Детандери можуть використовувати зниження тиску для приводу обертових машин. Інформацію про те, як оцінити потенційні переваги встановлення подовжувача, можна знайти тут.
Як правило, у хімічній промисловості (ХП) «велика кількість енергії витрачається в регулювальних клапанах тиску, де необхідно скидати тиск рідин високого тиску» [1]. Залежно від різних технічних та економічних факторів, може бути бажаним перетворити цю енергію на обертову механічну енергію, яку можна використовувати для приводу генераторів або інших обертових машин. Для нестисливих рідин (рідин) це досягається за допомогою гідравлічної турбіни рекуперації енергії (ГРТЕ; див. посилання 1). Для стисливих рідин (газів) підходящим приладом є детандер.
Детандери – це зріла технологія з багатьма успішними застосуваннями, такими як флюїд-каталітичний крекінг (FCC), охолодження, міські газорозподільні клапани, розділення повітря або викиди вихлопних газів. В принципі, будь-який газовий потік зі зниженим тиском може бути використаний для приводу детандера, але «вихід енергії прямо пропорційний коефіцієнту тиску, температурі та швидкості потоку газу» [2], а також технічній та економічній доцільності. Впровадження детандера: Процес залежить від цих та інших факторів, таких як місцеві ціни на енергоносії та наявність у виробника відповідного обладнання.
Хоча турбодетандер (який функціонує подібно до турбіни) є найвідомішим типом детандера (рис. 1), існують й інші типи, що підходять для різних умов процесу. У цій статті представлено основні типи детандерів та їхні компоненти, а також узагальнено, як керівники операцій, консультанти або енергетичні аудитори в різних підрозділах CPI можуть оцінити потенційні економічні та екологічні переваги встановлення детандера.
Існує багато різних типів еспандерів, які значно відрізняються геометрією та функціями. Основні типи показані на рисунку 2, і кожен тип коротко описано нижче. Для отримання додаткової інформації, а також графіків, що порівнюють робочий стан кожного типу на основі конкретних діаметрів та конкретних швидкостей, див. Довідку. 3.
Поршневий турбодетандер. Поршневі та роторно-поршневі турбодетандери працюють як двигун внутрішнього згоряння зі зворотним обертанням, поглинаючи газ високого тиску та перетворюючи його накопичену енергію на енергію обертання через колінчастий вал.
Перетягніть турбодетандер. Детандер гальмівної турбіни складається з концентричної проточної камери з ковшеподібними ребрами, прикріпленими до периферії обертового елемента. Вони сконструйовані так само, як і водяні колеса, але поперечний переріз концентричних камер збільшується від входу до виходу, що дозволяє газу розширюватися.
Радіальний турбодетандер. Турбодетандери з радіальним потоком мають осьовий вхід та радіальний вихід, що дозволяє газу радіально розширюватися через робоче колесо турбіни. Аналогічно, осьові турбіни розширюють газ через колесо турбіни, але напрямок потоку залишається паралельним осі обертання.
Ця стаття зосереджена на радіальних та осьових турбодетандерах, обговорюючи їхні різні підтипи, компоненти та економічні характеристики.
Турбодетандер витягує енергію з потоку газу високого тиску та перетворює її на приводне навантаження. Зазвичай навантаженням є компресор або генератор, з'єднаний з валом. Турбодетандер з компресором стискає рідину в інших частинах технологічного потоку, які потребують стиснутої рідини, тим самим підвищуючи загальну ефективність установки, використовуючи енергію, яка в іншому випадку витрачається даремно. Турбодетандер з генераторним навантаженням перетворює енергію на електроенергію, яку можна використовувати в інших процесах установки або повертати в місцеву мережу для продажу.
Турбодетандерні генератори можуть бути оснащені або прямим приводним валом від турбінного колеса до генератора, або через редуктор, який ефективно зменшує вхідну швидкість від турбінного колеса до генератора за допомогою передавального числа. Турбодетандери з прямим приводом пропонують переваги в ефективності, займаній площі та витратах на обслуговування. Турбодетандери з редуктором важчі та потребують більшої площі, допоміжного обладнання для змащення та регулярного обслуговування.
Проточні турбодетандери можуть бути виготовлені у вигляді радіальних або осьових турбін. Радіальні детандери містять осьовий вхід та радіальний вихід, так що потік газу виходить з турбіни радіально від осі обертання. Осьові турбіни дозволяють газу текти осьово вздовж осі обертання. Осьові турбіни витягують енергію з потоку газу через вхідні напрямні лопатки до колеса детандера, при цьому площа поперечного перерізу камери розширення поступово збільшується для підтримки постійної швидкості.
Турбодетандерний генератор складається з трьох основних компонентів: турбінного колеса, спеціальних підшипників та генератора.
