Expanders može upotrijebiti smanjenje tlaka za pokretanje rotirajućih strojeva. Informacije o tome kako procijeniti potencijalne prednosti instaliranja proširenja možete pronaći ovdje.
Obično u industriji kemijskih procesa (CPI), "velika količina energije troši se u ventilima za kontrolu tlaka gdje se tekućine visokog tlaka moraju udubiti" [1]. Ovisno o različitim tehničkim i ekonomskim čimbenicima, može biti poželjno pretvoriti ovu energiju u rotirajuću mehaničku energiju, koja se može koristiti za pokretanje generatora ili drugih rotirajućih strojeva. Za nekompresibilne tekućine (tekućine) to se postiže pomoću turbine hidrauličke energije za oporavak energije (HPRT; vidi referencu 1). Za kompresibilne tekućine (plinovi), ekspander je prikladan stroj.
Expanders su zrela tehnologija s mnogim uspješnim primjenama kao što su katalitičko pucanje tekućine (FCC), hladnjaka, ventila za prirodni plin, odvajanje zraka ili emisije ispušnih plinova. U principu, bilo koji tok plina sa smanjenim tlakom može se upotrijebiti za pokretanje ekspandera, ali „energetski izlaz je izravno proporcionalan omjeru tlaka, temperaturi i protoku protoka plina“ [2], kao i tehničku i ekonomsku izvedivost. Implementacija Expandera: Proces ovisi o ovim i drugim čimbenicima, poput lokalnih cijena energije i dostupnosti proizvođača odgovarajuće opreme.
Iako je turboekspander (funkcionira slično kao turbinu) najpoznatija vrsta ekspandera (slika 1), postoje i druge vrste prikladne za različite uvjete procesa. Ovaj članak uvodi glavne vrste ekspandera i njihove komponente i sažima kako rukovoditelji operacija, savjetnici ili revizori energije u raznim odjelima CPI mogu procijeniti potencijalne ekonomske i ekološke prednosti ugradnje ekspandera.
Postoji mnogo različitih vrsta pojasa otpora koji se uvelike razlikuju u geometriji i funkciji. Glavni tipovi prikazani su na slici 2, a svaka je vrsta ukratko opisana u nastavku. Za više informacija, kao i grafikoni koji uspoređuju radni status svake vrste na temelju određenih promjera i određenih brzina, pogledajte Help. 3.
Klipni turboexpander. Turboekspanderi klipa i rotacijskih klipa djeluju poput motora s unutarnjim izgaranjem, apsorbirajući plin visokog tlaka i pretvarajući njegovu pohranjenu energiju u rotacijsku energiju kroz radilicu.
Povucite turbo ekspander. Expander kočnice sastoji se od koncentrične komore za protok s perajama s kantama pričvršćenim na periferiju rotirajućeg elementa. Dizajnirani su na isti način kao i vodeni kotači, ali presjek koncentričnih komora povećava se od ulaza do izlaza, omogućujući širenju plina.
Radijalni turboexpander. Radijalni protok turboekspanderi imaju aksijalni ulaz i radijalni izlaz, omogućujući plinu da se radijalno proširi kroz rotor turbine. Slično tome, aksijalne protočne turbine proširuju plin kroz kotač turbine, ali smjer protoka ostaje paralelan s osi rotacije.
Ovaj se članak usredotočuje na radijalne i aksijalne turboekspandere, raspravljajući o njihovim različitim podtipovima, komponentama i ekonomiji.
Turboexpander izvlači energiju iz struje visokog pritiska plina i pretvara je u pogonsko opterećenje. Obično je opterećenje kompresor ili generator spojen na osovinu. Turboexpander s kompresorom komprimira tekućinu u drugim dijelovima procesnog toka koji zahtijeva komprimiranu tekućinu, povećavajući na taj način ukupnu učinkovitost postrojenja pomoću energije koja se inače troši. Turboexpander s opterećenjem generatora pretvara energiju u električnu energiju, koja se može koristiti u drugim postrojenjima ili se vratiti u lokalnu mrežu na prodaju.
