Utvandrere kan bruke trykkreduksjon for å drive roterende maskiner. Informasjon om hvordan du kan evaluere de potensielle fordelene ved å installere en utvider, finner du her.
Vanligvis i den kjemiske prosessindustrien (CPI), er "en stor mengde energi bortkastet i trykkreguleringsventiler der høytrykksvæsker må trykket på" [1]. Avhengig av forskjellige tekniske og økonomiske faktorer, kan det være ønskelig å konvertere denne energien til roterende mekanisk energi, som kan brukes til å drive generatorer eller andre roterende maskiner. For inkomprimerbare væsker (væsker) oppnås dette ved bruk av en hydraulisk energiturbin (HPRT; se referanse 1). For komprimerbare væsker (gasser) er en ekspander en passende maskin.
Expovers er en moden teknologi med mange vellykkede bruksområder som væskekatalytisk sprekker (FCC), kjøling, naturgassbyventiler, luftseparasjon eller eksosutslipp. I prinsippet kan enhver gasstrøm med redusert trykk brukes til å drive en ekspander, men "energiutgangen er direkte proporsjonal med trykkforholdet, temperaturen og strømningshastigheten til gasstrømmen" [2], samt teknisk og økonomisk gjennomførbarhet. Expander implementering: Prosessen avhenger av disse og andre faktorer, for eksempel lokale energipriser og produsentens tilgjengelighet av passende utstyr.
Selv om Turboexpander (som fungerer på samme måte som en turbin) er den mest kjente typen ekspander (figur 1), er det andre typer som er egnet for forskjellige prosessforhold. Denne artikkelen introduserer hovedtypene av utvidere og deres komponenter og oppsummerer hvordan operasjonsledere, konsulenter eller energirevisorer i forskjellige KPI -divisjoner kan evaluere de potensielle økonomiske og miljømessige fordelene ved å installere en ekspander.
Det er mange forskjellige typer motstandsbånd som varierer veldig i geometri og funksjon. Hovedtypene er vist i figur 2, og hver type er kort beskrevet nedenfor. For mer informasjon, samt grafer som sammenligner driftsstatusen til hver type basert på spesifikke diametre og spesifikke hastigheter, se Hjelp. 3.
Stempel Turboexpander. Stempel og roterende stempel Turboexpanders fungerer som en omvendt roterende forbrenningsmotor, absorberer høytrykksgass og konverterer den lagrede energien til rotasjonsenergi gjennom veivakselen.
Dra turboutvidelsen. Bremseturbinutvidelsen består av et konsentrisk strømningskammer med bøttefinner festet til periferien til det roterende elementet. De er designet på samme måte som vannhjul, men tverrsnittet av de konsentriske kamrene øker fra innløp til utløp, slik at gassen kan utvide seg.
Radial Turboexpander. Radial flyt Turboexpanders har et aksialt innløp og et radielt utløp, slik at gassen kan utvide seg radialt gjennom turbinen. Tilsvarende utvider aksiale strømningsturbiner gass gjennom turbinhjulet, men strømningsretningen forblir parallelt med rotasjonsaksen.
Denne artikkelen fokuserer på radielle og aksiale turboexpanders, og diskuterer deres forskjellige undertyper, komponenter og økonomi.
En Turboexpander trekker ut energi fra en gasstrøm med høyt trykk og konverterer den til en drivbelastning. Vanligvis er belastningen en kompressor eller generator koblet til en aksel. En Turboexpander med en kompressor komprimerer væske i andre deler av prosessstrømmen som krever komprimert væske, og øker dermed den generelle effektiviteten til planten ved å bruke energi som ellers er bortkastet. En Turboexpander med en generatorbelastning konverterer energien til strøm, som kan brukes i andre planteprosesser eller returneres til det lokale nettet for salg.
