Razširjevalniki lahko s pomočjo zmanjšanja tlaka poganjajo vrteče se stroje. Informacije o tem, kako oceniti potencialne koristi namestitve razširjevalnika, najdete tukaj.
V kemični industriji (CPI) se običajno »velika količina energije izgubi v tlačnih regulacijskih ventilih, kjer je treba znižati tlak v visokotlačnih tekočinah« [1]. Glede na različne tehnične in ekonomske dejavnike je lahko zaželeno pretvoriti to energijo v rotacijsko mehansko energijo, ki jo je mogoče uporabiti za pogon generatorjev ali drugih rotacijskih strojev. Za nestisljive tekočine (tekočine) se to doseže z uporabo hidravlične turbine za rekuperacijo energije (HPRT; glej referenco 1). Za stisljive tekočine (pline) je primeren stroj ekspander.
Ekspanderji so zrela tehnologija s številnimi uspešnimi aplikacijami, kot so katalitično kreking s tekočinami (FCC), hlajenje, mestni ventili za zemeljski plin, ločevanje zraka ali izpušne emisije. Načeloma se lahko za pogon ekspanderja uporabi kateri koli plinski tok z znižanim tlakom, vendar je »izhodna energija neposredno sorazmerna s tlačnim razmerjem, temperaturo in pretokom plinskega toka« [2], pa tudi s tehnično in ekonomsko izvedljivostjo. Izvedba ekspanderja: Postopek je odvisen od teh in drugih dejavnikov, kot so lokalne cene energije in razpoložljivost ustrezne opreme s strani proizvajalca.
Čeprav je turboekspander (ki deluje podobno kot turbina) najbolj znana vrsta ekspanderja (slika 1), obstajajo tudi druge vrste, primerne za različne procesne pogoje. Ta članek predstavlja glavne vrste ekspanderjev in njihove komponente ter povzema, kako lahko vodje poslovanja, svetovalci ali energetski revizorji v različnih oddelkih CPI ocenijo potencialne ekonomske in okoljske koristi namestitve ekspanderja.
Obstaja veliko različnih vrst uporovnih trakov, ki se zelo razlikujejo po geometriji in funkciji. Glavne vrste so prikazane na sliki 2, vsaka vrsta pa je na kratko opisana spodaj. Za več informacij in grafe, ki primerjajo stanje delovanja vsake vrste glede na določene premere in določene hitrosti, glejte Pomoč. 3.
Batni turboekspander. Batni in rotacijski batni turboekspanderji delujejo kot motor z notranjim zgorevanjem z obratnim vrtenjem, absorbirajo plin pod visokim tlakom in pretvarjajo njegovo shranjeno energijo v rotacijsko energijo prek ročične gredi.
Povlecite turbo ekspander. Ekspander zavorne turbine je sestavljen iz koncentrične pretočne komore z vedri, pritrjenimi na obod vrtečega se elementa. Zasnovani so na enak način kot vodna kolesa, vendar se prečni prerez koncentričnih komor povečuje od vhoda do izhoda, kar omogoča širjenje plina.
Radialni turboekspander. Radialni turboekspanderji imajo aksialni vhod in radialni izhod, kar omogoča radialno širjenje plina skozi rotor turbine. Podobno aksialne turbine širijo plin skozi turbinsko kolo, vendar smer toka ostaja vzporedna z osjo vrtenja.
Ta članek se osredotoča na radialne in aksialne turboekspanderje ter obravnava njihove različne podtipe, komponente in ekonomičnost.
Turboekspander črpa energijo iz visokotlačnega plinskega toka in jo pretvarja v pogonsko obremenitev. Običajno je obremenitev kompresor ali generator, priključen na gred. Turboekspander s kompresorjem stisne tekočino v drugih delih procesnega toka, ki potrebujejo stisnjeno tekočino, s čimer poveča splošno učinkovitost obrata z uporabo energije, ki bi se sicer izgubila. Turboekspander z generatorsko obremenitvijo pretvarja energijo v elektriko, ki jo je mogoče uporabiti v drugih procesih obrata ali vrniti v lokalno omrežje za prodajo.
