Expandéry môžu používať redukciu tlaku na riadenie rotujúcich strojov. Informácie o tom, ako vyhodnotiť potenciálne výhody inštalácie predlžovača, nájdete tu.
Typicky v priemysle chemických procesov (CPI) „sa stráca veľké množstvo energie v regulačných ventiloch tlaku, kde sa musia tlakové tekutiny tlačiť“ [1]. V závislosti od rôznych technických a ekonomických faktorov môže byť žiaduce premeniť túto energiu na rotujúcu mechanickú energiu, ktorá sa môže použiť na riadenie generátorov alebo iných rotujúcich strojov. Pokiaľ ide o nestlačiteľné tekutiny (kvapaliny), sa to dosahuje pomocou turbíny na regeneráciu hydraulickej energie (HPRT; pozri odkaz 1). Pre stlačiteľné kvapaliny (plyny) je expandér vhodným strojom.
Expandéry sú zrelá technológia s mnohými úspešnými aplikáciami, ako sú tekuté katalytické krakovanie (FCC), chladenie, ventily mesta na zemný plyn, separácie vzduchu alebo emisie výfukových plynov. V zásade sa môže na riadenie expandéra použiť akýkoľvek prúd plynu so zníženým tlakom, ale „energetická výstup je priamo úmerná pomeru tlaku, teploty a prietoku prúdu plynu“ [2], ako aj technickej a ekonomickej uskutočniteľnosti. Implementácia Expander: Proces závisí od týchto a iných faktorov, ako sú miestne ceny energie a dostupnosť vhodného vybavenia výrobcu.
Aj keď turboexpander (fungovanie podobne ako turbína) je najznámejším typom expandéra (obrázok 1), existujú aj iné typy vhodné pre rôzne podmienky procesu. Tento článok predstavuje hlavné typy expandérov a ich komponenty a sumarizuje, ako môžu manažéri operácií, konzultanti alebo energetických audítorov v rôznych divíziách CPI vyhodnotiť potenciálne hospodárske a environmentálne výhody inštalácie expandéra.
Existuje mnoho rôznych typov odporových pásiem, ktoré sa výrazne líšia v geometrii a funkcii. Hlavné typy sú znázornené na obrázku 2 a každý typ je stručne opísaný nižšie. Viac informácií, ako aj grafy porovnávajúce prevádzkový stav každého typu na základe konkrétnych priemerov a konkrétnych rýchlostí, pozri pomoc. 3.
Piest Turboexpander. Piest a rotačné piestové turboexpandery pracujú ako spätný rotujúci vnútorný spaľovací motor, absorbujú vysokotlakový plyn a premieňajú jeho uloženú energiu na rotačnú energiu cez kľukový hriadeľ.
Potiahnite Turbo Expander. Expandér brzdovej turbíny pozostáva z koncentrickej prietokovej komory s vedrami pripevnenými k okraju rotujúceho prvku. Sú navrhnuté rovnakým spôsobom ako vodné kolesá, ale prierez sústredných komôr sa zvyšuje z vstupu na výstup, čo umožňuje rozširovanie plynu.
Radiálny turboexpander. Turboexpandery radiálneho prietoku majú axiálny vstup a radiálnu výstup, čo umožňuje plynu expandovať radiálne cez obežné koleso turbíny. Podobne aj turbíny axiálneho prietoku rozširujú plyn cez turbínové koleso, ale smer prietoku zostáva rovnobežný s osou rotácie.
Tento článok sa zameriava na radiálnych a axiálnych turboexpanderov, diskutuje o svojich rôznych podtypoch, komponentoch a ekonómii.
Turboexpander extrahuje energiu z vysokotlakového prúdu plynu a prevádza ju na zaťaženie pohonu. Zaťaženie je zvyčajne kompresor alebo generátor pripojený k hriadeľu. Turboexpander s kompresorom komprimuje tekutinu v iných častiach procesu, ktorý vyžaduje komprimovanú tekutinu, čím sa zvyšuje celková účinnosť rastliny použitím energie, ktorá je inak zbytočná. Turboexpander s nákladom generátora premieňa energiu na elektrinu, ktorá sa môže použiť v iných procesoch rastlín alebo sa vrátiť do miestnej mriežky na predaj.
