HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Ekspandery mogą wykorzystywać redukcję ciśnienia do napędzania maszyn obrotowych. Informacje na temat oceny potencjalnych korzyści z instalacji ekspandera można znaleźć tutaj.
W przemyśle chemicznym (CPI) „duża ilość energii jest marnowana w zaworach regulacji ciśnienia, gdzie ciecze pod wysokim ciśnieniem muszą być rozprężane” [1]. W zależności od różnych czynników technicznych i ekonomicznych, może być pożądane przekształcenie tej energii w energię mechaniczną wirowania, która może być wykorzystana do napędzania generatorów lub innych maszyn wirujących. W przypadku cieczy nieściśliwych osiąga się to za pomocą turbiny odzysku energii hydraulicznej (HPRT; patrz odnośnik 1). W przypadku cieczy ściśliwych (gazów) odpowiednim urządzeniem jest ekspander.
Ekspandery to dojrzała technologia z wieloma udanymi zastosowaniami, takimi jak fluidalny kraking katalityczny (FCC), chłodnictwo, zawory miejskie gazu ziemnego, separacja powietrza czy emisja spalin. Zasadniczo do napędzania ekspandera można użyć dowolnego strumienia gazu o obniżonym ciśnieniu, 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 procesowych. Niniejszy artykuł przedstawia główne typy ekspanderów i ich podzespoły oraz podsumowuje, w jaki sposób kierownicy operacyjni, konsultanci i audytorzy energetyczni w różnych działach CPI mogą ocenić potencjalne korzyści ekonomiczne i środowiskowe wynikające z instalacji ekspandera.
Istnieje wiele różnych rodzajów taśm oporowych, które znacznie różnią się geometrią i funkcją. Główne typy przedstawiono na rysunku 2, a każdy z nich został krótko opisany poniżej. Więcej informacji, a także wykresy porównujące stan działania poszczególnych typów w zależności od średnicy i prędkości, można znaleźć w Pomocy. 3.
Turboekspander tłokowy. Turboekspandery tłokowe i obrotowe działają jak silnik spalinowy z odwróconym obrotem, pochłaniając gaz pod wysokim ciśnieniem i przekształcając jego zmagazynowaną energię w energię obrotową poprzez wał korbowy.
Przeciągnij rozprężacz turbiny. Rozprężacz turbiny hamulcowej składa się z koncentrycznej komory przepływowej z żebrami kubełkowymi przymocowanymi do obwodu elementu obrotowego. Są one zaprojektowane tak samo jak koła wodne, ale przekrój poprzeczny koncentrycznych komór zwiększa się od wlotu do wylotu, umożliwiając rozprężanie się gazu.
Turboekspander promieniowy. Turboekspandery promieniowe mają osiowy wlot i promieniowy wylot, co umożliwia promieniowe rozprężanie gazu przez wirnik turbiny. Podobnie, turbiny osiowe rozprężają 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, podzespoły i kwestie ekonomiczne.
Turboekspander pobiera 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 sprawność zakładu poprzez wykorzystanie energii, która w przeciwnym razie byłaby marnowana. Turboekspander z obciążeniem generatora przekształca energię w energię elektryczną, która może być wykorzystana w innych procesach zakładu lub zwrócona do lokalnej sieci elektroenergetycznej w celu sprzedaży.
Generatory turboekspanderowe mogą być wyposażone w bezpośredni wał napędowy z koła turbiny do generatora lub w przekładnię, która skutecznie redukuje prędkość wejściową z koła turbiny do generatora poprzez przełożenie. Turboekspandery z napędem bezpośrednim oferują korzyści w zakresie wydajności, zajmowanej powierzchni i kosztów konserwacji. Turboekspandery z przekładnią są cięższe i wymagają większej powierzchni, dodatkowego wyposażenia smarowniczego oraz regularnej konserwacji.
Turboekspandery przepływowe mogą być wykonane w postaci turbin promieniowych lub osiowych. Rozprężarki promieniowe posiadają osiowy wlot i promieniowy wylot, dzięki czemu strumień gazu wypływa z turbiny promieniowo od osi obrotu. Turbiny osiowe umożliwiają osiowy przepływ gazu wzdłuż osi obrotu. Turbiny osiowe pobierają energię ze strumienia gazu przez łopatki kierujące wlotowe do koła rozprężarki, a przekrój poprzeczny komory rozprężnej stopniowo rośnie, 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 oraz 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 zaprojektowane jako wielostopniowe, ale koła osiowe turbiny mają znacznie krótszą długość osiową i dlatego są bardziej kompaktowe. Wielostopniowe turbiny o przepływie promieniowym wymagają przepływu gazu z osi do promieniowej i z powrotem do osiowej, co powoduje większe straty tarcia niż turbiny o przepływie osiowym.
