Ekspandery mogą wykorzystywać redukcję ciśnienia do napędu maszyn obrotowych. Informacje na temat oceny potencjalnych korzyści z instalacji Extender można znaleźć tutaj.
Zazwyczaj w przemyśle procesów chemicznych (CPI) „duża ilość energii jest marnowana w zaworach sterujących ciśnienia, w których płyny pod wysokim ciśnieniem muszą być w depresji” [1]. W zależności od różnych czynników technicznych i ekonomicznych może być pożądane przekształcenie tej energii na obracającą się energię mechaniczną, którą można wykorzystać do napędzania generatorów lub innych obracających się maszyn. W przypadku płynów nieściśliwych (cieczy) osiąga się to za pomocą turbiny odzyskiwania energii hydraulicznej (HPRT; patrz odniesienie 1). W przypadku ściśliwych cieczy (gazów) ekspander jest odpowiednią maszyną.
Ekspandery są dojrzałą technologią z wieloma udanymi zastosowaniami, takimi jak płynne pękanie katalityczne (FCC), chłodzenie, zawory miejskich gazu ziemnego, separacja powietrza lub emisja spalin. Zasadniczo każdy strumień gazu o zmniejszonym ciśnieniu może być wykorzystany do napędzania ekspandera, ale „moc wyjściowa energii jest wprost proporcjonalna do współczynnika ciśnienia, temperatury i szybkości przepływu strumienia gazu” [2], a także wykonalność techniczna i ekonomiczna. Wdrożenie Expander: Proces zależy od tych i innych czynników, takich jak lokalne ceny energii i dostępność producenta odpowiedniego sprzętu.
Chociaż turboExpander (funkcjonujący podobnie do turbiny) jest najbardziej znanym rodzajem ekspandera (ryc. 1), istnieją inne typy odpowiednie dla różnych warunków procesu. W tym artykule przedstawiono główne rodzaje ekspanderów i ich komponentów i podsumowuje, w jaki sposób menedżerowie operacji, konsultanci lub audytorzy energii w różnych podziałach CPI mogą ocenić potencjalne korzyści ekonomiczne i środowiskowe z instalacji ekspandera.
Istnieje wiele różnych rodzajów pasm oporności, które różnią się znacznie pod względem geometrii i funkcji. Główne typy pokazano na rysunku 2, a każdy typ opisano krótko poniżej. Aby uzyskać więcej informacji, a także wykresy porównujące stan operacyjny każdego typu na podstawie określonych średnic i specyficznych prędkości, zobacz pomoc. 3.
TurboExpander tłokowy. Trybonowe i obrotowe turboExpandery tłokowe działają jak odwrotny silnik spalania wewnętrznego, pochłaniając gaz wysokociśnieniowy i przekształcając jego energię w energię obrotową przez wał korbowy.
Przeciągnij Expander Turbo. Ekspander turbiny hamulcowej składa się z koncentrycznej komory przepływowej z płetwami kubełkowymi przymocowanymi na obrzeże obrotowego elementu. Są one zaprojektowane w taki sam sposób, jak kółka wodna, ale przekrój koncentrycznych komory wzrasta od wlotu do wylotu, umożliwiając rozszerzenie gazu.
Radialny turboExpander. TurboExpanders z przepływem promieniowym mają osiowy wlot i gniazdko promieniowe, umożliwiając promieniowanie gazu przez wirnik turbinowy. Podobnie turbiny przepływowe osiowe rozszerzają gaz przez koło turbinowe, ale kierunek przepływu pozostaje równolegle do osi obrotu.
Ten artykuł koncentruje się na promieniu i osiowych turboExpanders, omawiając ich różne podtypy, komponenty i ekonomię.
TurboExpander wyodrębnia energię z wysokociśnieniowego strumienia gazu i przekształca ją w obciążenie napędowe. Zazwyczaj obciążenie jest sprężarką lub generatorem podłączonym do wału. TurboExpander z sprężarką ściska płyn w innych częściach strumienia procesu, które wymagają sprężonego płynu, zwiększając w ten sposób ogólną wydajność zakładu, wykorzystując energię, która jest w innym przypadku zmarnowana. TurboExpander z obciążeniem generatora przekształca energię w energię elektryczną, która może być stosowana w innych procesach zakładu lub zwrócić do lokalnej sieci na sprzedaż.
