Проширувачите можат да користат намалување на притисокот за погон на ротирачки машини. Информации за тоа како да се проценат потенцијалните придобивки од инсталирање на проширувач може да се најдат тука.
Во хемиската индустрија (CPI) обично „голема количина на енергија се троши во вентилите за контрола на притисок каде што течностите под висок притисок мора да се депресираат“ [1]. Во зависност од различни технички и економски фактори, може да биде пожелно да се претвори оваа енергија во ротирачка механичка енергија, која може да се користи за погон на генератори или други ротирачки машини. За некомпресибилни течности (течности), ова се постигнува со употреба на хидраулична турбина за обновување на енергијата (HPRT; видете ја референцата 1). За компресибилни течности (гасови), експандер е соодветна машина.
Експандерите се зрела технологија со многу успешни примени како што се флуидно каталитичко крекирање (FCC), ладење, градски вентили за природен гас, сепарација на воздух или емисии на издувни гасови. Во принцип, секој гасен тек со намален притисок може да се користи за погон на експандер, но „излезната енергија е директно пропорционална на односот на притисок, температурата и брзината на проток на гасниот тек“ [2], како и на техничката и економската изводливост. Имплементација на експандер: Процесот зависи од овие и други фактори, како што се локалните цени на енергијата и достапноста на соодветна опрема од страна на производителот.
Иако турбоекспандерот (кој функционира слично на турбина) е најпознатиот тип на експандер (Слика 1), постојат и други типови погодни за различни услови на процесот. Оваа статија ги претставува главните типови на експандери и нивните компоненти и сумира како менаџерите за операции, консултантите или енергетските ревизори во различни оддели на CPI можат да ги проценат потенцијалните економски и еколошки придобивки од инсталирање на експандер.
Постојат многу различни видови на отпорни ленти кои значително се разликуваат по геометрија и функција. Главните типови се прикажани на Слика 2, а секој тип е накратко опишан подолу. За повеќе информации, како и графикони што ја споредуваат работната состојба на секој тип врз основа на специфични дијаметри и специфични брзини, видете Помош. 3.
Клипен турбоекспандер. Клипните и ротационите клипни турбоекспандери работат како мотор со внатрешно согорување со обратно ротирање, апсорбирајќи гас под висок притисок и претворајќи ја неговата складирана енергија во ротациона енергија преку коленестото вратило.
Повлечете го турбо експандерот. Експандерот на сопирачката турбина се состои од концентрична проточна комора со ребра на кофата прикачени на периферијата на ротирачкиот елемент. Тие се дизајнирани на ист начин како водните тркала, но пресекот на концентричните комори се зголемува од влезот до излезот, овозможувајќи гасот да се шири.
Радијален турбоекспандер. Турбоекспандерите со радијален проток имаат аксијален влез и радијален излез, што му овозможува на гасот радијално да се шири низ турбинската работна коло. Слично на тоа, турбините со аксијален проток го прошируваат гасот низ турбинското тркало, но насоката на проток останува паралелна со оската на ротација.
Оваа статија се фокусира на радијални и аксијални турбоекспандери, дискутирајќи ги нивните различни подтипови, компоненти и економија.
Турбоекспандерот извлекува енергија од гасен поток под висок притисок и ја претвора во погонско оптоварување. Обично оптоварувањето е компресор или генератор поврзан со вратило. Турбоекспандерот со компресор ја компресира течноста во други делови од процесот на кои им е потребна компресирана течност, со што се зголемува вкупната ефикасност на постројката со користење на енергија што инаку се троши. Турбоекспандерот со генераторско оптоварување ја претвора енергијата во електрична енергија, која може да се користи во други процеси на постројката или да се врати во локалната мрежа за продажба.
