Ekspandery mogą wykorzystywać redukcję ciśnienia do napędzania maszyn obrotowych. Informacje na temat oceny potencjalnych korzyści z zainstalowania ekspandera można znaleźć tutaj.
Zwykle w przemyśle przetwórstwa chemicznego (CPI) „duża ilość energii jest marnowana w zaworach regulacji ciśnienia, gdzie płyny o wysokim ciśnieniu muszą zostać zdekompresowane” [1]. W zależności od różnych czynników technicznych i ekonomicznych, może być pożądane przekształcenie tej energii w obracającą się energię mechaniczną, która może być wykorzystana do napędzania generatorów lub innych maszyn obrotowych. W przypadku nieściśliwych płynów (cieczy) osiąga się to za pomocą turbiny odzyskiwania energii hydraulicznej (HPRT; patrz odniesienie 1). W przypadku ściśliwych płynów (gazów) odpowiednią maszyną jest ekspander.
Ekspandery to dojrzała technologia z wieloma udanymi zastosowaniami, takimi jak fluidalne krakingi katalityczne (FCC), chłodnictwo, zawory miejskie gazu ziemnego, separacja powietrza lub emisje spalin. Zasadniczo, każdy strumień gazu o obniżonym ciśnieniu może być użyty do napędzania ekspandera, ale „energia wyjściowa jest wprost proporcjonalna do stosunku ciśnień, temperatury i natężenia przepływu strumienia gazu” [2], a także wykonalności technicznej i ekonomicznej. Wdrożenie ekspandera: Proces zależy od tych i innych czynników, takich jak lokalne ceny energii i dostępność odpowiedniego sprzętu przez producenta.
Chociaż turboekspander (działający podobnie do turbiny) jest najbardziej znanym typem ekspandera (rysunek 1), istnieją inne typy odpowiednie do różnych warunków procesu. W tym artykule przedstawiono główne typy ekspanderów i ich komponenty oraz podsumowano, w jaki sposób kierownicy ds. operacji, konsultanci lub audytorzy energetyczni w różnych działach CPI mogą oceniać potencjalne korzyści ekonomiczne i środowiskowe wynikające z zainstalowania ekspandera.
Istnieje wiele różnych typów taśm oporowych, które znacznie różnią się pod względem geometrii i funkcji. Główne typy przedstawiono na rysunku 2, a każdy typ jest krótko opisany poniżej. Aby uzyskać więcej informacji, a także wykresy porównujące stan działania każdego typu w oparciu o konkretne średnice i konkretne prędkości, zobacz Pomoc. 3.
Turboekspander tłokowy. Turboekspandery tłokowe i obrotowe działają jak silnik spalinowy o odwrotnym obrocie, pochłaniając gaz o wysokim ciśnieniu i zamieniając jego zmagazynowaną energię na energię obrotową poprzez wał korbowy.
Przeciągnij rozprężarkę turbo. Rozprężarka turbiny hamulcowej składa się z koncentrycznej komory przepływowej z żebrami kubełkowymi przymocowanymi do obwodu obracającego się elementu. Są zaprojektowane w ten sam sposób, co koła wodne, ale przekrój koncentrycznych komór zwiększa się od wlotu do wylotu, co pozwala na rozprężanie się gazu.
Turboekspander promieniowy. Turboekspandery promieniowe mają wlot osiowy i wylot promieniowy, co pozwala gazowi rozszerzać się promieniowo przez wirnik turbiny. Podobnie turbiny o przepływie osiowym rozszerzają gaz przez koło turbiny, ale kierunek przepływu pozostaje równoległy do osi obrotu.
W artykule tym skupiono się na turboekspanderach promieniowych i osiowych, omawiając ich różne podtypy, komponenty i kwestie ekonomiczne.
Turboekspander wydobywa energię ze strumienia gazu pod wysokim ciśnieniem i przekształca ją w obciążenie napędowe. Zazwyczaj obciążeniem jest sprężarka lub generator podłączony do wału. Turboekspander ze sprężarką spręża płyn w innych częściach strumienia procesowego, które wymagają sprężonego płynu, zwiększając w ten sposób ogólną wydajność zakładu poprzez wykorzystanie energii, która w przeciwnym razie zostałaby zmarnowana. Turboekspander ze obciążeniem generatora przekształca energię w energię elektryczną, która może być wykorzystana w innych procesach zakładu lub zwrócona do lokalnej sieci w celu sprzedaży.