Turboexpander -generatorer kan være utstyrt med enten en direkte drivaksel fra turbinhjulet til generatoren, eller gjennom en girkasse som effektivt reduserer inngangshastigheten fra turbinhjulet til generatoren gjennom et girforhold. Direkte stasjon Turboexpanders gir fordeler i effektivitet, fotavtrykk og vedlikeholdskostnader. Girkasse Turboexpanders er tyngre og krever et større fotavtrykk, smøring av hjelpeutstyr og regelmessig vedlikehold.
Gjennomgående turboexpanders kan lages i form av radielle eller aksiale turbiner. Radiale strømningsutvekslere inneholder et aksialt innløp og et radielt utløp slik at gasstrømmen kommer ut av turbinen radialt fra rotasjonsaksen. Aksielle turbiner lar gass flyte aksialt langs rotasjonsaksen. Aksialstrømningsturbiner trekker ut energi fra gasstrømmen gjennom innløpsguiden skinner til ekspanderingshjulet, med tverrsnittsarealet til ekspansjonskammeret gradvis øker for å opprettholde en konstant hastighet.
En Turboexpander -generator består av tre hovedkomponenter: et turbinhjul, spesielle lagre og en generator.
Turbinhjul. Turbinhjul er ofte designet spesielt for å optimalisere aerodynamisk effektivitet. Påføringsvariabler som påvirker turbinhjulsdesign inkluderer innløp/utløpstrykk, innløp/utløpstemperatur, volumstrøm og væskeegenskaper. Når kompresjonsforholdet er for høyt til å reduseres i ett trinn, er det nødvendig med en turboexpander med flere turbinhjul. Både radiale og aksiale turbinhjul kan utformes som flertrinns, men aksiale turbinhjul har en mye kortere aksial lengde og er derfor mer kompakte. Multistage radiale strømningsturbiner krever gass for å strømme fra aksial til radial og tilbake til aksial, noe som skaper høyere friksjonstap enn aksiale strømningsturbiner.
lagre. Bearing design er avgjørende for effektiv drift av en turboexpander. Lageltyper relatert til Turboexpander -design varierer mye og kan inkludere oljelager, flytende filmlagre, tradisjonelle kulelager og magnetiske lagre. Hver metode har sine egne fordeler og ulemper, som vist i tabell 1.
Mange Turboexpander -produsenter velger magnetiske lagre som deres "valg av valg" på grunn av deres unike fordeler. Magnetiske lagre sikrer friksjonsfri drift av Turboexpanders dynamiske komponenter, og reduserer drifts- og vedlikeholdskostnader betydelig i løpet av maskinens levetid. De er også designet for å motstå et bredt spekter av aksiale og radielle belastninger og overtrengende forhold. Deres høyere startkostnader blir oppveid av mye lavere livssykluskostnader.
dynamo. Generatoren tar rotasjonsenergien til turbinen og konverterer den til nyttig elektrisk energi ved bruk av en elektromagnetisk generator (som kan være en induksjonsgenerator eller en permanent magnetgenerator). Induksjonsgeneratorer har lavere hastighet, så høyhastighets turbinapplikasjoner krever en girkasse, men kan utformes for å matche nettfrekvensen, og eliminere behovet for en variabel frekvensstasjon (VFD) for å levere den genererte elektrisiteten. Permanente magnetgeneratorer kan derimot være direkte aksel koblet til turbinen og overføre strøm til nettet gjennom en variabel frekvensstasjon. Generatoren er designet for å levere maksimal effekt basert på akselkraften som er tilgjengelig i systemet.
Sel. Tetningen er også en kritisk komponent når du designer et Turboexpander -system. For å opprettholde høy effektivitet og oppfylle miljøstandarder, må systemer forsegles for å forhindre potensielle prosesser med prosessgass. Turboexpanders kan være utstyrt med dynamiske eller statiske tetninger. Dynamiske tetninger, for eksempel labyrint tetninger og tørre gassforseglinger, gir en tetning rundt en roterende aksel, typisk mellom turbinhjulet, lagrene og resten av maskinen der generatoren ligger. Dynamiske seler slites over tid og krever regelmessig vedlikehold og inspeksjon for å sikre at de fungerer som de skal. Når alle Turboexpander -komponenter er inneholdt i et enkelt hus, kan statiske tetninger brukes til å beskytte eventuelle ledninger som forlater huset, inkludert generatoren, magnetiske lagerstasjoner eller sensorer. Disse lufttette selene gir permanent beskyttelse mot gasslekkasje og krever ingen vedlikehold eller reparasjon.