Турбоекспандерите можат да бидат опремени или со директно погонско вратило од турбинското тркало до генераторот, или преку менувач кој ефикасно ја намалува влезната брзина од турбинското тркало до генераторот преку преносен однос. Турбоекспандерите со директен погон нудат предности во ефикасноста, големината на возилото и трошоците за одржување. Турбоекспандерите со менувач се потешки и бараат поголема големина, помошна опрема за подмачкување и редовно одржување.
Турбоекспандерите со проток може да се направат во форма на радијални или аксијални турбини. Радијалните експандери на проток содржат аксијален влез и радијален излез, така што протокот на гас излегува од турбината радијално од оската на ротација. Аксијалните турбини овозможуваат гасот да тече аксијално по оската на ротација. Аксијалните турбини ја извлекуваат енергијата од протокот на гас преку влезните водилки до тркалото на експандерот, при што напречниот пресек на комората за експанзија постепено се зголемува за да се одржи константна брзина.
Турбоекспандер генератор се состои од три главни компоненти: турбинско тркало, специјални лежишта и генератор.
Турбинско тркало. Турбинските тркала често се дизајнирани специјално за оптимизирање на аеродинамичната ефикасност. Променливите на примената што влијаат на дизајнот на турбинските тркала вклучуваат притисок на влезот/излезот, температура на влезот/излезот, волуменски проток и својства на флуидот. Кога односот на компресија е превисок за да се намали во една фаза, потребен е турбоекспандер со повеќе турбински тркала. И радијалните и аксијалните турбински тркала можат да бидат дизајнирани како повеќестепени, но аксијалните турбински тркала имаат многу пократка аксијална должина и затоа се покомпактни. Повеќестепените турбини со радијален проток бараат гас да тече од аксијално кон радијално и назад кон аксијално, создавајќи поголеми загуби од триење отколку турбините со аксијален проток.
лежишта. Дизајнот на лежиштата е клучен за ефикасното работење на турбоекспандерот. Видовите лежишта поврзани со дизајните на турбоекспандерите варираат во голема мера и може да вклучуваат лежишта за масло, лежишта со течен филм, традиционални топчести лежишта и магнетни лежишта. Секој метод има свои предности и недостатоци, како што е прикажано во Табела 1.
Многу производители на турбоекспандери избираат магнетни лежишта како нивен „лежиште по избор“ поради нивните уникатни предности. Магнетните лежишта обезбедуваат работа без триење на динамичките компоненти на турбоекспандерот, значително намалувајќи ги трошоците за работа и одржување во текот на животниот век на машината. Тие се исто така дизајнирани да издржат широк опсег на аксијални и радијални оптоварувања и услови на преоптоварување. Нивните повисоки почетни трошоци се компензираат со многу пониски трошоци за животниот циклус.
Динамо. Генераторот ја зема ротационата енергија на турбината и ја претвора во корисна електрична енергија користејќи електромагнетен генератор (кој може да биде индукциски генератор или генератор со перманентни магнети). Индукциските генератори имаат помала номинална брзина, па затоа апликациите со турбини со голема брзина бараат менувач, но можат да бидат дизајнирани да одговараат на фреквенцијата на мрежата, елиминирајќи ја потребата од погон со променлива фреквенција (VFD) за снабдување на генерираната електрична енергија. Генераторите со перманентни магнети, од друга страна, можат да бидат директно поврзани со вратилото на турбината и да пренесуваат енергија до мрежата преку погон со променлива фреквенција. Генераторот е дизајниран да испорача максимална енергија врз основа на моќноста на вратилото достапна во системот.
