ХАНДЖОУ НУЖУО ТЕХНОЛОГИЧНА ГРУПА КО., ООД

Разширителите могат да използват намаляване на налягането за задвижване на въртящи се машини. Информация за това как да се оценят потенциалните ползи от инсталирането на разширител можете да намерите тук.
Обикновено в химическата преработвателна промишленост (ХП) „голямо количество енергия се губи в регулиращите налягането клапани, където флуидите под високо налягане трябва да бъдат деналягани“ [1]. В зависимост от различни технически и икономически фактори може да е желателно тази енергия да се преобразува във въртяща се механична енергия, която може да се използва за задвижване на генератори или други въртящи се машини. За несвиваеми флуиди (течности) това се постига с помощта на хидравлична турбина за рекуперация на енергия (HPRT; вижте препратка 1). За свиваеми течности (газове) подходяща машина е разширител.
Експандерите са зряла технология с много успешни приложения, като например флуидно-каталитичен крекинг (FCC), хладилна техника, градски вентили за природен газ, разделяне на въздуха или емисии на отработени газове. По принцип всеки газов поток с намалено налягане може да се използва за задвижване на експандер, но „производната енергия е пряко пропорционална на съотношението на налягането, температурата и дебита на газовия поток“ [2], както и на техническата и икономическата осъществимост. Внедряване на експандера: Процесът зависи от тези и други фактори, като например местните цени на енергията и наличието на подходящо оборудване от производителя.
Въпреки че турбоекспандерът (функциониращ подобно на турбина) е най-известният вид експандер (Фигура 1), има и други видове, подходящи за различни технологични условия. Тази статия представя основните видове експандери и техните компоненти и обобщава как оперативните мениджъри, консултантите или енергийните одитори в различните отдели на CPI могат да оценят потенциалните икономически и екологични ползи от инсталирането на експандер.
Съществуват много различни видове ленти за съпротивление, които се различават значително по геометрия и функция. Основните видове са показани на Фигура 2, а всеки тип е описан накратко по-долу. За повече информация, както и графики, сравняващи работното състояние на всеки тип въз основа на специфични диаметри и специфични скорости, вижте Помощ. 3.
Бутален турбоекспандер. Буталните и ротационните бутални турбоекспандери работят като двигател с вътрешно горене с обратно въртене, като абсорбират газ под високо налягане и преобразуват съхранената му енергия във ротационна енергия чрез коляновия вал.
Плъзнете турбоекспандера. Експандерът на спирачната турбина се състои от концентрична камера за поток с кофа, прикрепени към периферията на въртящия се елемент. Те са проектирани по същия начин като водните колела, но напречното сечение на концентричните камери се увеличава от входа към изхода, което позволява на газа да се разширява.
Радиален турбоекспандер. Турбоекспандерите с радиален поток имат аксиален вход и радиален изход, което позволява на газа да се разширява радиално през работното колело на турбината. По подобен начин, турбините с аксиален поток разширяват газа през турбинното колело, но посоката на потока остава успоредна на оста на въртене.
Тази статия се фокусира върху радиалните и аксиалните турбоекспандери, като обсъжда техните различни подтипове, компоненти и икономическа ефективност.
Турбоекспандерът извлича енергия от газов поток с високо налягане и я преобразува в задвижващ товар. Обикновено товарът е компресор или генератор, свързан с вал. Турбоекспандерът с компресор компресира флуид в други части на технологичния поток, които изискват сгъстен флуид, като по този начин увеличава общата ефективност на инсталацията, като използва енергия, която иначе би се губила. Турбоекспандерът с генераторен товар преобразува енергията в електричество, което може да се използва в други процеси в инсталацията или да се върне в локалната електропреносна мрежа за продажба.
Турбоекспандерните генератори могат да бъдат оборудвани или с директно задвижване на вала от турбинното колело към генератора, или чрез скоростна кутия, която ефективно намалява входната скорост от турбинното колело към генератора чрез предавателно число. Турбоекспандерите с директно задвижване предлагат предимства по отношение на ефективност, заемана площ и разходи за поддръжка. Турбоекспандерите с редуктор са по-тежки и изискват по-голяма заемана площ, спомагателно оборудване за смазване и редовна поддръжка.
Проточните турбодетандери могат да бъдат изработени под формата на радиални или аксиални турбини. Радиалните детандери съдържат аксиален вход и радиален изход, така че газовият поток излиза от турбината радиално от оста на въртене. Аксиалните турбини позволяват на газа да тече аксиално по оста на въртене. Аксиалните турбини извличат енергия от газовия поток през входните направляващи лопатки към колелото на детандера, като площта на напречното сечение на разширителната камера постепенно се увеличава, за да се поддържа постоянна скорост.
Турбодетандерният генератор се състои от три основни компонента: турбинно колело, специални лагери и генератор.
Турбинно колело. Турбинните колела често са проектирани специално за оптимизиране на аеродинамичната ефективност. Променливите на приложението, които влияят върху дизайна на турбинното колело, включват входно/изходно налягане, входна/изходна температура, обемен поток и свойства на флуида. Когато степента на сгъстяване е твърде висока, за да бъде намалена на един етап, е необходим турбодетандер с множество турбинни колела. Както радиалните, така и аксиалните турбинни колела могат да бъдат проектирани като многостъпални, но аксиалните турбинни колела имат много по-къса аксиална дължина и следователно са по-компактни. Многостъпалните радиални турбини изискват газът да тече от аксиално към радиално и обратно към аксиално, което създава по-големи загуби от триене в сравнение с аксиалните турбини.