Turboekspanderji so lahko opremljeni z direktno pogonsko gredjo od turbinskega kolesa do generatorja ali z menjalnikom, ki s prestavnim razmerjem učinkovito zmanjša vhodno hitrost od turbinskega kolesa do generatorja. Turboekspanderji z direktnim pogonom ponujajo prednosti v učinkovitosti, zavzemanju prostora in stroških vzdrževanja. Turboekspanderji z menjalnikom so težji in zahtevajo večji zavzem prostora, pomožno opremo za mazanje in redno vzdrževanje.
Pretočni turboekspanderji so lahko izdelani v obliki radialnih ali aksialnih turbin. Radialni ekspanderji vsebujejo aksialni vhod in radialni izhod, tako da plinski tok izstopa iz turbine radialno od osi vrtenja. Aksialne turbine omogočajo, da plin teče aksialno vzdolž osi vrtenja. Aksialne turbine črpajo energijo iz plinskega toka skozi vhodne vodilne lopatice do ekspanzijskega kolesa, pri čemer se prečni prerez ekspanzijske komore postopoma povečuje, da se ohranja konstantna hitrost.
Turboekspanzijski generator je sestavljen iz treh glavnih komponent: turbinskega kolesa, posebnih ležajev in generatorja.
Turbinsko kolo. Turbinska kolesa so pogosto zasnovana posebej za optimizacijo aerodinamične učinkovitosti. Spremenljivke uporabe, ki vplivajo na zasnovo turbinskega kolesa, vključujejo vhodni/izhodni tlak, vhodno/izhodno temperaturo, prostorninski pretok in lastnosti tekočine. Ko je kompresijsko razmerje previsoko, da bi ga zmanjšali v eni stopnji, je potreben turboekspander z več turbinskimi kolesi. Tako radialna kot aksialna turbinska kolesa so lahko zasnovana kot večstopenjska, vendar imajo aksialna turbinska kolesa veliko krajšo aksialno dolžino in so zato bolj kompaktna. Večstopenjske radialne turbine zahtevajo pretok plina od aksialne do radialne in nazaj do aksialne, kar ustvarja večje izgube zaradi trenja kot aksialne turbine.
ležaji. Zasnova ležajev je ključnega pomena za učinkovito delovanje turboekspanderja. Vrste ležajev, povezane z zasnovo turboekspanderjev, se zelo razlikujejo in lahko vključujejo oljne ležaje, ležaje s tekočim filmom, tradicionalne kroglične ležaje in magnetne ležaje. Vsaka metoda ima svoje prednosti in slabosti, kot je prikazano v tabeli 1.
Mnogi proizvajalci turboekspanderjev izberejo magnetne ležaje kot svoj "ležaj po izbiri" zaradi njihovih edinstvenih prednosti. Magnetni ležaji zagotavljajo delovanje dinamičnih komponent turboekspanderja brez trenja, kar znatno zmanjša stroške obratovanja in vzdrževanja v celotni življenjski dobi stroja. Zasnovani so tudi tako, da prenesejo širok razpon aksialnih in radialnih obremenitev ter preobremenitve. Njihove višje začetne stroške izravnajo precej nižji stroški v življenjski dobi.
dinamo. Generator vzame vrtilno energijo turbine in jo pretvori v koristno električno energijo z uporabo elektromagnetnega generatorja (ki je lahko indukcijski generator ali generator s trajnim magnetom). Indukcijski generatorji imajo nižjo nazivno hitrost, zato aplikacije z visokohitrostnimi turbinami zahtevajo menjalnik, vendar so lahko zasnovani tako, da se ujemajo s frekvenco omrežja, s čimer se odpravi potreba po frekvenčno pretvorniku (VFD) za dobavo proizvedene električne energije. Generatorji s trajnim magnetom pa so lahko neposredno gredno povezani s turbino in prenašajo energijo v omrežje prek frekvenčno pretvornika. Generator je zasnovan tako, da zagotavlja največjo moč glede na moč gredi, ki je na voljo v sistemu.
Tesnila. Tesnilo je tudi ključni sestavni del pri načrtovanju sistema turboekspanderja. Za ohranjanje visoke učinkovitosti in izpolnjevanje okoljskih standardov morajo biti sistemi zatesnjeni, da se prepreči morebitno puščanje procesnega plina. Turboekspanderji so lahko opremljeni z dinamičnimi ali statičnimi tesnili. Dinamična tesnila, kot so labirintna tesnila in tesnila za suhi plin, zagotavljajo tesnilo okoli vrteče se gredi, običajno med turbinskim kolesom, ležaji in preostalim delom stroja, kjer se nahaja generator. Dinamična tesnila se sčasoma obrabijo in zahtevajo redno vzdrževanje in preglede, da se zagotovi njihovo pravilno delovanje. Ko so vse komponente turboekspanderja v enem samem ohišju, se lahko za zaščito vseh vodnikov, ki izstopajo iz ohišja, vključno z generatorjem, pogoni magnetnih ležajev ali senzorji, uporabijo statična tesnila. Ta nepredušna tesnila zagotavljajo trajno zaščito pred puščanjem plina in ne zahtevajo vzdrževanja ali popravil.
Z vidika procesa je primarna zahteva za namestitev ekspanderja dovajanje visokotlačnega stisljivega (nekondenzirajočega) plina v nizkotlačni sistem z zadostnim pretokom, padcem tlaka in izkoriščenostjo za vzdrževanje normalnega delovanja opreme. Obratovalni parametri se vzdržujejo na varni in učinkoviti ravni.
Kar zadeva funkcijo zmanjševanja tlaka, se lahko ekspander uporablja kot nadomestilo za Joule-Thomsonov (JT) ventil, znan tudi kot dušilni ventil. Ker se JT ventil premika po izentropski poti, ekspander pa po skoraj izentropski poti, slednji zmanjša entalpijo plina in pretvori razliko entalpije v moč gredi, s čimer ustvari nižjo izhodno temperaturo kot JT ventil. To je uporabno v kriogenih procesih, kjer je cilj znižati temperaturo plina.
Če obstaja spodnja omejitev temperature izhodnega plina (na primer v dekompresijski postaji, kjer je treba temperaturo plina vzdrževati nad lediščem, hidratacijo ali minimalno temperaturo materiala), je treba dodati vsaj en grelec. za nadzor temperature plina. Ko je predgrelnik nameščen pred ekspanderjem, se del energije iz dovodnega plina rekuperira tudi v ekspanderju, s čimer se poveča njegova izhodna moč. V nekaterih konfiguracijah, kjer je potreben nadzor izhodne temperature, se lahko za ekspanderjem namesti drugi grelnik, da se zagotovi hitrejši nadzor.
Na sliki 3 je prikazan poenostavljen diagram splošnega diagrama poteka ekspanzijskega generatorja s predgrelnikom, ki se uporablja za zamenjavo ventila JT.
V drugih konfiguracijah procesa se lahko energija, pridobljena v ekspanderju, prenese neposredno v kompresor. Ti stroji, včasih imenovani »komandni stroji«, imajo običajno ekspanzijsko in kompresijsko stopnjo, ki sta povezani z eno ali več gredmi, ki lahko vključujejo tudi menjalnik za uravnavanje razlike hitrosti med obema stopnjama. Vključujejo lahko tudi dodaten motor, ki zagotavlja večjo moč kompresijski stopnji.
Spodaj je navedenih nekaj najpomembnejših komponent, ki zagotavljajo pravilno delovanje in stabilnost sistema.
Obvodni ventil ali ventil za zmanjšanje tlaka. Obvodni ventil omogoča nadaljevanje delovanja, ko turboekspander ne deluje (na primer zaradi vzdrževanja ali v sili), medtem ko se ventil za zmanjšanje tlaka uporablja za neprekinjeno delovanje za dovajanje presežnega plina, ko skupni pretok preseže projektno zmogljivost ekspanderja.
Zasilni izklopni ventil (ESD). ESD ventili se uporabljajo za blokiranje pretoka plina v ekspander v nujnih primerih, da se preprečijo mehanske poškodbe.
Instrumenti in krmilniki. Pomembne spremenljivke, ki jih je treba spremljati, vključujejo vhodni in izhodni tlak, pretok, hitrost vrtenja in izhodno moč.
Vožnja s prekomerno hitrostjo. Naprava prekine pretok do turbine, zaradi česar se rotor turbine upočasni in s tem zaščiti opremo pred prekomernimi hitrostmi zaradi nepričakovanih procesnih pogojev, ki bi jo lahko poškodovali.
