению жидкость является некипящей
( охлажденной), что обеспечивает нормальную работу насоса. Кавитационный
запас Т составляет 110 К.
В насосе происходит сжатие до заданного высокого давления, а затем
жидкость поступает в продукционный испаритель, в котором газифицируется и
нагревается до определенной температуры. Далее криогенный продукт
направляется на наполнительную рампу для заполнения баллонов.
Насосы хорошо работают при охлаждении жидкости на Т = 5 - 8 К.
Так, например, при подъеме давления в резервуаре с жидким кислородом от 0,1
15
МПа до 0,2 МПа кавитационный запас составляет Т = 7 К. При этом сжатие
кислорода в насосе до 10 МПа приводит к увеличению температуры жидкости
на 2 - 3 К. Чтобы давление при работе насоса не падало, необходимо чтобы
освобождающийся от жидкости объем сразу занимал образовавшийся в
испарителе пар.
Стационарные газификационные установки с насосом ( производство АО
«Кислородмаш»):
Г - 7,4 - 0,25 / 20; Г - 7,4 - 0,5 / 20; Г - 2 - 40 /0.28.
Установки предназначены для газификации сжиженных газов: кислорода,
азота, аргона, а также заполнения емкостей газообразным продуктом или выдачи
его в линию. Эти установки являются новым поколением экономичных
газификаторов, использующих тепло окружающей среды.
Транспортные газификационные установки предназначены для
транспортирования и хранения жидкого азота, кислорода и аргона, газификации
на месте потребления в баллоны и другие емкости до давления 19.6 МПа, а
также для заправки жидким продуктом холодных криогенных газификаторов до
давления 2,45 МПа. Установка состоит из цистерны, выносного насоса,
испарителя, электрощита управления, выносного щита арматуры и узла выдачи.
Оборудование монтируется на платформе автомобиля.. Снабжение жидким газом
с последующей газификацией на месте позволяет увеличить полезную нагрузку
на транспортную единицу. Запас жидкости в одной установке эквивалентен
количеству газа в 260 сорокалитровых баллонах, на перевозку которых
требуется пять автомобилей. Исключается тяжелый ручной труд по погрузке -
разгрузке баллонов.
Транспортные газификационные установки:
ПГ - 2 / 22 - 0,5; АГУ - 8К.
2. Криогенные резервуары
Резервуары предназначены для накопления, хранения и выдачи жидких
криогенных продуктов потребителю. В зависимости от их назначения, размеров
и вида хранимого продукта криогенные резервуары отличаются теми или
16
иными конструктивными особенностями. Хотя достаточно четкой их
классификации до настоящего времени еще не существует, но можно с учетом
номенклатуры резервуаров, выпускаемых промышленностью, разделить их на
следующие группы / 13 /:
резервуары, предназначенные для эксплуатации в составе
жидкостных криогенных систем;
транспортные резервуары и цистерны, предназначенные для
снабжения потребителей жидкими криогенными продуктами.
2.1. Особенности конструкций резервуаров для хранения и
транспортирования кислорода, азота и аргона
На рис. 10 представлена принципиальная схема криогенного резервуара,
предназначенного для хранения кислорода, азота и аргона.
Рис. 10. Принципиальная схема резервуара
1- вентиль наполнения-опорожнения; 2- вентиль газосброса; 3- вентиль
испарителя; 4 - вентиль опорожнения шланга; 5 - штуцер газосброса; 6 -
мембрана шланга предохранительная ; 7 - гайка РОТ; 8 - штуцер
наполнения от АКДС; 9 - вентиль вакуумный сильфонный; 10 -
испаритель; 11 - наружный кожух; 12 - внутренний сосуд; 13 - мембрана
кожуха предохранительная; 14 - клапан сосуда предохранительный; 15 -
баллон - компенсатор; 16 - манометр; 17 - указатель уровня жидкости; 18
- вентиль трехходовый; 19 - мембрана сосуда предохранительная.
17
Между внутренним сосудом 12 и наружным кожухом 11 помещена
вакуумно-порошковая или экранно-вакуумная изоляция. Межстенное
пространство вакуумируется через вентиль 9. Внутренний сосуд крепится с
кожухом при помощи системы опор и подвесок.
При эксплуатации внутренний сосуд нагружен только внутренним давлением, а наружный
только атмосферным. При
появлении трещины во внутреннем или внешнем сосуде давление в межстенном пространстве повышается. Если трещина во внутреннем
сосуде, то холодный газ поступает в изоляционное пространство, нагревается, расширяется и, следовательно, давление внутри
межстенного пространства увеличивается. Во избежание повышения давления в изоляционном пространстве и разрыва кожуха в случае
течи внутреннего сосуда используется мембрана предохранительная 13, конструкция которой представлена на рис 11. Она срабатывает
при избыточном давлении (0,02 – 0,07) МПа.
Рис. 11. Мембрана кожуха
1- фланец днища; 2 - фланец; 3 - решетка; 4 - мембрана; 5 - нож; 6 - крышка .
Требуемая величина вакуума обеспечивается с помощью вакуум - насоса,
а поддержание его в период эксплуатации криоадсорбционным насосом и
химическим поглотителем газов. Адсорбент размещают в полости, встроенной в
пространство, омываемое криогенной жидкостью, чтобы температура адсорбента
была примерно такой же, как и температура жидкости. Тогда емкость
адсорбента увеличивается, и вакуум становится более глубоким.
