Розширювачі можуть використовувати зниження тиску для керування обертовими машинами. Інформацію про те, як оцінити потенційні переваги встановлення розширювача, можна знайти тут.
Зазвичай в галузі хімічних процесів (ІСЦ) "велика кількість енергії витрачається на клапани контролю тиску, де рідини високого тиску повинні бути депресуризовані" [1]. Залежно від різних технічних та економічних факторів, може бути бажано перетворити цю енергію в обертову механічну енергію, яка може бути використана для керування генераторами або іншими обертовими машинами. Для нестислистих рідин (рідин) це досягається за допомогою турбіну відновлення гідравлічної енергії (HPRT; див. Довідку 1). Для стисливих рідин (газів) розширювач - це підходяща машина.
Розширювачі - це зріла технологія з багатьма успішними застосуваннями, такими як каталітичне розтріскування рідини (FCC), холодильник, клапани міста природного газу, розділення повітря або викиди вихлопних газів. В принципі, будь -який потік газу зі зниженим тиском може бути використаний для приводу розширювача, але "вихід енергії безпосередньо пропорційний коефіцієнту тиску, температури та витрата потоку газу" [2], а також технічну та економічну доцільність. Реалізація розширювача: Процес залежить від цих та інших факторів, таких як місцеві ціни на енергію та наявність виробника відповідного обладнання.
Незважаючи на те, що турбоекспан (функціонування аналогічно турбіні) є найвідомішим типом розширювача (рис. 1), є й інші типи, що підходять для різних умов процесів. Ця стаття представляє основні типи розширювачів та їх компоненти та підсумовує, як керівники операцій, консультанти чи енергетичні аудитори в різних підрозділах ІСЦ можуть оцінити потенційні економічні та екологічні переваги від встановлення розширювача.
Існує багато різних типів смуг опору, які сильно різняться за геометрією та функцією. Основні типи показані на малюнку 2, і кожен тип коротко описаний нижче. Для отримання додаткової інформації, а також графіки, що порівнюють статус роботи кожного типу на основі конкретних діаметрів та конкретних швидкостей, див. Довідка. 3.
Поршневий турбоекспандр. Поршневі та обертові поршневі турбоекспани працюють як двигун внутрішнього згоряння зворотного, що поглинають газ високого тиску та перетворюючи його збережену енергію в обертальну енергію через колінчастий вал.
Перетягніть турбо розширювач. Розширювач гальмівної турбіни складається з концентричної проточної камери з плавниками відра, прикріпленими до периферії обертового елемента. Вони розроблені так само, як і водні колеса, але поперечний переріз концентричних камер збільшується від входу до виходу, що дозволяє газу розширюватися.
Радіальний турбоекспан. Радіальний потік турбоекспанди мають осьовий вхід і радіальний вихід, що дозволяє газу радіально розширюватись через крильчатку турбіни. Аналогічно, осьові потокові турбіни розширюють газ через турбіну, але напрямок потоку залишається паралельним осі обертання.
Ця стаття зосереджена на радіальних та осьових турбоекспанах, обговорюючи їх різні підтипи, компоненти та економіку.
Турбоекспандр витягує енергію з газового потоку високого тиску і перетворює її в приводне навантаження. Зазвичай навантаження - це компресор або генератор, підключений до валу. Турбоекспандр з компресором стискає рідину в інших частинах процесу процесу, які потребують стисненої рідини, тим самим підвищуючи загальну ефективність рослини, використовуючи енергію, яка в іншому випадку витрачається. Турбоекспанда з навантаженням генератора перетворює енергію в електроенергію, яка може бути використана в інших рослинних процесах або повернута в місцеву сітку для продажу.
Генератори TurboExPander можуть бути обладнані або прямим валом приводу від колеса турбіни до генератора, або через коробку передач, яка ефективно зменшує вхідну швидкість від колеса турбіни до генератора через коефіцієнт передач. Прямий привід TurboExpanders пропонує переваги щодо ефективності, слідів та обслуговування. TurboexPanders Gearbox є більш важкими і потребує більшого сліду, допоміжного обладнання змащування та регулярного обслуговування.
Протікаючі турбоекспандири можуть бути виготовлені у вигляді радіальних або осьових турбін. Розширювачі радіального потоку містять осьовий вхід і радіальний вихід, таким чином, що потік газу виходить з турбіни радіально від осі обертання. Осьові турбіни дозволяють газу протікати вісь по осі обертання. Турбіни осьового потоку витягують енергію з потоку газу через вхідні направляючі лопатки до колеса розширювача, при цьому область поперечного перерізу камери розширення поступово зростає, щоб підтримувати постійну швидкість.
