Екстандери могу користити смањење притиска за покретање ротационих машина. Информације о томе како проценити потенцијалне користи од инсталирања екстендера можете пронаћи овде.
Типично у хемијској процесној индустрији (ХПИ), „велика количина енергије се губи у вентилима за регулацију притиска где флуиди под високим притиском морају бити растерећени“ [1]. У зависности од различитих техничких и економских фактора, може бити пожељно претворити ову енергију у ротирајућу механичку енергију, која се може користити за погон генератора или других ротирајућих машина. За нестишљиве флуиде (течности), ово се постиже коришћењем хидрауличне турбине за рекуперацију енергије (ХРТ; видети референцу 1). За стишљиве течности (гасове), експандер је одговарајућа машина.
Експандери су зрела технологија са многим успешним применама као што су флуидно каталитичко крековање (FCC), хлађење, градски вентили за природни гас, сепарација ваздуха или емисије издувних гасова. У принципу, било који ток гаса са смањеним притиском може се користити за погон експандера, али „излаз енергије је директно пропорционалан односу притиска, температури и брзини протока тока гаса“ [2], као и техничкој и економској изводљивости. Имплементација експандера: Процес зависи од ових и других фактора, као што су локалне цене енергије и доступност произвођача одговарајуће опреме.
Иако је турбоекспандер (који функционише слично турбини) најпознатији тип експандера (слика 1), постоје и други типови погодни за различите процесне услове. Овај чланак представља главне типове експандера и њихове компоненте и сумира како менаџери операција, консултанти или енергетски ревизори у различитим одељењима CPI могу да процене потенцијалне економске и еколошке користи од инсталирања експандера.
Постоји много различитих врста трака отпора које се значајно разликују по геометрији и функцији. Главне врсте су приказане на слици 2, а свака врста је укратко описана у наставку. За више информација, као и графиконе који упоређују радно стање сваке врсте на основу специфичних пречника и специфичних брзина, погледајте Помоћ. 3.
Клипни турбоекспандер. Клипни и ротациони клипни турбоекспандери раде као мотор са унутрашњим сагоревањем са обрнутом ротацијом, апсорбујући гас под високим притиском и претварајући његову ускладиштену енергију у ротациону енергију кроз радилицу.
Превуците турбо експандер. Експандер кочионе турбине састоји се од концентричне коморе за проток са ребрима канте причвршћеним на периферији ротирајућег елемента. Дизајнирани су на исти начин као и водени точкови, али се попречни пресек концентричних комора повећава од улаза до излаза, омогућавајући гасу да се шири.
Радијални турбоекспандер. Турбоекспандери са радијалним протоком имају аксијални улаз и радијални излаз, што омогућава гасу да се радијално шири кроз импелер турбине. Слично томе, турбине са аксијалним протоком шире гас кроз турбинско коло, али смер протока остаје паралелан са осом ротације.
Овај чланак се фокусира на радијалне и аксијалне турбоекспандере, разматрајући њихове различите подтипове, компоненте и економију.
Турбоекспандер извлачи енергију из струје гаса високог притиска и претвара је у погонско оптерећење. Типично, оптерећење је компресор или генератор повезан са вратилом. Турбоекспандер са компресором компримује флуид у другим деловима процесног тока којима је потребан компримовани флуид, чиме се повећава укупна ефикасност постројења коришћењем енергије која се иначе губи. Турбоекспандер са генераторским оптерећењем претвара енергију у електричну енергију, која се може користити у другим процесима у постројењу или вратити у локалну мрежу за продају.
Турбоекспандер генератори могу бити опремљени или директним погонским вратилом од турбинског точка до генератора, или преко мењача који ефикасно смањује улазну брзину од турбинског точка до генератора путем преносног односа. Турбоекспандери са директним погоном нуде предности у ефикасности, заузимању простора и трошковима одржавања. Турбоекспандери са мењачем су тежи и захтевају већи простор, помоћну опрему за подмазивање и редовно одржавање.
Проточни турбоекспандери могу бити направљени у облику радијалних или аксијалних турбина. Радијални експандери протока садрже аксијални улаз и радијални излаз тако да проток гаса излази из турбине радијално од осе ротације. Аксијалне турбине омогућавају да гас тече аксијално дуж осе ротације. Аксијалне турбине извлаче енергију из протока гаса кроз улазне вођице до експандерског точка, при чему се површина попречног пресека експанзионе коморе постепено повећава како би се одржала константна брзина.
Турбоекспандерски генератор се састоји од три главне компоненте: турбинског точка, специјалних лежајева и генератора.
