Ekspanderi mogu koristiti smanjenje tlaka za pogon rotirajućih strojeva. Informacije o tome kako procijeniti potencijalne prednosti ugradnje ekstendera možete pronaći ovdje.
U kemijskoj procesnoj industriji (KPI) tipično se „velika količina energije gubi u ventilima za regulaciju tlaka gdje se visokotlačni fluidi moraju dekompresirati“ [1]. Ovisno o raznim tehničkim i ekonomskim čimbenicima, može biti poželjno pretvoriti tu energiju u rotirajuću mehaničku energiju, koja se može koristiti za pogon generatora ili drugih rotirajućih strojeva. Za nestlačive fluide (tekućine) to se postiže korištenjem hidrauličke turbine za povrat energije (HPRT; vidi referencu 1). Za stlačive tekućine (plinove) prikladan je stroj ekspander.
Ekspanderi su zrela tehnologija s mnogim uspješnim primjenama kao što su fluid katalitičko krekiranje (FCC), hlađenje, gradski ventili za prirodni plin, odvajanje zraka ili emisije ispušnih plinova. U načelu, bilo koji tok plina sa smanjenim tlakom može se koristiti za pogon ekspandera, ali „izlazna energija izravno je proporcionalna omjeru tlaka, temperaturi i brzini protoka plinskog toka“ [2], kao i tehničkoj i ekonomskoj izvedivosti. Implementacija ekspandera: Proces ovisi o tim i drugim čimbenicima, kao što su lokalne cijene energije i dostupnost odgovarajuće opreme proizvođača.
Iako je turboekspander (koji funkcionira slično turbini) najpoznatiji tip ekspandera (slika 1), postoje i drugi tipovi prikladni za različite procesne uvjete. Ovaj članak predstavlja glavne tipove ekspandera i njihove komponente te sažima kako voditelji operacija, konzultanti ili energetski revizori u raznim odjelima CPI-ja mogu procijeniti potencijalne ekonomske i ekološke koristi ugradnje ekspandera.
Postoji mnogo različitih vrsta traka otpora koje se uvelike razlikuju po geometriji i funkciji. Glavne vrste prikazane su na slici 2, a svaka vrsta je ukratko opisana u nastavku. Za više informacija, kao i grafove koji uspoređuju radno stanje svake vrste na temelju specifičnih promjera i specifičnih brzina, pogledajte Pomoć. 3.
Klipni turboekspander. Klipni i rotacijski klipni turboekspanderi rade poput motora s unutarnjim izgaranjem s obrnutom rotacijom, apsorbirajući plin pod visokim tlakom i pretvarajući njegovu pohranjenu energiju u rotacijsku energiju putem radilice.
Povucite turbo ekspander. Ekspander kočne turbine sastoji se od koncentrične protočne komore s rebrima pričvršćenim na periferiju rotirajućeg elementa. Dizajnirani su na isti način kao i vodeni kotači, ali se presjek koncentričnih komora povećava od ulaza do izlaza, omogućujući plinu širenje.
Radijalni turboekspander. Radijalni turboekspanderi imaju aksijalni ulaz i radijalni izlaz, što omogućuje radijalno širenje plina kroz rotor turbine. Slično tome, aksijalne turbine šire plin kroz turbinsko kolo, ali smjer protoka ostaje paralelan s osi rotacije.
Ovaj članak se usredotočuje na radijalne i aksijalne turboekspandere, raspravljajući o njihovim različitim podtipovima, komponentama i ekonomičnosti.
Turboekspander izvlači energiju iz struje plina visokog tlaka i pretvara je u pogonsko opterećenje. Obično je opterećenje kompresor ili generator spojen na osovinu. Turboekspander s kompresorom komprimira fluid u drugim dijelovima procesnog toka koji zahtijevaju komprimirani fluid, čime se povećava ukupna učinkovitost postrojenja korištenjem energije koja se inače rasipa. Turboekspander s generatorskim opterećenjem pretvara energiju u električnu energiju, koja se može koristiti u drugim procesima postrojenja ili vratiti u lokalnu mrežu za prodaju.
