Expandéry mohou použít redukci tlaku k pohonu rotujících strojů. Informace o tom, jak vyhodnotit potenciální výhody instalace extenderu, naleznete zde.
Obvykle v odvětví chemických procesů (CPI) je „velké množství energie promarněno v regulačních ventilech, kde musí být snižovány vysokotlaké tekutiny“ [1]. V závislosti na různých technických a ekonomických faktorech může být žádoucí přeměnit tuto energii na rotující mechanickou energii, kterou lze použít k řízení generátorů nebo jiných rotujících strojů. Pro nestlačitelné tekutiny (kapaliny) se toho dosáhne pomocí turbíny pro regeneraci hydraulické energie (HPRT; viz odkaz 1). Pro stlačitelné kapaliny (plyny) je expandérem vhodným strojem.
Expandéry jsou vyspělá technologie s mnoha úspěšnými aplikacemi, jako je tekuté katalytické praskání (FCC), chlazení, městské ventily zemního plynu, separace vzduchu nebo emise výfukových plynů. V zásadě lze k řízení expandéru použít jakýkoli proud plynu se sníženým tlakem, ale „energetický výkon je přímo úměrný poměru tlaku, teploty a průtoku proudu plynu“ [2], jakož i technickou a ekonomickou proveditelnost. Implementace expandéru: Proces závisí na těchto a dalších faktorech, jako jsou místní ceny energie a dostupnost vhodného vybavení výrobce.
Ačkoli turboexpander (fungující podobně jako turbína) je nejznámějším typem expandéru (obrázek 1), existují i jiné typy vhodné pro různé procesní podmínky. Tento článek představuje hlavní typy expander a jejich komponenty a shrnuje, jak operační manažeři, konzultanti nebo energetickou auditoři v různých divizích CPI mohou vyhodnotit potenciální ekonomické a environmentální přínosy instalace expandéru.
Existuje mnoho různých typů odporových pásů, které se velmi liší v geometrii a funkci. Hlavní typy jsou uvedeny na obrázku 2 a každý typ je stručně popsán níže. Další informace a grafy porovnávající provozní stav každého typu na základě konkrétních průměrů a konkrétních rychlostí viz HELP. 3.
Pístový turboexpander. Pístový a rotační pístový turboexpanders pracují jako zpětně snižující spalovací motor, absorbují vysokotlaký plyn a přeměňují svou uloženou energii na rotační energii přes klikový hřídel.
Přetáhněte turbo expandér. Expandér brzdové turbíny se skládá z soustředné komory s kbelíky připojeným k periferii rotujícího prvku. Jsou navrženy stejným způsobem jako vodní kola, ale průřez soustředných komor se zvyšuje z vstupu na výstup, což umožňuje expanzi plynu.
Radiální turboexpander. Radiální tok turboexpandery mají axiální vstup a radiální zásuvku, což umožňuje plynu radiálně expandovat přes turbínové oběžné kolo. Podobně axiální průtokové turbíny rozšiřují plyn přes kolo turbíny, ale směr toku zůstává rovnoběžný s osou rotace.
Tento článek se zaměřuje na radiální a axiální turboexpanders a diskutuje o jejich různých podtypech, komponentách a ekonomice.
Turboexpander extrahuje energii z vysokotlakého proudu plynu a přeměňuje ji na zatížení pohonu. Zatížení je obvykle kompresor nebo generátor připojený k hřídeli. Turboexpander s kompresorem stlačuje tekutinu v jiných částech procesního proudu, který vyžaduje stlačenou tekutinu, čímž se zvyšuje celkovou účinnost rostliny pomocí energie, která je jinak zbytečná. Turboexpander s zatížením generátoru přeměňuje energii na elektřinu, která může být použita v jiných rostlinných procesech nebo vrácena do místní mřížky k prodeji.
