Ekspandere kan bruke trykkreduksjon til å drive roterende maskiner. Informasjon om hvordan du vurderer de potensielle fordelene ved å installere en forlenger finner du her.
I den kjemiske prosessindustrien (CPI) er det typisk at «en stor mengde energi går til spille i trykkreguleringsventiler der høytrykksvæsker må trykkavlastes» [1]. Avhengig av ulike 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 ikke-kompressible væsker (væsker) oppnås dette ved hjelp av en hydraulisk energigjenvinningsturbin (HPRT; se referanse 1). For kompressible væsker (gasser) er en ekspander en passende maskin.
Ekspandere er en moden teknologi med mange vellykkede bruksområder som fluidkatalytisk krakking (FCC), kjøling, naturgassventiler, luftseparasjon eller eksosutslipp. I prinsippet kan enhver gasstrøm med redusert trykk brukes til å drive en ekspander, men «energiproduksjonen er direkte proporsjonal med trykkforholdet, temperaturen og strømningshastigheten til gasstrømmen» [2], samt teknisk og økonomisk gjennomførbarhet. Implementering av ekspander: Prosessen avhenger av disse og andre faktorer, som lokale energipriser og produsentens tilgjengelighet av passende utstyr.
Selv om turboekspanderen (som fungerer på samme måte som en turbin) er den mest kjente typen ekspander (figur 1), finnes det andre typer som er egnet for ulike prosessforhold. Denne artikkelen introduserer hovedtypene ekspandere og deres komponenter, og oppsummerer hvordan driftsledere, konsulenter eller energirevisorer i ulike CPI-avdelinger kan evaluere de potensielle økonomiske og miljømessige fordelene ved å installere en ekspander.
Det finnes mange forskjellige typer motstandsbånd som varierer mye 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.
Stempelturboekspander. Stempel- og rotasjonsstempelturboekspandere fungerer som en reversroterende forbrenningsmotor, absorberer høytrykksgass og omdanner den lagrede energien til rotasjonsenergi gjennom veivakselen.
Dra turboekspanderen. Bremseturbinekspanderen består av et konsentrisk strømningskammer med bøtteribber festet til periferien av det roterende elementet. De er utformet på samme måte som vannhjul, men tverrsnittet av de konsentriske kamrene øker fra innløp til utløp, slik at gassen kan ekspandere.
Radial turboekspander. Radialstrømningsturboekspandere har et aksialt innløp og et radialt utløp, som lar gassen ekspandere radielt gjennom turbinhjulet. På samme måte ekspanderer aksialstrømningsturbiner gassen gjennom turbinhjulet, men strømningsretningen forblir parallell med rotasjonsaksen.
Denne artikkelen fokuserer på radielle og aksiale turboekspandere, og diskuterer deres ulike undertyper, komponenter og økonomi.
En turboekspander utvinner energi fra en høytrykksgasstrøm og omdanner den til en drivlast. Lasten er vanligvis en kompressor eller generator koblet til en aksel. En turboekspander med en kompressor komprimerer væske i andre deler av prosessstrømmen som krever komprimert væske, og øker dermed anleggets totale effektivitet ved å bruke energi som ellers går til spille. En turboekspander med en generatorlast omdanner energien til elektrisitet, som kan brukes i andre anleggsprosesser eller returneres til det lokale strømnettet for salg.
Turboekspandergeneratorer kan utstyres med enten en direkte drivaksel fra turbinhjulet til generatoren, eller gjennom en girkasse som effektivt reduserer inngangshastigheten fra turbinhjulet til generatoren gjennom et girforhold. Direktedrevne turboekspandere gir fordeler innen effektivitet, fotavtrykk og vedlikeholdskostnader. Girkasseturboekspandere er tyngre og krever et større fotavtrykk, smøreutstyr og regelmessig vedlikehold.
Gjennomstrømningsturboekspandere kan lages i form av radielle eller aksiale turbiner. Radielle strømningsekspandere inneholder et aksialt innløp og et radielt utløp slik at gasstrømmen forlater turbinen radielt fra rotasjonsaksen. Aksiale turbiner lar gassen strømme aksialt langs rotasjonsaksen. Aksiale strømningsturbiner utvinner energi fra gasstrømmen gjennom innløpsledevinger til ekspanderhjulet, hvor tverrsnittsarealet av ekspansjonskammeret gradvis øker for å opprettholde en konstant hastighet.