Fra et prosesssynspunkt er det primære kravet for å installere en ekspander å levere høytrykkskompressibel (ikke-kondensabel) gass til et lavt trykksystem med tilstrekkelig strømning, trykkfall og utnyttelse for å opprettholde normal drift av utstyret. Driftsparametere opprettholdes på et trygt og effektivt nivå.
Når det gjelder trykkreduserende funksjon, kan ekspanderen brukes til å erstatte Joule-Thomson (JT) -ventilen, også kjent som gassventilen. Siden JT -ventilen beveger seg langs en isentropisk bane og ekspanderen beveger seg langs en nesten isentropisk bane, reduserer sistnevnte gassens entalpi og konverterer entalpiforskjellen til akselkraft, og produserer dermed en lavere utløpstemperatur enn JT -ventilen. Dette er nyttig i kryogene prosesser der målet er å redusere temperaturen på gassen.
Hvis det er en nedre grense på utløpsgassetemperaturen (for eksempel i en dekompresjonsstasjon der gasstemperaturen må opprettholdes over frysing, hydrering eller minimum materialdesigntemperatur), må minst en varmeapparat tilsettes. Kontroller gasstemperaturen. Når forvarmeren er plassert oppstrøms for utvidelsen, blir også noe av energien fra fôrgassen utvunnet i ekspanderen, og øker dermed kraftutgangen. I noen konfigurasjoner der utløpstemperaturkontrollen er nødvendig, kan en andre oanser installeres etter ekspanderen for å gi raskere kontroll.
I fig. Figur 3 viser et forenklet diagram over det generelle strømningsdiagrammet til en ekspandergenerator med forvarmer som brukes til å erstatte en JT -ventil.
I andre prosesskonfigurasjoner kan energien som er utvunnet i ekspanderen overføres direkte til kompressoren. Disse maskinene, noen ganger kalt "befal", har vanligvis utvidelses- og kompresjonsstadier koblet med en eller flere sjakter, som også kan omfatte en girkasse for å regulere hastighetsforskjellen mellom de to trinnene. Det kan også inkludere en ekstra motor for å gi mer kraft til kompresjonsstadiet.
Nedenfor er noen av de viktigste komponentene som sikrer riktig drift og stabilitet i systemet.
Omkjøringsventil eller trykkreduserende ventil. Omkjøringsventilen lar driften fortsette når Turboexpander ikke fungerer (for eksempel for vedlikehold eller en nødsituasjon), mens trykkreduserende ventil brukes til kontinuerlig drift for å levere overflødig gass når den totale strømmen overstiger ekspanderens designkapasitet.
Nødavstengningsventil (ESD). ESD -ventiler brukes til å blokkere strømmen av gass inn i ekspanderen i en nødsituasjon for å unngå mekanisk skade.
Instrumenter og kontroller. Viktige variabler å overvåke inkluderer innløps- og utløpstrykk, strømningshastighet, rotasjonshastighet og effekt.
Kjører i overdreven hastighet. Enheten kutter av strømmen til turbinen, og får turbinrotoren til å bremse, og beskytter dermed utstyret mot overdreven hastighet på grunn av uventede prosessforhold som kan skade utstyret.
Trykksikkerhetsventil (PSV). PSV -er er ofte installert etter en Turboexpander for å beskytte rørledninger og lavtrykksutstyr. PSV må være designet for å tåle de mest alvorlige beredskapene, som vanligvis inkluderer svikt i bypass -ventilen som åpnes. Hvis en ekspander blir lagt til en eksisterende trykkreduksjonsstasjon, må prosessdesignteamet avgjøre om den eksisterende PSV gir tilstrekkelig beskyttelse.
