ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО КОМПОНОВОЧНЫМ РЕШЕНИЯМ БЛОКА ИСПАРИТЕЛЯ-КОНДЕНСАТОРА ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО КОМПОНОВОЧНЫМ РЕШЕНИЯМ БЛОКА ИСПАРИТЕЛЯ-КОНДЕНСАТОРА ОПРЕСНИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Научная статья

Лысенко Ю.Д.¹, Звягинцев В.А.², Лукачев С.В.^3, *, Шиманова А.Б.⁴, Захаров М.О.⁵

^{1, 2, 3, 4, 5} Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва, Самара, Россия

* Корреспондирующий автор (viktor.urlapkin[at]gmail.com)

Аннотация

Дистилляционные опреснительные установки с механической компрессией пара состоят из нескольких основных блоков, которые включают в себя блок испарителей-конденсаторов, блок парокомпрессора, блок теплообменников предварительного подогрева и блок вакуумирования. Кроме этого в габариты установки должны быть вписаны шкафы системы управления и электропитания, блоки водоподготовки. Все это приводит к увеличению габаритов установки, что отрицательно сказывается на её мобильности и технологичности. В данной статье рассматриваются варианты уменьшения габаритов установки за счет пересмотра компоновочных решений, применяемых в классических установках.

Ключевые слова: Дистилляционная опреснительная установка, блок испарителей-конденсаторов, парокомпрессор.

DEVELOPING RECOMMENDATIONS ON LAYOUT SOLUTIONS OF EVAPORATOR-CONDENSER UNIT OF DESALINATION PLANT

Research article

Lysenko Y.D.¹, Zvyagintsev V.A.², Lukachev S.V.^3, *, Shimanova A.B.⁴, Zakharov M.O.⁵

^{1, 2, 3, 4, 5} Samara National Research University named after academician S.P. Korolev, Samara, Russia

* Corresponding author (viktor.urlapkin[at]gmail.com)

Abstract

Distillation desalination plants with mechanical vapor compression consist of several units including evaporators-condensers, a steam compressor, a preheating heat exchangers and a vacuum unit. In addition, the control system and power supply cabinets, water treatment units must be also included into the dimensions of the plant. All this leads to an increase in the size of the plant, which affects its mobility and manufacturability adversely. This article discusses the options for reducing the size of the plant by revising the layout solutions used in classic plants.

Keywords: Distillation desalination plant, evaporator-condenser unit, steam compressor.

Дистилляционная опреснительная установка с механической компрессией пара (рис. 1) представляет собой комплекс устройств, совместная работа которых позволяет вырабатывать дистиллят, выпаривая морскую воду. Эти устройства включают в себя парокомпрессор (ПК), испаритель-конденсатор (ИК), теплообменники предварительного подогрева, блоки вакуумирования, вводов антинакипина и биоцида [1].

Рис.1 – Классическая компоновка дистилляционной опреснительной установки

 

Классическая компоновка установки предполагает двухблочное расположение установки, при котором в верхнем блоке располагается испаритель-конденсатор и парокомпрессор, в блоке под ним – гидро- и пневмосистемы, насосное оборудование, шкафы управления и электропитания, блоки вакуумирования, ввода антинакипина и биоцида (рис. 1). Подобная компоновка приводит к значительным продольным размерам установки, что отрицательно сказывается на мобильности установки, которая является одним из основных требований, предъявляемых к установками подобного класса [2].

Одним из путей повышения мобильности установки является уменьшение продольного размера установки за счет более рационального использования пространства имеющихся двух модулей.

В соответствии с предложениями [3], изложенными ранее, предлагается на рассмотрение конструктивная схема установки, отличающаяся в рабочем процессе тем, что имеется только одна секция ИК и парокомпрессор на основе вентилятора высокого давления.

Компоновочное решение предполагает использование проекта дистилляционной опреснительной установки, то есть 2 блока установленные один на другой. Верхний блок на весь свой объем включает испаритель-конденсатор, состоящий из каркаса с расположенными на нем панелями и комплекта труб. На верхнюю часть набора труб сливается вода, подогретая до температуры порядка 68 градусов, из теплообменника и блока подогрева. Нижняя часть выполнена в виде поддона, который примыкает к плоскостям стыка верхнего и нижнего блоков. Внутри поддона располагается сепаратор, через который производится отсос пара в парокомпрессор, расположенный в нижнем блоке. Выход парокомпрессора обеспечивается через патрубок в зону подачи пара на трубные решетки. Элементы, обеспечивающие функционирование установки, такие как насосы, фильтры и другие, располагаются в нижнем блоке по возможности в два-три уровня.