Заптивки. Заптивката е исто така критична компонента при дизајнирање на систем на турбоекспандер. За да се одржи висока ефикасност и да се исполнат еколошките стандарди, системите мора да бидат запечатени за да се спречат потенцијални протекувања на процесен гас. Турбоекспандерите можат да бидат опремени со динамички или статички заптивки. Динамичките заптивки, како што се лавиринтските заптивки и заптивките за сув гас, обезбедуваат заптивка околу ротирачкото вратило, обично помеѓу тркалото на турбината, лежиштата и остатокот од машината каде што се наоѓа генераторот. Динамичките заптивки се трошат со текот на времето и бараат редовно одржување и инспекција за да се осигури дека функционираат правилно. Кога сите компоненти на турбоекспандерот се содржани во едно куќиште, статичките заптивки може да се користат за заштита на сите кабли што излегуваат од куќиштето, вклучително и до генераторот, магнетните погони на лежиштата или сензорите. Овие херметички заптивки обезбедуваат трајна заштита од протекување на гас и не бараат одржување или поправка.
Од гледна точка на процесот, примарен услов за инсталирање на експандер е снабдување со компресибилен (некондензиран) гас под висок притисок до систем со низок притисок со доволен проток, пад на притисок и искористеност за да се одржи нормално функционирање на опремата. Работните параметри се одржуваат на безбедно и ефикасно ниво.
Во однос на функцијата за намалување на притисокот, експандерот може да се користи за замена на Joule-Thomson (JT) вентилот, познат и како вентил за гас. Бидејќи JT вентилот се движи по изентропска патека, а експандерот се движи по речиси изентропска патека, вториот ја намалува енталпијата на гасот и ја претвора разликата во енталпијата во моќност на вратилото, со што се создава пониска излезна температура од JT вентилот. Ова е корисно во криогените процеси каде што целта е да се намали температурата на гасот.
Доколку постои пониска граница на температурата на излезниот гас (на пример, во станица за декомпресија каде што температурата на гасот мора да се одржува над замрзнување, хидратација или минимална температура за проектирање на материјалот), мора да се додаде барем еден грејач. контролирајте ја температурата на гасот. Кога предгрејачот е поставен пред експандерот, дел од енергијата од влезниот гас се обновува и во експандерот, со што се зголемува неговата излезна моќност. Во некои конфигурации каде што е потребна контрола на излезната температура, може да се инсталира втор грејач по експандерот за да се обезбеди побрза контрола.
На сл. 3 е прикажан поедноставен дијаграм на општиот дијаграм на проток на експандерски генератор со предгрејач што се користи за замена на JT вентил.
Во други конфигурации на процесот, енергијата обновена во експандерот може да се пренесе директно на компресорот. Овие машини, понекогаш наречени „команданти“, обично имаат фази на експанзија и компресија поврзани со едно или повеќе вратила, кои може да вклучуваат и менувач за регулирање на разликата во брзината помеѓу двете фази. Може да вклучува и дополнителен мотор за да се обезбеди поголема моќност на фазата на компресија.
Подолу се наведени некои од најважните компоненти што обезбедуваат правилно функционирање и стабилност на системот.
Бајпас вентил или вентил за намалување на притисокот. Бајпас вентилот овозможува работата да продолжи кога турбоекспандерот не работи (на пример, за одржување или вонредна состојба), додека вентилот за намалување на притисокот се користи за континуирано работење за снабдување со вишок гас кога вкупниот проток го надминува проектираниот капацитет на експандерот.
Вентил за итно исклучување (ESD). ESD вентилите се користат за блокирање на протокот на гас во експандерот во итен случај за да се избегне механичко оштетување.
Инструменти и контроли. Важни варијабли што треба да се следат вклучуваат притисок на влезот и излезот, брзина на проток, брзина на ротација и излезна моќност.
Возење со прекумерна брзина. Уредот го прекинува протокот до турбината, предизвикувајќи забавување на роторот на турбината, со што се заштитува опремата од прекумерна брзина поради неочекувани услови на процесот што би можеле да ја оштетат опремата.
Безбедносен вентил за притисок (PSV). PSV често се инсталираат по турбоекспандер за заштита на цевководи и опрема со низок притисок. PSV мора да биде дизајниран да издржи најтешки непредвидени ситуации, кои обично вклучуваат откажување на бајпас вентилот. Доколку се додаде експандер на постоечка станица за намалување на притисокот, тимот за дизајн на процесот мора да утврди дали постоечкиот PSV обезбедува соодветна заштита.