Varmeapparat. Varmeapparat kompenserer for temperaturfallet forårsaket av gassen som passerer gjennom turbinen, så gassen må forvarmes. Hovedfunksjonen er å øke temperaturen på den stigende gasstrømmen for å opprettholde temperaturen på gassen og etterlate ekspandereren over en minimumsverdi. En annen fordel med å heve temperaturen er å øke effektutgangen, samt forhindre korrosjon, kondensasjon eller hydrater som kan påvirke utstyrsdysene negativt. I systemer som inneholder varmevekslere (som vist i figur 3), styres gasstemperaturen vanligvis ved å regulere strømmen av oppvarmet væske i forvarmeren. I noen design kan en flammevarmer eller elektrisk varmeovn brukes i stedet for en varmeveksler. Varmer kan allerede eksistere i en eksisterende JT -ventilstasjon, og å legge til en ekspander kan ikke kreve å installere flere varmeovner, men heller øke strømmen av oppvarmet væske.
Smørende olje- og tetningsgassanlegg. Som nevnt ovenfor, kan utvidere bruke forskjellige tetningsdesign, som kan kreve smøremidler og tette gasser. Der det er aktuelt, må smøreoljen opprettholde høy kvalitet og renhet når du er i kontakt med prosesgasser, og oljeviskositetsnivået må forbli innenfor det nødvendige driftsområdet for smørte lagre. Forseglede gasssystemer er vanligvis utstyrt med en oljesmøringsenhet for å forhindre at olje fra lagerboksen kommer inn i utvidelsesboksen. For spesielle anvendelser av kompanderere som brukes i hydrokarbonindustrien, er glidende olje- og tetningsgasssystemer vanligvis designet for å API 617 [5] Del 4 -spesifikasjoner.
Variabel frekvensstasjon (VFD). Når generatoren er induksjon, slås en VFD vanligvis for å justere vekselstrøm (AC) -signalet for å matche bruksfrekvensen. Vanligvis har design basert på variable frekvensstasjoner høyere generell effektivitet enn design som bruker girkasser eller andre mekaniske komponenter. VFD-baserte systemer kan også imøtekomme et bredere spekter av prosessendringer som kan føre til endringer i ekspanderende akselhastighet.
Overføring. Noen utvidelsesdesign bruker en girkasse for å redusere hastigheten på ekspanderen til den nominelle hastigheten på generatoren. Kostnaden for å bruke en girkasse er lavere total effektivitet og derfor lavere effekt.
Når du utarbeider en forespørsel om anførselstegn (RFQ) for en ekspander, må prosessingeniøren først bestemme driftsbetingelsene, inkludert følgende informasjon:
Mekaniske ingeniører fullfører ofte ekspanderende generatorspesifikasjoner og spesifikasjoner ved hjelp av data fra andre tekniske fagdisipliner. Disse inngangene kan omfatte følgende:
Spesifikasjonene må også inneholde en liste over dokumenter og tegninger levert av produsenten som en del av anbudsprosessen og omfanget av forsyning, samt gjeldende testprosedyrer som kreves av prosjektet.
Den tekniske informasjonen som er gitt av produsenten som en del av anbudsprosessen, bør generelt inkludere følgende elementer:
Hvis noe aspekt av forslaget skiller seg fra de opprinnelige spesifikasjonene, må produsenten også gi en liste over avvik og årsakene til avvikene.
Når et forslag er mottatt, må prosjektutviklingsteamet gjennomgå forespørselen om overholdelse og avgjøre om avvik er teknisk berettiget.
Andre tekniske hensyn å vurdere når du evaluerer forslag inkluderer:
Til slutt må en økonomisk analyse gjennomføres. Fordi forskjellige alternativer kan føre til forskjellige startkostnader, anbefales det at en kontantstrøm eller livssykluskostnadsanalyse utføres for å sammenligne prosjektets langsiktige økonomi og avkastning på investeringen. For eksempel kan en høyere initialinvestering bli utlignet på lang sikt ved økt produktivitet eller reduserte vedlikeholdskrav. Se “Referanser” for instruksjoner om denne typen analyser. 4.