Łożyska. Konstrukcja łożyska ma kluczowe znaczenie dla wydajnej pracy turboekspandera. Typy łożysk stosowanych w konstrukcjach turboekspanderów są bardzo zróżnicowane i obejmują łożyska olejowe, łożyska z filmem cieczowym, 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 pierwszego wyboru” ze względu na ich unikalne zalety. Łożyska magnetyczne zapewniają beztarciową pracę dynamicznych elementów turboekspandera, znacząco obniżając koszty eksploatacji i konserwacji w całym okresie eksploatacji maszyny. Są one również zaprojektowane tak, aby wytrzymać szeroki zakres obciążeń osiowych i promieniowych oraz warunki przeciążenia. Ich wyższe koszty początkowe są rekompensowane znacznie niższymi kosztami cyklu życia.
Dynamo. Generator pobiera energię obrotową turbiny i przekształca ją w użyteczną energię elektryczną za pomocą generatora elektromagnetycznego (który może być generatorem indukcyjnym lub generatorem z magnesami trwałymi). Generatory indukcyjne mają niższą prędkość znamionową, dlatego zastosowania turbin wysokoobrotowych wymagają przekładni, ale mogą być zaprojektowane tak, aby dopasować się do częstotliwości sieci, eliminując potrzebę stosowania przemiennika częstotliwości (VFD) do dostarczania generowanej energii elektrycznej. Z kolei generatory z magnesami trwałymi mogą być bezpośrednio sprzężone wałem z turbiną i przesyłać energię do sieci za pośrednictwem przemiennika częstotliwości. Generator jest zaprojektowany tak, aby dostarczać maksymalną moc w oparciu o moc na wale dostępną w systemie.
Uszczelnienia. Uszczelnienie jest również kluczowym elementem przy projektowaniu układu turboekspandera. Aby zachować wysoką sprawność 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 suche uszczelnienia gazowe, zapewniają uszczelnienie wokół obracającego się wału, zazwyczaj między kołem turbiny, łożyskami i resztą maszyny, w której znajduje się generator. Uszczelnienia dynamiczne z czasem ulegają zużyciu i wymagają regularnej konserwacji i kontroli w celu zapewnienia ich prawidłowego działania. Gdy wszystkie elementy turboekspandera znajdują się w jednej obudowie, uszczelnienia statyczne mogą być stosowane do ochrony wszystkich przewodów wychodzących 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 dostarczenie gazu sprężonego (nieskraplającego się) pod wysokim ciśnieniem do układu niskiego ciśnienia, zapewniając przepływ, spadek ciśnienia i wykorzystanie wystarczające do utrzymania prawidłowej pracy urządzenia. Parametry pracy są utrzymywane na bezpiecznym i wydajnym poziomie.
Pod względem funkcji redukcji ciśnienia, ekspander może zastąpić zawór Joule'a-Thomsona (JT), znany również jako zawór dławiący. Ponieważ zawór JT porusza się po torze izentropowym, a ekspander po torze prawie izentropowym, ten drugi redukuje entalpię gazu i przekształca różnicę entalpii w moc na wale, zapewniając w ten sposób niższą temperaturę wylotową niż zawór JT. Jest to przydatne w procesach kriogenicznych, w których celem jest obniżenie temperatury gazu.
Jeśli istnieje dolna granica 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, aby kontrolować temperaturę gazu. Gdy podgrzewacz wstępny znajduje się przed rozprężarką, część energii z gazu zasilającego jest również odzyskiwana w rozprężarce, zwiększając w ten sposób jej moc wyjściową. W niektórych konfiguracjach, w których wymagana jest kontrola temperatury wylotowej, można zainstalować drugi podgrzewacz wtórny za rozprężarką, aby zapewnić szybszą kontrolę.
Na rys. 3 przedstawiono uproszczony schemat ogólnego schematu blokowego generatora rozprężnego z podgrzewaczem wstępnym, stosowanego w celu zastąpienia zaworu JT.
W innych konfiguracjach procesu energia odzyskana w ekspanderze może być przekazywana bezpośrednio do sprężarki. Maszyny te, czasami nazywane „komandorami”, zazwyczaj posiadają stopnie rozprężania i sprężania połączone jednym lub kilkoma wałami, które mogą również zawierać przekładnię regulującą różnicę prędkości między tymi stopniami. Mogą również zawierać dodatkowy silnik elektryczny, który dostarcza więcej mocy do stopnia sprężania.
Poniżej przedstawiamy najważniejsze elementy zapewniające prawidłowe działanie i stabilność systemu.