Грејач. Грејачите го компензираат падот на температурата предизвикан од минувањето на гасот низ турбината, па затоа гасот мора да се загрее претходно. Нивната главна функција е да ја зголемат температурата на растечкиот проток на гас за да ја одржат температурата на гасот што го напушта експандерот над минималната вредност. Друга придобивка од зголемувањето на температурата е зголемувањето на излезната моќност, како и спречувањето на корозија, кондензација или хидрати што би можеле негативно да влијаат на млазниците на опремата. Во системи што содржат разменувачи на топлина (како што е прикажано на Слика 3), температурата на гасот обично се контролира со регулирање на протокот на загреана течност во предгревачот. Во некои дизајни, наместо разменувач на топлина, може да се користи грејач на пламен или електричен грејач. Грејачите може веќе да постојат во постоечка JT вентил станица, а додавањето на експандер може да не бара инсталирање дополнителни грејачи, туку зголемување на протокот на загреана течност.
Системи за масло за подмачкување и гас за заптивање. Како што споменавме погоре, експандерите можат да користат различни дизајни на заптивки, за кои може да бидат потребни мазива и гасови за заптивање. Каде што е применливо, маслото за подмачкување мора да одржува висок квалитет и чистота кога е во контакт со процесните гасови, а нивото на вискозитет на маслото мора да остане во рамките на потребниот работен опсег на подмачканите лежишта. Запечатените гасни системи обично се опремени со уред за подмачкување на масло за да се спречи влегување на масло од кутијата на лежиштето во кутијата за експанзија. За посебни намени на компандери што се користат во јаглеводородната индустрија, системите за масло за подмачкување и гас за заптивање обично се дизајнирани според спецификациите на API 617 [5] Дел 4.
Погон на променлива фреквенција (VFD). Кога генераторот е индуктивен, VFD обично се вклучува за да се прилагоди сигналот на наизменична струја (AC) за да одговара на фреквенцијата на електричната мрежа. Типично, дизајните базирани на погони со променлива фреквенција имаат поголема вкупна ефикасност од дизајните што користат менувачи или други механички компоненти. Системите базирани на VFD исто така можат да прифатат поширок опсег на промени во процесот што може да резултира со промени во брзината на вратилото на експандерот.
Пренос. Некои дизајни на експандери користат менувач за да ја намалат брзината на експандерот до номиналната брзина на генераторот. Цената на користење на менувач е помала вкупна ефикасност и затоа помала излезна моќност.
При подготовка на барање за понуда (RFQ) за експандер, инженерот за обработка прво мора да ги утврди условите за работа, вклучувајќи ги следните информации:
Машинските инженери често ги комплетираат спецификациите и спецификациите на генераторот за експандер користејќи податоци од други инженерски дисциплини. Овие влезни податоци може да вклучуваат следново:
Спецификациите мора да вклучуваат и список на документи и цртежи обезбедени од производителот како дел од тендерската постапка и обемот на испорака, како и применливи процедури за тестирање како што се бара од проектот.
Техничките информации што ги обезбедува производителот како дел од тендерската постапка генерално треба да ги содржат следниве елементи:
Доколку некој аспект од предлогот се разликува од оригиналните спецификации, производителот мора да обезбеди и список на отстапувања и причините за отстапувањата.
Откако ќе се прими предлогот, тимот за развој на проектот мора да го разгледа барањето за усогласеност и да утврди дали отстапувањата се технички оправдани.
Други технички аспекти што треба да се земат предвид при оценување на предлозите вклучуваат:
Конечно, треба да се спроведе економска анализа. Бидејќи различните опции може да резултираат со различни почетни трошоци, се препорачува да се изврши анализа на паричниот тек или трошоците за животниот циклус за да се спореди долгорочната економија на проектот и повратот на инвестицијата. На пример, поголема почетна инвестиција може да се компензира на долг рок со зголемена продуктивност или намалени потреби за одржување. Видете „Референци“ за упатства за овој тип на анализа. 4.