В качестве теплоизоляции ИК и ПК, а также трубопроводов и иных нагретых элементов может использоваться пенопласт, поролон и другие теплоизоляторы.

В предлагаемом варианте каркас верхнего блока предполагается выполнить в объеме и габаритах контейнера с учетом воздействия внешнего давления. При этом каркас ИК одновременно является силовым каркасом верхнего блока, что позволило максимально увеличить рабочую поверхность испарителя, которая, по предварительной оценке [4], превышает 2000 кв. метров. На этом основании с учетом возможностей соответствующего ПК может быть достигнута производительность до 12-15 метров кубических в час.

Размещение сепаратора в средней части поддона обеспечивает максимальное использование объемов блоков и позволяет сократить до минимума протяженность каналов хода пара до ПК. Из ПК пар подается в полость подачи пара, совмещенную с трубными решетками, и далее через трубки выходит в полость дистиллята, совмещенную с секцией обратного хода, которая открывается в объем, связанный с отсасывающей отработанный пар и воздух системой (эжектором или вакуум-насосом). Устройство теплорегулирования – теплообменник на входе и подогреватель в линии перекачки рассола работает аналогично стандартной схеме [5]. Отличием устройства подогрева является то, что нагреватели размещены в емкости, связанной с поддоном и перекачивающим насосом.

В предлагаемой конструкции используются решения из предыдущих в части выполнения соединений труб и трубных решеток ИК. Трубные решетки выполнены из листа толщиной в несколько миллиметров, вследствие чего может быть существенно снижена масса решеток. В отверстиях трубки установлены по свободной посадке, что позволяет существенно снизить трудоемкость сборочных работ. Позиционирование трубок может быть обеспечено с помощью, например, стопорных колец или применение уплотнительных колец, одетых на трубу и поджатых к трубной решетке посредством пружины со стопорными витками. Выбор варианта может быть определен по требованию герметичности [6].

Предлагается вместо оросительных трубок с отверстиями поставить рабочие трубки с вкладышами между ними, которые обеспечивают формирование пленки рассола на трубах второго-третьего ряда. Таким образом, может быть сформирована ванна приема и распределения рассола, в которую подается рассол по трубам большого сечения, чем и обеспечивается равномерное распределение рассола по поверхности верхнего ряда труб. Данное решение [7] позволяет увеличить количество труб за счет отказа от стабилизирующего течение рассола блока труб, применяющегося в стандартной конструкции. Ванны сверху герметично закрываются съемными панелями, воспринимающими внешнее давление и обеспечивающими необходимый тепловой режим за счет теплоизоляции.

Полости дистиллята и подачи пара с внешней стороны закрываются герметично съемными панелями, на которых снаружи закрепляется теплоизоляция. Конструкция панелей должна обеспечивать восприятие внешнего давления.

Торцевые стенки крепятся на сварке или герметично на механическом крепеже и также должны обеспечивать восприятие внешнего давления и соответствующий тепловой режим за счет теплоизоляции.

Каркас верхнего блока в совокупности должен обеспечивать возможность использования универсальных подъемно-транспортных средств (трейлеры, краны) [8].

Дно верхнего блока герметично соединяется по каркасу с поддоном, связанным с нижним блоком. Поддон, имеющий фланцевый разъем с дном каркаса верхнего блок, используется для приема рассола и размещения сепаратора, во внутренней части которого размещается воронкообразный приемник пара, связанный с ПК через фланцевый разъем. Поддон должен обеспечивать восприятие внешнего давления и соответствующий тепловой режим за счет теплоизоляции. Крепление сепаратора предполагается осуществлять на каркасе поддона. Сепаратор сверху прикрыт отбойником для уменьшения контакта пара и рассола. Эта задача решается совместно с отводом сливающегося с нижнего ряда труб рассола через сливной коллектор в виде желобов, расположенных под трубами. Пар проходит между желобов, а рассол стекает к боковым стенкам поддона.

Конструкция поддона должна обеспечивать подачу пара от ПК в соответствующую полость через ввод, а также обеспечить проход трубопроводов отсоса отработанного пара и воздуха и прохождение водоводов подачи рассола из поддона в подогреватель и далее от циркуляционного насоса в ванны приема и распределения рассола по верхнему ряду труб ИК.

Необходимо также обеспечить отбор дистиллята из полости конденсата после выхода пара из труб основных секций и обратной.