Zawór obejściowy lub reduktor ciśnienia. Zawór obejściowy umożliwia kontynuowanie pracy, gdy turboekspander nie pracuje (na przykład w celu konserwacji lub w nagłych wypadkach), natomiast zawór redukcyjny służy do pracy ciągłej, dostarczając nadmiar gazu, gdy całkowity przepływ przekracza projektową wydajność ekspandera.
Zawór awaryjnego odcięcia (ESD). Zawory ESD służą do awaryjnego blokowania przepływu gazu do ekspandera, aby zapobiec uszkodzeniom mechanicznym.
Przyrządy i sterowanie. Do ważnych zmiennych, które należy monitorować, należą ciśnienie wlotowe i wylotowe, natężenie przepływu, prędkość obrotowa oraz moc wyjściowa.
Jazda z nadmierną prędkością. Urządzenie odcina dopływ powietrza do turbiny, powodując spowolnienie wirnika turbiny, chroniąc w ten sposób sprzęt przed nadmiernymi prędkościami wynikającymi z nieoczekiwanych warunków procesowych, które mogłyby go uszkodzić.
Zawór bezpieczeństwa ciśnienia (PSV). Zawory PSV są często instalowane za turboekspanderem w celu ochrony rurociągów i urządzeń niskociśnieniowych. Zawór PSV musi być zaprojektowany tak, aby wytrzymać najpoważniejsze awarie, które zazwyczaj obejmują awarię zaworu obejściowego. W przypadku dodania ekspandera do istniejącej stacji redukcji ciśnienia, zespół projektowy musi określić, czy istniejący zawór PSV zapewnia odpowiednią ochronę.
Grzałka. Grzałki kompensują spadek temperatury spowodowany przepływem gazu przez turbinę, dlatego gaz musi zostać wstępnie podgrzany. Jego główną funkcją jest podnoszenie temperatury wznoszącego się strumienia gazu w celu utrzymania temperatury gazu opuszczającego ekspander powyżej wartości minimalnej. Inną korzyścią z podniesienia temperatury jest zwiększenie mocy wyjściowej, a także zapobieganie korozji, kondensacji lub tworzeniu się hydratów, które mogłyby niekorzystnie wpływać na dysze urządzeń. W systemach zawierających wymienniki ciepła (jak pokazano na rysunku 3), temperatura gazu jest zazwyczaj kontrolowana poprzez regulację przepływu podgrzanej cieczy do podgrzewacza. W niektórych projektach zamiast wymiennika ciepła można zastosować podgrzewacz płomieniowy lub elektryczny. Podgrzewacze mogą już znajdować się w istniejącej stacji zaworowej JT, a dodanie ekspandera może nie wymagać instalowania dodatkowych podgrzewaczy, a 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 zazwyczaj wyposażone w urządzenie smarujące olejem, aby zapobiec przedostawaniu się oleju z komory łożyskowej do komory rozprężnej. W przypadku specjalnych zastosowań kompanderów stosowanych w przemyśle węglowodorowym, układy oleju smarowego i gazu uszczelniającego są zazwyczaj projektowane zgodnie ze specyfikacjami API 617 [5] Część 4.
Napęd o zmiennej częstotliwości (VFD). Gdy generator pracuje w trybie indukcyjnym, zazwyczaj włącza się napęd VFD w celu dostosowania sygnału prądu przemiennego (AC) do częstotliwości sieci. Zazwyczaj konstrukcje oparte na napędach o zmiennej częstotliwości charakteryzują się wyższą ogólną sprawnością niż konstrukcje wykorzystujące przekładnie lub inne komponenty mechaniczne. Systemy oparte na napędach VFD mogą również uwzględniać szerszy zakres zmian procesowych, które mogą skutkować zmianami prędkości wału ekspandera.
Przekładnia. Niektóre konstrukcje ekspanderów wykorzystują przekładnię, aby zmniejszyć prędkość ekspandera do prędkości znamionowej generatora. Koszt zastosowania przekładni wiąże się z niższą ogólną sprawnością, a tym samym niższą mocą wyjściową.
Przygotowując zapytanie ofertowe (RFQ) na ekspander, inżynier procesu musi najpierw określić warunki pracy, w tym następujące informacje:
Inżynierowie mechanicy często opracowują specyfikacje i specyfikacje generatorów ekspanderów, korzystając z danych z innych dziedzin inżynierii. Dane te mogą obejmować:
Specyfikacje muszą również zawierać listę dokumentów i rysunków dostarczonych przez producenta w ramach procesu przetargowego oraz zakres dostaw i stosowne procedury testowe wymagane przez projekt.
Informacje techniczne dostarczane przez producenta w ramach procesu przetargowego powinny zawierać następujące elementy:
Jeżeli jakikolwiek aspekt oferty różni się od pierwotnej specyfikacji, producent musi również przedstawić listę odstępstw i ich przyczyny.