Турбинско коло. Турбинска кола су често пројектована посебно да оптимизују аеродинамичку ефикасност. Променљиве примене које утичу на дизајн турбинских кола укључују улазни/излазни притисак, улазну/излазну температуру, запремински проток и својства флуида. Када је степен компресије превисок да би се смањио у једној фази, потребан је турбоекспандер са више турбинских кола. И радијална и аксијална турбинска кола могу бити пројектована као вишестепена, али аксијална турбинска кола имају много краћу аксијалну дужину и стога су компактнија. Вишестепеним радијалним турбинама је потребан ток гаса од аксијалног до радијалног и назад до аксијалног, што ствара веће губитке трења него код аксијалних турбина.
лежајеви. Дизајн лежајева је кључан за ефикасан рад турбоекспандера. Врсте лежајева повезане са дизајном турбоекспандера се веома разликују и могу укључивати уљне лежајеве, лежајеве са течним филмом, традиционалне кугличне лежајеве и магнетне лежајеве. Свака метода има своје предности и мане, као што је приказано у Табели 1.
Многи произвођачи турбоекспандера бирају магнетне лежајеве као своје „лежаје по избору“ због њихових јединствених предности. Магнетни лежајеви обезбеђују рад динамичких компоненти турбоекспандера без трења, значајно смањујући трошкове рада и одржавања током животног века машине. Такође су дизајнирани да издрже широк опсег аксијалних и радијалних оптерећења и услова преоптерећења. Њихови виши почетни трошкови надокнађују се знатно нижим трошковима током животног циклуса.
динамо. Генератор узима ротациону енергију турбине и претвара је у корисну електричну енергију помоћу електромагнетног генератора (који може бити индукциони генератор или генератор са перманентним магнетом). Индукциони генератори имају нижу номиналну брзину, тако да примене турбина велике брзине захтевају мењач, али могу бити пројектоване тако да се прилагоде фреквенцији мреже, елиминишући потребу за погоном са променљивом фреквенцијом (VFD) за напајање произведене електричне енергије. Генератори са перманентним магнетима, с друге стране, могу бити директно спојени на вратило са турбином и преносити снагу у мрежу путем погона са променљивом фреквенцијом. Генератор је пројектован да испоручи максималну снагу на основу снаге вратила доступне у систему.
Заптивке. Заптивка је такође критична компонента при пројектовању система турбоекспандера. Да би се одржала висока ефикасност и испунили еколошки стандарди, системи морају бити заптивени како би се спречила потенцијална цурења процесног гаса. Турбоекспандери могу бити опремљени динамичким или статичким заптивкама. Динамичке заптивке, као што су лабиринтне заптивке и заптивке са сувим гасом, обезбеђују заптивање око ротирајућег вратила, обично између турбинског точка, лежајева и остатка машине где се налази генератор. Динамичке заптивке се временом троше и захтевају редовно одржавање и инспекцију како би се осигурало да исправно функционишу. Када су све компоненте турбоекспандера смештене у једном кућишту, статичке заптивке се могу користити за заштиту свих водова који излазе из кућишта, укључујући и генератор, погоне магнетних лежајева или сензоре. Ове херметички затворене заптивке пружају трајну заштиту од цурења гаса и не захтевају одржавање или поправку.
Са становишта процеса, примарни захтев за инсталирање експандера јесте довод гасова под високим притиском који се могу компресовати (некондензовати) у систем ниског притиска са довољним протоком, падом притиска и искоришћењем за одржавање нормалног рада опреме. Радни параметри се одржавају на безбедном и ефикасном нивоу.
Што се тиче функције смањења притиска, експандер се може користити као замена за Џул-Томсонов (JT) вентил, познат и као вентил за гас. Пошто се JT вентил креће дуж изоентропске путање, а експандер се креће дуж скоро изоентропске путање, овај други смањује енталпију гаса и претвара разлику енталпије у снагу на вратилу, чиме се производи нижа излазна температура него код JT вентила. Ово је корисно у криогеним процесима где је циљ смањење температуре гаса.
Ако постоји доња граница температуре излазног гаса (на пример, у декомпресионој станици где температура гаса мора да се одржава изнад температуре смрзавања, хидратације или минималне пројектоване температуре материјала), мора се додати најмање један грејач. контролишите температуру гаса. Када се предгревач налази узводно од експандера, део енергије из доводног гаса се такође рекуперује у експандеру, чиме се повећава његова излазна снага. У неким конфигурацијама где је потребна контрола излазне температуре, други прегревач може се инсталирати после експандера ради брже контроле.