В нижнем блоке располагается ПК в виде вентилятора с электродвигателем. Вход вентилятора через патрубки с компенсаторами тепловых и упругих деформаций соединяется по фланцевому разъему с разъемом поддона и приемника пара. Выход вентилятора связан через компенсатор с профилированным патрубком подачи пара в полость распределения пара по входам труб ИК. Конфигурация фланца поддона в зоне патрубка должна обеспечивать доступ к местам его крепления с сохранением герметичности поддона. Конструкция вентилятора - парокомпрессора должна обеспечивать работоспособность при внутреннем давлении 0,2-0,3 атмосферы и соответствующую герметичность в узле входа в улитку вала электродвигателя [9]. В нижнем блоке размещаются насосы для подачи исходной воды через фильтры и теплообменники в поддон и насосы циркуляционные, связанные с емкостью подогрева рассола. Также внизу размещаются установки по подготовке и подаче в рассол растворов антинакипина и биоцида. Там же размещаются и насосы откачки отработанного рассола и дистиллята. Откачка производится через также расположенные в нижнем блоке теплообменники подогрева исходной воды. В нижнем блоке размещаются также компоненты эжектора для откачки отработанного пара и воздуха [10].

В нижнем блоке размещается также системы электропитания и управления. В блок имеется доступ для персонала через входную дверь. При возможности там же можно выделить место для хранения документации инструмента и рабочих веществ (антинакипин, биоцид, масла и другие).

Рассмотренная компоновка может быть применена при создании УВВ производительностью 5 кубических метров дистиллята в час или менее, что может повлечь за собой сокращение площади ИК соответствующим уменьшением габаритов и переноса поддона в объем верхнего блока. Соответствующим образом потребуется пересмотр модели ПК, а также типажа всех используемых компонентов, размещенных в нижнем блоке в связи со снижением потребной мощности и производительности. При проектировании установки необходимо принимать решения с учетом возможности выполнения транспортных операций в первую очередь в части массово-габаритных характеристик. В связи с этим следует рассмотреть возможности использования тонкостенных труб для ИК со стенкой порядка 0,2 мм из соответствующих материалов, поскольку по массе трубы составляют большую часть от массы верхнего блока.

Внешний вид предлагаемой компоновки установки представлен на рис. 2.

 

Рис. 2 – Внешний вид предлагаемой компоновки установки

 

Применение подобной схемы позволит значительно снизить продольные габариты установки, что положительно отразится на мобильности разрабатываемой установки.

Финансирование Работа выполнена в организации Головного исполнителя НИОКТР при финансовой поддержке Министерством образования и науки Российской Федерации в рамках реализации постановления Правительства РФ от 09.04.2010 г. № 218 по договору об условиях предоставления и использования субсидии от 01 декабря 2015 г. № 02.G25.31.0150.	Funding The work was performed in the organization of the Chief Executive Officer of R & D with the financial support of the Ministry of Education and Science of the Russian Federation as part of the implementation of the Russian Federation Government Resolution No. 218 of April 9, 2010 under the agreement on the conditions for granting and using subsidies of December 01, 2015 No. 02.G25.31.0150.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список используемых источников / References

1. Бирюк В. В Проектирование стенда для испытания блока парокомпрессора опреснительной установки / В.В. Бирюк, А. А. Горшкалев, С. С. Корнеев и др. // Успехи современной науки, 2017 — Т. 1. № 12. — с. 176-179
2. Komarov O. V. Application of Optimization Techniques for New High-Turning Axial Compressor Profile Topology Design / O. V. Komarov, V. A. Sedunin, V. L. Blinov // ASME. – 2003. – Paper No. GT2014-25379
3. Белоусов А. Н. Теория и расчет авиационных лопаточных машин / А. Н. Белоусов, Н. Ф. Мусаткин, В. М. Радько // - Самара: ФГУП “Издательство Самарский Дом печати”, 2003. – 336 с.
4. Ваняшов А. Д. Теория, расчет и конструирование компрессорных машин динамического действия: конспект лекций / А. Д. Ваняшов // – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 288 с.
5. Галеркин Ю. Б. Теория, расчет и конструирование компрессорных машин динамического действия / Ю. Б. Галеркин, К. В. Солдатова, В. И. Титенский // Санкт-Петербург - СПбГПУ, 2007. – 254 с.
6. Шнепп В. Б. Конструкция и расчет центробежных компрессорных машин / В. Б. Шнепп // –М.: Машиностроение, 1991 – 154 с.
7. Селезнев К. П. Центробежные компрессоры / К. П. Селезнев, Ю. Б. Галеркин // – Л.: Машиностроение,1982 – 183 с.
8. Министерство транспорта Российской федерации. Правила перевозки грузов в контейнерах морским транспортом // ‑ Санкт-Петербург.: ЦНИИМФ, 1999
9. Батурин О. В. Численное исследование рабочего процесса в ступени центробежного компрессора: электрон. учеб. пособие / О. В. Батурин, Д. А. Колмакова, Л. С. Шаблий // М-во образования и науки РФ, Самар. гос. аэрокосм. ун-т им. С. П. Королева (нац. исслед. ун-т). – Электрон. текстовые и граф. дан. - Самара, 2013. – 1 эл. опт. диск (CD-ROM).
10. Dennis B. H. Parallel Thermoelasticity Optimization of 3-D Serpentine Cooling Passages in Turbine Blades / B. H. Dennis, I. N. Egorov, H. Sobieczky, G. S. Dulikravich, S. Yoshimura // ASME. – 2003. – Paper No. GT2003-38180