Генератор турбоекспандрів складається з трьох основних компонентів: турбінного колеса, спеціальних підшипників та генератора.
Турбінне колесо. Турбінові колеса часто розробляються спеціально для оптимізації аеродинамічної ефективності. Змінні застосування, які впливають на конструкцію колеса турбін, включають тиск на вході/виходу, температуру входів/виходу, об'ємний потік та властивості рідини. Коли коефіцієнт стиснення занадто високий, щоб зменшитись на одній стадії, необхідний турбоекспан з множинними турбінними колесами. Як променеві, так і осьові турбінні колеса можуть бути розроблені як багатоступеневі, але осьові турбіни мають набагато коротшу осьову довжину і, отже, є більш компактними. Багатоступеневі променеві турбіни потребують потоку газу від осьового до радіального та спини до осьового, створюючи більш високі втрати тертя, ніж осьові потоки.
підшипники. Дизайн підшипника є критично важливим для ефективної роботи турбоекспанцю. Типи підшипників, пов’язані з конструкціями турбоекспандрів, сильно різняться і можуть включати підшипники нафти, підшипники рідкої плівки, традиційні кулькові підшипники та магнітні підшипники. Кожен метод має свої переваги та недоліки, як показано в таблиці 1.
Багато виробників турбоекспандрів вибирають магнітні підшипники як свій "підшипник вибору" завдяки їх унікальним перевагам. Магнітні підшипники забезпечують без тертя функціонування динамічних компонентів турбоекспандера, значно зменшуючи витрати на експлуатацію та обслуговування протягом терміну експлуатації машини. Вони також розроблені для того, щоб витримати широкий діапазон осьових та радіальних навантажень та умов. Їх більш високі початкові витрати компенсуються значно нижчими витратами на життєвий цикл.
динамо. Генератор приймає обертальну енергію турбіни і перетворює її в корисну електричну енергію за допомогою електромагнітного генератора (який може бути індукційним генератором або постійним генератором магніту). Індукційні генератори мають нижчу рейтингову швидкість, тому високошвидкісні програми турбіни потребують коробки передач, але можуть бути розроблені відповідно до частоти сітки, усуваючи потребу в приводі змінної частоти (VFD) для забезпечення генерованої електроенергії. Постійні генератори магнітів, з іншого боку, можуть бути безпосередньо вал, поєднані з турбіною та передавати потужність до сітки через привід змінної частоти. Генератор призначений для забезпечення максимальної потужності на основі живлення вала, доступної в системі.
Печатки. Ущільнювач також є критичним компонентом при проектуванні системи турбоекспандрів. Для підтримки високої ефективності та дотримання екологічних стандартів системи повинні бути закриті для запобігання потенційних витоків газу. Турбоекспандери можуть бути оснащені динамічними або статичними ущільнювачами. Динамічні ущільнювачі, такі як ущільнювачі лабіринту та сухі газові ущільнювачі, забезпечують ущільнювач навколо обертового валу, як правило, між колесом турбіни, підшипниками та рештою машини, де розташований генератор. Динамічні ущільнення зношуються з часом і потребують регулярного обслуговування та огляду, щоб переконатися, що вони правильно функціонують. Коли всі компоненти турбоекспандрів містяться в одному корпусі, для захисту будь -яких відводів, що виходять з корпусу, можуть бути використані статичні ущільнювачі, включаючи генератор, магнітний підшипник або датчики. Ці герметичні ущільнення забезпечують постійний захист від витоку газу і не потребують технічного обслуговування чи ремонту.
З точки зору процесу, основна вимога до встановлення розширювача полягає у постачанні стисненого (непровідного) газу до системи низького тиску з достатнім потоком, падінням тиску та використанням для підтримки нормальної роботи обладнання. Робочі параметри підтримуються на безпечному та ефективному рівні.
Що стосується функції зниження тиску, розширювач може бути використаний для заміни клапана Joule-Thomson (JT), також відомого як клапан дросельної заслінки. Оскільки jt -клапан рухається по ізнентропному шляху і розширювача рухається майже з isentropic шлях, останній зменшує ентальпію газу і перетворює різницю ентальпії в потужність вала, тим самим створюючи нижчу температуру виходу, ніж клапан JT. Це корисно в кріогенних процесах, де метою є зниження температури газу.
Якщо є нижня межа температури випускного газу (наприклад, на станції декомпресії, де температуру газу необхідно підтримувати вище замерзання, гідратації або мінімальної температури проектування матеріалу), необхідно додати принаймні один нагрівач. контролювати температуру газу. Коли попередній нагрівач розташований вище за течією розширювача, частина енергії від подачі газу також відновлюється в розширювачі, тим самим збільшуючи його потужність. У деяких конфігураціях, де потрібно керувати температурою виходу, після розширювача може бути встановлений другий нагрівач, щоб забезпечити швидший контроль.