Заполнение и опорожнение
резервуара осуществляется по вертикальной
трубе, доходящей почти до дна резервуара. При использования вертикальной
трубы исключается опорожнение резервуара в случае, если труба будет иметь
течь, и, кроме того, выполняется обязательное условие для жидкостных
трубопроводов: если прекращается подача жидкости, то трубопровод должен
18
быть заполнен только паровой фазой для уменьшения теплопритоков к
жидкости в резервуаре. В этом случае такое условие выполняется
автоматически. На этой линии устанавливается вентиль 1 и гайка РОТ 7 для
присоединения гибкого шланга. Шланг состоит из двух коаксиально
расположенных гофрированных труб с опорными элементами из фторопласта
без использования специальной изоляции (в шлангах для жидкого водорода
используется высоковакуумная изоляция).
После закрытия вентиля 1 на линии наполнении оставшаяся жидкость
испаряется, и давление за вентилем может быстро возрасти и разорвать шланг .
Чтобы это не произошло, необходимо слить жидкость с помощью вентиля
сброса давления из шланга ( продувка шланга ) 4. На этой линии
устанавливается предохранительная мембрана 6, которая срабатывает при
давлении 0,3 – 0,45 МПа.
Для выдачи жидкости потребителю практически используют три
способа: самотек, передавливание и откачка с помощью насосов. Самотеком
опорожняют только небольшие сосуды. Использование жидкостного насоса
является весьма эффективным способом опорожнения крупных емкостей. При
этом жидкость подается с большой скоростью и под необходимым давлением.
В ракетной технике для опорожнения резервуаров используются центробежные
насосы.
В настоящей схеме слив жидкости осуществляется передавливанием.
Для этого предусмотрен испаритель подъема давления 10. При открытии
вентиля испарителя 3 под действием статического столба криогенная жидкость
попадает в испаритель . Испаритель это змеевик или оребренная труба, в
которой циркулирующая жидкость постепенно испаряется за счет теплопритока
из окружающей среды. Образовавшийся пар поступает в газовое пространство
резервуара, и давление пара над жидкостью возрастает. Поступление жидкости
в испаритель регулируется вентилем 3. В резервуаре создается избыточное
давление, обычно не более 0,25 МПа. При превышении давления в резервуаре
необходимо открыть вентиль газосброса 8. Во время хранения жидкости этот
вентиль открыт всегда.
19
При способе передавливания жидкости вместо газа, полученного при
испарении части хранимой жидкости, можно использовать вспомогательный газ
с более низкой температурой кипения, чем у хранимой жидкости. Так , для
передавливания кислорода применяют азот или гелий, для жидкого водорода
гелий, для жидкого метана азот. Применение азота для передавливания
жидкого кислорода экономичнее гелия, однако азот загрязняет кислород.
Давление во внутреннем сосуде показывает манометр 16, установленный
на газовой линии. На этой же линии устанавливается предохранительный
клапан 14 и разрывная мембрана 19. Предохранительный клапан настроен
таким образом, чтобы давление во внутреннем сосуде не могло превысить
допустимого избыточного давления более, чем на 10 %. Разрывная мембрана
является дополнительным или перестраховочным средством безопасности,
которое срабатывает, когда предохранительный клапан не имеет достаточной
пропускной способности и не сбрасывает избыточное давление из внутреннего
сосуда или, если клапан не действует из-за обмерзания. Разрывная мембрана 19
устанавливается параллельно с предохранительным клапаном 14 и срабатывает
при превышении давления на 20 % выше расчетного для внутреннего сосуда.
После сброса избыточного давления клапан закрывается, а мембрану, после того
как она разорвется, необходимо заменить.
При выдаче жидкости вентиль газосброса 8 необходимо закрыть,
вентиль наполнения-опорожнения 1 открыть, и после того, как давление в
резервуаре повысится, открыть вентиль на линии выдачи (то ли к насосу , то ли
к какой-то емкости ).
Внутренний сосуд изготавливается из легированных сталей 12Х18Н10Т
или алюминиевых сплавов АМц и Амг. Наружный сосуд может быть выполнен
из этих же материалов, а также из обычной углеродистой стали. Трубопроводы
в изоляционном пространстве обычно выполняют из легированных сталей .
Уровень жидкости в резервуаре контролируют по мембранному
указателю уровня ( УЖК ) 17. Схема мембранного указателя уровня
представлена на рис. 12.
20
Рис. 12. Схема мембранного указателя уровня жидкости
1 - резервуар; 2, 11 - трубки; 3 - корпус; 4 - ось; 5 - тяга; 6 - стрелка;
7 - зубчатый сектор ; 8 - шестерня ; 9 - мембранная коробка ; 10 - шкала
Этот прибор, связанный с резервуаром по пару и жидкости, преобразует
давление столба жидкости в перемещение мембраны, крышка которой
выгибается. Герметически закрытый корпус прибора 3 сообщается с верхней
частью резервуара 1 через трубку 2, а внутренняя часть мембранной коробки 9
соединена трубкой 11 с нижней частью резервуара. Давление внутри
мембранной коробки больше давления в корпусе на величину давления,
создаваемого столбом жидкости в резервуаре. Под действием этой разности
давлений верхняя стенка коробки 9 выгибается. Крышка коробки тягой 5
соединена с осью 4, на которой укреплен зубчатый сектор 7. Этот сектор
сцеплен с шестерней 8, на оси которой находится стрелка 6. Когда высота
столба жидкости увеличивается, крышка мембранной коробки выгибается вверх
и, поворачивая ось с сектором, вращает шестерню.
При эксплуатации в линиях, идущих от резервуара к прибору, могут
возникать резкие колебания давления ( например, в процессе заполнения -
опорожнения, при транспортировке и т.д. ). Для защиты чувствительной
мембраны от таких воздействий указатель уровня соединяется с резервуаром
21