Generátory turboexpander mohou být vybaveny buď přímým hnacím hřídelem z kola turbíny k generátoru, nebo přes převodovku, která účinně snižuje vstupní rychlost z turbínového kola do generátoru přes převodový poměr. Přímé turboexpandery nabízejí výhody v nákladech na efektivitu, stopy a údržbu. Převodovka Turboexpanders jsou těžší a vyžadují větší stopu, mazací pomocné vybavení a pravidelnou údržbu.
Probíhající turboexpandery mohou být vyrobeny ve formě radiálních nebo axiálních turbín. Expandéry radiálního toku obsahují axiální vstup a radiální výstup tak, že tok plynu opouští turbínu radiálně z osy rotace. Axiální turbíny umožňují axiálně proudit plyn podél osy rotace. Axiální průtokové turbíny extrahují energii z průtoku plynu přes vstupní vodicí lopatky k kola expandéru, přičemž průřezová plocha expanzní komory se postupně zvyšuje, aby se udržovala konstantní rychlost.
Generátor turboexpander se skládá ze tří hlavních složek: turbínového kola, speciální ložiska a generátor.
Turbínové kolo. Kola turbíny jsou často navržena speciálně pro optimalizaci aerodynamické účinnosti. Aplikační proměnné, které ovlivňují konstrukci kol turbíny, zahrnují tlak vstupního/výstupu, teplotu vstupu/výstupu, objemový tok a vlastnosti tekutin. Pokud je kompresní poměr příliš vysoký na to, aby byl snížen v jednom stádiu, je nutný turboexpander s více koly turbíny. Kola radiálních i axiálních turbín mohou být navržena jako vícestupňová kola, ale axiální kola turbíny mají mnohem kratší axiální délku, a jsou proto kompaktnější. Vícestupňové radiální průtokové turbíny vyžadují, aby plyn proudil z axiálního k radiálnímu a zpět k axiálnímu a vytvářel vyšší ztráty tření než axiální průtokové turbíny.
ložiska. Konstrukce ložiska je rozhodující pro efektivní provoz turboexpander. Druhy ložisek souvisejících s návrhy turboexpander se velmi liší a mohou zahrnovat olejová ložiska, tekutá filmová ložiska, tradiční kuličková ložiska a magnetická ložiska. Každá metoda má své vlastní výhody a nevýhody, jak je uvedeno v tabulce 1.
Mnoho výrobců turboexpander vybírá magnetická ložiska jako „ložisko výběru“ kvůli jejich jedinečným výhodám. Magnetická ložiska zajišťují provoz dynamických komponent turboexpanderu bez tření, což výrazně snižuje provozní a údržby po celou dobu životnosti stroje. Jsou také navrženy tak, aby vydržely širokou škálu axiálních a radiálních zatížení a podmínek nadměrných přísů. Jejich vyšší počáteční náklady jsou kompenzovány mnohem nižšími náklady na životní cyklus.
dynamo. Generátor vezme rotační energii turbíny a přeměňuje ji na užitečnou elektrickou energii pomocí elektromagnetického generátoru (který může být indukční generátor nebo trvalý generátor magnetu). Indukční generátory mají nižší hodnocenou rychlost, takže aplikace s vysokou rychlostí turbíny vyžadují převodovku, ale mohou být navrženy tak, aby odpovídaly frekvenci mřížky, což eliminuje potřebu variabilního frekvenčního pohonu (VFD), která dodává generovanou elektřinu. Trvalé generátory magnetu, na druhé straně, mohou být přímo hřídele spojeny s turbínou a přenášet výkon do mřížky prostřednictvím variabilní frekvenční pohony. Generátor je navržen tak, aby poskytoval maximální výkon na základě napájení hřídele dostupného v systému.
