Expandéry môžu využívať redukciu tlaku na pohon rotačných strojov. Informácie o tom, ako vyhodnotiť potenciálne výhody inštalácie extenzora, nájdete tu.
V chemickom procesnom priemysle (CPI) sa typicky „plytvá veľké množstvo energie v tlakových regulačných ventiloch, kde sa musia vysokotlakové kvapaliny odtlakovať“ [1]. V závislosti od rôznych technických a ekonomických faktorov môže byť žiaduce premeniť túto energiu na rotačnú mechanickú energiu, ktorú možno použiť na pohon generátorov alebo iných rotačných strojov. Pre nestlačiteľné kvapaliny (kvapaliny) sa to dosahuje pomocou hydraulickej turbíny na spätné získavanie energie (HPRT; pozri odkaz 1). Pre stlačiteľné kvapaliny (plyny) je vhodným strojom expandér.
Expandéry sú vyspelou technológiou s mnohými úspešnými aplikáciami, ako je fluidné katalytické krakovanie (FCC), chladenie, mestské ventily zemného plynu, separácia vzduchu alebo výfukové emisie. V princípe možno na pohon expandéra použiť akýkoľvek prúd plynu so zníženým tlakom, ale „energetický výstup je priamo úmerný tlakovému pomeru, teplote a prietoku prúdu plynu“ [2], ako aj technickej a ekonomickej uskutočniteľnosti. Implementácia expandéra: Proces závisí od týchto a ďalších faktorov, ako sú miestne ceny energie a dostupnosť vhodného zariadenia výrobcom.
Hoci turboexpandér (fungujúci podobne ako turbína) je najznámejším typom expandéra (obrázok 1), existujú aj iné typy vhodné pre rôzne procesné podmienky. Tento článok predstavuje hlavné typy expandérov a ich komponenty a sumarizuje, ako môžu prevádzkoví manažéri, konzultanti alebo energetickí audítori v rôznych divíziách CPI vyhodnotiť potenciálne ekonomické a environmentálne výhody inštalácie expandéra.
Existuje mnoho rôznych typov odporových pásov, ktoré sa značne líšia geometriou a funkciou. 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, nájdete v Pomocníkovi. 3.
Piestový turboexpandér. Piestové a rotačné piestové turboexpandéry fungujú ako spaľovací motor s reverznou rotáciou, absorbujú plyn pod vysokým tlakom a premieňajú jeho uloženú energiu na rotačnú energiu prostredníctvom kľukového hriadeľa.
Ťahajte turboexpandér. Expandér brzdovej turbíny pozostáva zo sústrednej prietokovej komory s lopatkovými rebrami pripevnenými k obvodu rotačného prvku. Sú navrhnuté rovnako ako vodné kolesá, ale prierez sústredných komôr sa zväčšuje od vstupu k výstupu, čo umožňuje expanziu plynu.
Radiálny turboexpandér. Radiálne turboexpandéry majú axiálny vstup a radiálny výstup, čo umožňuje plynu radiálne expandovať cez obežné koleso turbíny. Podobne axiálne turbíny expandujú plyn cez koleso turbíny, ale smer prúdenia zostáva rovnobežný s osou otáčania.
Tento článok sa zameriava na radiálne a axiálne turboexpandéry a rozoberá ich rôzne podtypy, komponenty a ekonomiku.
Turboexpandér extrahuje energiu z prúdu plynu pod vysokým tlakom a premieňa ju na hnaciu záťaž. Záťažou je zvyčajne kompresor alebo generátor pripojený k hriadeľu. Turboexpandér s kompresorom stláča kvapalinu v iných častiach procesného prúdu, ktoré vyžadujú stlačenú kvapalinu, čím zvyšuje celkovú účinnosť zariadenia využitím energie, ktorá by sa inak plytvala. Turboexpandér so záťažou generátora premieňa energiu na elektrinu, ktorú možno použiť v iných procesoch zariadenia alebo vrátiť do miestnej siete na predaj.
Turboexpandéry môžu byť vybavené buď priamym hnacím hriadeľom z turbínového kolesa do generátora, alebo prevodovkou, ktorá účinne znižuje vstupné otáčky z turbínového kolesa do generátora pomocou prevodového pomeru. Turboexpandéry s priamym pohonom ponúkajú výhody v účinnosti, zastavanej ploche a nákladoch na údržbu. Turboexpandéry s prevodovkou sú ťažšie a vyžadujú väčšiu zastavanú plochu, pomocné mazacie zariadenia a pravidelnú údržbu.