Varnostni ventil za tlak (PSV). PSV-ji so pogosto nameščeni za turboekspanderjem za zaščito cevovodov in nizkotlačne opreme. PSV mora biti zasnovan tako, da prenese najhujše nepredvidene dogodke, ki običajno vključujejo odpoved odpiranja obvodnega ventila. Če se obstoječi postaji za zmanjšanje tlaka doda ekspanzijski ventil, mora projektna skupina ugotoviti, ali obstoječi PSV zagotavlja ustrezno zaščito.
Grelec. Grelci kompenzirajo padec temperature, ki ga povzroči prehod plina skozi turbino, zato je treba plin predhodno segreti. Njegova glavna funkcija je zvišanje temperature naraščajočega plinskega toka, da se temperatura plina, ki zapušča ekspander, ohrani nad minimalno vrednostjo. Druga prednost zvišanja temperature je povečanje izhodne moči ter 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 predgrelnik. V nekaterih izvedbah se namesto toplotnega izmenjevalnika lahko uporabi plamenski grelec ali električni grelec. Grelci lahko že obstajajo v obstoječi ventilski postaji JT, dodajanje ekspanderja pa morda ne zahteva namestitve dodatnih grelcev, temveč povečanje pretoka segrete tekočine.
Sistemi z mazalnim oljem in tesnilnim plinom. Kot je bilo že omenjeno, lahko ekspanzijski motorji uporabljajo različne zasnove tesnil, ki lahko zahtevajo maziva in tesnilne pline. Kjer je to primerno, mora mazalno olje ohranjati visoko kakovost in čistost pri stiku s procesnimi plini, raven viskoznosti olja pa mora ostati znotraj zahtevanega delovnega območja mazanih ležajev. Sistemi z zaprtim plinom so običajno opremljeni z napravo za mazanje z oljem, ki preprečuje vstop olja iz ležajne škatle v ekspanzijsko škatlo. Za posebne aplikacije kompanderjev, ki se uporabljajo v industriji ogljikovodikov, so sistemi z mazalnim oljem in tesnilnim plinom običajno zasnovani v skladu s specifikacijami API 617 [5] del 4.
Frekvenčni pogon (VFD). Ko je generator indukcijski, se VFD običajno vklopi, da prilagodi signal izmeničnega toka (AC) frekvenci omrežja. Običajno imajo zasnove, ki temeljijo na frekvenčnih pogonih, višjo splošno učinkovitost kot zasnove, ki uporabljajo menjalnike ali druge mehanske komponente. Sistemi, ki temeljijo na VFD, lahko sprejmejo tudi širši razpon procesnih sprememb, ki lahko povzročijo spremembe hitrosti gredi ekspanderja.
Prenos. Nekatere zasnove ekspanderjev uporabljajo menjalnik za zmanjšanje hitrosti ekspanderja na nazivno hitrost generatorja. Stroški uporabe menjalnika so nižja skupna učinkovitost in s tem nižja izhodna moč.
Pri pripravi povpraševanja za ponudbo (RFQ) za ekspander mora procesni inženir najprej določiti obratovalne pogoje, vključno z naslednjimi informacijami:
Strojni inženirji pogosto izpolnijo specifikacije generatorja ekspanderja in specifikacije z uporabo podatkov iz drugih inženirskih disciplin. Ti vhodni podatki lahko vključujejo naslednje:
Specifikacije morajo vsebovati tudi seznam dokumentov in risb, ki jih je proizvajalec predložil kot del postopka oddaje ponudb, in obseg dobave ter ustrezne preskusne postopke, kot jih zahteva projekt.
Tehnične informacije, ki jih proizvajalec zagotovi kot del postopka oddaje ponudb, bi morale običajno vključevati naslednje elemente:
Če se kateri koli vidik predloga razlikuje od prvotnih specifikacij, mora proizvajalec predložiti tudi seznam odstopanj in razloge za odstopanja.
Ko je predlog prejet, mora razvojna ekipa projekta pregledati zahtevo glede skladnosti in ugotoviti, ali so odstopanja tehnično upravičena.
