Expandéry mohou pomocí redukce tlaku pohánět rotační stroje. Informace o tom, jak vyhodnotit potenciální výhody instalace expandéru, naleznete zde.
V chemickém průmyslu (CPI) se typicky „v regulačních ventilech tlaku, kde je nutné odtlakovat vysokotlaké kapaliny, plýtvá velké množství energie“ [1]. V závislosti na různých technických a ekonomických faktorech může být žádoucí přeměnit tuto energii na rotační mechanickou energii, kterou lze využít k pohonu generátorů nebo jiných rotačních strojů. U nestlačitelných kapalin (kapalin) se toho dosahuje pomocí hydraulické rekuperační turbíny (HPRT; viz odkaz 1). Pro stlačitelné kapaliny (plyny) je vhodným strojem expandér.
Expandéry jsou vyspělou technologií s mnoha úspěšnými aplikacemi, jako je fluidní katalytické krakování (FCC), chlazení, městské ventily pro zemní plyn, separace vzduchu nebo výfukové emise. V principu lze k pohonu expandéru použít jakýkoli proud plynu se sníženým tlakem, ale „energetický výstup je přímo úměrný tlakovému poměru, teplotě a průtoku proudu plynu“ [2], stejně jako technické a ekonomické proveditelnosti. Implementace expandéru: Proces závisí na těchto a dalších faktorech, jako jsou místní ceny energií a dostupnost vhodného zařízení výrobcem.
Přestože je turboexpandér (fungující podobně jako turbína) nejznámějším typem expandéru (obrázek 1), existují i jiné typy vhodné pro různé procesní podmínky. Tento článek představuje hlavní typy expandérů a jejich komponenty a shrnuje, jak mohou provozní manažeři, konzultanti nebo energetickí auditoři v různých divizích CPI vyhodnotit potenciální ekonomické a environmentální přínosy instalace expandéru.
Existuje mnoho různých typů odporových pásů, které se značně liší geometrií a funkcí. Hlavní typy jsou znázorněny na obrázku 2 a každý typ je stručně popsán níže. Více informací a grafy porovnávající provozní stav každého typu na základě konkrétních průměrů a rychlostí naleznete v nápovědě. 3.
Pístový turboexpandér. Pístové a rotační pístové turboexpandéry fungují jako spalovací motor s opačnou rotací, absorbují vysokotlaký plyn a přeměňují jeho uloženou energii na rotační energii prostřednictvím klikového hřídele.
Táhněte turboexpandér. Expandér brzdové turbíny se skládá ze soustředné průtočné komory s korečkovými žebry připevněnými k obvodu rotujícího prvku. Jsou navrženy stejně jako vodní kola, ale průřez soustředných komor se zvětšuje od vstupu k výstupu, což umožňuje expanzi plynu.
Radiální turboexpandér. Radiální turboexpandéry mají axiální vstup a radiální výstup, což umožňuje radiální expanzi plynu skrz oběžné kolo turbíny. Podobně axiální turbíny expandují plyn skrz turbínové kolo, ale směr proudění zůstává rovnoběžný s osou otáčení.
Tento článek se zaměřuje na radiální a axiální turboexpandéry a pojednává o jejich různých podtypech, komponentách a ekonomických aspektech.
Turboexpandér odebírá energii z proudu plynu o vysokém tlaku a přeměňuje ji na hnací zátěž. Zátěží je obvykle kompresor nebo generátor připojený k hřídeli. Turboexpandér s kompresorem stlačuje kapalinu v jiných částech procesního proudu, které vyžadují stlačenou kapalinu, čímž zvyšuje celkovou účinnost zařízení využitím energie, která by jinak byla zbytečně vynaložena. Turboexpandér s generátorovou zátěží přeměňuje energii na elektřinu, kterou lze použít v jiných procesech zařízení nebo vrátit do místní sítě k prodeji.