Těsnění. Těsnění je také kritickou součástí při navrhování systému turboexpander. Aby se udržela vysoká účinnost a splňuje environmentální standardy, musí být systémy utěsněny, aby se zabránilo potenciálním úniku procesu plynu. Turboexpanders mohou být vybaveni dynamickými nebo statickými těsněními. Dynamická těsnění, jako jsou labyrintové těsnění a těsnění suchých plynů, poskytují těsnění kolem rotující hřídele, obvykle mezi turbínovým kolem, ložiska a zbytek stroje, kde se nachází generátor. Dynamická těsnění se časem opotřebovává a vyžadují pravidelnou údržbu a kontrolu, aby se zajistilo, že správně fungují. Pokud jsou všechny komponenty turboexpandu obsaženy v jednom pouzdru, lze statické těsnění použít k ochraně jakýchkoli vodičů, které vystupují na pouzdro, včetně generátoru, disků magnetického ložiska nebo senzorů. Tato vzduchotěsná těsnění poskytují trvalou ochranu před únikem plynu a nevyžadují žádnou údržbu ani opravu.
Z procesního hlediska je primárním požadavkem pro instalaci expandéru dodat vysokotlaký stlačitelný (nekondenzovatelný) plyn do nízkotlakého systému s dostatečným průtokem, poklesem tlaku a využití k udržení normálního provozu zařízení. Provozní parametry jsou udržovány na bezpečné a efektivní úrovni.
Pokud jde o funkci redukující tlak, lze expandér použít k nahrazení ventilu Joule-Thomson (JT), známý také jako škrticí ventil. Vzhledem k tomu, že se JT ventil pohybuje podél isentropické cesty a expandér se pohybuje podél téměř isentropické cesty, tento snižuje entalpii plynu a přeměňuje entalpii rozdíl na sílu hřídele, čímž vytváří nižší výstupní teplotu než jt ventil. To je užitečné v kryogenních procesech, kde je cílem snížit teplotu plynu.
Pokud dojde k dolnímu omezení teploty výstupního plynu (například v dekompresní stanici, kde musí být teplota plynu udržována nad mrazem, hydratací nebo minimální konstrukční teplotou materiálu), musí být přidán alespoň jeden topení. ovládat teplotu plynu. Když je předehřívač umístěn proti proudu od expandéru, část energie z přívodního plynu se také získává v expandéru, čímž se zvyšuje jeho výkon. V některých konfiguracích, kde je vyžadována kontrola výstupní teploty, může být po expandéru nainstalován druhý opakovač, který zajistí rychlejší kontrolu.
Na obr. Obrázek 3 ukazuje zjednodušený diagram obecného tokového diagramu generátoru expandéru s předehřívačem používaným k nahrazení JT ventilu.
V jiných konfiguracích procesu může být energie obnovena v expandéru přenesena přímo do kompresoru. Tyto stroje, někdy nazývané „velitelé“, mají obvykle expanzní a kompresní stádia spojené s jednou nebo více hřídelemi, které mohou také zahrnovat převodovku pro regulaci rozdílu rychlosti mezi oběma stádii. Může také zahrnovat další motor, který poskytuje větší výkon pro kompresní fázi.
Níže jsou uvedeny některé z nejdůležitějších komponent, které zajišťují správnou provoz a stabilitu systému.
Obtokový ventil nebo redukující ventil tlaku. Obtokový ventil umožňuje operaci pokračovat, když turboexpander nefunguje (například pro údržbu nebo nouzovou situaci), zatímco tlak snižující ventil se používá pro nepřetržitý provoz k dodávce přebytečného plynu, když celkový tok překročí konstrukční kapacitu expandéru.
Nouzový vypnutí ventilu (ESD). ESD ventily se používají k blokování toku plynu do expandu v nouzové situaci, aby se zabránilo mechanickému poškození.
Nástroje a ovládací prvky. Důležité proměnné pro monitorování zahrnují vstupní a výstupní tlak, průtok, rychlost rotace a výkon.
Řízení nadměrnou rychlostí. Zařízení odřízne tok do turbíny a způsobí zpomalení rotoru turbíny, čímž chrání zařízení před nadměrnými rychlostmi v důsledku neočekávaných procesů, které by mohly zařízení poškodit.