En turboekspandergenerator består av tre hovedkomponenter: et turbinhjul, spesiallagre og en generator.
Turbinhjul. Turbinhjul er ofte spesielt designet for å optimalisere aerodynamisk effektivitet. Bruksvariabler som påvirker turbinhjuldesign inkluderer innløps-/utløpstrykk, innløps-/utløpstemperatur, volumstrøm og væskeegenskaper. Når kompresjonsforholdet er for høyt til å reduseres i ett trinn, kreves en turboekspander med flere turbinhjul. Både radiale og aksiale turbinhjul kan designes som flertrinns, men aksiale turbinhjul har en mye kortere aksial lengde og er derfor mer kompakte. Flertrinns radialstrømsturbiner krever at gass strømmer fra aksial til radial og tilbake til aksial, noe som skaper høyere friksjonstap enn aksialstrømsturbiner.
Lager. Lagerdesign er avgjørende for effektiv drift av en turboekspander. Lagertyper relatert til turboekspanderdesign varierer mye og kan inkludere oljelagre, flytende filmlagre, tradisjonelle kulelagre og magnetiske lagre. Hver metode har sine egne fordeler og ulemper, som vist i tabell 1.
Mange produsenter av turboekspandere velger magnetiske lagre som sitt «foretrukket lager» på grunn av deres unike fordeler. Magnetiske lagre sikrer friksjonsfri drift av turboekspanderens dynamiske komponenter, noe som reduserer drifts- og vedlikeholdskostnader betydelig over maskinens levetid. De er også konstruert for å tåle et bredt spekter av aksiale og radiale belastninger og overbelastningsforhold. De høyere startkostnadene oppveies av mye lavere livssykluskostnader.
dynamo. Generatoren tar turbinens rotasjonsenergi og konverterer den til nyttig elektrisk energi ved hjelp av en elektromagnetisk generator (som kan være en induksjonsgenerator eller en permanentmagnetgenerator). Induksjonsgeneratorer har lavere nominell hastighet, så høyhastighetsturbinapplikasjoner krever en girkasse, men kan utformes for å matche nettfrekvensen, noe som eliminerer behovet for en variabel frekvensomformer (VFD) for å levere den genererte strømmen. Permanentmagnetgeneratorer, derimot, kan akselkobles direkte til turbinen og overføre kraft til nettet gjennom en variabel frekvensomformer. Generatoren er designet for å levere maksimal effekt basert på akseleffekten som er tilgjengelig i systemet.
Tetninger. Tetningen er også en kritisk komponent når man designer et turboekspandersystem. For å opprettholde høy effektivitet og oppfylle miljøstandarder, må systemene forsegles for å forhindre potensielle prosessgasslekkasjer. Turboekspandere kan utstyres med dynamiske eller statiske tetninger. Dynamiske tetninger, som labyrinttetninger og tørrgasstetninger, gir en tetning rundt en roterende aksel, vanligvis mellom turbinhjulet, lagrene og resten av maskinen der generatoren er plassert. Dynamiske tetninger slites ut over tid og krever regelmessig vedlikehold og inspeksjon for å sikre at de fungerer som de skal. Når alle turboekspanderkomponenter er samlet i ett enkelt hus, kan statiske tetninger brukes til å beskytte eventuelle ledninger som kommer ut av huset, inkludert til generatoren, magnetiske lagerdrev eller sensorer. Disse lufttette tetningene gir permanent beskyttelse mot gasslekkasje og krever ikke vedlikehold eller reparasjon.
Fra et prosessperspektiv er det primære kravet for å installere en ekspander å tilføre høytrykkskompressibel (ikke-kondenserbar) gass til et lavtrykkssystem med tilstrekkelig strømning, trykkfall og utnyttelse til å opprettholde normal drift av utstyret. Driftsparametrene 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 strupeventilen. Siden JT-ventilen beveger seg langs en isentropisk bane og ekspanderen beveger seg langs en nesten isentropisk bane, reduserer sistnevnte entalpien til gassen og omdanner 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 for utløpsgasstemperaturen (for eksempel i en dekompresjonsstasjon der gasstemperaturen må holdes over frysepunktet, hydrering eller minimum materialdesigntemperatur), må minst én varmer legges til. Kontroller gasstemperaturen. Når forvarmeren er plassert oppstrøms ekspanderen, gjenvinnes også noe av energien fra mategassen i ekspanderen, og dermed økes effekten. I noen konfigurasjoner der utløpstemperaturkontroll er nødvendig, kan en andre ettervarmer installeres etter ekspanderen for å gi raskere kontroll.