На слици 3 је приказан поједностављени дијаграм општег дијаграма тока експандер генератора са предгрејачем који се користи за замену JT вентила.
У другим конфигурацијама процеса, енергија рекуперисана у експандеру може се директно пренети на компресор. Ове машине, понекад назване „командери“, обично имају фазе експанзије и компресије повезане једним или више вратила, која могу укључивати и мењач за регулисање разлике брзине између две фазе. Такође може укључивати додатни мотор за обезбеђивање веће снаге фази компресије.
У наставку су наведене неке од најважнијих компоненти које обезбеђују правилан рад и стабилност система.
Бајпас вентил или вентил за смањење притиска. Бајпас вентил омогућава наставак рада када турбоекспандер не ради (на пример, због одржавања или у ванредним ситуацијама), док се вентил за смањење притиска користи за континуирани рад како би се доводио вишак гаса када укупни проток прелази пројектовани капацитет експандера.
Вентил за хитно искључивање (ESD). ESD вентили се користе за блокирање протока гаса у експандер у хитним случајевима како би се избегла механичка оштећења.
Инструменти и контроле. Важне променљиве које треба пратити укључују улазни и излазни притисак, проток, брзину ротације и излазну снагу.
Вожња прекомерном брзином. Уређај прекида проток до турбине, што узрокује успоравање ротора турбине, чиме штити опрему од прекомерних брзина услед неочекиваних процесних услова који би могли оштетити опрему.
Сигурносни вентил за притисак (PSV). PSV се често инсталирају након турбоекспандера како би се заштитили цевоводи и опрема ниског притиска. PSV мора бити пројектован да издржи најтеже непредвиђене ситуације, које обично укључују отказивање отварања бајпас вентила. Ако се експандер дода постојећој станици за смањење притиска, тим за пројектовање процеса мора утврдити да ли постојећи PSV пружа адекватну заштиту.
Грејач. Грејачи компензују пад температуре изазван проласком гаса кроз турбину, тако да гас мора бити претходно загрејан. Његова главна функција је повећање температуре узлазног тока гаса како би се температура гаса који излази из експандера одржала изнад минималне вредности. Још једна предност повећања температуре је повећање излазне снаге, као и спречавање корозије, кондензације или хидрата који би могли негативно утицати на млазнице опреме. У системима који садрже измењиваче топлоте (као што је приказано на слици 3), температура гаса се обично контролише регулисањем протока загрејане течности у предгрејач. У неким изведбама, уместо измењивача топлоте може се користити грејач пламена или електрични грејач. Грејачи могу већ постојати у постојећој JT вентилској станици, а додавање експандера можда неће захтевати инсталирање додатних грејача, већ повећање протока загрејане течности.
Системи за подмазивање уљем и заптивним гасовима. Као што је горе поменуто, експандери могу користити различите дизајне заптивача, што може захтевати мазива и заптивне гасове. Где је то применљиво, уље за подмазивање мора одржавати висок квалитет и чистоћу када је у контакту са процесним гасовима, а ниво вискозности уља мора остати унутар потребног радног опсега подмазаних лежајева. Запечаћени гасни системи су обично опремљени уређајем за подмазивање уљем како би се спречило да уље из кућишта лежаја уђе у експанзиону кутију. За посебне примене компандера који се користе у индустрији угљоводоника, системи за подмазивање уљем и заптивним гасовима су обично пројектовани према спецификацијама API 617 [5] Део 4.
Погон са променљивом фреквенцијом (VFD). Када је генератор индукциони, VFD се обично укључује да би се сигнал наизменичне струје (AC) ускладио са фреквенцијом електричне мреже. Типично, дизајни засновани на погонима са променљивом фреквенцијом имају већу укупну ефикасност од дизајна који користе мењаче или друге механичке компоненте. Системи засновани на VFD-у такође могу да приме шири опсег промена процеса које могу довести до промена брзине вратила експандера.
Пренос. Неки дизајни експандера користе мењач да би смањили брзину експандера на номиналну брзину генератора. Цена коришћења мењача је нижа укупна ефикасност и самим тим нижа излазна снага.
Приликом припреме захтева за понуду (RFQ) за експандер, процесни инжењер мора прво да утврди услове рада, укључујући следеће информације:
Машински инжењери често комплетирају спецификације генератора експандера и спецификације користећи податке из других инжењерских дисциплина. Ови улази могу укључивати следеће:
Спецификације такође морају да садрже списак докумената и цртежа које је произвођач доставио као део поступка тендера и обим испоруке, као и применљиве процедуре испитивања како је захтевано пројектом.