TurboexPander generatori mogu biti opremljeni ili izravnim pogonom od kotača turbine do generatora ili kroz mjenjač koji učinkovito smanjuje ulaznu brzinu s kotača turbine na generator kroz omjer prijenosa. Turboexpanderi izravnog pogona nude prednosti u troškovima učinkovitosti, traga i održavanja. Turboexpanderi mjenjača su teži i zahtijevaju veći trag, pomoćnu opremu za podmazivanje i redovito održavanje.
Protok turboekspandera mogu se napraviti u obliku radijalnih ili aksijalnih turbina. Radijalni protočni protok sadrže aksijalni ulaz i radijalni izlaz tako da protok plina radijalno izlazi iz turbine iz osi rotacije. Aksijalne turbine omogućuju da plin teče aksijalno duž osi rotacije. Aksijalni protočni turbini izvlače energiju iz protoka plina kroz ulazne lopatice do kotača za ekspander, pri čemu se površina poprečnog presjeka komore za ekspanziju postupno povećava kako bi se održala konstantna brzina.
Generator TurboexPander sastoji se od tri glavne komponente: kotača s turbinom, posebni ležajevi i generator.
Turbinski kotač. Turbinski kotači često su dizajnirani posebno za optimizaciju aerodinamičke učinkovitosti. Varijable primjene koje utječu na dizajn kotača turbine uključuju ulazni/izlazni tlak, temperaturu ulaza/izlaza, protok volumena i svojstva tekućine. Kad je omjer kompresije previsok da bi se mogao smanjiti u jednoj fazi, potreban je turboekspander s više turbinskih kotača. I radijalni i aksijalni turbinski kotači mogu se dizajnirati kao više faktni, ali aksijalni kotači turbine imaju mnogo kraću aksijalnu duljinu i stoga su kompaktniji. Višestepene radijalne protočne turbine zahtijevaju da plin teče iz aksijalnog u radijalni i natrag u aksijalno, stvarajući veće gubitke trenja od aksijalnih protočnih turbina.
ležajevi. Dizajn ležaja presudan je za učinkovit rad turboexpandera. Tipovi ležaja povezani s dizajnom turboekspandera uvelike se razlikuju i mogu uključivati uljne ležajeve, tekuće filmske ležajeve, tradicionalne kuglične ležajeve i magnetske ležajeve. Svaka metoda ima svoje prednosti i nedostatke, kao što je prikazano u tablici 1.
Mnogi proizvođači turboekspandera odabiru magnetske ležajeve kao svoj "ležaj izbora" zbog svojih jedinstvenih prednosti. Magnetski ležajevi osiguravaju rad dinamičkih komponenti turboekspandera, značajno smanjujući troškove rada i održavanja tijekom vijeka stroja. Također su dizajnirani tako da izdrže širok raspon aksijalnih i radijalnih opterećenja i uvjetima prekomjernog strijela. Njihovi veći početni troškovi nadoknađuju se mnogo nižim troškovima životnog ciklusa.
dinamo. Generator uzima rotacijsku energiju turbine i pretvara je u korisnu električnu energiju pomoću elektromagnetskog generatora (koji može biti indukcijski generator ili trajni generator magneta). Indukcijski generatori imaju nižu nazivnu brzinu, tako da aplikacije velike brzine turbine zahtijevaju mjenjač, ali mogu se dizajnirati tako da odgovara frekvenciji mreže, uklanjajući potrebu za promjenjivim frekvencijskim pogonom (VFD) za opskrbu generiranom električnom energijom. Stalni generatori magneta, s druge strane, mogu biti izravno osovina spojena na turbinu i prenijeti snagu na mrežu kroz varijabilni frekvencijski pogon. Generator je dizajniran za isporuku maksimalne snage na temelju snage osovine dostupne u sustavu.