Generátory turboexpanderov môžu byť vybavené buď priamym hnacím hriadeľom od turbínového kolesa k generátoru, alebo cez prevodovku, ktorá účinne znižuje vstupnú rýchlosť z turbínového kolesa k generátoru cez pomer prevodovky. TurboExpanders Direct Drive ponúkajú výhody v oblasti efektívnosti, stopy a nákladov na údržbu. Prevodovky Turboexpanders sú ťažšie a vyžadujú väčšiu stopu, pomocné vybavenie na mazanie a pravidelnú údržbu.
Prietokové turboexpandery môžu byť vyrobené vo forme radiálnych alebo axiálnych turbín. Expandéry radiálneho toku obsahujú axiálny vstup a radiálny výstup tak, že prietok plynu opúšťa turbínu radiálne z osi rotácie. Axiálne turbíny umožňujú axiálne prietok plynu pozdĺž osi rotácie. Axiálny tok turbíny extrahujú energiu z prietoku plynu cez vstupné vodiace lopatky k expandérovému kolesu, pričom prierezová plocha expanznej komory sa postupne zvyšuje, aby sa udržala konštantná rýchlosť.
Generátor turboexpander pozostáva z troch hlavných komponentov: turbínové koleso, špeciálne ložiská a generátor.
Turbína. Turbové kolesá sú často navrhnuté špeciálne na optimalizáciu aerodynamickej účinnosti. Premenné aplikácie, ktoré ovplyvňujú návrh turbínových kolies, zahŕňajú vstupný/výstupný tlak, vstupná/výstupná teplota, objemový prietok a vlastnosti tekutín. Ak je kompresný pomer príliš vysoký na to, aby sa v jednej fáze znížil, je potrebný turboexpander s viacerými turbínovými kolesami. Radiálne aj axiálne turbínové kolesá môžu byť navrhnuté ako viacstupňové kolesá, ale kolesá axiálnej turbíny majú oveľa kratšiu axiálnu dĺžku, a preto sú kompaktnejšie. Viacstupňové radiálne prietokové turbíny vyžadujú prietok plynu z axiálnych na radiálne a späť na axiálne, čo vytvára vyššie straty trenia ako turbíny axiálneho toku.
ložiská. Dizajn ložiska je rozhodujúci pre efektívnu prevádzku turboexpanderu. Typy ložiska súvisiace s dizajnmi turboexpanderov sa veľmi líšia a môžu zahŕňať ropné ložiská, ložiská tekutého filmu, tradičné guľôčkové ložiská a magnetické ložiská. Každá metóda má svoje vlastné výhody a nevýhody, ako je uvedené v tabuľke 1.
Mnoho výrobcov TurboExpanderov vyberá magnetické ložiská ako „ložisko podľa výberu“ kvôli svojim jedinečným výhodám. Magnetické ložiská zabezpečujú prevádzku dynamických komponentov Turboexpander bez trenia, čo výrazne znižuje náklady na prevádzku a údržbu počas životnosti stroja. Sú tiež navrhnuté tak, aby odolali širokému rozsahu axiálnych a radiálnych zaťažení a podmienok nadmerných postupov. Ich vyššie počiatočné náklady sú kompenzované oveľa nižšími nákladmi na životný cyklus.
dynamo. Generátor berie rotačnú energiu turbíny a prevádza ju na užitočnú elektrickú energiu pomocou elektromagnetického generátora (ktorý môže byť indukčným generátorom alebo generátorom trvalého magnetu). Indukčné generátory majú nižšiu menovitú rýchlosť, takže vysokorýchlostné aplikácie turbíny vyžadujú prevodovku, ale môžu byť navrhnuté tak, aby zodpovedali frekvencii mriežky, čím sa eliminuje potreba variabilného frekvenčného pohonu (VFD) na dodávanie výrobnej elektriny. Na druhej strane môžu byť generátory permanentných magnetov priamo spojené s turbínou a prenášať napájanie do mriežky pomocou premenlivej frekvenčnej jednotky. Generátor je navrhnutý tak, aby poskytoval maximálny výkon na základe výkonu hriadeľa dostupného v systéme.