Generatory turboekspanderowe mogą być wyposażone w bezpośredni wał napędowy z koła turbiny do generatora lub za pośrednictwem przekładni, która skutecznie zmniejsza prędkość wejściową z koła turbiny do generatora za pomocą przełożenia. Turboekspandery z napędem bezpośrednim oferują zalety w zakresie wydajności, powierzchni i kosztów konserwacji. Turboekspandery ze skrzynią biegów są cięższe i wymagają większej powierzchni, pomocniczego sprzętu smarującego i regularnej konserwacji.
Turborozprężarki przepływowe mogą być wykonane w formie turbin promieniowych lub osiowych. Rozprężarki przepływowe promieniowe zawierają osiowy wlot i promieniowy wylot, tak że strumień gazu opuszcza turbinę promieniowo od osi obrotu. Turbiny osiowe umożliwiają przepływ gazu osiowo wzdłuż osi obrotu. Turbiny przepływowe osiowe pobierają energię ze strumienia gazu przez łopatki kierujące wlotem do koła rozprężarki, przy czym powierzchnia przekroju poprzecznego komory rozprężnej stopniowo wzrasta, aby utrzymać stałą prędkość.
Generator turboekspanderowy składa się z trzech głównych elementów: koła turbiny, specjalnych łożysk i generatora.
Koło turbiny. Koła turbiny są często projektowane specjalnie w celu optymalizacji wydajności aerodynamicznej. Zmienne aplikacji, które wpływają na konstrukcję koła turbiny, obejmują ciśnienie wlotowe/wylotowe, temperaturę wlotową/wylotową, przepływ objętościowy i właściwości płynu. Gdy stopień sprężania jest zbyt wysoki, aby można go było zmniejszyć w jednym etapie, wymagany jest turboekspander z wieloma kołami turbiny. Zarówno promieniowe, jak i osiowe koła turbiny mogą być projektowane jako wielostopniowe, ale koła turbiny osiowej mają znacznie krótszą długość osiową i są zatem bardziej kompaktowe. Wielostopniowe turbiny o przepływie promieniowym wymagają przepływu gazu z osiowego do promieniowego i z powrotem do osiowego, co powoduje większe straty tarcia niż turbiny o przepływie osiowym.
łożyska. Konstrukcja łożyska ma kluczowe znaczenie dla wydajnej pracy turboekspandera. Typy łożysk związane z konstrukcjami turboekspanderów są bardzo zróżnicowane i mogą obejmować łożyska olejowe, łożyska z warstwą cieczy, tradycyjne łożyska kulkowe i łożyska magnetyczne. Każda metoda ma swoje zalety i wady, jak pokazano w Tabeli 1.
Wielu producentów turboekspanderów wybiera łożyska magnetyczne jako „łożyska z wyboru” ze względu na ich wyjątkowe zalety. Łożyska magnetyczne zapewniają beztarciową pracę dynamicznych elementów turboekspandera, znacznie zmniejszając koszty eksploatacji i konserwacji w całym okresie eksploatacji maszyny. Są one również zaprojektowane tak, aby wytrzymać szeroki zakres obciążeń osiowych i promieniowych oraz warunków przeciążenia. Ich wyższe koszty początkowe są równoważone znacznie niższymi kosztami cyklu życia.
dynamo. Generator pobiera energię obrotową turbiny i zamienia ją na użyteczną energię elektryczną za pomocą generatora elektromagnetycznego (który może być generatorem indukcyjnym lub generatorem z magnesami trwałymi). Generatory indukcyjne mają niższą prędkość znamionową, więc zastosowania turbin o dużej prędkości wymagają przekładni, ale mogą być zaprojektowane tak, aby odpowiadały częstotliwości sieci, eliminując potrzebę stosowania napędu o zmiennej częstotliwości (VFD) do dostarczania generowanej energii elektrycznej. Z drugiej strony generatory z magnesami trwałymi mogą być bezpośrednio sprzężone wałem z turbiną i przesyłać moc do sieci za pomocą napędu o zmiennej częstotliwości. Generator jest zaprojektowany tak, aby dostarczać maksymalną moc w oparciu o moc wału dostępną w systemie.