Generatory turboExpander mogą być wyposażone w bezpośredni wał napędowy z koła turbinowego do generatora lub przez skrzynię biegów, która skutecznie zmniejsza prędkość wejściową z koła turbinowego do generatora poprzez stosunek przekładni. TurboExpanders Direct Drive oferują zalety w zakresie wydajności, śladu i kosztów konserwacji. Turboexpanders z biegiem biegów są cięższe i wymagają większego śladu, sprzętu pomocniczego smarowania i regularnej konserwacji.
Przetwane turboExpandery mogą być wykonane w postaci turbin promieniowych lub osiowych. Wykręcania przepływów promieniowych zawierają osiowy wlot i gniazdkę promieniową, tak że przepływ gazu wychodzi z turbiny promieniowo ze osi obrotu. Turbiny osiowe umożliwiają przepływ gazu osi wzdłuż osi obrotu. Turbiny przepływu osiowego wydobywają energię z przepływu gazu przez łopatki prowadzącego wlot do koła ekspandera, z obszarem przekroju komory ekspansji stopniowo wzrasta, aby utrzymać stałą prędkość.
Generator turboExpander składa się z trzech głównych elementów: koła turbinowego, specjalnych łożyska i generatora.
Koło turbinowe. Koła turbinowe są często zaprojektowane specjalnie w celu optymalizacji wydajności aerodynamicznej. Zmienne zastosowania, które wpływają na konstrukcję kół turbinowych, obejmują ciśnienie wlotowe/wylotowe, temperaturę wlotu/wylotu, przepływ objętości i właściwości płynu. Gdy współczynnik kompresji jest zbyt wysoki, aby można go było zmniejszyć w jednym etapie, wymagany jest turboExpander z wieloma kółkami turbinowymi. Zarówno promieniowe, jak i osiowe koła turbinowe mogą być zaprojektowane jako wielostopniowe, ale osiowe koła turbinowe mają znacznie krótszą długość osiową, a zatem są bardziej kompaktowe. Wielostopniowe turbiny przepływu promieniowego wymagają przepływu gazu od osiowego do promieniowego i z powrotem do osiowego, tworząc wyższe straty tarcia niż turbiny przepływowe osiowe.
namiar. Projekt łożyska ma kluczowe znaczenie dla wydajnego działania turboExpander. Typy łożyska związane z projektami turboExpander różnią się znacznie i mogą obejmować łożyska oleju, łożyska folii płynnych, tradycyjne łożyska kulkowe i łożyska magnetyczne. Każda metoda ma swoje zalety i wady, jak pokazano w tabeli 1.
Wielu producentów turboExpander wybiera łożyska magnetyczne jako „łożysko wyboru” ze względu na ich unikalne zalety. Łożyska magnetyczne zapewniają bez tarcia działanie dynamicznych komponentów TurboExpander, znacznie zmniejszając koszty operacyjne i konserwacyjne w ciągu okresu użytkowania maszyny. Są one również zaprojektowane tak, aby wytrzymać szeroki zakres obciążeń osiowych i promieniowych oraz warunków oversress. Ich wyższe koszty początkowe są kompensowane znacznie niższymi kosztami cyklu życia.
dynamo. Generator przyjmuje energię obrotową turbiny i przekształca ją w użyteczną energię elektryczną za pomocą generatora elektromagnetycznego (który może być generatorem indukcyjnym lub generatorem magnesu stałego). Generatory indukcyjne mają niższą prędkość znamionową, więc aplikacje turbin o dużej prędkości wymagają skrzyni biegów, ale można je zaprojektować tak, aby pasowało do częstotliwości siatki, eliminując potrzebę zmiennego napędu częstotliwości (VFD) w celu dostarczenia wytwarzanej energii elektrycznej. Z drugiej strony generatory magnesów stałych mogą być bezpośrednio sprzężone z turbiną i przesyłać zasilanie do siatki przez zmienny napęd częstotliwościowy. Generator został zaprojektowany tak, aby zapewnić maksymalną moc w oparciu o moc wału dostępną w systemie.