Prietokové turboexpandéry môžu byť vyrobené vo forme radiálnych alebo axiálnych turbín. Radiálne expandéry obsahujú axiálny vstup a radiálny výstup, takže prúd plynu vystupuje z turbíny radiálne od osi otáčania. Axiálne turbíny umožňujú plynu prúdiť axiálne pozdĺž osi otáčania. Axiálne turbíny odoberajú energiu z prúdu plynu cez vstupné vodiace lopatky do expanzného kolesa, pričom prierez expanznej komory sa postupne zväčšuje, aby sa udržala konštantná rýchlosť.
Turboexpandérový generátor sa skladá z troch hlavných komponentov: turbínového kolesa, špeciálnych ložísk a generátora.
Turbínové koleso. Turbínové kolesá sú často navrhnuté špeciálne na optimalizáciu aerodynamickej účinnosti. Medzi aplikačné premenné, ktoré ovplyvňujú konštrukciu turbínového kolesa, patrí vstupný/výstupný tlak, vstupná/výstupná teplota, objemový prietok a vlastnosti kvapaliny. Keď je kompresný pomer príliš vysoký na to, aby sa dal znížiť v jednom stupni, je potrebný turboexpandér s viacerými turbínovými kolesami. Radiálne aj axiálne turbínové kolesá môžu byť navrhnuté ako viacstupňové, ale axiálne turbínové kolesá majú oveľa kratšiu axiálnu dĺžku, a preto sú kompaktnejšie. Viacstupňové radiálne turbíny vyžadujú, aby plyn prúdil z axiálneho do radiálneho a späť do axiálneho, čo vytvára vyššie straty trením ako axiálne turbíny.
ložiská. Konštrukcia ložísk je rozhodujúca pre efektívnu prevádzku turboexpandéra. Typy ložísk súvisiace s konštrukciou turboexpandéra sa značne líšia a môžu zahŕňať olejové ložiská, ložiská s kvapalinovým filmom, tradičné guľkové ložiská a magnetické ložiská. Každá metóda má svoje výhody a nevýhody, ako je uvedené v tabuľke 1.
Mnoho výrobcov turboexpandérov si vyberá magnetické ložiská ako svoje „preferované ložisko“ kvôli ich jedinečným výhodám. Magnetické ložiská zabezpečujú beztreciu prevádzku dynamických komponentov turboexpandéra, čím výrazne znižujú prevádzkové náklady a náklady na údržbu počas celej životnosti stroja. Sú tiež navrhnuté tak, aby odolali širokému rozsahu axiálneho a radiálneho zaťaženia a podmienkam preťaženia. Ich vyššie počiatočné náklady sú kompenzované oveľa nižšími nákladmi počas životného cyklu.
dynamo. Generátor odoberá rotačnú energiu turbíny a premieňa ju na užitočnú elektrickú energiu pomocou elektromagnetického generátora (ktorým môže byť indukčný generátor alebo generátor s permanentnými magnetmi). Indukčné generátory majú nižšie menovité otáčky, takže aplikácie s vysokorýchlostnými turbínami vyžadujú prevodovku, ale môžu byť navrhnuté tak, aby zodpovedali frekvencii siete, čím sa eliminuje potreba meniča frekvencie (VFD) na dodávanie generovanej elektriny. Generátory s permanentnými magnetmi môžu byť na druhej strane priamo spojené s hriadeľom turbíny a prenášať energiu do siete prostredníctvom meniča frekvencie. Generátor je navrhnutý tak, aby dodával maximálny výkon na základe výkonu na hriadeli dostupného v systéme.