Pečate. Pečat je također kritična komponenta prilikom dizajniranja sustava TurboexPander. Da bi se održala visoka učinkovitost i zadovoljila standarde okoliša, sustavi se moraju zapečatiti kako bi se spriječilo potencijalno curenje plina. Turboexpanderi mogu biti opremljeni dinamičkim ili statičkim brtvama. Dinamičke brtve, poput brtve labirinta i brtve suhih plinova, pružaju brtvu oko rotirajuće osovine, obično između turbinskog kotača, ležajeva i ostatka stroja na kojem se nalazi generator. Dinamički brtvi istroše se s vremenom i zahtijevaju redovito održavanje i inspekciju kako bi se osiguralo da funkcioniraju pravilno. Kada su sve komponente TurboexPandera sadržane u jednom kućištu, statičke brtve se mogu koristiti za zaštitu bilo kojeg potencijala koji izlaze iz kućišta, uključujući generator, pogone magnetskog ležaja ili senzore. Ove prozračne brtve pružaju trajnu zaštitu od curenja plina i ne zahtijevaju održavanje ili popravak.
Sa procesnog stajališta, primarni zahtjev za ugradnju ekspandera je opskrba visokotlačnog kompresibilnog (bezumljivog) plina u sustav niskog tlaka s dovoljnim protokom, padom tlaka i korištenjem za održavanje normalnog rada opreme. Radni parametri se održavaju na sigurnoj i učinkovitoj razini.
U smislu funkcije smanjenja tlaka, ekspander se može koristiti za zamjenu ventila Joule-Thomson (JT), poznatog i kao ventil za gas. Budući da se JT ventil kreće duž izentropske staze, a ekspander se kreće gotovo izentropskom stazom, potonji smanjuje entalpiju plina i pretvara entalpsku razliku u snagu osovine, stvarajući nižu temperaturu izlaza od JT ventila. Ovo je korisno u kriogenim procesima gdje je cilj smanjiti temperaturu plina.
Ako postoji donja granica temperature izlaznog plina (na primjer, u stanici za dekompresiju gdje se temperatura plina mora održavati iznad zamrzavanja, hidratacije ili minimalne temperature dizajna materijala), mora se dodati najmanje jedan grijač. kontrolirati temperaturu plina. Kad se predgrijač nalazi uzvodno od ekspandera, dio energije iz dovodnog plina također se oporavlja u ekspanderu, čime se povećava njegova snaga. U nekim konfiguracijama u kojima je potrebna kontrola temperature izlaza, nakon ekspandera može se instalirati drugi reheater kako bi se osigurala brže kontrola.
Na slici 3 prikazuje pojednostavljeni dijagram općeg dijagrama protoka generatora ekspandera s predgrijačem koji se koristi za zamjenu JT ventila.
U ostalim konfiguracijama procesa, energija koja se oporavlja u ekspanderu može se prenijeti izravno na kompresor. Ovi strojevi, koji se ponekad nazivaju i "zapovjednici", obično imaju faze širenja i kompresije povezane s jednom ili više osovina, što može uključivati i mjenjač za regulaciju razlike u brzini između dvije faze. Također može uključivati dodatni motor koji će pružiti više snage u fazi kompresije.
Ispod su neke od najvažnijih komponenti koje osiguravaju pravilan rad i stabilnost sustava.
Zaobiđite ventil ili ventil za smanjenje tlaka. Zaobilazni ventil omogućava da se rad nastavlja kada turboekspander ne radi (na primjer, za održavanje ili hitno), dok se ventil za smanjenje tlaka koristi za kontinuirani rad za opskrbu viška plina kada ukupni protok premašuje dizajnerski kapacitet ekspandera.
Ventil za isključivanje u nuždi (ESD). ESD ventili koriste se za blokiranje protoka plina u ekspander u hitnim slučajevima kako bi se izbjeglo mehanička oštećenja.
Instrumenti i kontrole. Važne varijable za nadgledanje uključuju ulaz i izlazni tlak, brzinu protoka, brzinu rotacije i izlaz snage.
Vožnja prekomjernom brzinom. Uređaj odreže protok do turbine, uzrokujući usporavanje rotora turbine, štiteći tako opremu od prekomjerne brzine zbog neočekivanih uvjetima procesa koji bi mogli oštetiti opremu.
Sigurnosni ventil za tlak (PSV). PSV -ovi se često instaliraju nakon turboekspandera radi zaštite cjevovoda i opreme niskog tlaka. PSV mora biti dizajniran tako da izdrži najoštrije nepredviđene situacije, koje obično uključuju neuspjeh ventila za zaobilazno. Ako se ekspander dodaje postojećoj stanici za smanjenje tlaka, tim za dizajn procesa mora utvrditi pruža li postojeći PSV odgovarajuću zaštitu.