Alle Turboexpander-generator-applikasjoner krever en innledende total potensiell effektberegning for å bestemme den totale mengden tilgjengelig energi som kan gjenvinnes i en bestemt applikasjon. For en Turboexpander -generator beregnes kraftpotensialet som en isentropisk (konstant entropi) prosess. Dette er den ideelle termodynamiske situasjonen for å vurdere en reversibel adiabatisk prosess uten friksjon, men det er den riktige prosessen for å estimere det faktiske energipotensialet.
Isentropisk potensiell energi (IPP) beregnes ved å multiplisere den spesifikke entalpiforskjellen ved innløpet og utløpet til Turboexpander og multiplisere resultatet med massestrømningshastigheten. Denne potensielle energien vil bli uttrykt som en isentropisk mengde (ligning (1)):
IPP = (Hinlet - H (I, E)) × ṁ X ŋ (1)
Hvor H (i, e) er den spesifikke entalpien som tar hensyn til den isentropiske utløpstemperaturen og ṁ er massestrømningshastigheten.
Selv om isentropisk potensiell energi kan brukes til å estimere potensiell energi, involverer alle virkelige systemer friksjon, varme og andre tilknyttede energitap. Når du beregner det faktiske strømpotensialet, bør følgende tilleggsdata tas med i betraktningen:
I de fleste Turboexpander -applikasjoner er temperaturen begrenset til et minimum for å forhindre uønskede problemer som pipe frysing nevnt tidligere. Der naturgass strømmer, er hydrater nesten alltid til stede, noe som betyr at rørledningen nedstrøms for en turboexpander eller gassventil vil fryse internt og eksternt hvis utløpstemperaturen synker under 0 ° C. Iskedannelse kan føre til strømningsbegrensning og til slutt slå av systemet for å tine. Dermed brukes den "ønskede" utløpstemperaturen til å beregne et mer realistisk potensielt kraftscenario. For gasser som hydrogen er temperaturgrensen imidlertid mye lavere fordi hydrogen ikke endres fra gass til væske før den når kryogen temperatur (-253 ° C). Bruk denne ønskede utløpstemperaturen til å beregne den spesifikke entalpien.
Effektiviteten til Turboexpander -systemet må også vurderes. Avhengig av teknologien som brukes, kan systemeffektivitet variere betydelig. For eksempel vil en Turboexpander som bruker et reduksjonsutstyr for å overføre rotasjonsenergi fra turbinen til generatoren oppleve større friksjonstap enn et system som bruker direkte stasjon fra turbinen til generatoren. Den generelle effektiviteten til et Turboexpander -system er uttrykt i prosent og tas i betraktning når du vurderer det faktiske kraftpotensialet til Turboexpander. Selve kraftpotensialet (PP) beregnes som følger:
PP = (Hinlet - Hexit) × ṁ X ṅ (2)
La oss se på anvendelsen av naturgasstrykkavlastning. ABC driver og opprettholder en trykkreduksjonsstasjon som transporterer naturgass fra hovedrørledningen og distribuerer den til lokale kommuner. På denne stasjonen er gassinnløpstrykket 40 bar og utløpstrykket er 8 bar. Den forvarmede innløpsgassetemperaturen er 35 ° C, som forvarmer gassen for å forhindre frysing av rørledningen. Derfor må utløpsgassetemperaturen kontrolleres slik at den ikke faller under 0 ° C. I dette eksemplet vil vi bruke 5 ° C som minimum utløpstemperatur for å øke sikkerhetsfaktoren. Den normaliserte volumetriske gasstrømningshastigheten er 50 000 nm3/t. For å beregne kraftpotensialet, vil vi anta at all gass strømmer gjennom turbo -utvideren og beregner den maksimale effektutgangen. Estimere det totale effektutgangspotensialet ved å bruke følgende beregning:
Post Time: Mai-25-2024