Turboexpandéry mohou být vybaveny buď přímým hnacím hřídelem od turbínového kola ke generátoru, nebo převodovkou, která účinně snižuje vstupní otáčky od turbínového kola ke generátoru pomocí převodového poměru. Turboexpandéry s přímým pohonem nabízejí výhody v účinnosti, zastavěné ploše a nákladech na údržbu. Turboexpandéry s převodovkou jsou těžší a vyžadují větší zastavěnou plochu, pomocné mazací zařízení a pravidelnou údržbu.
Průtokové turboexpandéry mohou být vyrobeny ve formě radiálních nebo axiálních turbín. Radiální expandéry obsahují axiální vstup a radiální výstup, takže proud plynu vystupuje z turbíny radiálně od osy otáčení. Axiální turbíny umožňují axiální proudění plynu podél osy otáčení. Axiální turbíny odebírají energii z proudu plynu přes vstupní vodicí lopatky k expanznímu kolu, přičemž průřez expanzní komory se postupně zvětšuje, aby se udržela konstantní rychlost.
Turboexpandérový generátor se skládá ze tří hlavních součástí: turbínového kola, speciálních ložisek a generátoru.
Turbínové kolo. Turbínová kola jsou často navržena speciálně pro optimalizaci aerodynamické účinnosti. Mezi aplikační proměnné, které ovlivňují konstrukci turbínového kola, patří vstupní/výstupní tlak, vstupní/výstupní teplota, objemový průtok a vlastnosti kapaliny. Pokud je kompresní poměr příliš vysoký na to, aby se dal snížit v jednom stupni, je nutný turboexpandér s více turbínovými koly. Radiální i axiální turbínová kola mohou být navržena jako vícestupňová, ale axiální turbínová kola mají mnohem kratší axiální délku, a proto jsou kompaktnější. Vícestupňové radiální turbíny vyžadují tok plynu z axiálního do radiálního a zpět do axiálního, což vytváří vyšší třecí ztráty než axiální turbíny.
ložiska. Konstrukce ložisek je zásadní pro efektivní provoz turboexpandéru. Typy ložisek související s konstrukcí turboexpandéru se značně liší a mohou zahrnovat olejová ložiska, ložiska s kapalinovým filmem, tradiční kuličková ložiska a magnetická ložiska. Každá metoda má své výhody a nevýhody, jak je uvedeno v tabulce 1.
Mnoho výrobců turboexpandérů si vybírá magnetická ložiska jako svá „preferovaná ložiska“ kvůli jejich jedinečným výhodám. Magnetická ložiska zajišťují beztření dynamických součástí turboexpandéru, což výrazně snižuje provozní náklady a náklady na údržbu po celou dobu životnosti stroje. Jsou také navržena tak, aby odolala širokému rozsahu axiálního a radiálního zatížení a podmínkám přetížení. Jejich vyšší počáteční náklady jsou kompenzovány mnohem nižšími náklady na životní cyklus.
dynamo. Generátor odebírá rotační energii turbíny a přeměňuje ji na užitečnou elektrickou energii pomocí elektromagnetického generátoru (kterým může být indukční generátor nebo generátor s permanentními magnety). Indukční generátory mají nižší jmenovité otáčky, takže aplikace s vysokorychlostními turbínami vyžadují převodovku, ale mohou být navrženy tak, aby odpovídaly frekvenci sítě, čímž se eliminuje potřeba frekvenčního měniče (VFD) pro dodávku generované elektřiny. Generátory s permanentními magnety mohou být naproti tomu přímo připojeny k turbíně a přenášet energii do sítě prostřednictvím frekvenčního měniče. Generátor je navržen tak, aby dodával maximální výkon na základě výkonu na hřídeli dostupného v systému.