Tesnenia. Tesnenie je tiež kritickou súčasťou pri navrhovaní systému TurboExpander. Na udržanie vysokej účinnosti a splnenie environmentálnych noriem musia byť systémy zapečatené, aby sa zabránilo úniku potenciálnych procesných plynov. Turboexpanders môžu byť vybavené dynamickými alebo statickými tesneniami. Dynamické tesnenia, ako sú tesnenia labyrintu a tesnenia suchého plynu, poskytujú tesnenie okolo rotujúceho hriadeľa, zvyčajne medzi turbínovým kolesom, ložiskami a zvyškom stroja, kde je generátor umiestnený. Dynamické tesnenia sa časom opotrebujú a vyžadujú pravidelnú údržbu a kontrolu, aby sa zabezpečilo, že fungujú správne. Ak sú všetky komponenty Turboexpander obsiahnuté v jednom kryte, statické tesnenia sa môžu použiť na ochranu všetkých olova, ktoré opúšťajú puzdro, vrátane generátora, magnetických ložiskových jednotiek alebo senzorov. Tieto vzduchotesné tesnenia poskytujú trvalú ochranu pred únikom plynu a nevyžadujú žiadnu údržbu alebo opravu.
Z hľadiska procesu je primárnou požiadavkou na inštaláciu expandéra na dodávku vysokotlakového stlačiteľného (nekondenzovateľného) plynu do nízkotlakového systému s dostatočným prietokom, poklesom tlaku a využitím na udržanie normálnej prevádzky zariadenia. Prevádzkové parametre sa udržiavajú na bezpečnej a efektívnej úrovni.
Pokiaľ ide o funkciu znižujúce tlak, expandér sa môže použiť na nahradenie ventilu Joule-Thomson (JT), tiež známy ako ventil plynu. Pretože ventil JT sa pohybuje pozdĺž izentropickej cesty a expandér sa pohybuje po takmer izentropickej ceste, táto redukuje entalpiu plynu a premieňa entalpový rozdiel na výkon hriadeľa, čím vytvára nižšiu výstupnú teplotu ako ventil JT. Je to užitočné v kryogénnych procesoch, kde cieľom je znížiť teplotu plynu.
Ak je na výstupe (napríklad v dekompresnej stanici, kde sa musí teplota plynu udržiavať nad zmrazením, hydratáciou alebo minimálnou teplotou návrhu materiálu), musí sa pridať aspoň jeden ohrievač, musí sa pridať aspoň jeden ohrievač. Ovládajte teplotu plynu. Keď sa predhrievač nachádza proti prúdu od expandéra, v expandéri sa obnoví aj časť energie z kŕmeného plynu, čím sa zvyšuje jeho výkon. V niektorých konfiguráciách, kde sa vyžaduje regulácia teploty výstupu, je možné po expandéri nainštalovať druhý rehabilita, aby poskytoval rýchlejšiu kontrolu.
Na obrázku 3 zobrazuje zjednodušený diagram všeobecného prietokového diagramu expandského generátora s predhrievačom používaným na nahradenie ventilu JT.
V iných konfiguráciách procesu sa energia získaná v expandéri môže prenášať priamo na kompresor. Tieto stroje, niekedy nazývané „velitelia“, majú zvyčajne expanzné a kompresné fázy spojené jedným alebo viacerými hriadeľmi, ktoré môžu obsahovať aj prevodovku na reguláciu rozdielu rýchlosti medzi týmito dvoma fázami. Môže tiež obsahovať ďalší motor, ktorý poskytuje viac energie do fázy kompresie.
Nižšie sú uvedené niektoré z najdôležitejších komponentov, ktoré zabezpečujú správnu prevádzku a stabilitu systému.
Ventil obtokového ventilu alebo tlaku. Bypass ventil umožňuje pokračovať prevádzku, keď turboexpander nefunguje (napríklad pre údržbu alebo núdzovú situáciu), zatiaľ čo ventil znižujúci tlak sa používa na nepretržitú prevádzku na dodávku nadbytočného plynu, keď celkový prietok presahuje konštrukčnú kapacitu expandéra.
Núdzový vypínací ventil (ESD). Ventily ESD sa používajú na blokovanie prietoku plynu do expandéra v prípade núdze, aby sa predišlo mechanickému poškodeniu.
Nástroje a ovládacie prvky. Medzi dôležité premenné na monitorovanie patrí vstupný a výstupný tlak, prietok, rýchlosť rotácie a výstup výkonu.
Jazda nadmernou rýchlosťou. Zariadenie preruší prietok do turbíny, čo spôsobuje spomalenie rotora turbíny, čím chráni zariadenie pred nadmernými rýchlosťami v dôsledku neočakávaných podmienok procesu, ktoré by mohli poškodiť zariadenie.