Grijač. Grijači nadoknađuju pad temperature uzrokovanog plinom koji prolazi kroz turbinu, tako da se plin mora prethodno zagrijati. Njegova glavna funkcija je povećanje temperature rastućeg protoka plina kako bi se održala temperatura plina, ostavljajući ekspander iznad minimalne vrijednosti. Još jedna prednost povećanja temperature je povećanje izlaza snage, kao i spriječiti koroziju, kondenzaciju ili hidratate koji mogu negativno utjecati na mlaznice opreme. U sustavima koji sadrže izmjenjivače topline (kao što je prikazano na slici 3), temperatura plina obično se kontrolira reguliranjem protoka zagrijane tekućine u predgrijan. U nekim se dizajnu umjesto izmjenjivača topline mogu koristiti grijač plamena ili električni grijač. Grijači već mogu postojati u postojećoj stanici JT ventila, a dodavanje ekspandera možda neće zahtijevati instaliranje dodatnih grijača, već povećati protok grijane tekućine.
Podmamanje plinskih sustava za podmazivanje i brtve. Kao što je gore spomenuto, Expanders može koristiti različite dizajne brtve, koji mogu zahtijevati maziva i brtvene plinove. Ako je primjenjivo, ulje za podmazivanje mora održavati visoku kvalitetu i čistoću kada je u kontaktu s procesnim plinovima, a razina viskoznosti nafte mora ostati unutar potrebnog radnog raspona podmazanih ležajeva. Zapečaćeni plinski sustavi obično su opremljeni uređajem za podmazivanje nafte kako bi se spriječilo da ulja ležajne kutije uđe u kutiju za širenje. Za posebne primjene kompanija koje se koriste u ugljikovodičnoj industriji, plinski sustavi za naftu i brtveni za brtvljenje obično su dizajnirani za API 617 [5] Specifikacije dijela 4.
Varijabilni frekvencijski pogon (VFD). Kada je generator indukcija, VFD se obično uključuje kako bi se prilagodio signal izmjenične struje (AC) kako bi se podudarala s frekvencijom uslužnog programa. Obično, dizajni na temelju varijabilnih frekvencijskih pogona imaju veću ukupnu učinkovitost od dizajna koji koriste mjenjače ili druge mehaničke komponente. Sustavi koji se temelje na VFD-u također mogu prilagoditi širi raspon promjena procesa što može rezultirati promjenama brzine osovine ekspandera.
Prijenos. Neki dizajni za ekspander koriste mjenjač kako bi smanjili brzinu ekspandera na nazivnu brzinu generatora. Trošak korištenja mjenjača niži je ukupna učinkovitost i stoga niži izlaz snage.
Prilikom pripreme zahtjeva za citat (RFQ) za ekspander, procesni inženjer prvo mora utvrditi radne uvjete, uključujući sljedeće informacije:
Inženjeri strojarstva često dovršavaju specifikacije i specifikacije generatora ekspandera koristeći podatke iz drugih inženjerskih disciplina. Ti ulazi mogu uključivati sljedeće:
Specifikacije moraju sadržavati i popis dokumenata i crteža koje proizvođač pruža kao dio natječajnog postupka i opseg opskrbe, kao i primjenjive postupke ispitivanja kako to zahtijeva projekt.
Tehničke informacije koje proizvođač pruži kao dio natječajnog postupka općenito trebaju uključivati sljedeće elemente:
Ako se bilo koji aspekt prijedloga razlikuje od izvornih specifikacija, proizvođač također mora navesti popis odstupanja i razloge za odstupanja.
Jednom kada je prijedlog primljen, tim za razvoj projekta mora pregledati zahtjev za usklađenost i utvrditi jesu li varijacije tehnički opravdane.
Ostala tehnička razmatranja koja treba razmotriti prilikom procjene prijedloga uključuju:
Konačno, treba provesti ekonomsku analizu. Budući da različite opcije mogu rezultirati različitim početnim troškovima, preporučuje se provesti analizu troškova novčanog toka ili životnog ciklusa radi usporedbe dugoročne ekonomije i povrata ulaganja projekta. Na primjer, veća početna ulaganja može se dugoročno nadoknaditi povećanom produktivnošću ili smanjenim zahtjevima održavanja. Pogledajte "Reference" za upute o ovoj vrsti analize. 4.