Těsnění. Těsnění je také kritickou součástí při návrhu systému turboexpandéru. Pro udržení vysoké účinnosti a splnění environmentálních norem musí být systémy utěsněny, aby se zabránilo potenciálním únikům procesního plynu. Turboexpandéry mohou být vybaveny dynamickými nebo statickými těsněními. Dynamická těsnění, jako jsou labyrintová těsnění a těsnění pro suchý plyn, zajišťují těsnění kolem rotujícího hřídele, obvykle mezi turbínovým kolem, ložisky a zbytkem stroje, kde je umístěn generátor. Dynamická těsnění se časem opotřebovávají a vyžadují pravidelnou údržbu a kontrolu, aby se zajistilo jejich správné fungování. Pokud jsou všechny komponenty turboexpandéru uloženy v jednom krytu, lze k ochraně všech vodičů vycházejících z krytu, včetně vodičů ke generátoru, pohonům magnetických ložisek nebo senzorům, použít statická těsnění. Tato vzduchotěsná těsnění poskytují trvalou ochranu před únikem plynu a nevyžadují žádnou údržbu ani opravy.
Z procesního hlediska je primárním požadavkem pro instalaci expandéru dodávka vysokotlakého stlačitelného (nekondenzovatelného) plynu do nízkotlakého systému s dostatečným průtokem, tlakovou ztrátou a využitím pro udržení normálního provozu zařízení. Provozní parametry jsou udržovány na bezpečné a efektivní úrovni.
Pokud jde o funkci snižování tlaku, expandér lze použít jako náhradu za Jouleův-Thomsonův (JT) ventil, známý také jako škrticí ventil. Protože se JT ventil pohybuje po izoentropické dráze a expandér se pohybuje po téměř izoentropické dráze, expandér snižuje entalpii plynu a přeměňuje rozdíl entalpií na výkon na hřídeli, čímž dosahuje nižší výstupní teploty než JT ventil. To je užitečné v kryogenních procesech, kde je cílem snížit teplotu plynu.
Pokud existuje spodní limit teploty výstupního plynu (například v dekompresní stanici, kde musí být teplota plynu udržována nad bodem mrazu, hydratace nebo minimální konstrukční teplotou materiálu), musí být přidán alespoň jeden ohřívač. Regulace teploty plynu. Pokud je předehřívač umístěn před expandérem, část energie z přiváděného plynu se také získává zpět v expandéru, čímž se zvyšuje jeho výkon. V některých konfiguracích, kde je vyžadována regulace výstupní teploty, lze za expandér instalovat druhý dohřívač, aby se zajistila rychlejší regulace.
Na obr. Obrázek 3 znázorňuje zjednodušené schéma obecného blokového schématu expanzního generátoru s předehřívačem, který nahrazuje ventil JT.
V jiných konfiguracích procesu lze energii získanou v expandéru přenášet přímo do kompresoru. Tyto stroje, někdy nazývané „commandery“, mají obvykle expanzní a kompresní stupně propojené jednou nebo více hřídeli, které mohou také zahrnovat převodovku pro regulaci rozdílu otáček mezi oběma stupni. Může také zahrnovat přídavný motor, který poskytuje větší výkon kompresnímu stupni.
Níže jsou uvedeny některé z nejdůležitějších komponent, které zajišťují správný provoz a stabilitu systému.
Obtokový ventil nebo redukční ventil. Obtokový ventil umožňuje pokračování provozu, i když turboexpandér není v provozu (například z důvodu údržby nebo nouze), zatímco redukční ventil se používá pro nepřetržitý provoz k dodávání přebytečného plynu, když celkový průtok překročí konstrukční kapacitu expandéru.
Nouzový uzavírací ventil (ESD). Ventily ESD se používají k zablokování průtoku plynu do expandéru v případě nouze, aby se zabránilo mechanickému poškození.
Přístroje a ovládací prvky. Mezi důležité proměnné, které je třeba sledovat, patří vstupní a výstupní tlak, průtok, otáčky a výstupní výkon.
Jízda nadměrnou rychlostí. Zařízení přeruší tok do turbíny, což způsobí zpomalení rotoru turbíny, a tím chrání zařízení před nadměrnými otáčkami v důsledku neočekávaných procesních podmínek, které by mohly zařízení poškodit.