Uszczelnienia. Uszczelnienie jest również krytycznym elementem podczas projektowania układu turboekspandera. Aby zachować wysoką wydajność i spełnić normy środowiskowe, systemy muszą być uszczelnione, aby zapobiec potencjalnym wyciekom gazu procesowego. Turboekspandery mogą być wyposażone w uszczelnienia dynamiczne lub statyczne. Uszczelnienia dynamiczne, takie jak uszczelnienia labiryntowe i uszczelnienia gazowe suche, zapewniają uszczelnienie wokół obracającego się wału, zwykle między kołem turbiny, łożyskami i resztą maszyny, w której znajduje się generator. Uszczelnienia dynamiczne zużywają się z czasem i wymagają regularnej konserwacji i kontroli, aby upewnić się, że działają prawidłowo. Gdy wszystkie elementy turboekspandera znajdują się w pojedynczej obudowie, można użyć uszczelnień statycznych, aby chronić wszystkie przewody wychodzące z obudowy, w tym do generatora, napędów łożysk magnetycznych lub czujników. Te hermetyczne uszczelnienia zapewniają trwałą ochronę przed wyciekiem gazu i nie wymagają konserwacji ani napraw.
Z punktu widzenia procesu, podstawowym wymogiem instalacji ekspandera jest dostarczanie wysokociśnieniowego, sprężalnego (nieskraplającego się) gazu do układu niskociśnieniowego z wystarczającym przepływem, spadkiem ciśnienia i wykorzystaniem w celu utrzymania normalnej pracy urządzenia. Parametry robocze są utrzymywane na bezpiecznym i wydajnym poziomie.
Pod względem funkcji redukcji ciśnienia ekspander może być używany do zastąpienia zaworu Joule’a-Thomsona (JT), znanego również jako zawór dławiący. Ponieważ zawór JT porusza się wzdłuż ścieżki izentropowej, a ekspander porusza się wzdłuż ścieżki prawie izentropowej, ten ostatni zmniejsza entalpię gazu i zamienia różnicę entalpii na moc wału, wytwarzając w ten sposób niższą temperaturę wylotową niż zawór JT. Jest to przydatne w procesach kriogenicznych, w których celem jest obniżenie temperatury gazu.
Jeśli istnieje dolny limit temperatury gazu wylotowego (na przykład w stacji dekompresyjnej, gdzie temperatura gazu musi być utrzymywana powyżej temperatury zamarzania, hydratacji lub minimalnej temperatury projektowej materiału), należy dodać co najmniej jeden podgrzewacz. kontrolować temperaturę gazu. Gdy podgrzewacz wstępny znajduje się przed ekspanderem, część energii z gazu zasilającego jest również odzyskiwana w ekspanderze, zwiększając w ten sposób jego moc wyjściową. W niektórych konfiguracjach, w których wymagana jest kontrola temperatury wylotowej, można zainstalować drugi podgrzewacz wtórny po ekspanderze, aby zapewnić szybszą kontrolę.
Na rys. 3 przedstawiono uproszczony schemat ogólnego schematu blokowego generatora rozprężnego z podgrzewaczem wstępnym, stosowanego w miejsce zaworu JT.
W innych konfiguracjach procesu energia odzyskana w ekspanderze może być przenoszona bezpośrednio do sprężarki. Te maszyny, czasami nazywane „komandorami”, zazwyczaj mają stopnie rozprężania i sprężania połączone jednym lub kilkoma wałami, które mogą również obejmować przekładnię regulującą różnicę prędkości między dwoma stopniami. Może również obejmować dodatkowy silnik, aby zapewnić większą moc stopniowi sprężania.
Poniżej przedstawiamy najważniejsze komponenty zapewniające prawidłowe działanie i stabilność systemu.
Zawór obejściowy lub zawór redukujący ciśnienie. Zawór obejściowy umożliwia kontynuowanie pracy, gdy turboekspander nie pracuje (na przykład w celu konserwacji lub w nagłych wypadkach), podczas gdy zawór redukujący ciśnienie jest używany do ciągłej pracy w celu dostarczania nadmiaru gazu, gdy całkowity przepływ przekracza projektową pojemność ekspandera.
Zawór awaryjnego wyłączania (ESD). Zawory ESD służą do blokowania przepływu gazu do ekspandera w sytuacjach awaryjnych, aby uniknąć uszkodzeń mechanicznych.
Instrumenty i elementy sterujące. Ważne zmienne do monitorowania obejmują ciśnienie wlotowe i wylotowe, natężenie przepływu, prędkość obrotową i moc wyjściową.
Jazda z nadmierną prędkością. Urządzenie odcina przepływ do turbiny, powodując spowolnienie wirnika turbiny, chroniąc w ten sposób sprzęt przed nadmiernymi prędkościami spowodowanymi nieoczekiwanymi warunkami procesu, które mogłyby uszkodzić sprzęt.