Sve aplikacije TurboexPander-Generator zahtijevaju početni ukupni proračun potencijalne snage kako bi se utvrdila ukupna količina raspoložive energije koja se može povratiti u određenoj aplikaciji. Za TurboexPander generator, potencijal snage se izračunava kao izentropski (konstantna entropijska) proces. Ovo je idealna termodinamička situacija za razmatranje reverzibilnog adijabatskog procesa bez trenja, ali to je ispravan postupak za procjenu stvarnog energetskog potencijala.
Isentropska potencijalna energija (IPP) izračunava se množenjem specifične razlike entalpije na ulaznom i izlazu turboekspandera i množenjem rezultata s brzinom protoka mase. Ova će potencijalna energija biti izražena kao izentropska količina (jednadžba (1)):
IPP = (Hinlet - H (i, E)) × ṁ x ŋ (1)
Tamo gdje je H (i, E) specifična entalpija uzimajući u obzir isentropsku izlaznu temperaturu, a ṁ je maseni protok.
Iako se izentropska potencijalna energija može koristiti za procjenu potencijalne energije, svi stvarni sustavi uključuju trenje, toplinu i druge gubitke pomoćne energije. Dakle, prilikom izračunavanja stvarnog potencijala snage treba uzeti u obzir sljedeće dodatne ulazne podatke:
U većini TurboexPander -ovih primjena temperatura je ograničena na minimum kako bi se spriječile neželjene probleme poput ranije spomenutog zamrzavanja cijevi. Tamo gdje prirodni plin teče, hidrati su gotovo uvijek prisutni, što znači da će se cjevovod nizvodno od turboekspandera ili ventila za gas zamrzavati iznutra i izvana ako temperatura izlaza padne ispod 0 ° C. Formiranje leda može rezultirati ograničenjem protoka i na kraju isključiti sustav na odmrzavanje. Stoga se "željena" temperatura izlaza koristi za izračunavanje realnijeg scenarija potencijalne snage. Međutim, za plinove poput vodika, granica temperature je mnogo niža jer se vodik ne mijenja iz plina u tekućinu sve dok ne dosegne kriogenu temperaturu (-253 ° C). Upotrijebite ovu željenu temperaturu izlaza za izračunavanje specifične entalpije.
Također se mora razmotriti učinkovitost sustava turboekspandera. Ovisno o korištenoj tehnologiji, učinkovitost sustava može značajno varirati. Na primjer, turboexpander koji koristi redukcijski zupčanik za prijenos rotacijske energije iz turbine u generator imat će veće gubitke trenja od sustava koji koristi izravni pogon s turbine u generator. Ukupna učinkovitost sustava turboekspandera izražava se kao postotak i uzima se u obzir prilikom procjene stvarnog potencijala snage turboekspanda. Stvarni potencijal snage (PP) izračunava se na sljedeći način:
Pp = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Pogledajmo primjenu ublažavanja tlaka prirodnog plina. ABC upravlja i održava stanicu za smanjenje tlaka koja prevozi prirodni plin iz glavnog cjevovoda i distribuira ga u lokalne općine. Na ovoj stanici tlak u ulazu plina je 40 bara, a izlazni tlak 8 bara. Prethodna temperatura ulaznog plina je 35 ° C, što prethodi plin kako bi se spriječilo zamrzavanje cjevovoda. Stoga se temperatura izlaznog plina mora kontrolirati tako da ne padne ispod 0 ° C. U ovom ćemo primjeru koristiti 5 ° C kao minimalnu temperaturu utičnice za povećanje sigurnosnog faktora. Normalizirani volumetrijski protok plina je 50 000 nm3/h. Da bismo izračunali potencijal napajanja, pretpostavit ćemo da sav plin teče kroz turbo ekspander i izračunava maksimalnu snagu. Procijenite ukupni izlazni potencijal snage pomoću sljedećeg izračuna:
Post Vrijeme: svibanj-25-2024