Pojistný tlakový ventil (PSV). Pojistné ventily PSV se často instalují za turboexpandérem, aby chránily potrubí a nízkotlaká zařízení. Pojistný ventil PSV musí být navržen tak, aby odolal nejzávažnějším nepředvídaným událostem, které obvykle zahrnují selhání otevření obtokového ventilu. Pokud je k existující redukční stanici přidán expandér, musí projektový tým procesu určit, zda stávající PSV poskytuje dostatečnou ochranu.
Ohřívač. Ohřívače kompenzují pokles teploty způsobený průchodem plynu turbínou, takže plyn musí být předehřátý. Jeho hlavní funkcí je zvýšit teplotu stoupajícího proudu plynu, aby se teplota plynu opouštějícího expandér udržela nad minimální hodnotou. Další výhodou zvýšení teploty je zvýšení výkonu a také prevence koroze, kondenzace nebo hydrátů, které by mohly nepříznivě ovlivnit trysky zařízení. V systémech obsahujících výměníky tepla (jak je znázorněno na obrázku 3) se teplota plynu obvykle reguluje regulací průtoku ohřáté kapaliny do předehřívače. V některých provedeních lze místo výměníku tepla použít plamenný ohřívač nebo elektrický ohřívač. Ohřívače mohou již existovat ve stávající ventilové stanici JT a přidání expandéru nemusí vyžadovat instalaci dalších ohřívačů, ale spíše zvýšení průtoku ohřáté kapaliny.
Systémy s mazacím olejem a těsnicím plynem. Jak již bylo zmíněno výše, expandéry mohou používat různé konstrukce těsnění, které mohou vyžadovat maziva a těsnicí plyny. V případě potřeby musí mazací olej při kontaktu s procesními plyny zachovat vysokou kvalitu a čistotu a úroveň viskozity oleje musí zůstat v požadovaném provozním rozsahu mazaných ložisek. Systémy s uzavřeným plynem jsou obvykle vybaveny zařízením pro mazání olejem, které zabraňuje vniknutí oleje z ložiskové skříně do expanzní skříně. Pro speciální aplikace kompandrů používaných v uhlovodíkovém průmyslu jsou systémy s mazacím olejem a těsnicím plynem obvykle navrženy podle specifikací API 617 [5] část 4.
Pohon s proměnnou frekvencí (VFD). Pokud je generátor indukční, obvykle se zapne VFD, aby se signál střídavého proudu (AC) přizpůsobil frekvenci sítě. Konstrukce založené na pohonech s proměnnou frekvencí mají obvykle vyšší celkovou účinnost než konstrukce, které používají převodovky nebo jiné mechanické komponenty. Systémy založené na VFD dokáží také zvládnout širší rozsah procesních změn, které mohou vést ke změnám otáček hřídele expandéru.
Převodovka. Některé konstrukce expandérů používají převodovku ke snížení rychlosti expandéru na jmenovité otáčky generátoru. Nákladem na použití převodovky je nižší celková účinnost, a tedy i nižší výkon.
Při přípravě poptávky (RFQ) na expandér musí procesní inženýr nejprve určit provozní podmínky, včetně následujících informací:
Strojní inženýři často sestavují specifikace expanzních generátorů a specifikace s využitím dat z jiných inženýrských oborů. Mezi tyto vstupy může patřit následující:
Specifikace musí také obsahovat seznam dokumentů a výkresů poskytnutých výrobcem v rámci nabídkového řízení a rozsah dodávky, jakož i příslušné zkušební postupy požadované projektem.
Technické informace poskytnuté výrobcem v rámci nabídkového řízení by měly obecně obsahovat následující prvky:
Pokud se jakýkoli aspekt návrhu liší od původních specifikací, musí výrobce také poskytnout seznam odchylek a důvody pro tyto odchylky.
Jakmile je návrh obdržen, musí tým pro vývoj projektu posoudit žádost o shodu s předpisy a určit, zda jsou odchylky technicky opodstatněné.