I figur 3 vises et forenklet diagram av det generelle flytskjemaet til en ekspandergenerator med forvarmer som brukes til å erstatte en JT-ventil.
I andre prosesskonfigurasjoner kan energien som gjenvinnes i ekspanderen overføres direkte til kompressoren. Disse maskinene, noen ganger kalt «kommandører», har vanligvis ekspansjons- og kompresjonstrinn koblet sammen med en eller flere aksler, som også kan inkludere en girkasse for å regulere hastighetsforskjellen mellom de to trinnene. Den kan også inkludere en ekstra motor for å gi mer kraft til kompresjonstrinnet.
Nedenfor er noen av de viktigste komponentene som sikrer riktig drift og stabilitet i systemet.
Bypassventil eller trykkreduksjonsventil. Bypassventilen tillater at driften fortsetter når turboekspanderen ikke er i drift (for eksempel ved vedlikehold eller i nødstilfeller), mens trykkreduksjonsventilen brukes til kontinuerlig drift for å tilføre overflødig gass når den totale strømmen overstiger ekspanderens designkapasitet.
Nødavstengningsventil (ESD). ESD-ventiler brukes til å blokkere gassstrømmen 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.
Kjøring i for høy hastighet. Enheten kutter strømmen til turbinen, noe som fører til at turbinrotoren bremser ned, og beskytter dermed utstyret mot for høye hastigheter på grunn av uventede prosessforhold som kan skade utstyret.
Trykksikkerhetsventil (PSV). Trykksikkerhetsventiler installeres ofte etter en turboekspander for å beskytte rørledninger og lavtrykksutstyr. Trykksikkerhetsventilen må være konstruert for å tåle de mest alvorlige situasjonene, som vanligvis inkluderer at bypassventilen ikke åpner seg. Hvis en ekspander legges til en eksisterende trykkreduksjonsstasjon, må prosessdesignteamet avgjøre om den eksisterende trykksikkerhetsventilen gir tilstrekkelig beskyttelse.
Varmeelement. Varmeelementer 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 holde temperaturen på gassen som forlater ekspanderen over en minimumsverdi. En annen fordel med å heve temperaturen er å øke effekten samt forhindre korrosjon, kondens eller hydrater som kan påvirke utstyrets dyser negativt. I systemer som inneholder varmevekslere (som vist i figur 3), kontrolleres gasstemperaturen vanligvis ved å regulere strømmen av oppvarmet væske inn i forvarmeren. I noen utførelser kan en flammevarmer eller elektrisk varmeelement brukes i stedet for en varmeveksler. Varmeelementer kan allerede finnes i en eksisterende JT-ventilstasjon, og å legge til en ekspander krever kanskje ikke installasjon av ekstra varmeelementer, men snarere økning av strømmen av oppvarmet væske.
Smøreolje- og tetningsgasssystemer. Som nevnt ovenfor kan ekspandere bruke forskjellige tetningsdesign, som kan kreve smøremidler og tetningsgasser. Der det er aktuelt, må smøreoljen opprettholde høy kvalitet og renhet når den er i kontakt med prosessgasser, og oljeviskositetsnivået må forbli innenfor det nødvendige driftsområdet for smurte lagre. Forseglede gasssystemer er vanligvis utstyrt med en oljesmøreanordning for å forhindre at olje fra lagerboksen kommer inn i ekspansjonsboksen. For spesielle bruksområder for ekspandere som brukes i hydrokarbonindustrien, er smøreolje- og tetningsgasssystemer vanligvis designet i henhold til API 617 [5] del 4-spesifikasjoner.
Variabel frekvensdrift (VFD). Når generatoren er induksjonsdrevet, slås en VFD vanligvis på for å justere vekselstrømssignalet (AC) slik at det samsvarer med nettfrekvensen. Vanligvis har design basert på variabel frekvensdrift høyere total effektivitet enn design som bruker girkasser eller andre mekaniske komponenter. VFD-baserte systemer kan også håndtere et bredere spekter av prosessendringer som kan resultere i endringer i ekspanderakselhastigheten.