Zawór bezpieczeństwa ciśnienia (PSV). Zawory PSV są często instalowane po turboekspanderze w celu ochrony rurociągów i urządzeń niskociśnieniowych. Zawór PSV musi być zaprojektowany tak, aby wytrzymać najpoważniejsze zdarzenia losowe, które zazwyczaj obejmują awarię zaworu obejściowego, który się nie otwiera. Jeśli do istniejącej stacji redukcji ciśnienia zostanie dodany ekspander, zespół ds. projektowania procesu musi ustalić, czy istniejący zawór PSV zapewnia odpowiednią ochronę.
Grzałka. Grzałki kompensują spadek temperatury spowodowany przepływem gazu przez turbinę, więc gaz musi zostać wstępnie podgrzany. Jego główną funkcją jest zwiększenie temperatury rosnącego przepływu gazu w celu utrzymania temperatury gazu opuszczającego ekspander powyżej minimalnej wartości. Inną zaletą podnoszenia temperatury jest zwiększenie mocy wyjściowej, a także zapobieganie korozji, kondensacji lub hydraulizacji, które mogłyby niekorzystnie wpłynąć na dysze urządzenia. W systemach zawierających wymienniki ciepła (jak pokazano na rysunku 3) temperatura gazu jest zwykle kontrolowana przez regulację przepływu podgrzanej cieczy do podgrzewacza. W niektórych projektach zamiast wymiennika ciepła można użyć podgrzewacza płomieniowego lub elektrycznego. Podgrzewacze mogą już znajdować się w istniejącej stacji zaworowej JT, a dodanie ekspandera może nie wymagać instalowania dodatkowych podgrzewaczy, ale raczej zwiększenia przepływu podgrzanej cieczy.
Układy oleju smarowego i gazu uszczelniającego. Jak wspomniano powyżej, ekspandery mogą wykorzystywać różne konstrukcje uszczelnień, które mogą wymagać smarów i gazów uszczelniających. W stosownych przypadkach olej smarowy musi zachować wysoką jakość i czystość w kontakcie z gazami procesowymi, a poziom lepkości oleju musi mieścić się w wymaganym zakresie roboczym smarowanych łożysk. Uszczelnione układy gazu są zwykle wyposażone w urządzenie do smarowania olejem, aby zapobiec przedostawaniu się oleju z obudowy łożyska do obudowy rozprężnej. W przypadku specjalnych zastosowań kompanderów stosowanych w przemyśle węglowodorowym układy oleju smarowego i gazu uszczelniającego są zwykle projektowane zgodnie ze specyfikacjami API 617 [5] Część 4.
Napęd o zmiennej częstotliwości (VFD). Gdy generator jest indukcyjny, VFD jest zazwyczaj włączany w celu dostosowania sygnału prądu przemiennego (AC) do częstotliwości sieciowej. Zazwyczaj projekty oparte na napędach o zmiennej częstotliwości mają wyższą ogólną wydajność niż projekty wykorzystujące przekładnie lub inne elementy mechaniczne. Systemy oparte na VFD mogą również dostosować szerszy zakres zmian procesu, które mogą skutkować zmianami prędkości wału ekspandera.
Przekładnia. Niektóre konstrukcje ekspanderów wykorzystują przekładnię, aby zmniejszyć prędkość ekspandera do prędkości znamionowej generatora. Koszt użycia przekładni to niższa ogólna wydajność, a zatem niższa moc wyjściowa.
Przygotowując zapytanie ofertowe (RFQ) na ekspander, inżynier procesu musi najpierw określić warunki pracy, w tym następujące informacje:
Inżynierowie mechanicy często kończą specyfikacje i specyfikacje generatorów ekspanderów, korzystając z danych z innych dyscyplin inżynieryjnych. Dane wejściowe mogą obejmować następujące elementy:
Specyfikacje muszą również zawierać listę dokumentów i rysunków dostarczonych przez producenta w ramach procesu przetargowego oraz zakres dostawy, a także stosowne procedury testowe wymagane przez projekt.
Informacje techniczne udostępniane przez producenta w ramach procesu przetargowego powinny zawierać następujące elementy:
Jeżeli jakikolwiek aspekt oferty różni się od pierwotnej specyfikacji, producent musi także przedstawić listę odstępstw i ich powody.
Po otrzymaniu propozycji zespół ds. rozwoju projektu musi dokonać przeglądu wniosku o zgodność z wymogami i ustalić, czy odstępstwa są uzasadnione technicznie.