Mezi další technické aspekty, které je třeba zvážit při hodnocení návrhů, patří:
Nakonec je třeba provést ekonomickou analýzu. Protože různé možnosti mohou vést k různým počátečním nákladům, doporučuje se provést analýzu peněžních toků nebo nákladů životního cyklu, aby se porovnala dlouhodobá ekonomika projektu a návratnost investic. Například vyšší počáteční investice může být z dlouhodobého hlediska kompenzována zvýšenou produktivitou nebo sníženými požadavky na údržbu. Pokyny k tomuto typu analýzy naleznete v části „Odkazy“. 4.
Všechny aplikace turboexpanzního generátoru vyžadují počáteční výpočet celkového potenciálního výkonu, aby se určilo celkové množství dostupné energie, kterou lze v konkrétní aplikaci získat zpět. U turboexpanzního generátoru se výkonový potenciál vypočítává jako izoentropický (konstantní entropie) proces. Toto je ideální termodynamická situace pro uvažování reverzibilního adiabatického procesu bez tření, ale je to správný proces pro odhad skutečného energetického potenciálu.
Izentropická potenciální energie (IPP) se vypočítá vynásobením rozdílu specifické entalpie na vstupu a výstupu turboexpandéru a vynásobením výsledku hmotnostním průtokem. Tato potenciální energie bude vyjádřena jako izentropická veličina (rovnice (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
kde h(i,e) je specifická entalpie s ohledem na izoentropickou výstupní teplotu a ṁ je hmotnostní průtok.
Ačkoli lze izentropickou potenciální energii použít k odhadu potenciální energie, všechny reálné systémy zahrnují tření, teplo a další vedlejší ztráty energie. Při výpočtu skutečného výkonového potenciálu je proto třeba vzít v úvahu následující další vstupní data:
Ve většině aplikací turboexpandérů je teplota omezena na minimum, aby se zabránilo nežádoucím problémům, jako je například zamrznutí potrubí, které bylo zmíněno dříve. Tam, kde proudí zemní plyn, jsou téměř vždy přítomny hydráty, což znamená, že potrubí za turboexpandérem nebo škrticí klapkou zamrzne uvnitř i vně, pokud výstupní teplota klesne pod 0 °C. Tvorba ledu může vést k omezení průtoku a nakonec k odmrazení systému. „Požadovaná“ výstupní teplota se proto používá k výpočtu realističtějšího scénáře potenciálního výkonu. U plynů, jako je vodík, je však teplotní limit mnohem nižší, protože vodík se nemění z plynu na kapalinu, dokud nedosáhne kryogenní teploty (-253 °C). Tuto požadovanou výstupní teplotu použijte k výpočtu specifické entalpie.
Je také třeba zvážit účinnost systému turboexpandéru. V závislosti na použité technologii se účinnost systému může výrazně lišit. Například turboexpandér, který používá redukční převod k přenosu rotační energie z turbíny do generátoru, bude mít větší ztráty třením než systém, který používá přímý pohon z turbíny do generátoru. Celková účinnost systému turboexpandéru se vyjadřuje v procentech a bere se v úvahu při hodnocení skutečného výkonového potenciálu turboexpandéru. Skutečný výkonový potenciál (PP) se vypočítá takto:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Podívejme se na aplikaci odlehčení tlaku zemního plynu. Společnost ABC provozuje a udržuje redukční stanici, která přepravuje zemní plyn z hlavního plynovodu a distribuuje jej do místních obcí. V této stanici je vstupní tlak plynu 40 barů a výstupní tlak 8 barů. Teplota předehřátého vstupního plynu je 35 °C, což předehřívá plyn, aby se zabránilo zamrznutí potrubí. Proto musí být výstupní teplota plynu regulována tak, aby neklesla pod 0 °C. V tomto příkladu použijeme jako minimální výstupní teplotu 5 °C pro zvýšení bezpečnostního faktoru. Normalizovaný objemový průtok plynu je 50 000 Nm3/h. Pro výpočet výkonového potenciálu budeme předpokládat, že veškerý plyn protéká turboexpandérem, a vypočítáme maximální výstupní výkon. Celkový potenciál výstupního výkonu odhadneme pomocí následujícího výpočtu:
Čas zveřejnění: 25. května 2024