Сите апликации на турбоекспандер-генератор бараат почетна пресметка на вкупната потенцијална моќност за да се утврди вкупната количина на достапна енергија што може да се обнови во одредена апликација. За турбоекспандер-генератор, потенцијалот на моќност се пресметува како изентропски (константна ентропија) процес. Ова е идеална термодинамичка ситуација за разгледување на реверзибилен адијабатски процес без триење, но е точен процес за проценка на вистинскиот енергетски потенцијал.
Изентропската потенцијална енергија (IPP) се пресметува со множење на специфичната разлика во енталпијата на влезот и излезот од турбоекспандерот и множење на резултатот со брзината на масен проток. Оваа потенцијална енергија ќе се изрази како изентропска величина (равенка (1)):
IPP = ( спрат – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
каде што h(i,e) е специфичната енталпија земајќи ја предвид изентропската излезна температура и ṁ е брзината на масен проток.
Иако изентропската потенцијална енергија може да се користи за проценка на потенцијалната енергија, сите реални системи вклучуваат триење, топлина и други дополнителни загуби на енергија. Затоа, при пресметување на реалниот потенцијал на моќност, треба да се земат предвид следните дополнителни влезни податоци:
Во повеќето апликации на турбоекспандери, температурата е ограничена на минимум за да се спречат несакани проблеми како што е замрзнувањето на цевките споменато претходно. Таму каде што тече природен гас, хидратите се речиси секогаш присутни, што значи дека цевководот низводно од турбоекспандерот или гасниот вентил ќе замрзне внатрешно и надворешно ако излезната температура падне под 0°C. Формирањето мраз може да резултира со ограничување на протокот и на крајот да го исклучи системот за одмрзнување. Така, „посакуваната“ излезна температура се користи за пресметување на пореално сценарио за потенцијална моќност. Сепак, за гасови како што е водородот, ограничувањето на температурата е многу пониско бидејќи водородот не се менува од гас во течност сè додека не достигне криогена температура (-253°C). Користете ја оваа посакувана излезна температура за да ја пресметате специфичната енталпија.
Исто така, мора да се земе предвид ефикасноста на системот со турбоекспандер. Во зависност од употребената технологија, ефикасноста на системот може значително да варира. На пример, турбоекспандер кој користи редукциски запчаник за пренос на ротациона енергија од турбината до генераторот ќе доживее поголеми загуби од триење отколку систем кој користи директен погон од турбината до генераторот. Вкупната ефикасност на системот со турбоекспандер се изразува како процент и се зема предвид при проценка на реалниот потенцијал на моќност на турбоекспандерот. Реалниот потенцијал на моќност (PP) се пресметува на следниов начин:
PP = (навестување - шестоаголник) × ṁ x ṅ (2)
Да ја разгледаме примената на ослободувањето од притисок на природен гас. ABC управува и одржува станица за намалување на притисокот што транспортира природен гас од главниот цевковод и го дистрибуира до локалните општини. На оваа станица, влезниот притисок на гасот е 40 бари, а излезниот притисок е 8 бари. Претходно загреаната температура на влезниот гас е 35°C, што го загрева гасот за да се спречи замрзнување на цевководот. Затоа, температурата на излезниот гас мора да се контролира така што да не падне под 0°C. Во овој пример ќе користиме 5°C како минимална излезна температура за да го зголемиме факторот на безбедност. Нормализираната волуметриска брзина на проток на гас е 50.000 Nm3/h. За да го пресметаме потенцијалот на моќност, ќе претпоставиме дека целиот гас тече низ турбо експандерот и ќе ја пресметаме максималната излезна моќност. Проценете го вкупниот потенцијал на излезна моќност користејќи ја следната пресметка:
Време на објавување: 25 мај 2024 година