Tesnenia. Tesnenie je tiež kritickou súčasťou pri navrhovaní systému turboexpandéra. Aby sa udržala vysoká účinnosť a splnili environmentálne normy, systémy musia byť utesnené, aby sa zabránilo potenciálnym únikom procesného plynu. Turboexpandéry môžu byť vybavené dynamickými alebo statickými tesneniami. Dynamické tesnenia, ako sú labyrintové tesnenia a tesnenia suchého plynu, poskytujú tesnenie okolo rotujúceho hriadeľa, zvyčajne medzi kolesom turbíny, ložiskami a zvyškom stroja, kde sa nachádza generátor. Dynamické tesnenia sa časom opotrebúvajú a vyžadujú si pravidelnú údržbu a kontrolu, aby sa zabezpečilo ich správne fungovanie. Keď sú všetky komponenty turboexpandéra umiestnené v jednom kryte, na ochranu všetkých vedení vychádzajúcich z krytu, vrátane vedení k generátoru, pohonom magnetických ložísk alebo senzorom, možno použiť statické tesnenia. Tieto vzduchotesné tesnenia poskytujú trvalú ochranu pred únikom plynu a nevyžadujú žiadnu údržbu ani opravu.
Z procesného hľadiska je primárnou požiadavkou na inštaláciu expandéra dodávka vysokotlakového stlačiteľného (nekondenzovateľného) plynu do nízkotlakového systému s dostatočným prietokom, poklesom tlaku a využitím na udržanie normálnej prevádzky zariadenia. Prevádzkové parametre sú udržiavané na bezpečnej a efektívnej úrovni.
Pokiaľ ide o funkciu znižovania tlaku, expandér možno použiť ako náhradu za Jouleov-Thomsonov (JT) ventil, známy aj ako škrtiaci ventil. Keďže sa JT ventil pohybuje po izentropickej dráhe a expandér sa pohybuje po takmer izentropickej dráhe, expandér znižuje entalpiu plynu a premieňa rozdiel entalpií na výkon na hriadeli, čím vytvára nižšiu výstupnú teplotu ako JT ventil. To je užitočné v kryogénnych procesoch, kde cieľom je znížiť teplotu plynu.
Ak existuje dolná hranica teploty výstupného plynu (napríklad v dekompresnej stanici, kde sa teplota plynu musí udržiavať nad teplotou mrazu, hydratácie alebo minimálnou konštrukčnou teplotou materiálu), musí sa pridať aspoň jeden ohrievač. regulovať teplotu plynu. Keď je predhrievač umiestnený pred expandérom, časť energie z privádzaného plynu sa tiež rekuperuje v expandéri, čím sa zvyšuje jeho výkon. V niektorých konfiguráciách, kde je potrebná regulácia výstupnej teploty, je možné za expandérom nainštalovať druhý dohrievač, aby sa zabezpečila rýchlejšia regulácia.
Na obr. Obrázok 3 znázorňuje zjednodušený diagram všeobecného blokového diagramu expanzného generátora s predhrievačom, ktorý sa používa ako náhrada za JT ventil.
V iných konfiguráciách procesu sa energia získaná z expandéra môže prenášať priamo do kompresora. Tieto stroje, niekedy nazývané „veliteľské jednotky“, majú zvyčajne expanzné a kompresné stupne spojené jedným alebo viacerými hriadeľmi, ktoré môžu obsahovať aj prevodovku na reguláciu rozdielu rýchlostí medzi týmito dvoma stupňami. Môže tiež obsahovať prídavný motor, ktorý poskytuje väčší výkon kompresnému stupňu.
Nižšie sú uvedené niektoré z najdôležitejších komponentov, ktoré zabezpečujú správnu prevádzku a stabilitu systému.
Obtokový ventil alebo redukčný ventil. Obtokový ventil umožňuje pokračovanie prevádzky, keď turboexpandér nie je v prevádzke (napríklad pri údržbe alebo v núdzovom prípade), zatiaľ čo redukčný ventil sa používa na nepretržitú prevádzku na dodávanie prebytočného plynu, keď celkový prietok prekročí konštrukčnú kapacitu expandéra.
Núdzový uzatvárací ventil (ESD). Ventily ESD sa používajú na zablokovanie prietoku plynu do expandéra v prípade núdze, aby sa predišlo mechanickému poškodeniu.
Prístroje a ovládacie prvky. Medzi dôležité premenné, ktoré je potrebné monitorovať, patrí vstupný a výstupný tlak, prietok, rýchlosť otáčania a výstupný výkon.
Jazda nadmernou rýchlosťou. Zariadenie preruší prietok do turbíny, čo spôsobí spomalenie rotora turbíny, čím chráni zariadenie pred nadmernými rýchlosťami v dôsledku neočakávaných procesných podmienok, ktoré by mohli zariadenie poškodiť.