Turboekspander generatori mogu biti opremljeni ili izravnim pogonskim vratilom od turbinskog kotača do generatora ili putem mjenjača koji učinkovito smanjuje ulaznu brzinu od turbinskog kotača do generatora putem prijenosnog omjera. Turboekspanderi s izravnim pogonom nude prednosti u učinkovitosti, zauzetosti i troškovima održavanja. Turboekspanderi s mjenjačem su teži i zahtijevaju veći otisak, pomoćnu opremu za podmazivanje i redovito održavanje.
Protočni turboekspanderi mogu biti izrađeni u obliku radijalnih ili aksijalnih turbina. Radijalni ekspanderi protoka sadrže aksijalni ulaz i radijalni izlaz tako da protok plina izlazi iz turbine radijalno od osi rotacije. Aksijalne turbine omogućuju aksijalni protok plina duž osi rotacije. Aksijalne turbine protoka izvlače energiju iz protoka plina kroz ulazne vodeće lopatice do kotača ekspandera, pri čemu se površina presjeka ekspanzijske komore postupno povećava kako bi se održala konstantna brzina.
Turboekspander generator sastoji se od tri glavne komponente: turbinskog kotača, specijalnih ležajeva i generatora.
Turbinski kotač. Turbinski kotači često su posebno dizajnirani za optimizaciju aerodinamičke učinkovitosti. Varijable primjene koje utječu na dizajn turbinskog kotača uključuju ulazni/izlazni tlak, ulaznu/izlaznu temperaturu, volumni protok i svojstva fluida. Kada je omjer kompresije previsok da bi se smanjio u jednom stupnju, potreban je turboekspander s više turbinskih kotača. I radijalni i aksijalni turbinski kotači mogu se dizajnirati kao višestupanjski, ali aksijalni turbinski kotači imaju mnogo kraću aksijalnu duljinu i stoga su kompaktniji. Višestupanjskim radijalnim turbinama potreban je protok plina od aksijalnog do radijalnog i natrag do aksijalnog, što stvara veće gubitke trenja od aksijalnih turbina.
ležajevi. Dizajn ležajeva ključan je za učinkovit rad turboekspandera. Vrste ležajeva povezane s dizajnom turboekspandera uvelike variraju i mogu uključivati uljne ležajeve, ležajeve s tekućim filmom, 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 svoje "ležajeve izbora" zbog njihovih jedinstvenih prednosti. Magnetski ležajevi osiguravaju rad dinamičkih komponenti turboekspandera bez trenja, značajno smanjujući troškove rada i održavanja tijekom životnog vijeka stroja. Također su dizajnirani da izdrže širok raspon aksijalnih i radijalnih opterećenja i uvjeta prenaprezanja. Njihovi viši početni troškovi kompenzirani su znatno 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 generator s permanentnim magnetom). Indukcijski generatori imaju nižu nazivnu brzinu, pa primjene turbina velike brzine zahtijevaju mjenjač, ali mogu se dizajnirati tako da odgovaraju frekvenciji mreže, eliminirajući potrebu za pogonom s promjenjivom frekvencijom (VFD) za opskrbu generiranom električnom energijom. Generatori s permanentnim magnetima, s druge strane, mogu biti izravno spojeni na turbinu i prenositi snagu u mrežu putem pogona s promjenjivom frekvencijom. Generator je dizajniran da isporučuje maksimalnu snagu na temelju snage osovine dostupne u sustavu.
Brtve. Brtva je također ključna komponenta pri projektiranju sustava turboekspandera. Kako bi se održala visoka učinkovitost i zadovoljili ekološki standardi, sustavi moraju biti zatvoreni kako bi se spriječila potencijalna curenja procesnog plina. Turboekspanderi mogu biti opremljeni dinamičkim ili statičkim brtvama. Dinamičke brtve, poput labirintnih brtvi i brtvi za suhi plin, osiguravaju brtvljenje oko rotirajućeg vratila, obično između turbinskog kotača, ležajeva i ostatka stroja gdje se nalazi generator. Dinamičke brtve se s vremenom troše i zahtijevaju redovito održavanje i pregled kako bi se osiguralo da ispravno funkcioniraju. Kada su sve komponente turboekspandera sadržane u jednom kućištu, statičke brtve mogu se koristiti za zaštitu svih vodova koji izlaze iz kućišta, uključujući generator, pogone magnetskih ležajeva ili senzore. Ove hermetički zatvorene brtve pružaju trajnu zaštitu od curenja plina i ne zahtijevaju održavanje ili popravak.