Po otrzymaniu propozycji zespół ds. rozwoju projektu musi dokonać przeglądu wniosku pod kątem zgodności i ustalić, czy odstępstwa są uzasadnione technicznie.
Inne kwestie techniczne, które należy wziąć pod uwagę przy ocenie propozycji, to m.in.:
Na koniec należy przeprowadzić analizę ekonomiczną. Ponieważ różne opcje mogą wiązać się z różnymi kosztami początkowymi, zaleca się przeprowadzenie analizy przepływów pieniężnych lub analizy kosztów cyklu życia, aby porównać długoterminową ekonomikę projektu i zwrot z inwestycji. Na przykład, wyższa inwestycja początkowa może zostać zrekompensowana w dłuższej perspektywie zwiększoną produktywnością lub mniejszymi wymaganiami konserwacyjnymi. Instrukcje dotyczące tego typu analizy znajdują się w sekcji „Bibliografia”. 4.
Wszystkie zastosowania turbosprężarek-generatorów wymagają wstępnego obliczenia całkowitej mocy potencjalnej, aby określić całkowitą ilość dostępnej energii, którą można odzyskać w danym zastosowaniu. W przypadku turbosprężarek-generatorów, potencjał mocy oblicza się jako proces izentropowy (o stałej entropii). Jest to idealna sytuacja termodynamiczna do rozpatrywania odwracalnego procesu adiabatycznego bez tarcia, ale jest to również właściwy sposób szacowania rzeczywistego potencjału energii.
Energię potencjalną izentropową (IPP) oblicza się, mnożąc różnicę entalpii właściwej na wlocie i wylocie turboekspandera oraz mnożąc wynik przez natężenie przepływu masy. Energię potencjalną tę wyraża się jako wartość izentropową (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 do oszacowania energii potencjalnej można wykorzystać izentropową energię potencjalną, wszystkie rzeczywiste układy wiążą się z tarciem, ciepłem i innymi stratami energii pomocniczej. Dlatego przy obliczaniu rzeczywistego potencjału mocy należy uwzględnić następujące dodatkowe dane wejściowe:
W większości zastosowań turboekspanderów temperatura jest ograniczona do minimum, aby zapobiec niepożądanym problemom, takim jak wspomniane wcześniej zamarzanie rur. W przypadku przepływu gazu ziemnego hydraty są prawie zawsze obecne, co oznacza, że ​​rurociąg za turboekspanderem lub przepustnicą zamarznie wewnętrznie i zewnętrznie, jeśli temperatura na wylocie spadnie poniżej 0°C. Tworzenie się lodu może spowodować ograniczenie przepływu i ostatecznie zamknięcie systemu w celu odszronienia. Dlatego „pożądana” temperatura na wylocie jest wykorzystywana do obliczenia bardziej realistycznego scenariusza potencjalnej mocy. Jednak w przypadku gazów takich jak wodór, granica temperatury jest znacznie niższa, ponieważ wodór nie zmienia stanu skupienia ze stanu gazowego w ciekły, dopóki nie osiągnie temperatury kriogenicznej (-253°C). Użyj tej pożądanej temperatury na wylocie do obliczenia entalpii właściwej.
Należy również uwzględnić sprawność układu turboekspandera. W zależności od zastosowanej technologii, sprawność układu może się znacznie różnić. Na przykład, turboekspander wykorzystujący przekładnię redukcyjną do przenoszenia energii obrotowej z turbiny do generatora będzie charakteryzować się większymi stratami tarcia niż układ z napędem bezpośrednim z turbiny do generatora. Całkowita sprawność układu turboekspandera jest wyrażana w procentach i jest uwzględniana przy ocenie rzeczywistego potencjału mocy turboekspandera. Rzeczywisty potencjał mocy (PP) oblicza się 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 gazociągu i dystrybuuje go do lokalnych gmin. Ciśnienie wlotowe gazu na tej stacji wynosi 40 barów, a ciśnienie wylotowe 8 barów. Temperatura podgrzanego gazu na wlocie wynosi 35°C, co zapobiega jego zamarzaniu. Dlatego temperatura gazu na wylocie musi być kontrolowana, aby nie spadła poniżej 0°C. W tym przykładzie przyjmiemy 5°C jako minimalną temperaturę wylotową, aby zwiększyć współczynnik bezpieczeństwa. Znormalizowane objętościowe natężenie przepływu gazu wynosi 50 000 Nm3/h. Aby obliczyć potencjał mocy, założymy, że cały gaz przepływa przez turboekspander i obliczymy maksymalną moc wyjściową. Oszacuj całkowity potencjał mocy wyjściowej, korzystając z następującego obliczenia: