Razširji lahko uporabijo znižanje tlaka za pogon vrtečih se strojev. Informacije o tem, kako oceniti morebitne prednosti namestitve razširitve, najdete tukaj.
Običajno v industriji kemijskih procesov (CPI) "veliko energije zapravi v tlačnih krmilnih ventilih, kjer je treba visoko tlačne tekočine pritisniti" [1]. Glede na različne tehnične in ekonomske dejavnike je morda zaželeno pretvoriti to energijo v vrtečo se mehansko energijo, ki jo lahko uporabimo za pogon generatorjev ali drugih vrtljivih strojev. Za nestisljive tekočine (tekočine) se to doseže z uporabo hidravlične turbine za obnovo energije (HPRT; glej referenco 1). Za stisljive tekočine (plini) je ekspander primeren stroj.
Razširitve so zrela tehnologija s številnimi uspešnimi aplikacijami, kot so tekoče katalitično razpokanje (FCC), hladilnik, mestni ventili zemeljskega plina, ločevanje zraka ali izpušne emisije. Načeloma se lahko vsak tok plina z znižanim tlakom uporabi za poganjanje ekspanderja, vendar je "proizvodnja energije neposredno sorazmerna s tlačnim razmerjem, temperaturo in hitrostjo pretoka toka plina" [2], pa tudi tehnična in ekonomska izvedljivost. Izvedba ekspanderja: Postopek je odvisen od teh in drugih dejavnikov, kot so lokalne cene energije in proizvajalčeva razpoložljivost ustrezne opreme.
Čeprav je turboexpander (ki deluje podobno kot turbina) najbolj znana vrsta ekspanderja (slika 1), obstajajo tudi druge vrste, primerne za različne pogoje procesa. Ta članek uvaja glavne vrste razširitve in njihovih komponent ter povzema, kako lahko upravljavci operacij, svetovalci ali energetski revizorji v različnih oddelkih CPI ocenijo potencialne gospodarske in okoljske koristi namestitve ekspanderja.
Obstaja veliko različnih vrst odpornih pasov, ki se močno razlikujejo po geometriji in funkciji. Glavne vrste so prikazane na sliki 2, vsaka vrsta pa je na kratko opisana spodaj. Če želite več informacij, pa tudi grafi, ki primerjajo stanje obratovanja vsake vrste na podlagi posebnih premerov in posebnih hitrosti, glejte pomoč. 3.
Bat turboexpander. Turboexpanderji bata in rotacijskega bata delujejo kot motor z vzvratnim vrtenjem notranjega zgorevanja, absorbirajo visokotlačni plin in svojo shranjeno energijo pretvorijo v rotacijsko energijo prek ročične gredi.
Povlecite turbo ekspander. Expander zavorne turbine je sestavljen iz koncentrične pretočne komore z vedri, pritrjenimi na obod vrtljivega elementa. Zasnovani so na enak način kot vodna kolesa, vendar se presek koncentričnih komorov poveča iz vstopa v odtok, kar omogoča, da se plin širi.
Radialni turboexpander. Radialni pretok turboekpandri imajo osni dovod in radialni odtok, kar omogoča, da se plin radialno razširi skozi turbinski rotor. Podobno se aksialni pretočni turbine širijo plin skozi turbinsko kolo, vendar smer pretoka ostane vzporedna z osi vrtenja.
Ta članek se osredotoča na radialne in aksialne turboekpandre, ki razpravljajo o njihovih različnih podtipih, komponentah in ekonomiji.
Turboexpander izvleče energijo iz visokotlačnega toka plina in jo pretvori v pogonsko obremenitev. Običajno je obremenitev kompresor ali generator, priključen na gred. Turboexpander s kompresorjem stisne tekočino v drugih delih procesnega toka, ki zahteva stisnjeno tekočino in s tem poveča celotno učinkovitost rastline z uporabo energije, ki je sicer zapravljena. Turboexpander z obremenitvijo generatorja pretvori energijo v električno energijo, ki jo lahko uporabimo v drugih rastlinskih procesih ali ga vrnemo v lokalno omrežje za prodajo.
Generatorji turboexpander so lahko opremljeni z neposredno pogonsko gredjo od turbinskega kolesa do generatorja, bodisi prek menjalnika, ki učinkovito zmanjša vhodno hitrost od turbinskega kolesa do generatorja skozi prestavno razmerje. Neposredni pogon Turboexpands ponuja prednosti stroškov učinkovitosti, odtisa in vzdrževanja. Menjalniki turboekpanderji so težji in zahtevajo večji odtis, mazalno pomožno opremo in redno vzdrževanje.
Pretočni turboekpandri se lahko naredijo v obliki radialnih ali osnih turbin. Razširitve radialnega pretoka vsebujejo osni dovod in radialni odtok, tako da pretok plina izstopi iz turbine radialno z osi vrtenja. Aksialne turbine omogočajo, da plin teče osno vzdolž osi vrtenja. Turbine osne pretoka izvlečejo energijo iz pretoka plina skozi dovodne vodnike do ekspanderskega kolesa, pri čemer se površina prereza ekspanzijske komore postopoma povečuje, da ohrani konstantno hitrost.
Generator turboekpanderja je sestavljen iz treh glavnih komponent: turbinsko kolo, posebni ležaji in generator.
Turbinsko kolo. Turbinska kolesa so pogosto zasnovana posebej za optimizacijo aerodinamične učinkovitosti. Spremenljivke uporabe, ki vplivajo na oblikovanje turbinskih koles, vključujejo tlak vhoda/odtoka, temperaturo dovoda/iztoka, volumski pretok in lastnosti tekočine. Kadar je kompresijsko razmerje previsoko, da bi ga lahko v eni stopnji zmanjšali, je potreben turboexpander z več turbinskimi kolesi. Tako radialna kot aksialna turbinska kolesa so lahko zasnovana kot večstopenjska, vendar imajo aksialna turbinska kolesa veliko krajšo osno dolžino in so zato bolj kompaktna. Večstopenjske radialne turbine potrebujejo plin, da pretok iz osne v radialno in nazaj v osne, kar ustvarja večje izgube trenja kot turbine osne pretoka.
ležaji. Oblikovanje ležaja je ključnega pomena za učinkovito delovanje turboekpand. Vrste ležajev, povezane z modeli turboekpanderja, se zelo razlikujejo in lahko vključujejo oljne ležaje, tekoče ležaje, tradicionalne kroglične ležaje in magnetne ležaje. Vsaka metoda ima svoje prednosti in slabosti, kot je prikazano v tabeli 1.
Številni proizvajalci turboekpanderja izberejo magnetne ležaje kot "izbiro" zaradi svojih edinstvenih prednosti. Magnetni ležaji zagotavljajo delovanje dinamičnih komponent Turboexpander brez trenja, kar znatno zmanjšuje stroške obratovanja in vzdrževanja v celotni življenjski dobi stroja. Zasnovani so tudi tako, da prenesejo široko paleto osnih in radialnih obremenitev in pretiranih pogojev. Njihovi višji začetni stroški izravnajo veliko nižje stroške življenjskega cikla.
dinamo. Generator prevzame rotacijsko energijo turbine in jo pretvori v uporabno električno energijo z uporabo elektromagnetnega generatorja (ki je lahko indukcijski generator ali trajni generator magneta). Indukcijski generatorji imajo nižjo nazivno hitrost, zato aplikacije za turbine z visoko hitrostjo zahtevajo menjalnik, vendar so lahko zasnovane tako, da ustrezajo frekvenci omrežja, kar odpravi potrebo po spremenljivem frekvenčnem pogonu (VFD) za oskrbo z ustvarjeno elektriko. Trajni generatorji magnetov so lahko na drugi strani neposredno gred, povezano s turbino in prenašajo moč v omrežje skozi spremenljivo frekvenčno pogon. Generator je zasnovan tako, da zagotavlja največjo moč glede na moč gredi, ki je na voljo v sistemu.
Tesnila. Tesnilo je tudi kritična sestavina pri načrtovanju sistema turboekpanderja. Za ohranitev visoke učinkovitosti in izpolnjevanje okoljskih standardov je treba sisteme zapečatiti, da se prepreči morebitna uhajanje procesnega plina. Turboexpanders so lahko opremljeni z dinamičnimi ali statičnimi tesnili. Dinamična tesnila, kot so labirint tesnila in suha plinska tesnila, zagotavljajo tesnilo okoli vrteče se gred, običajno med turbinskim kolesom, ležaji in ostalimi strojem, kjer se nahaja generator. Dinamična tesnila se sčasoma obrabijo in potrebujejo redno vzdrževanje in pregled, da zagotovijo pravilno delovanje. Kadar so vse komponente turboekpanderja vsebovane v enem samem ohišju, lahko statična tesnila uporabimo za zaščito morebitnih potencialnih strank, ki izstopajo iz ohišja, vključno z generatorjem, magnetnimi ležaji ali senzorji. Ta nepredušna tesnila zagotavljajo trajno zaščito pred puščanjem plina in ne potrebujejo vzdrževanja ali popravila.
S stališča procesa je glavna zahteva za namestitev ekspanderja dovajanje stisljivega (neobvezljivega) plina visokotlačnega sistema z nizkim tlakom z zadostnim pretokom, padcem tlaka in uporabi za ohranjanje normalnega delovanja opreme. Operacijski parametri se vzdržujejo na varni in učinkoviti ravni.
Glede na funkcijo zmanjšanja tlaka lahko ekspander uporabimo za nadomeščanje ventila Joule-Thomson (JT), znan tudi kot ventil za plin. Ker se ventil JT premika po izentropski poti in se ekspander premika po skoraj neentropski poti, slednji zmanjša entalpijo plina in pretvori razliko v entalpijo v moč gredi in tako ustvari nižjo temperaturo kot ventil JT. To je koristno v kriogenih procesih, kjer je cilj znižati temperaturo plina.
Če je na dekompresijski postaji, kjer je treba temperaturo plina nad zamrzovanjem, hidracijo ali minimalno temperaturo oblikovanja materiala), je treba dodati vsaj en grelec (na primer v dekompresijski postaji. Nadzirajte temperaturo plina. Ko je predgrevalnik nameščen navzgor od ekspanderja, se v ekspanderju povrne tudi nekaj energije iz dovodnega plina in s tem poveča izhodno moč. V nekaterih konfiguracijah, kjer je potreben nadzor temperature izhoda, lahko po ekspanderju namestimo drugo ponovno ogrevanje, da se zagotovi hitrejši nadzor.
Na sliki na sliki 3 prikazuje poenostavljen diagram splošnega diagrama pretoka generatorja ekspanderja s predgrevalnikom, ki se uporablja za zamenjavo ventila JT.
V drugih konfiguracijah procesa se lahko energija, obnovljena v ekspanderju, prenese neposredno v kompresor. Ti stroji, ki jih včasih imenujemo "poveljniki", imajo ponavadi stopnje razširitve in stiskanja, povezane z eno ali več gredi, kar lahko vključuje tudi menjalnik za uravnavanje razlike v hitrosti med obema stopnjama. Vključuje lahko tudi dodaten motor, ki zagotavlja večjo moč stiskalni fazi.
Spodaj je nekaj najpomembnejših komponent, ki zagotavljajo pravilno delovanje in stabilnost sistema.
Obvodni ventil ali znižanje ventila. Obvodni ventil omogoča, da se delovanje nadaljuje, ko turboexpander ne deluje (na primer za vzdrževanje ali nujne primere), medtem ko se ventil za zmanjšanje tlaka uporablja za neprekinjeno delovanje za oskrbo s presežkom plina, kadar skupni pretok presega oblikovno zmogljivost Expand.
Vzponuk za izklop zasilne zaustavitve (ESD). ESD ventili se uporabljajo za blokiranje pretoka plina v ekspander v nujnih primerih, da se izognejo mehanskim poškodbam.
Instrumenti in kontrole. Pomembne spremenljivke, ki jih je treba spremljati, vključujejo vhodni in odtočni tlak, hitrost pretoka, hitrost vrtenja in izhodno moč.
Vožnja s prekomerno hitrostjo. Naprava odreže pretok na turbino, zaradi česar se rotor turbine upočasni in tako zaščiti opremo pred prekomernimi hitrostmi zaradi nepričakovanih pogojev procesa, ki bi lahko poškodovali opremo.
Varnostni ventil tlaka (PSV). PSV -ji so pogosto nameščeni po turboexpanderju za zaščito cevovodov in opreme z nizkim tlakom. PSV mora biti zasnovan tako, da bo zdržal najtežje nepredvidljive razmere, ki običajno vključujejo odpiranje okvare obvodne ventila. Če se ekspander doda na obstoječo postajo za zmanjšanje tlaka, mora skupina za oblikovanje procesov določiti, ali obstoječi PSV zagotavlja ustrezno zaščito.
Grelec. Grelniki kompenzirajo padec temperature, ki ga povzroča plin, ki prehaja skozi turbino, zato je treba plin predgreti. Njegova glavna funkcija je zvišanje temperature naraščajočega pretoka plina, da se ohrani temperatura plina, ki pušča ekspander nad minimalno vrednostjo. Druga prednost dviga temperature je povečanje izhoda moči in preprečevanje korozije, kondenzacije ali hidratov, ki bi lahko negativno vplivali na šobe opreme. V sistemih, ki vsebujejo toplotne izmenjevalnike (kot je prikazano na sliki 3), se temperatura plina običajno nadzoruje z uravnavanjem pretoka segrete tekočine v predhodnico. V nekaterih modelih lahko namesto toplotnega izmenjevalnika uporabite plamen ali električni grelec. Grelniki morda že obstajajo v obstoječi postaji za ventil JT, dodajanje ekspanderja pa morda ne bo potrebno namestiti dodatnih grelnikov, temveč povečanje pretoka ogrevane tekočine.
Mazanje sistemov za nafto in tesnilo. Kot že omenjeno, lahko razširitelji uporabljajo različne modele tesnil, ki lahko zahtevajo maziva in tesnilne pline. Kadar je to primerno, mora mazalno olje vzdrževati visoko kakovost in čistost, ko je v stiku s procesnimi plini, raven viskoznosti nafte pa mora ostati znotraj potrebnega delovnega območja mazanih ležajev. Tesnilni plinski sistemi so običajno opremljeni z napravo za mazanje nafte, da olje prepreči, da bi olje vstopila v razširitveno škatlo. Za posebne aplikacije razpredelnikov, ki se uporabljajo v industriji ogljikovodikov, so sistemi za mazalno nafto in pečat običajno zasnovani za specifikacije API 617 [5] del 4.
Spremenljivi frekvenčni pogon (VFD). Ko je generator indukcija, je VFD običajno vklopljen, da prilagodi signal izmeničnega toka (AC), da se ujema s frekvenco uporabnosti. Običajno imajo modeli, ki temeljijo na pogonih s spremenljivo frekvenco, višjo splošno učinkovitost kot modeli, ki uporabljajo menjalnike ali druge mehanske komponente. Sistemi, ki temeljijo na VFD, lahko sprejmejo tudi širši obseg sprememb procesa, kar lahko povzroči spremembe hitrosti izstopanja gredi.
Prenos. Nekateri modeli ekspanderja uporabljajo menjalnik za zmanjšanje hitrosti ekspanderja na nazivno hitrost generatorja. Stroški uporabe menjalnika so nižji splošni izkoristek in zato nižji izhodi.
Pri pripravi zahteve za ponudbo (RFQ) za ekspander mora procesni inženir najprej določiti pogoje obratovanja, vključno z naslednjimi informacijami:
Strojni inženirji pogosto izpolnjujejo specifikacije in specifikacije generatorja ekspander z uporabo podatkov drugih inženirskih disciplin. Ti vhodi lahko vključujejo naslednje:
Specifikacije morajo vključevati tudi seznam dokumentov in risb, ki jih proizvajalec ponuja kot del razpisnega postopka in obseg ponudbe, ter primerne preskusne postopke, kot to zahteva projekt.
Tehnične informacije, ki jih proizvajalec predloži kot del razpisnega postopka, morajo na splošno vključevati naslednje elemente:
Če se kakšen vidik predloga razlikuje od prvotnih specifikacij, mora proizvajalec navesti tudi seznam odstopanj in razlogov za odstopanja.
Ko prejme predlog, mora skupina za razvoj projektov pregledati zahtevo za skladnost in ugotoviti, ali so odstopanja tehnično upravičene.