S procesnog stajališta, primarni zahtjev za ugradnju ekspandera je dovod visokotlačnog stlačivog (nekondenzibilnog) plina u niskotlačni sustav s dovoljnim protokom, padom tlaka i iskorištenjem za održavanje normalnog rada opreme. Radni parametri održavaju se na sigurnoj i učinkovitoj razini.
Što se tiče funkcije smanjenja tlaka, ekspander se može koristiti kao zamjena za Joule-Thomsonov (JT) ventil, poznat i kao prigušnica. Budući da se JT ventil kreće duž izentropske putanje, a ekspander se kreće duž gotovo izentropske putanje, potonji smanjuje entalpiju plina i pretvara razliku entalpije u snagu osovine, čime se postiže niža izlazna temperatura nego kod JT ventila. To je korisno u kriogenim procesima gdje je cilj smanjiti temperaturu plina.
Ako postoji donja granica temperature izlaznog plina (na primjer, u dekompresijskoj stanici gdje se temperatura plina mora održavati iznad temperature smrzavanja, hidratacije ili minimalne projektne temperature materijala), mora se dodati barem jedan grijač. Regulacija temperature plina. Kada se predgrijač nalazi uzvodno od ekspandera, dio energije iz dovodnog plina također se obnavlja u ekspanderu, čime se povećava njegova izlazna snaga. U nekim konfiguracijama gdje je potrebna regulacija izlazne temperature, nakon ekspandera može se ugraditi drugi dogrijač radi brže regulacije.
Na sl. Slika 3 prikazuje pojednostavljeni dijagram općeg dijagrama toka ekspander generatora s predgrijačem koji se koristi za zamjenu JT ventila.
U drugim konfiguracijama procesa, energija dobivena u ekspanderu može se izravno prenijeti na kompresor. Ovi strojevi, ponekad nazvani "komandni strojevi", obično imaju stupnjeve ekspanzije i kompresije povezane jednom ili više osovina, koje mogu uključivati i mjenjač za regulaciju razlike brzine između dva stupnja. Također može uključivati dodatni motor za osiguravanje veće snage stupnju kompresije.
U nastavku su navedene neke od najvažnijih komponenti koje osiguravaju pravilan rad i stabilnost sustava.
Premosni ventil ili ventil za smanjenje tlaka. Premosni ventil omogućuje nastavak rada kada turboekspander ne radi (na primjer, za održavanje ili u hitnim slučajevima), dok se ventil za smanjenje tlaka koristi za kontinuirani rad kako bi se doveo višak plina kada ukupni protok premaši projektirani kapacitet ekspandera.
Ventil za isključivanje u nuždi (ESD). ESD ventili se koriste za blokiranje protoka plina u ekspander u hitnim slučajevima kako bi se izbjegla mehanička oštećenja.
Instrumenti i kontrole. Važne varijable koje treba pratiti uključuju ulazni i izlazni tlak, protok, brzinu vrtnje i izlaznu snagu.
Vožnja prevelikom brzinom. Uređaj prekida protok do turbine, uzrokujući usporavanje rotora turbine, čime se oprema štiti od prevelikih brzina zbog neočekivanih procesnih uvjeta koji bi mogli oštetiti opremu.
Sigurnosni ventil za tlak (PSV). PSV-ovi se često ugrađuju nakon turboekspanzera kako bi zaštitili cjevovode i opremu niskog tlaka. PSV mora biti projektiran tako da izdrži najteže nepredviđene situacije, koje obično uključuju nemogućnost otvaranja obilaznog ventila. Ako se ekspander doda postojećoj stanici za smanjenje tlaka, tim za projektiranje procesa mora utvrditi pruža li postojeći PSV odgovarajuću zaštitu.