Pieczęcie. Uszczelka jest również kluczowym elementem podczas projektowania systemu turboExpander. Aby utrzymać wysoką wydajność i spełniać standardy środowiskowe, systemy należy uszczelnić, aby zapobiec potencjalnym przeciekom gazu procesowego. TurboExpanders mogą być wyposażone w uszczelki dynamiczne lub statyczne. Uszczelnienia dynamiczne, takie jak uszczelki labiryntu i suche uszczelki gazowe, zapewniają uszczelnienie wokół obrotowego wału, zwykle między kołem turbinowym, łożyska i resztą maszyny, w której znajduje się generator. Dynamiczne uszczelki zużywają się z czasem i wymagają regularnej konserwacji i kontroli, aby zapewnić prawidłowe działanie. Gdy wszystkie komponenty turboExpander są zawarte w jednej obudowie, uszczelki statyczne mogą być stosowane do ochrony wszelkich potencjalnych klientów wychodzących z obudowy, w tym do generatora, napędów łożysk magnetycznych lub czujników. Te szczelne uszczelki zapewniają trwałą ochronę przed wyciekiem gazu i nie wymagają konserwacji ani naprawy.
Z punktu widzenia procesu głównym wymogiem instalacji ekspandera jest dostarczenie wysokociśnieniowego ściślejnego (niekondensownego) gazu do systemu niskiego ciśnienia o wystarczającym przepływie, spadku ciśnienia i wykorzystaniu w celu utrzymania normalnego działania sprzętu. Parametry operacyjne są utrzymywane na bezpiecznym i wydajnym poziomie.
Pod względem funkcji zmniejszania ciśnienia ekspandera może być użyta do wymiany zaworu Joule-Thomson (JT), znanego również jako zawór przepustnicy. Ponieważ zawór JT porusza się wzdłuż ścieżki isentropowej, a ekspander porusza się po prawie izentropowej ścieżce, ten ostatni zmniejsza entalpię gazu i przekształca różnicę entalpii w moc wału, wytwarzając w ten sposób niższą temperaturę wylotową niż zastawka JT. Jest to przydatne w procesach kriogenicznych, w których celem jest zmniejszenie temperatury gazu.
Jeśli istnieje dolna granica temperatury gazu wylotowego (na przykład na stacji dekompresyjnej, w której temperatura gazu musi być utrzymywana powyżej zamrażania, nawodnienia lub temperatury projektowania materiału minimalnego), należy dodać co najmniej jeden grzejnik. Kontroluj temperaturę gazu. Gdy podgrzewnik znajduje się powyżej ekspandera, część energii z gazu zasilającego jest również odzyskiwana w ekspanderze, zwiększając w ten sposób moc wyjściową. W niektórych konfiguracjach, w których wymagana jest kontrola temperatury wylotowej, po Expander można zainstalować drugiego podsekwatora, aby zapewnić szybszą kontrolę.
Na ryc. Rysunek 3 pokazuje uproszczony schemat ogólnego schematu przepływu generatora ekspandera z podgrzewaczem używanym do wymiany zaworu JT.
W innych konfiguracjach procesu energia odzyskana w ekspanderze może zostać przeniesiona bezpośrednio do sprężarki. Maszyny te, czasami nazywane „dowódcom”, zwykle mają etapy rozszerzenia i kompresji połączone jednym lub więcej wałami, które mogą również zawierać skrzynię biegów w celu regulacji różnicy prędkości między dwoma etapami. Może również zawierać dodatkowy silnik, aby zapewnić większą moc do etapu kompresji.
Poniżej znajdują się niektóre z najważniejszych elementów, które zapewniają właściwe działanie i stabilność systemu.
Zawór obejściowy lub zawór zmniejszający ciśnienie. Zawór obejściowy umożliwia kontynuowanie działania, gdy turboExpander nie działa (na przykład w przypadku konserwacji lub awaryjnego), podczas gdy zawór zmniejszający ciśnienie jest wykorzystywany do ciągłej pracy w celu dostarczania nadmiaru gazu, gdy całkowity przepływ przekracza pojemność projektowania ekspandera.
Awaryjna zawór wyłączania (ESD). Zawory ESD służą do blokowania przepływu gazu do ekspandera w nagłych wypadkach, aby uniknąć uszkodzeń mechanicznych.
Instrumenty i elementy sterujące. Ważne zmienne do monitorowania obejmują ciśnienie wlotowe i wylotowe, szybkość przepływu, prędkość obrotową i moc wyjściową.
Jazda z nadmierną prędkością. Urządzenie odcina przepływ do turbiny, powodując zwolnienie wirnika turbiny, chroniąc w ten sposób sprzęt przed nadmiernymi prędkościami z powodu nieoczekiwanych warunków procesu, które mogą uszkodzić sprzęt.