Техничке информације које произвођач пружа као део поступка тендера генерално треба да садрже следеће елементе:
Ако се било који аспект предлога разликује од оригиналних спецификација, произвођач такође мора дати списак одступања и разлоге за одступања.
Када се прими предлог, тим за развој пројекта мора прегледати захтев за усклађеност и утврдити да ли су одступања технички оправдана.
Остала техничка разматрања која треба узети у обзир приликом процене предлога укључују:
Коначно, потребно је спровести економску анализу. Пошто различите опције могу резултирати различитим почетним трошковима, препоручује се да се изврши анализа новчаног тока или трошкова животног циклуса како би се упоредила дугорочна економичност пројекта и повраћај инвестиције. На пример, већа почетна инвестиција може бити надокнађена на дужи рок повећаном продуктивношћу или смањеним захтевима за одржавање. Видите „Референце“ за упутства о овој врсти анализе. 4.
Све примене турбоекспандер генератора захтевају почетни прорачун укупне потенцијалне снаге како би се одредила укупна количина расположиве енергије која се може регенерисати у одређеној примени. За турбоекспандер генератор, потенцијал снаге се израчунава као изоентропски (константна ентропија) процес. Ово је идеална термодинамичка ситуација за разматрање реверзибилног адијабатског процеса без трења, али је и исправан процес за процену стварног енергетског потенцијала.
Изентропска потенцијална енергија (ИПП) се израчунава множењем специфичне разлике енталпије на улазу и излазу турбоекспандера и множењем резултата са масеним протоком. Ова потенцијална енергија ће бити изражена као изентропска величина (Једначина (1)):
ИПП = ( хинлет – х(и,е)) × м к ŋ (1)
где је h(i,e) специфична енталпија узимајући у обзир изоентропску температуру на излазу, а ṁ масени проток.
Иако се изентропска потенцијална енергија може користити за процену потенцијалне енергије, сви реални системи укључују губитке трења, топлоте и других помоћних енергија. Стога, приликом израчунавања стварног потенцијала снаге, треба узети у обзир следеће додатне улазне податке:
У већини примена турбоекспандера, температура је ограничена на минимум како би се спречили нежељени проблеми попут замрзавања цеви поменутог раније. Тамо где тече природни гас, хидрати су скоро увек присутни, што значи да ће се цевовод низводно од турбоекспандера или вентила за гас замрзнути изнутра и споља ако излазна температура падне испод 0°C. Формирање леда може довести до ограничења протока и на крају до искључивања система ради одмрзавања. Стога се „жељена“ излазна температура користи за израчунавање реалнијег сценарија потенцијалне снаге. Међутим, за гасове као што је водоник, ограничење температуре је много ниже јер водоник не прелази из гасовитог у течно стање док не достигне криогену температуру (-253°C). Користите ову жељену излазну температуру за израчунавање специфичне енталпије.
Такође се мора узети у обзир ефикасност система турбоекспандера. У зависности од коришћене технологије, ефикасност система може значајно да варира. На пример, турбоекспандер који користи редуктор за пренос ротационе енергије са турбине на генератор искусићће веће губитке трења него систем који користи директан погон са турбине на генератор. Укупна ефикасност система турбоекспандера изражава се у процентима и узима се у обзир при процени стварног потенцијала снаге турбоекспандера. Стварни потенцијал снаге (ПП) се израчунава на следећи начин:
ПП = (инлет – хекит) × м к н (2)
Погледајмо примену растерећења притиска природног гаса. АБЦ управља и одржава станицу за смањење притиска која транспортује природни гас из главног цевовода и дистрибуира га локалним самоуправама. На овој станици, улазни притисак гаса је 40 бара, а излазни притисак је 8 бара. Температура претходно загрејаног улазног гаса је 35°C, што претходно загрева гас како би се спречило замрзавање цевовода. Стога, температура излазног гаса мора бити контролисана тако да не падне испод 0°C. У овом примеру користићемо 5°C као минималну излазну температуру да бисмо повећали фактор сигурности. Нормализовани запремински проток гаса је 50.000 Nm3/h. Да бисмо израчунали потенцијал снаге, претпоставићемо да сав гас протиче кроз турбо експандер и израчунаћемо максималну излазну снагу. Процените укупни потенцијал излазне снаге користећи следећи прорачун:
Време објаве: 25. мај 2024.