Grijač. Grijači kompenziraju pad temperature uzrokovan prolaskom plina kroz turbinu, stoga se plin mora prethodno zagrijati. Njegova glavna funkcija je povećati temperaturu rastućeg protoka plina kako bi se temperatura plina koji izlazi iz ekspandera održala iznad minimalne vrijednosti. Druga prednost povećanja temperature je povećanje izlazne snage, kao i sprječavanje korozije, kondenzacije ili hidrata koji bi mogli 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 predgrijač. U nekim izvedbama, umjesto izmjenjivača topline može se koristiti grijač plamena ili električni grijač. Grijači mogu već postojati u postojećoj JT ventilskoj stanici, a dodavanje ekspandera možda neće zahtijevati ugradnju dodatnih grijača, već povećanje protoka zagrijane tekućine.
Sustavi ulja za podmazivanje i plina za brtvljenje. Kao što je gore spomenuto, ekspanderi mogu koristiti različite dizajne brtvi, što može zahtijevati maziva i plinove za brtvljenje. Gdje je primjenjivo, ulje za podmazivanje mora održavati visoku kvalitetu i čistoću kada je u kontaktu s procesnim plinovima, a razina viskoznosti ulja mora ostati unutar potrebnog radnog raspona podmazanih ležajeva. Sustavi s plinom za brtvljenje obično su opremljeni uređajem za podmazivanje uljem kako bi se spriječilo ulazak ulja iz kućišta ležaja u ekspanzijsku kutiju. Za posebne primjene kompandera koji se koriste u industriji ugljikovodika, sustavi ulja za podmazivanje i plina za brtvljenje obično su dizajnirani prema specifikacijama API 617 [5] dio 4.
Pogon s promjenjivom frekvencijom (VFD). Kada je generator indukcijski, VFD se obično uključuje kako bi prilagodio signal izmjenične struje (AC) frekvenciji kako bi odgovarao frekvenciji električne mreže. Tipično, dizajni temeljeni na pogonima s promjenjivom frekvencijom imaju veću ukupnu učinkovitost od dizajna koji koriste mjenjače ili druge mehaničke komponente. Sustavi temeljeni na VFD-u također mogu prilagoditi širi raspon promjena procesa koje mogu rezultirati promjenama brzine osovine ekspandera.
Prijenos. Neki dizajni ekspandera koriste mjenjač za smanjenje brzine ekspandera na nazivnu brzinu generatora. Trošak korištenja mjenjača je niža ukupna učinkovitost i stoga niža izlazna snaga.
Prilikom pripreme zahtjeva za ponudu (RFQ) za ekspander, procesni inženjer prvo mora odrediti radne uvjete, uključujući sljedeće informacije:
Strojarski inženjeri često izrađuju specifikacije generatora ekspandera i specifikacije koristeći podatke iz drugih inženjerskih disciplina. Ti unosi mogu uključivati sljedeće:
Specifikacije također moraju uključivati popis dokumenata i crteža koje je proizvođač dostavio kao dio postupka natječaja i opseg isporuke, kao i primjenjive postupke ispitivanja kako to zahtijeva projekt.
Tehničke informacije koje proizvođač pruža kao dio postupka natječaja općenito bi trebale uključivati sljedeće elemente:
Ako se bilo koji aspekt prijedloga razlikuje od izvornih specifikacija, proizvođač također mora dostaviti popis odstupanja i razloge za odstupanja.
Nakon što je prijedlog primljen, tim za razvoj projekta mora pregledati zahtjev za usklađenost i utvrditi jesu li odstupanja tehnički opravdana.
Ostala tehnička razmatranja koja treba uzeti u obzir prilikom ocjenjivanja prijedloga uključuju:
Konačno, potrebno je provesti ekonomsku analizu. Budući da različite opcije mogu rezultirati različitim početnim troškovima, preporučuje se provođenje analize novčanog toka ili troškova životnog ciklusa kako bi se usporedila dugoročna ekonomija projekta i povrat ulaganja. Na primjer, veće početno ulaganje može se dugoročno nadoknaditi povećanom produktivnošću ili smanjenim zahtjevima za održavanjem. Upute o ovoj vrsti analize potražite u odjeljku „Reference“. 4.