Poistný ventil (PSV). Poistné ventily sa často inštalujú za turboexpandérom na ochranu potrubí a nízkotlakových zariadení. Poistný ventil musí byť navrhnutý tak, aby odolal najzávažnejším nepredvídaným udalostiam, medzi ktoré zvyčajne patrí aj zlyhanie otvorenia obtokového ventilu. Ak sa k existujúcej redukčnej stanici pridá expandér, tím pre návrh procesu musí určiť, či existujúci PSV poskytuje primeranú ochranu.
Ohrievač. Ohrievače kompenzujú pokles teploty spôsobený prechodom plynu cez turbínu, takže plyn musí byť predhriaty. Jeho hlavnou funkciou je zvýšiť teplotu stúpajúceho prúdu plynu, aby sa teplota plynu opúšťajúceho expandér udržala nad minimálnou hodnotou. Ďalšou výhodou zvýšenia teploty je zvýšenie výkonu, ako aj zabránenie korózii, kondenzácii alebo hydrátom, ktoré by mohli nepriaznivo ovplyvniť trysky zariadenia. V systémoch obsahujúcich výmenníky tepla (ako je znázornené na obrázku 3) sa teplota plynu zvyčajne reguluje reguláciou prietoku ohriatej kvapaliny do predhrievača. V niektorých konštrukciách sa namiesto výmenníka tepla môže použiť plameňový ohrievač alebo elektrický ohrievač. Ohrievače už môžu existovať v existujúcej ventilovej stanici JT a pridanie expandéra nemusí vyžadovať inštaláciu ďalších ohrievačov, ale skôr zvýšenie prietoku ohriatej kvapaliny.
Systémy s mazacím olejom a tesniacim plynom. Ako už bolo spomenuté, expandéry môžu používať rôzne konštrukcie tesnení, ktoré môžu vyžadovať mazivá a tesniace plyny. V prípade potreby si mazací olej musí pri kontakte s procesnými plynmi zachovať vysokú kvalitu a čistotu a úroveň viskozity oleja musí zostať v požadovanom prevádzkovom rozsahu mazaných ložísk. Systémy s utesneným plynom sú zvyčajne vybavené zariadením na mazanie olejom, aby sa zabránilo vniknutiu oleja z ložiskovej skrine do expanznej skrine. Pre špeciálne aplikácie kompandrov používaných v uhľovodíkovom priemysle sú systémy s mazacím olejom a tesniacim plynom typicky navrhnuté podľa špecifikácií API 617 [5] časť 4.
Pohon s premenlivou frekvenciou (VFD). Keď je generátor indukčný, VFD sa zvyčajne zapne, aby upravil signál striedavého prúdu (AC) tak, aby zodpovedal frekvencii siete. Konštrukcie založené na pohonoch s premenlivou frekvenciou majú zvyčajne vyššiu celkovú účinnosť ako konštrukcie, ktoré používajú prevodovky alebo iné mechanické komponenty. Systémy založené na VFD dokážu tiež zvládnuť širší rozsah zmien procesu, ktoré môžu viesť k zmenám rýchlosti hriadeľa expandéra.
Prevodovka. Niektoré konštrukcie expandérov používajú prevodovku na zníženie rýchlosti expandéra na menovitú rýchlosť generátora. Nákladom na použitie prevodovky je nižšia celková účinnosť, a teda aj nižší výstupný výkon.
Pri príprave cenovej ponuky (RFQ) na expandér musí procesný inžinier najprv určiť prevádzkové podmienky vrátane nasledujúcich informácií:
Strojní inžinieri často vypracovávajú špecifikácie expanzných generátorov a špecifikácie s použitím údajov z iných inžinierskych disciplín. Tieto vstupy môžu zahŕňať nasledovné:
Špecifikácie musia obsahovať aj zoznam dokumentov a výkresov poskytnutých výrobcom ako súčasť procesu verejného obstarávania a rozsah dodávky, ako aj príslušné skúšobné postupy požadované projektom.
Technické informácie poskytnuté výrobcom ako súčasť procesu verejného obstarávania by mali vo všeobecnosti obsahovať tieto prvky:
Ak sa ktorýkoľvek aspekt návrhu líši od pôvodných špecifikácií, výrobca musí poskytnúť aj zoznam odchýlok a dôvody týchto odchýlok.