Список литературы на английском языке / References in English

1. Biryuk V. V Proektirovanie stenda dlya ispytaniya bloka parokompressora opresnitel'noj ustanovki [Design of a test bench for the desalination unit of a steam compressor unit] / V. V. Biryuk, А. А. Gorshkalev, S. S. Korneev and others// Uspekhi sovremennoj nauki [The successes of modern science], 2017 — T. 1. № 12. — Р. 176-179 [in Russian]
2. Komarov, O. V. Application of Optimization Techniques for New High-Turning Axial Compressor Profile Topology Design / O. V. Komarov, V. A. Sedunin, V. L. Blinov // ASME. – 2003. – Paper No. GT2014-2537
3. Belousov А. N. Teoriya i raschet aviatsionnykh lopatochnykh mashin [Theory and calculation of aircraft scapular machines] / А. N. Belousov, N. F. Musatkin, V. M. Rad'ko // - Samara: FGUP “Izdatel'stvo Samarskij Dom pechati” [Publishing House of the Samara House of Printing], 2003. – 336 P. [in Russian]
4. Vanyashov А. D. Teoriya, raschet i konstruirovanie kompressornykh mashin dinamicheskogo dejstviya: konspekt lektsij [Theory, calculation and design of dynamic machines of compressor action: a summary of lectures] / А. D. Vanyashov // – Omsk: Izd-vo OmGTU [OmSTU Publishing House],2006. – 288 P. [in Russian]
5. Galerkin Yu.B. Teoriya, raschet i konstruirovanie kompressornykh mashin dinamicheskogo dejstviya [Theory, calculation and design of dynamic machine compressors] / Yu. B. Galerkin, K. V. Soldatova, V. I. Titenskij // Sankt-Peterburg - SPbGPU, 2007. – 254 P. [in Russian]
6. SHnepp V. B. Konstruktsiya i raschet tsentrobezhnykh kompressornykh mashin [Design and calculation of centrifugal compressor machines] / V. B. SHnepp // –M.: Mashinostroenie [М .: Mechanical engineering], 1991 – 154 P. [in Russian]
7. Seleznev K. P. TSentrobezhnye kompressory [Centrifugal Compressors] / K. P. Seleznev, Yu. B. Galerkin // – L.: Mashinostroenie [М .: Mechanical engineering],1982 – 183 P [in Russian]
8. Ministerstvo transporta rossijskoj federacii. Pravila perevozki gruzov v kontejnerah morskim transportom [Rules for the carriage of goods in containers by sea], Sankt-Peterburg, CNIIMF, 1999 [in Russian]
9. Baturin O. V. CHislennoe issledovanie rabochego protsessa v stupeni tsentrobezhnogo kompressora: ehlektron. ucheb. posobie [Numerical study of the working process in the stage of a centrifugal compressor: an electronic textbook] / O. V. Baturin, D. А. Kolmakova, L. S. SHablij // M-vo obrazovaniya i nauki RF, Samar. gos. aehrokosm. un-t im. S. P. Koroleva (nats. issled. un-t) [Ministry of Education and Science of the Russian Federation, Samar. state. aerospace. un-t them. SP Koroleva (National Research University]. – EHlektron. tekstovye i graf. dan. [Electronic text and graphic data] - Samara, 2013. – 1 ehl. opt. disk [electronic optical disk] (CD-ROM) [in Russian]
10. Dennis B. H. Parallel Thermoelasticity Optimization of 3-D Serpentine Cooling Passages in Turbine Blades / B. H. Dennis, I. N. Egorov, H. Sobieczky and others // ASME. – 2003. – Paper No. GT2003-38180