Tlakový bezpečnostní ventil (PSV). PSV jsou často instalovány po turboexpanderu pro ochranu potrubí a nízkotlakého zařízení. PSV musí být navrženo tak, aby odolalo nejzávažnějším nepředvídacím událostem, které obvykle zahrnují selhání otevřeného obtokového ventilu. Pokud je expandér přidán do stávající stanice pro redukci tlaku, musí tým pro návrh procesu určit, zda stávající PSV poskytuje odpovídající ochranu.
Ohřívač. Ohřívače kompenzují pokles teploty způsobený plynem procházejícím turbínou, takže plyn musí být předehřát. Jeho hlavní funkcí je zvýšit teplotu stoupajícího toku plynu, aby se udržovala teplota plynu, která ponechává expandér nad minimální hodnotou. Další výhodou zvýšení teploty je zvýšení výkonu a zabránění korozi, kondenzaci nebo hydrátů, které by mohly nepříznivě ovlivnit trysky zařízení. V systémech obsahujících výměníky tepla (jak je znázorněno na obrázku 3), je teplota plynu obvykle řízena regulací toku zahřáté kapaliny do předehřívače. V některých návrzích lze místo tepelného výměníku použít ohřívač plamene nebo elektrického ohřívače. Ohřívače již mohou existovat ve existující stanici JT ventilu a přidání expandéru nemusí vyžadovat instalaci dalších topných strojů, ale spíše zvyšování toku vyhřívané tekutiny.
Mazací olej a těsnicí plynové systémy. Jak je uvedeno výše, expandéry mohou používat různé vzory těsnění, které mohou vyžadovat maziva a těsnění plynů. V případě potřeby musí mazací olej udržovat vysokou kvalitu a čistotu při kontaktu s procesními plyny a úroveň viskozity oleje musí zůstat v požadovaném provozním rozsahu mazaných ložisek. Uzavřené plynové systémy jsou obvykle vybaveny zařízením pro mazání oleje, aby se zabránilo vstupu oleje z ložiskové krabice do expanzní krabice. U speciálních aplikací srovnávačů používaných v uhlovodíkovém průmyslu jsou systémy maziva a těsnicího plynu obvykle navrženy na specifikace API 617 [5].
Variabilní frekvenční pohon (VFD). Když je generátor indukcí, je obvykle zapnutý VFD, aby upravil signál střídavého proudu (AC) tak, aby odpovídal frekvenci užitečnosti. Konstrukce založené na variabilních frekvenčních jednotkách mají obvykle vyšší celkovou účinnost než vzory, které používají převodovky nebo jiné mechanické komponenty. Systémy založené na VFD mohou také přizpůsobit širší škálu změn procesů, které mohou vést ke změnám rychlosti hřídele expandéru.
Přenos. Některé návrhy expandéru používají převodovku ke snížení rychlosti expandéru na jmenovité rychlosti generátoru. Náklady na použití převodovky jsou nižší celkovou účinností, a proto nižší výkon.
Při přípravě žádosti o nabídku (RFQ) na expandér musí procesní inženýr nejprve určit provozní podmínky, včetně následujících informací:
Mechaničtí inženýři často dokončují specifikace a specifikace generátoru expandéru pomocí údajů z jiných inženýrských disciplín. Tyto vstupy mohou zahrnovat následující:
Specifikace musí také zahrnovat seznam dokumentů a výkresů poskytnutých výrobcem v rámci procesu výběrového řízení a rozsahu dodávek, jakož i příslušné zkušební postupy, jak to vyžaduje projekt.
Technické informace poskytnuté výrobcem v rámci procesu výběrového řízení by měly obecně obsahovat následující prvky:
Pokud se jakýkoli aspekt návrhu liší od původních specifikací, musí výrobce také poskytnout seznam odchylek a důvody odchylek.
Jakmile je obdržen návrh, musí tým pro vývoj projektu přezkoumat žádost o dodržování předpisů a určit, zda jsou odchylky technicky odůvodněné.