Zawór bezpieczeństwa ciśnienia (PSV). PSV są często instalowane po turboExpander w celu ochrony rurociągów i sprzętu niskiego ciśnienia. PSV musi być zaprojektowane tak, aby wytrzymać najcięższe nieprzewidziane nieprzewidziane zdarzenia, które zwykle obejmują awarię otwartego zaworu obejściowego. Jeśli ekspander zostanie dodany do istniejącej stacji redukcji ciśnienia, zespół projektowania musi ustalić, czy istniejący PSV zapewnia odpowiednią ochronę.
Podgrzewacz. Grzeźby kompensują spadek temperatury spowodowany przez gaz przechodzący przez turbinę, więc gaz musi być podgrzewany. Jego główną funkcją jest zwiększenie temperatury rosnącego przepływu gazu w celu utrzymania temperatury gazu, pozostawiając ekspander powyżej minimalnej wartości. Kolejną zaletą podnoszenia temperatury jest zwiększenie mocy wyjściowej, a także zapobieganie korozji, kondensacji lub hydratów, które mogą niekorzystnie wpłynąć na dyszę sprzętu. W systemach zawierających wymienniki ciepła (jak pokazano na rycinie 3), temperatura gazu jest zwykle kontrolowana przez regulację przepływu podgrzewanego cieczy do podgrzewacza. W niektórych projektach zamiast wymiennika ciepła można użyć grzejnika płomienia lub grzejnika elektrycznego. Grzejniki mogą już istnieć na istniejącej stacji zaworów JT, a dodanie ekspandera może nie wymagać instalacji dodatkowych grzejników, ale raczej zwiększenia przepływu podgrzewanego płynu.
Systemy smarowania oleju i uszczelnienia. Jak wspomniano powyżej, ekspandery mogą stosować różne projekty uszczelnień, które mogą wymagać smarów i gazów uszczelniających. W stosownych przypadkach olej smarowy musi utrzymywać wysoką jakość i czystość w kontakcie z gazami procesowymi, a poziom lepkości oleju musi pozostać w wymaganym zakresie łożysk smarowanych. Uszczelnione systemy gazowe są zwykle wyposażone w urządzenie do smarowania oleju, aby zapobiec wejściu oleju z łożyska. Do specjalnych zastosowań kompanderów stosowanych w przemyśle węglowodorowym systemy gazowe oleju i uszczelnienia LUBE są zwykle zaprojektowane do specyfikacji API 617 [5] Część 4.
Zmienny napęd częstotliwości (VFD). Gdy generator jest indukcją, VFD jest zwykle włączane, aby dostosować sygnał prądu przemiennego (AC) w celu dopasowania częstotliwości użyteczności. Zazwyczaj projekty oparte na napędach o zmiennej częstotliwości mają wyższą ogólną wydajność niż projekty wykorzystujące skrzynie biegów lub inne komponenty mechaniczne. Systemy oparte na VFD mogą również pomieścić szerszy zakres zmian procesowych, które mogą spowodować zmiany prędkości wału Expander.
Przenoszenie. Niektóre projekty Expander używają skrzyni biegów, aby zmniejszyć prędkość ekspandera do prędkości znamionowej generatora. Koszt korzystania z skrzyni biegów jest niższa ogólna wydajność, a zatem niższa moc wyjściowa.
Podczas przygotowywania wniosku o cytat (RFQ) dla ekspandera inżynier procesu musi najpierw określić warunki pracy, w tym następujące informacje:
Inżynierowie mechanicy często wypełniają specyfikacje i specyfikacje generatora Expander przy użyciu danych z innych dyscyplin inżynierskich. Te dane wejściowe mogą obejmować następujące:
Specyfikacje muszą również zawierać listę dokumentów i rysunków dostarczonych przez producenta w ramach procesu przetargowego oraz zakres dostaw, a także odpowiednich procedur testowych wymaganych przez projekt.
Informacje techniczne dostarczone przez producenta w ramach procesu przetargowego powinny zasadniczo zawierać następujące elementy:
Jeśli jakikolwiek aspekt propozycji różni się od pierwotnych specyfikacji, producent musi również podać listę odchyleń i przyczyny odchyleń.
Po otrzymaniu propozycji zespół programistów musi przejrzeć wniosek o zgodność i ustalić, czy wariancje są technicznie uzasadnione.