Po prijatí návrhu musí tím pre vývoj projektu preskúmať žiadosť o súlad a určiť, či sú odchýlky technicky opodstatnené.
Medzi ďalšie technické aspekty, ktoré treba zvážiť pri hodnotení návrhov, patria:
Nakoniec je potrebné vykonať ekonomickú analýzu. Keďže rôzne možnosti môžu viesť k rôznym počiatočným nákladom, odporúča sa vykonať analýzu peňažných tokov alebo nákladov životného cyklu, aby sa porovnala dlhodobá ekonomika projektu a návratnosť investícií. Napríklad vyššia počiatočná investícia môže byť z dlhodobého hľadiska kompenzovaná zvýšenou produktivitou alebo zníženými požiadavkami na údržbu. Pokyny k tomuto typu analýzy nájdete v časti „Odkazy“. 4.
Všetky aplikácie turboexpandérového generátora vyžadujú počiatočný výpočet celkového potenciálneho výkonu na určenie celkového množstva dostupnej energie, ktorú je možné v konkrétnej aplikácii získať späť. Pre turboexpandérový generátor sa výkonový potenciál vypočíta ako izoentropický (konštantná entropia) proces. 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 rozdielu špecifickej entalpie na vstupe a výstupe turboexpandéra a vynásobením výsledku hmotnostným prietokom. Táto potenciálna energia sa vyjadrí ako izentropická veličina (rovnica (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
kde h(i,e) je špecifická entalpia zohľadňujúca izoentropickú výstupnú teplotu a ṁ je hmotnostný prietok.
Hoci izentropickú potenciálnu energiu možno použiť na odhad potenciálnej energie, všetky reálne systémy zahŕňajú straty trenia, tepla a iných vedľajších energetických strát. Pri výpočte skutočného výkonového potenciálu by sa preto mali zohľadniť nasledujúce dodatočné vstupné údaje:
Vo väčšine aplikácií turboexpandérov je teplota obmedzená na minimum, aby sa predišlo nežiaducim problémom, ako je napríklad zamrznutie potrubia, ktoré bolo spomenuté vyššie. Tam, kde prúdi zemný plyn, sú takmer vždy prítomné hydráty, čo znamená, že potrubie za turboexpandérom alebo škrtiacou klapkou zamrzne zvnútra aj zvonka, ak výstupná teplota klesne pod 0 °C. Tvorba ľadu môže viesť k obmedzeniu prietoku a nakoniec k odmrazeniu systému. Preto sa „požadovaná“ výstupná teplota používa na výpočet realistickejšieho scenára 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). Túto požadovanú výstupnú teplotu použite na výpočet špecifickej entalpie.
Je potrebné zvážiť aj účinnosť systému turboexpandéra. V závislosti od použitej technológie sa účinnosť systému môže výrazne líšiť. Napríklad turboexpandér, ktorý používa redukčný prevod na prenos rotačnej energie z turbíny do generátora, bude mať väčšie straty trením ako systém, ktorý používa priamy pohon z turbíny do generátora. Celková účinnosť systému turboexpandéra sa vyjadruje v percentách a zohľadňuje sa pri posudzovaní skutočného výkonového potenciálu turboexpandéra. Skutočný výkonový potenciál (PP) sa vypočíta takto:
PP = (hillet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Pozrime sa na aplikáciu odľahčenia tlaku zemného plynu. Spoločnosť ABC prevádzkuje a udržiava redukčnú stanicu, ktorá prepravuje zemný plyn z hlavného potrubia a distribuuje ho do miestnych obcí. V tejto stanici je vstupný tlak plynu 40 barov a výstupný tlak 8 barov. Teplota predhriateho vstupného plynu je 35 °C, čo predhrieva plyn, aby sa zabránilo zamrznutiu potrubia. Preto musí byť výstupná teplota plynu regulovaná tak, aby neklesla pod 0 °C. V tomto príklade použijeme ako minimálnu výstupnú teplotu 5 °C na zvýšenie bezpečnostného faktora. Normalizovaný objemový prietok plynu je 50 000 Nm3/h. Na výpočet výkonového potenciálu budeme predpokladať, že všetok plyn preteká turboexpandérom a vypočítame maximálny výstupný výkon. Celkový výstupný potenciál odhadneme pomocou nasledujúceho výpočtu:
Čas uverejnenia: 25. mája 2024