Проширувачите можат да користат намалување на притисокот за да возат ротирачки машини. Информациите за тоа како да се проценат потенцијалните придобивки од инсталирањето на екстендерот може да се најдат овде.
Обично во индустријата за хемиски процеси (ЦПИ), „Голема количина на енергија се троши во вентили за контрола на притисок, каде што течностите со висок притисок мора да бидат депресивни“ [1]. Во зависност од различни технички и економски фактори, можеби е пожелно да се претвори оваа енергија во ротирачка механичка енергија, што може да се користи за да се водат генератори или други ротирачки машини. За некомпресивни течности (течности), ова се постигнува со употреба на хидраулична турбина за обновување на енергија (HPRT; видете Референца 1). За компресибилни течности (гасови), експандерот е соодветна машина.
Проширувачите се зрела технологија со многу успешни апликации, како што се каталитичко пукање на флуид (FCC), ладење, градски вентили со природен гас, раздвојување на воздухот или емисија на издувни гасови. Во принцип, секој проток на гас со намален притисок може да се искористи за да се вози експандер, но „производството на енергија е директно пропорционално со односот на притисок, температурата и протокот на протокот на гас“ [2], како и техничката и економската изводливост. Имплементација на експандер: Процесот зависи од овие и другите фактори, како што се локалните цени на енергијата и достапноста на производителот на соодветна опрема.
Иако TurboExpander (функционира слично на турбината) е најпознат тип на експандер (Слика 1), постојат и други типови погодни за различни услови на процеси. Оваа статија ги воведува главните типови на експандери и нивните компоненти и сумира како менаџерите за операции, консултантите или енергетските ревизори во различни оддели за ЦПИ можат да ги проценат потенцијалните економски и придобивки од животната средина од инсталацијата на експандер.
Постојат многу различни видови на ленти за отпор кои многу се разликуваат во геометријата и функцијата. Главните типови се прикажани на Слика 2, а секој тип е накратко опишан подолу. За повеќе информации, како и графиконите што го споредуваат статусот на работа на секој вид врз основа на специфични дијаметри и специфични брзини, видете Помош. 3.
Клип Турбоекспандер. Клипните и ротационите клипни турбо-пунџери работат како мотор со внатрешно согорување со обратно ротирање, апсорбирајќи гас со висок притисок и ја претвораат својата зачувана енергија во ротациона енергија преку коленестото вратило.
Повлечете го турбо експандер. Експандерот на турбината на сопирачките се состои од концентрична комора за проток со перки на корпи прикачени на периферијата на ротирачкиот елемент. Тие се дизајнирани на ист начин како и водните тркала, но пресекот на концентричните комори се зголемува од влезот до излезот, дозволувајќи му на гасот да се прошири.
Радијален турбо -пандер. Турбоапсандерите на радијалниот проток имаат аксијален влез и радијален излез, дозволувајќи му на гасот да се прошири радијално преку работното колон на турбината. Слично на тоа, турбините на аксијалниот проток го прошируваат гасот низ тркалото на турбината, но насоката на проток останува паралелна со оската на ротација.
Оваа статија се фокусира на радијални и аксијални турбо -опсезини, дискутирајќи за нивните различни подтипови, компоненти и економија.
TurboExpander ја извлекува енергијата од проток на гас со висок притисок и ја претвора во погон на погон. Обично, товарот е компресор или генератор поврзан со вратило. TurboExpander со компресор компресира течност во други делови од протокот на процесот што бара компресирана течност, а со тоа се зголемува целокупната ефикасност на растението со употреба на енергија што инаку се троши. Турбоекспандер со оптоварување на генераторот ја претвора енергијата во електрична енергија, што може да се користи во други растителни процеси или да се врати во локалната мрежа за продажба.
Генераторите на TurboExpander можат да бидат опремени со директно погонско вратило од тркалото на турбината до генераторот, или преку менувачот што ефикасно ја намалува брзината на влез од тркалото на турбината до генераторот преку односот на менувачот. TurboExpanders со директен погон нудат предности во трошоците за ефикасност, стапало и одржување. Gearbox Turboexpanders се потешки и бараат поголем отпечаток, помошна опрема за подмачкување и редовно одржување.
Турбо-опсегот на проток може да се направи во форма на радијални или аксијални турбини. Проширувачите на радијален 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 должината на оската на ротација. Аксијалните турбини на проток ја извлекуваат енергијата од протокот на гас низ влезните водичи на влезот до тркалото на експандер, со пресек на површината на комората за експанзија постепено се зголемува за да се одржи постојана брзина.
Генераторот TurboExpander се состои од три главни компоненти: турбинско тркало, специјални лежишта и генератор.