Inne rozważania techniczne, które należy wziąć pod uwagę przy ocenie propozycji, obejmują:
Wreszcie należy przeprowadzić analizę ekonomiczną. Ponieważ różne opcje mogą powodować różne początkowe koszty, zaleca się przeprowadzenie przepływów pieniężnych lub analizy kosztów cyklu życia w celu porównania długoterminowej ekonomii i zwrotu z inwestycji projektu. Na przykład wyższa inwestycja początkowa może być zrównoważona w perspektywie długoterminowej przez zwiększoną wydajność lub zmniejszone wymagania dotyczące utrzymania. Instrukcje dotyczące tego rodzaju analizy znajduje się „Odniesienia”. 4.
Wszystkie aplikacje TurboExpander-Generator wymagają początkowej całkowitych obliczeń mocy potencjalnej w celu ustalenia całkowitej ilości dostępnej energii, którą można odzyskać w określonym zastosowaniu. W przypadku generatora turboExpander potencjał mocy oblicza się jako proces isentropowy (stały entropia). Jest to idealna sytuacja termodynamiczna do rozważenia odwracalnego procesu adiabatycznego bez tarcia, ale jest to prawidłowy proces oszacowania rzeczywistego potencjału energii.
Isentropowa energia potencjalna (IPP) jest obliczana przez pomnożenie specyficznej różnicy entalpii na wlocie i wylotu turboExpander i pomnożenie wyniku przez natężenie przepływu. Ta energia potencjalna zostanie wyrażona jako ilość izentropowa (równanie (1)):
IPP = (Hinlet - H (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
gdzie H (I, E) jest specyficzną entalpią, biorąc pod uwagę temperaturę wylotową isentropową, a ṁ to masowy natężenie przepływu.
Chociaż isentropowa energia potencjalna może być wykorzystana do oszacowania energii potencjalnej, wszystkie rzeczywiste systemy obejmują tarcie, ciepło i inne dodatkowe straty energii. Zatem przy obliczaniu rzeczywistego potencjału mocy należy wziąć pod uwagę następujące dodatkowe dane wejściowe:
W większości zastosowań TurboExpander temperatura jest ograniczona do minimum, aby zapobiec niepożądanym problemom, takim jak wspomniana wcześniej zamarzanie rur. Tam, gdzie płynie gaz ziemny, hydraty prawie zawsze są obecne, co oznacza, że rurociąg poniżej zaworu turboExpander lub przepustnicy zamarznie wewnętrznie i zewnętrznie, jeśli temperatura wylotu spadnie poniżej 0 ° C. Tworzenie lodu może powodować ograniczenie przepływu i ostatecznie wyłączyć system, aby się defrost. Zatem „pożądana” temperatura wylotu służy do obliczenia bardziej realistycznego potencjalnego scenariusza energii. Jednak w przypadku gazów takich jak wodór granica temperatury jest znacznie niższa, ponieważ wodór nie zmienia się z gazu na ciecz, dopóki nie osiągnie temperatury kriogenicznej (-253 ° C). Użyj tej pożądanej temperatury wylotowej, aby obliczyć określoną entalpię.
Należy również wziąć pod uwagę wydajność systemu turboExpander. W zależności od zastosowanej technologii wydajność systemu może się znacznie różnić. Na przykład turboExpander, który wykorzystuje bieg redukcyjny do przenoszenia energii obrotowej z turbiny do generatora, doświadczy większych strat tarcia niż system wykorzystujący bezpośredni napęd z turbiny do generatora. Ogólna wydajność systemu turboExpander wyraża się jako procent i jest brana pod uwagę przy ocenie rzeczywistego potencjału mocy turboExpander. Rzeczywisty potencjał mocy (PP) jest obliczany w następujący sposób:
Pp = (Hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Spójrzmy na zastosowanie pomocy ciśnienia gazu ziemnego. ABC prowadzi i utrzymuje stację redukcji ciśnienia, która transportuje gaz ziemny z głównego rurociągu i rozpowszechnia go do lokalnych gmin. Na tej stacji ciśnienie wlotowe gazu wynosi 40 barów, a ciśnienie wylotowe wynosi 8 barów. Podgrzewana temperatura gazu na wlocie 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 użyjemy 5 ° C jako minimalnej temperatury wylotowej, aby zwiększyć współczynnik bezpieczeństwa. Znormalizowane objętościowe natężenie przepływu gazu wynosi 50 000 nm3/h. Aby obliczyć potencjał mocy, założymy, że cały gaz przepływa przez Expander Turbo i oblicza maksymalną moc wyjściową. Oszacuj całkowity potencjał mocy wyjściowej za pomocą następujących obliczeń:
Czas po: 25-2024