Sve primjene turboekspandera-generatora zahtijevaju početni izračun ukupne potencijalne snage kako bi se odredila ukupna količina dostupne energije koja se može iskoristiti u određenoj primjeni. Za turboekspander generator, potencijal snage izračunava se kao izentropski (konstantna entropija) proces. Ovo je idealna termodinamička situacija za razmatranje reverzibilnog adijabatskog procesa bez trenja, ali je ispravan postupak za procjenu stvarnog energetskog potencijala.
Izentropska potencijalna energija (IPP) izračunava se množenjem specifične razlike entalpije na ulazu i izlazu turboekspandera i množenjem rezultata s masenim protokom. Ova potencijalna energija bit će izražena kao izentropska veličina (jednadžba (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
gdje je h(i,e) specifična entalpija uzimajući u obzir izentropsku temperaturu na izlazu, a ṁ maseni protok.
Iako se izentropska potencijalna energija može koristiti za procjenu potencijalne energije, svi stvarni sustavi uključuju gubitke trenja, topline i drugih pomoćnih energije. Stoga, pri izračunu stvarnog potencijala snage, treba uzeti u obzir sljedeće dodatne ulazne podatke:
U većini primjena turboekspandera, temperatura je ograničena na minimum kako bi se spriječili neželjeni problemi poput ranije spomenutog smrzavanja cijevi. Tamo gdje teče prirodni plin, hidrati su gotovo uvijek prisutni, što znači da će se cjevovod nizvodno od turboekspandera ili leptira za gas smrznuti iznutra i izvana ako izlazna temperatura padne ispod 0°C. Stvaranje leda može rezultirati ograničenjem protoka i na kraju isključiti sustav radi odmrzavanja. Stoga se „željena“ izlazna temperatura koristi za izračun realnijeg scenarija potencijalne snage. Međutim, za plinove poput vodika, temperaturno ograničenje je mnogo niže jer vodik ne prelazi iz plinovitog u tekuće stanje dok ne dostigne kriogenu temperaturu (-253°C). Koristite ovu željenu izlaznu temperaturu za izračun specifične entalpije.
Također se mora uzeti u obzir učinkovitost sustava turboekspandera. Ovisno o korištenoj tehnologiji, učinkovitost sustava može značajno varirati. Na primjer, turboekspander koji koristi reduktor za prijenos rotacijske energije s turbine na generator imat će veće gubitke trenja od sustava koji koristi izravni pogon s turbine na generator. Ukupna učinkovitost sustava turboekspandera izražava se u postotku i uzima se u obzir pri procjeni stvarnog potencijala snage turboekspandera. Stvarni potencijal snage (PP) izračunava se na sljedeći način:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Pogledajmo primjenu rasterećenja tlaka prirodnog plina. ABC upravlja i održava stanicu za smanjenje tlaka koja transportira prirodni plin iz glavnog plinovoda i distribuira ga lokalnim općinama. Na ovoj stanici, ulazni tlak plina je 40 bara, a izlazni tlak je 8 bara. Temperatura prethodno zagrijanog ulaznog plina je 35°C, što ga predgrijava kako bi se spriječilo smrzavanje cjevovoda. Stoga se temperatura izlaznog plina mora kontrolirati tako da ne padne ispod 0°C. U ovom primjeru koristit ćemo 5°C kao minimalnu izlaznu temperaturu kako bismo povećali faktor sigurnosti. Normalizirani volumetrijski protok plina je 50 000 Nm3/h. Za izračun potencijala snage pretpostavit ćemo da sav plin teče kroz turbo ekspander i izračunati maksimalnu izlaznu snagu. Procijenite ukupni potencijal izlazne snage pomoću sljedećeg izračuna:
Vrijeme objave: 25. svibnja 2024.