Турбінне колесо. Турбінні колеса часто проектуються спеціально для оптимізації аеродинамічної ефективності. Змінні застосування, що впливають на конструкцію турбінного колеса, включають тиск на вході/виході, температуру на вході/виході, об'ємний потік та властивості рідини. Коли ступінь стиснення занадто високий, щоб його можна було зменшити за один ступінь, потрібен турбодетандер з кількома турбінними колесами. Як радіальні, так і осьові турбінні колеса можуть бути спроектовані як багатоступеневі, але осьові турбінні колеса мають значно меншу осьову довжину і тому є компактнішими. Багатоступеневі радіальні турбіни вимагають потоку газу від осьового до радіального і назад до осьового, що створює більші втрати на тертя, ніж осьові турбіни.
підшипники. Конструкція підшипників має вирішальне значення для ефективної роботи турбодетандера. Типи підшипників, пов'язані з конструкціями турбодетандерів, дуже різняться і можуть включати масляні підшипники, рідинно-плівкові підшипники, традиційні кулькові підшипники та магнітні підшипники. Кожен метод має свої переваги та недоліки, як показано в таблиці 1.
Багато виробників турбодетандерів обирають магнітні підшипники як «підшипники вибору» завдяки їхнім унікальним перевагам. Магнітні підшипники забезпечують безтертяву роботу динамічних компонентів турбодетандера, значно знижуючи експлуатаційні витрати та витрати на обслуговування протягом терміну служби машини. Вони також розроблені, щоб витримувати широкий діапазон осьових та радіальних навантажень та умов перенапруження. Їхні вищі початкові витрати компенсуються значно нижчими витратами протягом життєвого циклу.
динамо. Генератор бере енергію обертання турбіни та перетворює її на корисну електричну енергію за допомогою електромагнітного генератора (який може бути індукційним генератором або генератором з постійними магнітами). Індукційні генератори мають нижчу номінальну швидкість, тому для високошвидкісних турбін потрібен редуктор, але вони можуть бути спроектовані відповідно до частоти мережі, що усуває необхідність використання частотного приводу (ЧРП) для подачі виробленої електроенергії. Генератори з постійними магнітами, з іншого боку, можуть бути безпосередньо з'єднані з валом турбіни та передавати енергію в мережу через частотний привод. Генератор розроблений для забезпечення максимальної потужності на основі потужності на валу, доступної в системі.
Ущільнення. Ущільнення також є критично важливим компонентом при проектуванні турбодетандерної системи. Для підтримки високої ефективності та відповідності екологічним стандартам системи повинні бути герметичними, щоб запобігти потенційним витокам технологічного газу. Турбодетандери можуть бути оснащені динамічними або статичними ущільненнями. Динамічні ущільнення, такі як лабіринтні ущільнення та сухі газові ущільнення, забезпечують ущільнення навколо обертового вала, зазвичай між турбінним колесом, підшипниками та рештою машини, де розташований генератор. Динамічні ущільнення зношуються з часом і потребують регулярного технічного обслуговування та перевірки для забезпечення їх належного функціонування. Коли всі компоненти турбодетандера містяться в одному корпусі, статичні ущільнення можна використовувати для захисту будь-яких виводів, що виходять з корпусу, включаючи виводи до генератора, приводів магнітних підшипників або датчиків. Ці герметичні ущільнення забезпечують постійний захист від витоку газу та не потребують технічного обслуговування чи ремонту.
З точки зору процесу, основною вимогою до встановлення детандера є подача стисливого (неконденсованого) газу високого тиску до системи низького тиску з достатнім потоком, перепадом тиску та використанням для підтримки нормальної роботи обладнання. Робочі параметри підтримуються на безпечному та ефективному рівні.
З точки зору функції зниження тиску, детандер може бути використаний для заміни клапана Джоуля-Томсона (JT), також відомого як дросельний клапан. Оскільки клапан JT рухається по ізоентропічній траєкторії, а детандер рухається майже по ізоентропічній траєкторії, останній зменшує ентальпію газу та перетворює різницю ентальпії на потужність на валу, тим самим створюючи нижчу температуру на виході, ніж клапан JT. Це корисно в кріогенних процесах, де метою є зниження температури газу.
Якщо існує нижня межа температури вихідного газу (наприклад, на декомпресійній станції, де температура газу повинна підтримуватися вище температури замерзання, гідратації або мінімальної розрахункової температури матеріалу), необхідно додати принаймні один нагрівач. Контролювати температуру газу. Коли попередній підігрівач розташований перед детандером, частина енергії з вихідного газу також рекуперується в детандері, тим самим збільшуючи його вихідну потужність. У деяких конфігураціях, де потрібен контроль температури на виході, після детандера можна встановити другий підігрівач для забезпечення швидшого контролю.