Bezpečnostný ventil tlaku (PSV). PSV sa často nainštalujú po turboexpandári na ochranu potrubí a nízkotlakového zariadenia. PSV musí byť navrhnutá tak, aby odolala najzávažnejším nepredvídaným udalostiam, ktoré zvyčajne obsahujú otvorenie zlyhania obtokového ventilu. Ak sa do existujúcej stanice na zníženie tlaku pridá expandér, musí tím navrhovania procesu určiť, či existujúca PSV poskytuje primeranú ochranu.
Ohrievač. Ohrievače kompenzujú pokles teploty spôsobený plynom prechádzajúcim cez turbínu, takže plyn musí byť predhrievaný. Jeho hlavnou funkciou je zvýšenie teploty stúpajúceho prietoku plynu, aby sa udržala teplota plynu a ponechala expandér nad minimálnu hodnotu. Ďalšou výhodou zvýšenia teploty je zvýšenie výkonu, ako aj zabránenie korózii, kondenzácie alebo hydrátov, ktoré by mohli nepriaznivo ovplyvniť dýzy zariadenia. V systémoch obsahujúcich tepelné výmenníky (ako je znázornené na obrázku 3) sa teplota plynu obvykle reguluje reguláciou prietoku vyhrievanej kvapaliny do predhrievača. V niektorých dizajnoch sa môže namiesto tepelného výmenníka použiť ohrievač plameňa alebo elektrický ohrievač. Ohrievače už môžu existovať v existujúcej stanici ventilu JT a pridanie expandéra nemusí vyžadovať inštaláciu ďalších ohrievačov, ale skôr zvýšiť tok vyhrievanej tekutiny.
Mazivé plynové systémy oleja a tesnenia. Ako je uvedené vyššie, expandéry môžu používať rôzne konštrukcie tesnení, ktoré môžu vyžadovať mazivo a tesniace plyny. Ak je to možné, musí mazací olej udržiavať vysokú kvalitu a čistotu, keď je v kontakte s procesnými plynmi, a úroveň viskozity ropy musí zostať v požadovanom prevádzkovom rozsahu mazaných ložísk. Utesnené plynové systémy sú obvykle vybavené zariadením na mazanie oleja, aby sa zabránilo vstupu oleja z ložiska v zadaní expanznej skrinky. V prípade špeciálnych aplikácií zriedkovačov používaných v uhľovodíkovom priemysle sú systémy mazacieho oleja a tesnenia zvyčajne navrhnuté na API 617 [5] Špecifikácie časti 4.
Variabilná frekvenčná jednotka (VFD). Keď je generátor indukciou, VFD sa zvyčajne zapne, aby upravil signál striedavého prúdu (AC) tak, aby zodpovedal frekvencii úžitkovej frekvencie. Návrhy založené na variabilných frekvenčných jednotkách majú zvyčajne vyššiu celkovú účinnosť ako vzory, ktoré používajú prevodovky alebo iné mechanické komponenty. Systémy založené na VFD môžu tiež prispôsobiť širší rozsah zmien procesov, ktoré môžu viesť k zmenám v rýchlosti hriadeľa expandéra.
Prenos. Niektoré dizajny expandérov používajú prevodovku na zníženie rýchlosti expandéra na hodnotenú rýchlosť generátora. Náklady na používanie prevodovky sú nižšia celková účinnosť, a preto nižší výkon.
Pri príprave žiadosti o ponuku (RFQ) pre expandér musí procesný inžinier najprv určiť prevádzkové podmienky vrátane nasledujúcich informácií:
Mechanickí inžinieri často dokončujú špecifikácie a špecifikácie generátora Expander Generator pomocou údajov z iných inžinierskych disciplín. Tieto vstupy môžu obsahovať nasledujúce:
Špecifikácie musia obsahovať aj zoznam dokumentov a výkresov poskytnutých výrobcom v rámci procesu výberového konania a rozsahu dodávok, ako aj uplatniteľné testovacie postupy, ako to vyžaduje projekt.
Technické informácie poskytnuté výrobcom v rámci procesu výberového konania by mali vo všeobecnosti obsahovať tieto prvky:
Ak sa niektorý aspekt návrhu líši od pôvodných špecifikácií, výrobca musí poskytnúť aj zoznam odchýlok a dôvody odchýlok.
Po prijatí návrhu musí tím vývoja projektu preskúmať žiadosť o dodržiavanie predpisov a určiť, či sú rozdiely technicky odôvodnené.