Drugi tehnični vidiki, ki jih je treba upoštevati pri ocenjevanju predlogov, vključujejo:
Končno je treba izvesti ekonomsko analizo. Ker lahko različne možnosti povzročijo različne začetne stroške, je priporočljivo, da se izvede analiza denarnih tokov ali življenjskega cikla za primerjavo dolgoročne ekonomije projekta in donosnosti naložbe. Na primer, večjo začetno naložbo lahko dolgoročno nadomestimo s povečano produktivnostjo ali zmanjšanimi zahtevami za vzdrževanje. Za navodila o tej vrsti analize glejte "Reference". 4.
Vse aplikacije za turboexpander-generator zahtevajo začetni skupni izračun moči, da se določi skupna količina razpoložljive energije, ki jo je mogoče obnoviti v določeni aplikaciji. Za generator turboekpanderja se potencial moči izračuna kot imentropični (konstantni entropijski) postopek. To je idealna termodinamična situacija za obravnavo reverzibilnega adiabatskega procesa brez trenja, vendar je pravilen postopek za oceno dejanskega energetskega potenciala.
Izventropska potencialna energija (IPP) se izračuna tako, da se pomnoži specifična entalpijska razlika na dovodu in odtoku turboeksipanda in pomnoži rezultat s hitrostjo masnega pretoka. Ta potencialna energija bo izražena kot izentropska količina (enačba (1)):
Ipp = (Hinlet - H (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Kjer je H (I, E) specifična entalpija, ki upošteva temperaturo iztočne iztoka in ṁ je masni pretok.
Čeprav je za oceno potencialne energije mogoče uporabiti izentropsko potencialno energijo, vsi realni sistemi vključujejo trenje, toploto in druge pomožne izgube energije. Tako je treba pri izračunu dejanskega potenciala moči upoštevati naslednje dodatne vhodne podatke:
V večini aplikacij za turboekspander je temperatura omejena na minimum, da se prepreči neželene težave, kot je prej omenjeno zamrzovanje cevi. Kjer teče zemeljski plin, so hidrati skoraj vedno prisotni, kar pomeni, da se bo cevovod navzdol od turboekpanderja ali ventila za plin zamrznil notranje in zunaj, če temperatura iztoka pade pod 0 ° C. Nastajanje ledu lahko povzroči omejitev pretoka in na koncu zaustavi sistem, da odmrzne. Tako se za izračun bolj realističnega potencialnega scenarija moči uporablja "želena" temperatura izhoda. Vendar pa je za pline, kot je vodik, temperaturna meja precej nižja, ker se vodik ne spremeni iz plina v tekočino, dokler ne doseže kriogene temperature (-253 ° C). Za izračun specifične entalpije uporabite to želeno temperaturo izhoda.
Upoštevati je treba tudi učinkovitost sistema turboekpand. Odvisno od uporabljene tehnologije se lahko učinkovitost sistema znatno razlikuje. Na primer, turboexpander, ki uporablja redukcijsko prestavo za prenos rotacijske energije iz turbine v generator, bo imel večje izgube trenja kot sistem, ki uporablja neposredni pogon od turbine do generatorja. Skupna učinkovitost sistema turboekpanderja je izražena kot odstotek in se upošteva pri ocenjevanju dejanskega potenciala moči turboexpanderja. Dejanski potencial moči (PP) se izračuna na naslednji način:
Pp = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Oglejmo si uporabo reliefnega tlaka zemeljskega plina. ABC deluje in vzdržuje postajo za zmanjšanje tlaka, ki prenaša zemeljski plin iz glavnega cevovoda in ga razdeli lokalnim občinam. Na tej postaji je tlak v dovodu za plin 40 barov, izhodni tlak pa 8 barov. Predhodno segreta temperatura dovodnega plina je 35 ° C, kar segreva plin, da prepreči zamrzovanje cevovoda. Zato je treba temperaturo izhodnega plina nadzorovati tako, da ne pade pod 0 ° C. V tem primeru bomo za povečanje varnostnega faktorja uporabili 5 ° C kot najmanjšo temperaturo izhoda. Normalizirani volumetrični pretok plina je 50.000 nm3/h. Za izračun potenciala moči bomo domnevali, da ves plin teče skozi turbo ekspander in izračuna največjo izhodno moč. Ocenite skupni izhodni potencial z naslednjim izračunom:
Čas objave: maj-25-2024