Турбинско тркало. Турбинските тркала често се дизајнирани специјално за да се оптимизира аеродинамичката ефикасност. Варијаблите на апликација кои влијаат на дизајнот на турбинските тркала вклучуваат притисок на влез/излез, температура на влез/излез, проток на волумен и својства на течности. Кога односот на компресија е превисок за да се намали во една фаза, потребен е турбо -пандер 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 на радијален проток бараат гас да тече од аксијално до радијално и назад во аксијално, создавајќи поголеми загуби на триење од турбините на аксијалниот проток.
лежишта. Дизајнот на лежиштето е клучно за ефикасното работење на турбо -сандер. Видови на лежишта поврзани со дизајни на TurboExpander се разликуваат широко и можат да вклучуваат нафтени лежишта, течни филмски лежишта, традиционални лагери за топки и магнетни лежишта. Секој метод има свои предности и недостатоци, како што е прикажано во Табела 1.
Многу производители на TurboExpander избираат магнетни лежишта како нивни „носител на избор“ заради нивните уникатни предности. Магнетните лежишта обезбедуваат работење без триење на динамичните компоненти на Турбоефандер, значително намалување на трошоците за работа и одржување во текот на животот на машината. Тие се исто така дизајнирани да издржат широк спектар на аксијални и радијални оптоварувања и услови на преголема. Нивните повисоки почетни трошоци се компензираат за многу пониски трошоци за животниот циклус.
Динамо. Генераторот ја зема ротационата енергија на турбината и ја претвора во корисна електрична енергија со помош на електромагнетски генератор (кој може да биде генератор на индукција или постојан генератор на магнет). Индукциските генератори имаат помала оценка на брзината, така што апликациите со голема брзина на турбините бараат менувач, но можат да бидат дизајнирани да одговараат на фреквенцијата на мрежата, елиминирајќи ја потребата за погон на променлива фреквенција (VFD) за снабдување на генерираната електрична енергија. Постојаните генератори на магнет, од друга страна, можат директно да бидат споени со турбината и да ја пренесат моќта на решетката преку погон на променлива фреквенција. Генераторот е дизајниран да испорача максимална моќност врз основа на моќноста на вратилото достапна во системот.
Заптивки. Печатот е исто така критична компонента при дизајнирање на систем TurboExpander. За да се одржи висока ефикасност и да се исполнат стандардите за животна средина, системите мора да бидат запечатени за да се спречи потенцијалниот протек на гас во процесот. TurboExpanders можат да бидат опремени со динамични или статички заптивки. Динамички заптивки, како што се лавиринтни пломби и заптивки на 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 истрошат со текот на времето и бараат редовно одржување и инспекција за да се осигурат дека тие функционираат правилно. Кога сите компоненти на TurboExpander се содржани во едно куќиште, статички заптивки можат да се користат за да се заштитат сите води што излегуваат од куќиштето, вклучително и на генераторот, погоните за магнетно лежиште или сензорите. Овие херметички заптивки обезбедуваат постојана заштита од истекување на гас и не бараат одржување или поправка.
Од гледна точка на процесот, примарниот услов за инсталирање на експандер е да обезбеди компресибилен (не-кондензиран) гас со висок притисок на систем со низок притисок со доволен проток, пад на притисок и употреба за одржување на нормалното работење на опремата. Оперативните параметри се одржуваат на безбедно и ефикасно ниво.
Во однос на функцијата за намалување на притисокот, експандерот може да се користи за замена на вентилот ouул-Томсон (ЈТ), познат и како вентил за гаснење. Бидејќи JT вентилот се движи по изоентропската патека и експандерот се движи по скоро изоентропска патека, вториот ја намалува енталпијата на гасот и ја претвора разликата во енталпијата во моќност на вратилото, со што се произведува пониска температура на излезот од JT вентилот. Ова е корисно во криогените процеси каде целта е да се намали температурата на гасот.
Ако има помала граница на температурата на излезниот гас (на пример, во станицата за декомпресија каде температурата на гасот мора да се одржува над замрзнување, хидратација или минимална температура на дизајнирање на материјал), мора да се додаде барем еден грејач. Контролирајте ја температурата на гасот. Кога загреачот се наоѓа низводно од експандерот, во експандерот се обновува и дел од енергијата од гасот за добиточна храна, а со тоа се зголемува и неговото производство на енергија. Во некои конфигурации каде што е потребна контрола на температурата на излезот, може да се инсталира втор повторник по експандерот за да обезбеди побрза контрола.
На Сл. Слика 3 е прикажан поедноставен дијаграм на генералниот дијаграм на проток на генератор на експандер со загревање што се користи за замена на JT вентил.