Ďalšie technické úvahy, ktoré je potrebné zvážiť pri hodnotení návrhov, zahŕňajú:
Nakoniec je potrebné vykonať ekonomickú analýzu. Pretože rôzne možnosti môžu mať za následok rôzne počiatočné náklady, odporúča sa vykonať analýzu nákladov na hotovostný cyklus alebo analýzu nákladov na životný cyklus na porovnanie dlhodobej ekonómie projektu a návratnosti investícií. Napríklad vyššia počiatočná investícia môže byť z dlhodobého hľadiska kompenzovaná zvýšenou produktivitou alebo zníženými požiadavkami na údržbu. Pokyny na tento typ analýzy nájdete v časti „Referencie“. 4.
Všetky aplikácie TurboExpander-Generator vyžadujú počiatočný celkový výpočet potenciálneho výkonu na určenie celkového množstva dostupnej energie, ktorú je možné získať späť v konkrétnej aplikácii. Pre generátor TurboExpander sa výkonový potenciál vypočíta ako proces izentropického (konštantnej entropie). Toto je ideálna termodynamická situácia na zváženie reverzibilného adiabatického procesu bez trenia, ale je to správny proces na odhad skutočného energetického potenciálu.
Izentropická potenciálna energia (IPP) sa vypočíta vynásobením špecifického rozdielu entalpie na vstupnej a výstupe turboexpandra a vynásobením výsledku hmotnostným prietokom. Táto potenciálna energia bude vyjadrená ako izentropické množstvo (rovnica (1)):
IPP = (Hinlet - H (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
kde H (i, e) je špecifická entalpia, berúc do úvahy teplotu izentropickej výstupu a ṁ je hmotnostný prietok.
Aj keď sa na odhad potenciálnej energie môže použiť energia ISentropic Potenciál, všetky skutočné systémy zahŕňajú trenie, teplo a ďalšie doplnkové energetické straty. Pri výpočte skutočného výkonového potenciálu by sa preto mali zohľadniť nasledujúce ďalšie vstupné údaje:
Vo väčšine aplikácií TurboExpander je teplota obmedzená na minimum, aby sa zabránilo nechceným problémom, ako je napríklad zmrazenie potrubia uvedených vyššie. Ak toky zemného plynu sú takmer vždy prítomné hydráty, čo znamená, že potrubie po prúde od turbodúchadla alebo ventilu škrtiacej klapky sa interne a externe zmrazí, ak teplota výstupu klesne pod 0 ° C. Tvorba ľadu môže mať za následok obmedzenie toku a nakoniec vypnutie systému na rozmrazovanie. Preto sa „požadovaná“ výstupná teplota používa na výpočet realistickejšieho potenciálneho výkonu. Avšak pre plyny, ako je vodík, je teplotný limit oveľa nižší, pretože vodík sa nemení z plynu na kvapalinu, kým nedosiahne kryogénnu teplotu (-253 ° C). Na výpočet špecifickej entalpie použite túto požadovanú výstupnú teplotu.
Musí sa zvážiť aj účinnosť systému TurboExpander. V závislosti od použitej technológie sa účinnosť systému môže výrazne líšiť. Napríklad turboexpander, ktorý používa redukčné zariadenie na prenos rotačnej energie z turbíny do generátora, zažije väčšie straty trenia ako systém, ktorý používa priamu jazdu z turbíny do generátora. Celková účinnosť systému TurboExpander je vyjadrená ako percento a berie sa do úvahy pri hodnotení skutočného energetického potenciálu turboexpandra. Skutočný výkonový potenciál (PP) sa vypočíta takto:
Pp = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Pozrime sa na uplatňovanie zmierňovania tlaku zemného plynu. ABC prevádzkuje a udržiava stanicu na zníženie tlaku, ktorá prepravuje zemný plyn z hlavného plynovodu a distribuuje ho miestnym obciam. Na tejto stanici je tlak vstupu do plynu 40 bar a výstupný tlak je 8 bar. Predhrievaná teplota vstupného plynu je 35 ° C, čo predhrieva plyn, aby sa zabránilo zmrazeniu plynovodu. Preto sa musí regulovať teplota výstupného plynu tak, aby klesla pod 0 ° C. V tomto príklade použijeme 5 ° C ako minimálnu teplotu výstupu na zvýšenie bezpečnostného faktora. Normalizovaný objemový prietok plynu je 50 000 nm3/h. Na výpočet výkonového potenciálu budeme predpokladať, že všetky plyny preteká cez expandér Turbo a vypočítajú maximálny výkon výkonu. Odhadnite celkový potenciál výkonového výstupu pomocou nasledujúceho výpočtu:
Čas príspevku: máj-25-2024