На рис. На малюнку 3 показана спрощена схема загальної схеми потоку генератора розширювача з попереднім нагрівачем, що використовується для заміни клапана JT.
В інших конфігураціях процесу енергія, що відновлена в розширювачі, може бути передана безпосередньо в компресор. Ці машини, які іноді називають "командирами", зазвичай мають етапи розширення та стиснення, з'єднані одним або декількома валами, які також можуть включати коробку передач для регулювання різниці швидкостей між двома етапами. Він також може включати додатковий двигун, щоб забезпечити більше енергії на стадії стиснення.
Нижче наведено деякі з найважливіших компонентів, які забезпечують належну роботу та стабільність системи.
Обхід клапан або зменшення тиску клапана. Обхідний клапан дозволяє продовжувати роботу, коли турбоекспанер не працює (наприклад, для обслуговування або аварійної допомоги), тоді як зниження тиску клапан використовується для безперервної роботи для подачі надлишкового газу, коли загальний потік перевищує проектну здатність розширювача.
Екстрений клапан відключення (ОУР). Клапани ESD використовуються для блокування потоку газу в розширювач в надзвичайних ситуаціях, щоб уникнути механічних пошкоджень.
Інструменти та управління. Важливі змінні для моніторингу включають вхідні та вихідні тиск, швидкість потоку, швидкість обертання та вихід потужності.
Водіння з надмірною швидкістю. Пристрій відрізає потік до турбіни, внаслідок чого ротор турбіни сповільнюється, тим самим захищаючи обладнання від надмірних швидкостей через несподівані умови процесу, які можуть пошкодити обладнання.
Клапан захисного тиску (PSV). PSV часто встановлюються після турбоекспансу для захисту трубопроводів та обладнання низького тиску. PSV повинен бути розроблений, щоб витримати найважчі непередбачувані випадки, які, як правило, включають відмову обходу клапана. Якщо розширювач додається до існуючої станції зниження тиску, команда проектування процесів повинна визначити, чи існуючий PSV забезпечує належний захист.
Нагрівач. Обігрівачі компенсують падіння температури, викликане газом, що проходить через турбіну, тому газ необхідно попередньо нагріти. Основна його функція полягає у підвищенні температури зростаючого потоку газу для підтримки температури газу, що залишає розширювач вище мінімального значення. Ще одна перевага підвищення температури - збільшення потужності, а також запобігання корозії, конденсації або гідратів, які можуть негативно впливати на форсунки обладнання. У системах, що містять теплообмінники (як показано на малюнку 3) температуру газу зазвичай керують шляхом регулювання потоку нагрітої рідини в попередній нагрівач. У деяких конструкціях замість теплообмінника можна використовувати обігрівач або електричний нагрівач. Обігрівачі можуть вже існувати на існуючій станції JT -клапана, і додавання розширювача може не вимагати встановлення додаткових обігрівачів, а скоріше збільшення потоку нагрітої рідини.
Змащування нафтових та герметичних газових систем. Як було сказано вище, розширювачі можуть використовувати різні конструкції ущільнювачів, які можуть вимагати мастила та герметизації газів. Там, де застосовується, змащувальна нафта повинна підтримувати високу якість та чистоту при контакті з технологічними газами, а рівень в'язкості нафти повинен залишатися в необхідному робочому діапазоні змащених підшипників. Герметичні газові системи зазвичай оснащені пристроєм мастила нафти, щоб запобігти введенню нафти в підшипнику в коробку розширення. Для спеціальних застосувань командерів, що використовуються в промисловості вуглеводнів, системні системи мастила та ущільнювача, як правило, розроблені для специфікацій API 617 [5] Частина 4.
Привід змінної частоти (VFD). Коли генератор індукує, VFD зазвичай вмикається для регулювання сигналу змінного струму (AC) відповідно до частоти корисності. Зазвичай конструкції, засновані на накопичувачах змінної частоти, мають більшу загальну ефективність, ніж конструкції, які використовують коробки передач або інші механічні компоненти. Системи на основі VFD також можуть вмістити більш широкий спектр змін у процесі, які можуть призвести до зміни швидкості вала розширювача.
Спосіб передавання. Деякі конструкції розширювача використовують коробку передач для зменшення швидкості розширювача до номінальної швидкості генератора. Вартість використання коробки передач нижча в загальній ефективності і, отже, нижча потужність.