Во другите конфигурации на процеси, енергијата што се обновува во експандерот може да се пренесе директно во компресорот. Овие машини, понекогаш наречени „команданти“, обично имаат фази на експанзија и компресија поврзани со една или повеќе шахти, што може да вклучува и менувач за регулирање на разликата во брзината помеѓу двете фази. Може да вклучува и дополнителен мотор за да обезбеди поголема моќност во фазата на компресија.
Подолу се дадени некои од најважните компоненти кои обезбедуваат правилно работење и стабилност на системот.
Бајпас вентил или вентил за намалување на притисокот. Бајпасниот вентил овозможува операцијата да продолжи кога TurboExpander 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 капацитетот за дизајнирање на експандерот.
Вентил за исклучување на итни случаи (ESD). Вентилите ESD се користат за да се блокира протокот на гас во експандерот во итни случаи за да се избегне механичко оштетување.
Инструменти и контроли. Важни променливи што треба да се следат вклучуваат влез и излез притисок, стапка на проток, брзина на вртење и излез на моќност.
Возење со прекумерна брзина. Уредот го отсекува протокот во турбината, предизвикувајќи да се забави роторот на турбината, а со тоа да се заштити опремата од прекумерна брзина, како резултат на неочекувани услови на процесот што може да ја оштетат опремата.
Безбедносен вентил за притисок (PSV). PSVs често се инсталираат по турбо -прендерот за заштита на цевководите и опрема за низок притисок. PSV мора да биде дизајниран да ги издржи најтешките непредвидени случаи, кои обично вклучуваат неуспех на бајпасниот вентил. Ако експандер се додаде во постојната станица за намалување на притисокот, тимот за дизајн на процеси мора да утврди дали постојниот PSV обезбедува соодветна заштита.
Грејач. Грејачите го компензираат падот на температурата предизвикан од гасот што минува низ турбината, така што гасот мора да се загрее. Неговата главна функција е да ја зголеми температурата на зголемувањето на протокот на гас за да се одржи температурата на гасот, оставајќи го експандерот над минималната вредност. Друга придобивка од зголемувањето на температурата е да се зголеми производството на енергија, како и да се спречи корозија, кондензација или хидрати што можат негативно да влијаат на млазниците за опрема. Кај системите 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 загревањето. Во некои дизајни, може да се користи грејач на пламен или електричен грејач наместо разменувач на топлина. Грејачите веќе може да постојат во постојната станица JT Valve, а додавањето на експандер може да не бара инсталирање на дополнителни грејачи, туку да се зголеми протокот на загреана течност.
Подмачкувачки системи за нафта и заптивка на гас. Како што споменавме погоре, проширувачите можат да користат различни дизајни за заптивки, за кои може да се потребни лубриканти и гасови за запечатување. Онаму каде што е применливо, маслото за подмачкување мора да одржува висок квалитет и чистота кога е во контакт со процесни гасови, а нивото на вискозност на нафта мора да остане во рамките на потребниот опсег на работа на подмачкани лежишта. Запечатените системи за гас обично се опремени со уред за подмачкување на нафта за да се спречи маслото од кутијата за лежишта да влезе во кутијата за проширување. За специјални апликации на компензатори што се користат во индустријата за јаглеводороди, системите за гас на нафта и заптивка се обично дизајнирани за API 617 [5] Спецификации на Дел 4.
Погон на променлива фреквенција (VFD). Кога генераторот е индукција, VFD обично е вклучен за да го прилагоди наизменичниот сигнал на струјата (AC) за да одговара на фреквенцијата на комуналните услуги. Обично, дизајни засновани на погони со променлива фреквенција имаат поголема севкупна ефикасност од дизајни кои користат менувачи или други механички компоненти. Системите засновани на VFD исто така можат да сместат поширок спектар на промени во процесите што можат да резултираат во промени во брзината на вратилото на експандерот.
Преносливост. Некои дизајни на експандер користат менувач за да ја намалат брзината на експандерот во оценетата брзина на генераторот. Цената на користењето на менувачот е помала вкупна ефикасност и затоа помал излез на моќност.
Кога подготвувате барање за понуда (RFQ) за експандер, инженерот за процеси прво мора да ги утврди условите за работа, вклучувајќи ги и следниве информации:
Механичките инженери честопати ги комплетираат спецификациите и спецификациите на генераторот на експандер користејќи податоци од други инженерски дисциплини. Овие влезови може да го вклучат следново:
Спецификациите исто така мора да содржат список на документи и цртежи обезбедени од производителот како дел од тендерскиот процес и обемот на снабдување, како и применливите процедури за тестирање, како што се бара од проектот.