На рис. 3 показано спрощену схему загальної блок-схеми генератора-детандера з передпідігрівачем, який використовується для заміни клапана JT.
В інших конфігураціях процесу енергія, рекуперована в детандері, може передаватися безпосередньо до компресора. Ці машини, які іноді називають «командирами», зазвичай мають ступені розширення та стиснення, з'єднані одним або кількома валами, які також можуть включати редуктор для регулювання різниці швидкостей між двома ступенями. Він також може включати додатковий двигун для забезпечення більшої потужності ступені стиснення.
Нижче наведено деякі з найважливіших компонентів, які забезпечують належну роботу та стабільність системи.
Байпасний клапан або редукційний клапан. Байпасний клапан дозволяє продовжувати роботу, коли турбодетандер не працює (наприклад, для технічного обслуговування або в надзвичайних ситуаціях), тоді як редукційний клапан використовується для безперервної роботи, щоб подавати надлишок газу, коли загальний потік перевищує проектну потужність детандера.
Аварійний вимикаючий клапан (ASD). Клапани ESD використовуються для блокування потоку газу в детандер у разі надзвичайної ситуації, щоб уникнути механічних пошкоджень.
Прилади та органи керування. Важливими змінними, які потрібно контролювати, є тиск на вході та виході, швидкість потоку, швидкість обертання та вихідна потужність.
Рух на надмірній швидкості. Пристрій перекриває потік до турбіни, що призводить до уповільнення ротора турбіни, тим самим захищаючи обладнання від надмірних швидкостей через неочікувані технологічні умови, які можуть пошкодити його.
Запобіжний клапан тиску (ЗЗТ). ЗЗТ часто встановлюються після турбодетандера для захисту трубопроводів та обладнання низького тиску. ЗЗТ має бути спроектований таким чином, щоб витримувати найсуворіші непередбачувані ситуації, які зазвичай включають відмову від відкриття байпасного клапана. Якщо до існуючої станції зниження тиску додається детандер, команда проектувальників процесу повинна визначити, чи забезпечує існуючий ЗЗТ належний захист.
Нагрівач. Нагрівачі компенсують падіння температури, спричинене проходженням газу через турбіну, тому газ необхідно попередньо нагріти. Його основна функція полягає у підвищенні температури висхідного потоку газу для підтримки температури газу, що виходить з детандера, вище мінімального значення. Ще однією перевагою підвищення температури є збільшення вихідної потужності, а також запобігання корозії, конденсації або гідратам, які можуть негативно вплинути на форсунки обладнання. У системах, що містять теплообмінники (як показано на рисунку 3), температура газу зазвичай контролюється шляхом регулювання потоку нагрітої рідини в передпідігрівач. У деяких конструкціях замість теплообмінника можна використовувати полум'яний підігрівач або електричний підігрівач. Нагрівачі можуть вже бути в існуючій клапанній станції JT, і додавання детандера може не вимагати встановлення додаткових нагрівачів, а радше збільшення потоку нагрітої рідини.
Системи мастильного масла та ущільнювального газу. Як згадувалося вище, детандери можуть використовувати різні конструкції ущільнень, які можуть вимагати мастильних матеріалів та ущільнювальних газів. Де це можливо, мастильне масло повинно підтримувати високу якість та чистоту при контакті з технологічними газами, а рівень в'язкості масла повинен залишатися в межах необхідного робочого діапазону змащених підшипників. Системи герметичного газу зазвичай оснащені пристроєм мастильного масла, щоб запобігти потраплянню масла з корпусу підшипника в розширювальний корпус. Для спеціального застосування компандерів, що використовуються у вуглеводневій промисловості, системи мастильного масла та ущільнювального газу зазвичай розробляються відповідно до специфікацій API 617 [5] Частина 4.
Привід змінної частоти (ЧРЧ). Коли генератор є індукційним, ЧРЧ зазвичай вмикається для регулювання сигналу змінного струму (AC) відповідно до частоти мережі. Як правило, конструкції на основі приводів змінної частоти мають вищий загальний ККД, ніж конструкції, що використовують редуктори або інші механічні компоненти. Системи на основі ЧРЧ також можуть враховувати ширший діапазон змін процесу, які можуть призвести до змін швидкості вала детандера.
Трансмісія. У деяких конструкціях детандерів використовується редуктор для зниження швидкості детандера до номінальної швидкості генератора. Вартість використання редуктора полягає в нижчому загальному ККД і, отже, в нижчій вихідній потужності.
Під час підготовки запиту цінової пропозиції (RFQ) на детандер, інженер-технолог повинен спочатку визначити умови експлуатації, включаючи таку інформацію:
Інженери-механіки часто складають специфікації генератора-детандера та використовують дані з інших інженерних дисциплін. Ці дані можуть включати наступне:
Специфікації також повинні містити перелік документів та креслень, наданих виробником у рамках тендерного процесу, та обсяг постачання, а також застосовні процедури випробувань, як того вимагає проект.