Drugi tehnični vidiki, ki jih je treba upoštevati pri ocenjevanju predlogov, vključujejo:
Nazadnje je treba izvesti ekonomsko analizo. Ker lahko različne možnosti povzročijo različne začetne stroške, je priporočljivo izvesti analizo denarnega toka ali stroškov življenjskega cikla, da se primerja dolgoročna ekonomičnost projekta in donosnost naložbe. Na primer, višja začetna naložba se lahko dolgoročno izravna z večjo produktivnostjo ali manjšimi zahtevami po vzdrževanju. Za navodila o tej vrsti analize glejte »Reference«. 4.
Vse aplikacije turboekspanzijskega generatorja zahtevajo začetni izračun skupne potencialne moči, da se določi skupna količina razpoložljive energije, ki jo je mogoče pridobiti v določeni aplikaciji. Za turboekspanzijski generator se potencial moči izračuna kot izentropni (konstantna entropija) proces. To je idealna termodinamična situacija za obravnavo reverzibilnega adiabatnega procesa brez trenja, vendar je pravilen postopek za oceno dejanskega energijskega potenciala.
Izentropska potencialna energija (IPP) se izračuna tako, da se specifična razlika entalpije na vstopu in izstopu turboekspanderja pomnoži z masnim pretokom. Ta potencialna energija se izrazi kot izentropska količina (enačba (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
kjer je h(i,e) specifična entalpija ob upoštevanju izentropske izhodne temperature in ṁ masni pretok.
Čeprav se izentropna potencialna energija lahko uporabi za oceno potencialne energije, vsi realni sistemi vključujejo trenje, toploto in druge pomožne izgube energije. Zato je treba pri izračunu dejanskega potenciala moči upoštevati naslednje dodatne vhodne podatke:
V večini aplikacij turboekspanderjev je temperatura omejena na minimum, da se preprečijo neželene težave, kot je prej omenjeno zmrzovanje cevi. Kjer teče zemeljski plin, so hidrati skoraj vedno prisotni, kar pomeni, da bo cevovod za turboekspanderjem ali dušilnim ventilom zamrznil znotraj in zunaj, če izhodna temperatura pade pod 0 °C. Nastajanje ledu lahko povzroči omejitev pretoka in na koncu zaustavi sistem zaradi odmrzovanja. Zato se »želena« izhodna temperatura uporablja za izračun bolj realističnega scenarija potencialne moči. Vendar pa je za pline, kot je vodik, temperaturna omejitev veliko nižja, ker se vodik ne spremeni iz plina v tekočino, dokler ne doseže kriogene temperature (-253 °C). To želeno izhodno temperaturo uporabite za izračun specifične entalpije.
Upoštevati je treba tudi učinkovitost sistema turboekspanzerja. Glede na uporabljeno tehnologijo se lahko učinkovitost sistema precej razlikuje. Na primer, turboekspanzer, ki za prenos vrtilne energije iz turbine v generator uporablja reduktor, bo imel večje izgube zaradi trenja kot sistem, ki uporablja neposredni pogon iz turbine v generator. Skupna učinkovitost sistema turboekspanzerja je izražena v odstotkih in se upošteva pri ocenjevanju dejanskega potenciala moči turboekspanzerja. Dejanski potencial moči (PP) se izračuna na naslednji način:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Oglejmo si uporabo razbremenitve tlaka zemeljskega plina. ABC upravlja in vzdržuje postajo za zmanjšanje tlaka, ki transportira zemeljski plin iz glavnega cevovoda in ga distribuira lokalnim občinam. Na tej postaji je vhodni tlak plina 40 barov, izhodni tlak pa 8 barov. Temperatura predgretega vhodnega plina je 35 °C, kar predgreje plin in prepreči zmrzovanje cevovoda. Zato je treba temperaturo izhodnega plina nadzorovati, da ne pade pod 0 °C. V tem primeru bomo kot minimalno izhodno temperaturo za povečanje varnostnega faktorja uporabili 5 °C. Normalizirani volumetrični pretok plina je 50.000 Nm3/h. Za izračun potencialne moči bomo predpostavili, da ves plin teče skozi turbo ekspander, in izračunali največjo izhodno moč. Ocenite skupni potencial izhodne moči z naslednjim izračunom:
Čas objave: 25. maj 2024