Техничките информации дадени од производителот како дел од процесот на тендер генерално треба да ги вклучуваат следниве елементи:
Ако кој било аспект на предлогот се разликува од оригиналните спецификации, производителот исто така мора да обезбеди список на отстапувања и причините за отстапувањата.
Откако ќе се добие предлог, тимот за развој на проектот мора да го разгледа барањето за усогласеност и да утврди дали варијантите се технички оправдани.
Другите технички размислувања што треба да се земат предвид при проценката на предлозите вклучуваат:
Конечно, треба да се изврши економска анализа. Бидејќи различни опции може да резултираат со различни почетни трошоци, се препорачува да се изврши анализа на трошоците за проток на пари или животниот циклус за да се спореди долгорочната економија на проектот и поврат на инвестициите. На пример, поголема почетна инвестиција може да се компензира на долг рок со зголемена продуктивност или намалени барања за одржување. Погледнете „Референци“ за упатства за овој вид на анализа. 4.
Сите апликации за генератор на TurboExpander бараат почетна вкупна потенцијална пресметка на моќност за да се утврди вкупната количина на достапна енергија што може да се врати во одредена апликација. За генераторот TurboExpander, потенцијалот за напојување се пресметува како процес на изоентропска (постојана ентропија). Ова е идеална термодинамичка состојба за разгледување на реверзибилен адиабатски процес без триење, но тој е точен процес за проценка на вистинскиот енергетски потенцијал.
Isentropic потенцијалната енергија (IPP) се пресметува со множење на специфичната разлика во енталпијата во влезот и излезот на турбо -сандер и множење на резултатот со стапката на проток на маса. Оваа потенцијална енергија ќе биде изразена како изоентропска количина (равенка (1)):
IPP = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Онаму каде што H (I, E) е специфична енталпија, земајќи ја предвид температурата на изоентропскиот излез и ṁ е стапката на проток на маса.
Иако изоентропската потенцијална енергија може да се користи за да се процени потенцијалната енергија, сите реални системи вклучуваат триење, топлина и други дополнителни загуби на енергија. Така, при пресметување на вистинскиот потенцијал за напојување, треба да се земат предвид следниве дополнителни влезни податоци:
Во повеќето апликации TurboExpander, температурата е ограничена на минимум за да се спречат несакани проблеми како што е замрзнување на цевките споменати претходно. Онаму каде што тековите на природниот гас, хидратите се скоро секогаш присутни, што значи дека гасоводот низводно на вентилот TurboExpander или гаснење ќе замрзне внатрешно и надворешно ако температурата на излезот се спушти под 0 ° C. Формирањето на мразот може да резултира во ограничување на протокот и на крајот да го исклучи системот за одмрзнување. Така, „посакуваната“ температура на излезот се користи за да се пресмета пореално потенцијално сценарио за моќност. Како и да е, за гасови како што е водород, границата на температурата е многу помала затоа што водородот не се менува од гас во течност сè додека не достигне криогена температура (-253 ° C). Користете ја оваа посакувана температура на излезот за да ја пресметате специфичната енталпија.
Исто така, мора да се земе предвид ефикасноста на системот TurboExpander. Во зависност од користената технологија, ефикасноста на системот може значително да се разликува. На пример, турбоекссандер кој користи опрема за намалување за пренесување на ротационата енергија од турбината на генераторот ќе доживее поголеми загуби на триење отколку систем што користи директен погон од турбината до генераторот. Целокупната ефикасност на системот TurboExpander се изразува како процент и се зема предвид при проценката на реалниот потенцијал на моќност на турбо -сандер. Вистинскиот потенцијал за напојување (ПП) се пресметува на следниов начин:
PP = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Ајде да погледнеме во примената на олеснување на притисокот на природниот гас. ABC работи и одржува станица за намалување на притисокот што транспортира природен гас од главниот гасовод и го дистрибуира во локалните општини. На оваа станица, притисокот на влезот на гас е 40 бари, а притисокот на излезот е 8 бари. Загреаната температура на влезниот гас е 35 ° C, што го загрева гасот за да се спречи замрзнување на гасоводот. Затоа, температурата на излезниот гас мора да се контролира така што не паѓа под 0 ° C. Во овој пример ќе користиме 5 ° C како минимална температура на излезот за да го зголемиме безбедносниот фактор. Нормализираната стапка на проток на волуменски гас е 50,000 nm3/h. За да го пресметаме потенцијалот за напојување, ќе претпоставиме дека сите текови на гас низ турбо експандерот и ќе го пресметаат максималното производство на енергија. Проценете го вкупниот потенцијал за излез на електрична енергија користејќи ја следната пресметка:
Време на објавување: мај-25-2024