Технічна інформація, надана виробником у рамках тендерного процесу, зазвичай повинна містити такі елементи:
Якщо будь-який аспект пропозиції відрізняється від початкових специфікацій, виробник також повинен надати перелік відхилень та причини цих відхилень.
Після отримання пропозиції команда розробників проекту повинна переглянути запит на відповідність та визначити, чи є відхилення технічно обґрунтованими.
Інші технічні міркування, які слід враховувати під час оцінки пропозицій, включають:
Зрештою, необхідно провести економічний аналіз. Оскільки різні варіанти можуть призвести до різних початкових витрат, рекомендується провести аналіз грошового потоку або витрат життєвого циклу, щоб порівняти довгострокову економічну ефективність проекту та рентабельність інвестицій. Наприклад, вищі початкові інвестиції можуть бути компенсовані в довгостроковій перспективі підвищенням продуктивності або зниженням вимог до технічного обслуговування. Інструкції щодо цього типу аналізу див. у розділі «Посилання». 4.
Усі застосування турбодетандер-генератора вимагають початкового розрахунку загальної потенційної потужності для визначення загальної кількості доступної енергії, яку можна рекуперувати в конкретному застосуванні. Для турбодетандерного генератора потенціал потужності розраховується як ізоентропічний (з постійною ентропією) процес. Це ідеальна термодинамічна ситуація для розгляду оборотного адіабатичного процесу без тертя, але це правильний процес для оцінки фактичного енергетичного потенціалу.
Ізентропічна потенційна енергія (ІПЕ) розраховується шляхом множення питомої різниці ентальпій на вході та виході турбодетандера та множення результату на масову витрату. Ця потенційна енергія буде виражена як ізоентропічна величина (рівняння (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
де h(i,e) – питома ентальпія з урахуванням ізоентропічної температури на виході, а ṁ – масова витрата.
Хоча ізоентропну потенційну енергію можна використовувати для оцінки потенційної енергії, всі реальні системи включають втрати енергії на тертя, тепло та інші допоміжні процеси. Таким чином, під час розрахунку фактичного потенціалу потужності слід враховувати такі додаткові вхідні дані:
У більшості застосувань турбодетандерів температура обмежується до мінімуму, щоб запобігти небажаним проблемам, таким як замерзання труб, про яке згадувалося раніше. Там, де тече природний газ, гідрати майже завжди присутні, а це означає, що трубопровід після турбодетандера або дросельного клапана замерзне всередині та зовні, якщо температура на виході паде нижче 0°C. Утворення льоду може призвести до обмеження потоку та зрештою до зупинки системи для розморожування. Таким чином, «бажана» температура на виході використовується для розрахунку більш реалістичного сценарію потенційної потужності. Однак для таких газів, як водень, гранична температура набагато нижча, оскільки водень не переходить з газоподібного стану в рідкий, доки не досягне кріогенної температури (-253°C). Використовуйте цю бажану температуру на виході для розрахунку питомої ентальпії.
Також необхідно враховувати ефективність системи турбодетандера. Залежно від використовуваної технології, ефективність системи може суттєво відрізнятися. Наприклад, турбодетандер, який використовує редуктор для передачі енергії обертання від турбіни до генератора, зазнаватиме більших втрат на тертя, ніж система, яка використовує прямий привід від турбіни до генератора. Загальний коефіцієнт корисної дії системи турбодетандера виражається у відсотках і враховується при оцінці фактичного потенціалу потужності турбодетандера. Фактичний потенціал потужності (PP) розраховується наступним чином:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Розглянемо застосування скидання тиску природного газу. ABC експлуатує та обслуговує станцію зниження тиску, яка транспортує природний газ з магістрального трубопроводу та розподіляє його по місцевих муніципалітетах. На цій станції тиск газу на вході становить 40 бар, а тиск на виході – 8 бар. Температура попередньо нагрітого газу на вході становить 35°C, що попередньо нагріває газ, щоб запобігти замерзанню трубопроводу. Тому температуру газу на виході необхідно контролювати, щоб вона не падала нижче 0°C. У цьому прикладі ми використовуватимемо 5°C як мінімальну температуру на виході для збільшення коефіцієнта безпеки. Нормалізована об'ємна витрата газу становить 50 000 Нм3/год. Для розрахунку потенціалу потужності ми припустимо, що весь газ проходить через турбодетандер, і розрахуємо максимальну вихідну потужність. Оцініть загальний потенціал вихідної потужності, використовуючи наступний розрахунок:
Час публікації: 25 травня 2024 р.