Mezi další technické úvahy, které je třeba zvážit při hodnocení návrhů: patří:
Nakonec je třeba provést ekonomickou analýzu. Protože různé možnosti mohou mít za následek různé počáteční náklady, doporučuje se provést analýzu peněžních toků nebo životního cyklu pro porovnání dlouhodobé ekonomiky projektu a návratu investic. Například vyšší počáteční investice může být dlouhodobě kompenzována zvýšenou produktivitou nebo sníženými požadavky na údržbu. Pokyny k tomuto typu analýzy naleznete v části „Reference“. 4.
Všechny aplikace generátoru turboexpander vyžadují počáteční výpočet celkového potenciálu energie, aby se určilo celkové množství dostupné energie, které lze získat v konkrétní aplikaci. U generátoru turboexpander se výkonový potenciál vypočítá jako proces isentropického (konstantní entropie). Toto je ideální termodynamická situace pro zvážení reverzibilního adiabatického procesu bez tření, ale je to správný proces odhadu skutečného energetického potenciálu.
Isintropická potenciální energie (IPP) se vypočítá vynásobením specifického rozdílu entalpie na vstupu a výstupu turboexpanderu a vynásobením výsledku hmotnostním průtokem. Tato potenciální energie bude vyjádřena jako isentropická množství (rovnice (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
kde h (i, e) je specifická entalpie s ohledem na isentropickou výstupní teplotu a ṁ je hmotnostní průtok.
Přestože je pro odhad potenciální energie použita izontropická potenciální energie, všechny reálné systémy zahrnují tření, teplo a další pomocné energetické ztráty. Při výpočtu skutečného energetického potenciálu by tedy měly být brány v úvahu následující další vstupní údaje:
Ve většině aplikací Turboexpander je teplota omezena na minimum, aby se zabránilo nežádoucím problémům, jako je dříve zmíněné zmrazení potrubí. Tam, kde proudí zemní plyn, jsou hydráty téměř vždy přítomny, což znamená, že potrubí po proudu od turboexpanderu nebo škrticího ventilu zamrzne interně a externě, pokud výstupní teplota klesne pod 0 ° C. Tvorba ledu může mít za následek omezení toku a nakonec zastavit systém, aby se rozmrazoval. „Požadovaná“ teplota výstupu se tedy používá k výpočtu realističtějšího scénáře výkonu potenciálu. 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). Pro výpočet specifické entalpie použijte tuto požadovanou teplotu výstupu.
Je třeba zvážit také účinnost systému turboexpander. V závislosti na použité technologii se účinnost systému může výrazně lišit. Například turboexpander, který používá redukční zařízení k přenosu rotační energie z turbíny do generátoru, zažije větší ztráty tření než systém, který používá přímou jednotku z turbíny do generátoru. Celková účinnost systému turboexpanderu je vyjádřena jako procento a při posouzení skutečného energetického potenciálu turboexpanderu se bere v úvahu. Skutečný energetický potenciál (PP) se počítá následovně:
PP = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Podívejme se na aplikaci úlevy z tlaku zemního plynu. ABC provozuje a udržuje tlakovou stanici, která přepravuje zemní plyn z hlavního plynovodu a distribuuje ji do místních obcí. Na této stanici je vstupní tlak na plyn 40 bar a tlak na výstup je 8 bar. Předehřívaná teplota vstupního plynu je 35 ° C, což předehřeje plyn, aby se zabránilo zamrznutí potrubí. Proto musí být teplota výstupního plynu řízena tak, aby nespadala pod 0 ° C. V tomto příkladu použijeme 5 ° C jako minimální teplotu výstupu ke zvýšení bezpečnostního faktoru. Normalizovaný objemový průtok plynu je 50 000 nm3/h. Pro výpočet energetického potenciálu předpokládáme, že veškerý plyn protéká turbo expandérem a vypočítáme maximální výkon. Odhadněte celkový výkon výkonného výkonu pomocí následujícího výpočtu:
Čas příspěvku: květen 25-2024