Girkasse. Noen ekspanderkonstruksjoner bruker en girkasse for å redusere ekspanderhastigheten til generatorens nominelle hastighet. Kostnaden ved å bruke en girkasse er lavere total effektivitet og dermed lavere effekt.
Når prosessingeniøren utarbeider en forespørsel om tilbud (RFQ) for en ekspander, må vedkommende først bestemme driftsforholdene, inkludert følgende informasjon:
Maskiningeniører utarbeider ofte spesifikasjoner for ekspandergeneratorer ved hjelp av data fra andre ingeniørdisipliner. Disse inndataene kan omfatte følgende:
Spesifikasjonene må også inneholde en liste over dokumenter og tegninger levert av produsenten som en del av anbudsprosessen og leveransens omfang, samt gjeldende testprosedyrer som kreves av prosjektet.
Den tekniske informasjonen som produsenten gir som en del av anbudsprosessen bør vanligvis inneholde følgende elementer:
Hvis noe ved forslaget avviker fra de opprinnelige spesifikasjonene, må produsenten også legge frem en liste over avvik og årsakene til avvikene.
Når et forslag er mottatt, må prosjektutviklingsteamet gjennomgå forespørselen om samsvar og avgjøre om avvikene er teknisk begrunnet.
Andre tekniske hensyn å vurdere når man vurderer forslag inkluderer:
Til slutt må det utføres en økonomisk analyse. Fordi ulike alternativer kan resultere i ulike initialkostnader, anbefales det at det utføres en kontantstrøm- eller livssykluskostnadsanalyse for å sammenligne prosjektets langsiktige økonomi og avkastning på investeringen. For eksempel kan en høyere initialinvestering på lang sikt oppveies av økt produktivitet eller reduserte vedlikeholdsbehov. Se «Referanser» for instruksjoner om denne typen analyse. 4.
Alle turboekspandergeneratorapplikasjoner krever en innledende beregning av total potensiell effekt for å bestemme den totale mengden tilgjengelig energi som kan gjenvinnes i en bestemt applikasjon. For en turboekspandergenerator beregnes effektpotensialet 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 turboekspanderen 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 tatt i betraktning 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 tilleggsenergitap. Derfor bør følgende tilleggsdata tas i betraktning når man beregner det faktiske effektpotensialet:
I de fleste turboekspanderapplikasjoner er temperaturen begrenset til et minimum for å forhindre uønskede problemer som rørfrysing som nevnt tidligere. Der naturgass strømmer, er hydrater nesten alltid tilstede, noe som betyr at rørledningen nedstrøms en turboekspander eller strupeventil vil fryse internt og eksternt hvis utløpstemperaturen faller under 0 °C. Isdannelse kan føre til strømningsbegrensning og til slutt stenge av systemet for avriming. Dermed brukes den "ønskede" utløpstemperaturen til å beregne et mer realistisk potensielt effektscenario. For gasser som hydrogen er imidlertid temperaturgrensen mye lavere fordi hydrogen ikke går fra gass til væske før det når kryogen temperatur (-253 °C). Bruk denne ønskede utløpstemperaturen til å beregne den spesifikke entalpien.
Effektiviteten til turboekspandersystemet må også vurderes. Avhengig av hvilken teknologi som brukes, kan systemeffektiviteten variere betydelig. For eksempel vil en turboekspander som bruker et reduksjonsgir for å overføre rotasjonsenergi fra turbinen til generatoren oppleve større friksjonstap enn et system som bruker direktedrift fra turbinen til generatoren. Den totale effektiviteten til et turboekspandersystem uttrykkes som en prosentandel og tas i betraktning når man vurderer det faktiske effektpotensialet til turboekspanderen. Det faktiske effektpotensialet (PP) beregnes som følger:
PP = (hinlet – heksit) × ṁ x ṅ (2)
La oss se på bruken av trykkavlastning for naturgass. ABC driver og vedlikeholder 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 innløpsgasstemperaturen er 35 °C, noe som forvarmer gassen for å forhindre at rørledningen fryser. Derfor må utløpsgasstemperaturen 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 gassstrømningshastigheten er 50 000 Nm3/t. For å beregne effektpotensialet antar vi at all gass strømmer gjennom turboekspanderen og beregner maksimal effekt. Estimer det totale effektpotensialet ved å bruke følgende beregning:
Publiseringstid: 25. mai 2024