Inne kwestie techniczne, które należy wziąć pod uwagę przy ocenie propozycji, obejmują:
Na koniec należy przeprowadzić analizę ekonomiczną. Ponieważ różne opcje mogą skutkować różnymi początkowymi kosztami, zaleca się przeprowadzenie analizy przepływów pieniężnych lub kosztów cyklu życia w celu porównania długoterminowej ekonomii projektu i zwrotu z inwestycji. Na przykład wyższa początkowa inwestycja może zostać zrównoważona w dłuższej perspektywie przez zwiększoną produktywność lub zmniejszone wymagania konserwacyjne. Instrukcje dotyczące tego typu analizy znajdują się w „Odniesieniach”. 4.
Wszystkie zastosowania turboekspandera-generatora wymagają początkowego obliczenia całkowitej mocy potencjalnej w celu określenia całkowitej ilości dostępnej energii, którą można odzyskać w danym zastosowaniu. W przypadku generatora turboekspandera potencjał mocy jest obliczany jako proces izentropowy (o stałej entropii). Jest to idealna sytuacja termodynamiczna do rozważenia odwracalnego procesu adiabatycznego bez tarcia, ale jest to poprawny proces szacowania rzeczywistego potencjału energii.
Energię potencjalną izentropową (IPP) oblicza się, mnożąc różnicę entalpii właściwej na wlocie i wylocie turboekspandera i mnożąc wynik przez natężenie przepływu masy. Ta energia potencjalna zostanie wyrażona jako wielkość izentropowa (równanie (1)):
IPP = ( wgłębienie – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
gdzie h(i,e) jest entalpią właściwą uwzględniającą izentropową temperaturę wylotową, a ṁ jest natężeniem przepływu masy.
Chociaż izentropowa energia potencjalna może być używana do szacowania energii potencjalnej, wszystkie rzeczywiste systemy obejmują tarcie, ciepło i inne straty energii pomocniczej. Dlatego przy obliczaniu rzeczywistego potencjału mocy należy wziąć pod uwagę następujące dodatkowe dane wejściowe:
W większości zastosowań turboekspandera temperatura jest ograniczona do minimum, aby zapobiec niepożądanym problemom, takim jak zamarzanie rur, o których wspomniano wcześniej. W przypadku przepływu gazu ziemnego hydraty są prawie zawsze obecne, co oznacza, że rurociąg za turboekspanderem lub zaworem dławiącym zamarznie wewnętrznie i zewnętrznie, jeśli temperatura wylotowa spadnie poniżej 0°C. Tworzenie się lodu może skutkować ograniczeniem przepływu i ostatecznie wyłączeniem systemu w celu odszronienia. Dlatego „pożądana” temperatura wylotowa jest używana do obliczenia bardziej realistycznego scenariusza potencjalnej mocy. Jednak w przypadku gazów, takich jak wodór, limit temperatury jest znacznie niższy, ponieważ wodór nie zmienia się z gazu w ciecz, dopóki nie osiągnie temperatury kriogenicznej (-253°C). Użyj tej pożądanej temperatury wylotowej, aby obliczyć właściwą entalpię.
Należy również wziąć pod uwagę wydajność układu turboekspandera. W zależności od zastosowanej technologii wydajność układu może się znacznie różnić. Na przykład turboekspander, który wykorzystuje przekładnię redukcyjną do przenoszenia energii obrotowej z turbiny do generatora, będzie doświadczał większych strat tarcia niż układ, który wykorzystuje napęd bezpośredni z turbiny do generatora. Całkowita wydajność układu turboekspandera jest wyrażana w procentach i jest brana pod uwagę przy ocenie rzeczywistego potencjału mocy turboekspandera. Rzeczywisty potencjał mocy (PP) jest obliczany w następujący sposób:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Przyjrzyjmy się zastosowaniu redukcji ciśnienia gazu ziemnego. ABC obsługuje i utrzymuje stację redukcji ciśnienia, która transportuje gaz ziemny z głównego rurociągu i dystrybuuje go do lokalnych gmin. Na tej stacji ciśnienie wlotowe gazu wynosi 40 barów, a ciśnienie wylotowe 8 barów. Podgrzana temperatura gazu wlotowego wynosi 35°C, co podgrzewa gaz, aby zapobiec zamarzaniu rurociągu. Dlatego temperatura gazu wylotowego musi być kontrolowana, aby nie spadła poniżej 0°C. W tym przykładzie przyjmiemy 5°C jako minimalną temperaturę wylotową, aby zwiększyć współczynnik bezpieczeństwa. Znormalizowany objętościowy przepływ gazu wynosi 50 000 Nm3/h. Aby obliczyć potencjał mocy, założymy, że cały gaz przepływa przez turbosprężarkę i obliczymy maksymalną moc wyjściową. Oszacuj całkowity potencjał mocy wyjściowej, korzystając z następującego obliczenia:
Czas publikacji: 25-05-2024