Під час підготовки запиту на котирування (RFQ) для розширювача інженер з процесів повинен спочатку визначити умови експлуатації, включаючи таку інформацію:
Інженери -механіки часто завершують специфікації та технічні характеристики генератора розширювача, використовуючи дані інших інженерних дисциплін. Ці входи можуть включати наступне:
Технічні характеристики також повинні включати перелік документів та креслень, наданих виробником як частину тендерного процесу та обсягу постачання, а також застосовні процедури випробувань, як цього вимагають проект.
Технічна інформація, надана виробником у рамках тендерного процесу, як правило, повинна включати такі елементи:
Якщо будь -який аспект пропозиції відрізняється від початкових специфікацій, виробник також повинен надати список відхилень та причини відхилень.
Після отримання пропозиції команда з розробки проекту повинна переглянути запит на дотримання та визначити, чи технічно варіації.
Інші технічні міркування, які слід враховувати при оцінці пропозицій, включають:
Нарешті, потрібно провести економічний аналіз. Оскільки різні варіанти можуть призвести до різних початкових витрат, рекомендується провести аналіз грошових потоків або життєвого циклу для порівняння довгострокової економіки проекту та рентабельності інвестицій. Наприклад, більш висока початкова інвестиція може бути компенсована в довгостроковій перспективі підвищенням продуктивності праці або зниженням вимог до обслуговування. Див. "Посилання" для інструкцій щодо цього типу аналізу. 4.
Усі програми TurboexPander-Generator потребують початкового загального обчислення потенційної потужності для визначення загальної кількості наявної енергії, яка може бути відновлена в певній програмі. Для генератора турбоекспандрів потужність обчислюється як ізентропний (постійний ентропія). Це ідеальна термодинамічна ситуація для розгляду оборотного адіабатичного процесу без тертя, але це правильний процес оцінки фактичного енергетичного потенціалу.
Ізентропна потенційна енергія (IPP) обчислюється шляхом множення специфічної різниці ентальпій на вході та виходу турбоекпанцю та множення результату на масову витрата. Ця потенційна енергія буде виражена як ізентропна кількість (рівняння (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Там, де H (i, e) - специфічна ентальпія з урахуванням температури ізопропної виходу, а ṁ - масова витрата.
Незважаючи на те, що енергія ізопропічної потенційної енергії може бути використана для оцінки потенційної енергії, всі реальні системи передбачають тертя, тепло та інші допоміжні втрати енергії. Таким чином, при обчисленні фактичного потенціалу потужності слід враховувати наступні додаткові вхідні дані:
У більшості застосувань турбоекспандрів температура обмежується мінімум для запобігання небажаним проблемам, таким як заморожування труб, згадані раніше. Там, де природний газ, гідрати майже завжди присутні, це означає, що трубопровід вниз за течією турбоекспандувача або дросельного клапана замерзає внутрішньо і зовні, якщо температура виходу опуститься нижче 0 ° C. Формування льоду може призвести до обмеження потоку і в кінцевому підсумку вимкніть систему для розморожування. Таким чином, «бажана» температура виходу використовується для обчислення більш реалістичного потенційного сценарію потужності. Однак для таких газів, як водень, межа температури значно нижча, оскільки водень не змінюється від газу до рідини, поки він не досягне кріогенної температури (-253 ° C). Використовуйте цю потрібну температуру виходу для обчислення специфічної ентальпії.
Також слід враховувати ефективність системи турбоекспандрів. Залежно від використовуваної технології, ефективність системи може суттєво відрізнятися. Наприклад, турбоекспан, який використовує редуктор для перенесення обертальної енергії з турбіни до генератора, зазнає більших втрат тертя, ніж система, яка використовує прямий привід від турбіни до генератора. Загальна ефективність системи турбоекспандрів виражається у відсотках і враховується при оцінці фактичного потужного потенціалу турбоекпанцю. Фактичний потенціал потужності (ПП) обчислюється наступним чином:
Pp = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Давайте подивимось на застосування полегшення тиску природного газу. ABC працює та підтримує станцію зниження тиску, яка транспортує природний газ з основного трубопроводу та розподіляє його на місцеві муніципалітети. На цій станції тиск на вході в газ - 40 бар, а тиск на виході - 8 бар. Попередньо нагріта температура вхідного газу - 35 ° C, що попередньо розігріває газ для запобігання замерзання трубопроводу. Тому температуру газового газу необхідно контролювати, щоб вона не впала нижче 0 ° C. У цьому прикладі ми будемо використовувати 5 ° C як мінімальну температуру виходу для підвищення коефіцієнта безпеки. Нормалізований об'ємний витрата газу становить 50 000 нм3/год. Щоб обчислити потенціал потужності, ми припустимо, що всі протікають газу через турбо розширювач і обчислюємо максимальну потужність. Оцініть загальний потенціал потужності за допомогою наступного розрахунку:
Час посади: 25-2024 травня