лагери. Конструкцията на лагерите е от решаващо значение за ефективната работа на турбоекспандъра. Видовете лагери, свързани с конструкциите на турбоекспандърите, варират значително и могат да включват маслени лагери, лагери с течен филм, традиционни сачмени лагери и магнитни лагери. Всеки метод има своите предимства и недостатъци, както е показано в Таблица 1.
Много производители на турбоекспандери избират магнитните лагери като свой „предпочитан лагер“ поради техните уникални предимства. Магнитните лагери осигуряват безтриева работа на динамичните компоненти на турбоекспандера, което значително намалява експлоатационните разходи и разходите за поддръжка през целия живот на машината. Те са проектирани и да издържат на широк диапазон от аксиални и радиални натоварвания и условия на пренапрежение. По-високите им първоначални разходи се компенсират от много по-ниски разходи през целия жизнен цикъл.
динамо. Генераторът приема ротационната енергия на турбината и я преобразува в полезна електрическа енергия, използвайки електромагнитен генератор (който може да бъде индукционен генератор или генератор с постоянен магнит). Индукционните генератори имат по-ниска номинална скорост, така че приложенията с високоскоростни турбини изискват скоростна кутия, но могат да бъдат проектирани да съответстват на честотата на мрежата, елиминирайки необходимостта от честотно задвижване (VFD) за захранване на генерираната електроенергия. Генераторите с постоянни магнити, от друга страна, могат да бъдат директно свързани с вала на турбината и да предават мощност към мрежата чрез честотно задвижване. Генераторът е проектиран да доставя максимална мощност въз основа на мощността на вала, налична в системата.
Уплътнения. Уплътнението е също критичен компонент при проектирането на турбоекспандерна система. За да се поддържа висока ефективност и да се отговаря на екологичните стандарти, системите трябва да бъдат уплътнени, за да се предотвратят потенциални течове на технологичен газ. Турбоекспандерите могат да бъдат оборудвани с динамични или статични уплътнения. Динамичните уплътнения, като лабиринтни уплътнения и сухи газови уплътнения, осигуряват уплътнение около въртящ се вал, обикновено между турбинното колело, лагерите и останалата част от машината, където се намира генераторът. Динамичните уплътнения се износват с времето и изискват редовна поддръжка и проверка, за да се гарантира, че функционират правилно. Когато всички компоненти на турбоекспандера са в един корпус, могат да се използват статични уплътнения за защита на всички кабели, излизащи от корпуса, включително към генератора, задвижванията с магнитни лагери или сензорите. Тези херметични уплътнения осигуряват постоянна защита срещу изтичане на газ и не изискват поддръжка или ремонт.
От гледна точка на процеса, основното изискване за инсталиране на разширител е да се подава свиваем (некондензируем) газ под високо налягане към система с ниско налягане с достатъчен дебит, спад на налягането и използване, за да се поддържа нормална работа на оборудването. Работните параметри се поддържат на безопасно и ефективно ниво.
По отношение на функцията за намаляване на налягането, разширителят може да се използва за заместване на клапана на Джаул-Томсън (JT), известен още като дроселна клапа. Тъй като JT клапанът се движи по изоентропен път, а разширителят се движи по почти изоентропен път, последният намалява енталпията на газа и преобразува разликата в енталпията в мощност на вала, като по този начин се получава по-ниска изходна температура в сравнение с JT клапана. Това е полезно при криогенни процеси, където целта е да се намали температурата на газа.
Ако има долна граница на температурата на изходния газ (например, в декомпресорна станция, където температурата на газа трябва да се поддържа над температурата на замръзване, хидратация или минималната проектна температура на материала), трябва да се добави поне един нагревател. Контролирайте температурата на газа. Когато предварителният нагревател е разположен преди разширителя, част от енергията от захранващия газ също се регенерира в разширителя, като по този начин се увеличава неговата изходна мощност. В някои конфигурации, където е необходим контрол на температурата на изхода, след разширителя може да се монтира втори подгревател, за да се осигури по-бърз контрол.
На фиг. Фигура 3 показва опростена диаграма на общата блок-схема на разширителен генератор с предварителен нагревател, използван за заместване на JT клапан.
В други конфигурации на процеса, енергията, възстановена в разширителя, може да се прехвърли директно към компресора. Тези машини, понякога наричани „командири“, обикновено имат етапи на разширение и компресия, свързани чрез един или повече валове, които могат да включват и скоростна кутия за регулиране на разликата в скоростта между двата етапа. Може да включва и допълнителен двигател, който да осигурява повече мощност на етапа на компресия.
По-долу са изброени някои от най-важните компоненти, които осигуряват правилната работа и стабилност на системата.
Байпасен клапан или редуцир-вентил. Байпасният клапан позволява работата да продължи, когато турбодетандерът не работи (например за поддръжка или аварийна ситуация), докато редуцир-вентилът се използва за непрекъсната работа, за да подаде излишен газ, когато общият дебит надвиши проектния капацитет на детандера.
Авариен спирателен вентил (ESD). ESD вентилите се използват за блокиране на потока на газ в разширителя в случай на авария, за да се избегнат механични повреди.
Прибори и органи за управление. Важни променливи за наблюдение включват входно и изходно налягане, дебит, скорост на въртене и изходна мощност.
Шофиране с прекомерна скорост. Устройството прекъсва потока към турбината, което води до забавяне на ротора на турбината, като по този начин предпазва оборудването от прекомерни скорости, дължащи се на неочаквани условия на процеса, които биха могли да го повредят.
Предпазен клапан за налягане (PSV). PSV често се монтират след турбодетандер, за да предпазят тръбопроводи и оборудване за ниско налягане. PSV трябва да бъде проектиран да издържа на най-тежките непредвидени ситуации, които обикновено включват отказ на байпасния клапан. Ако към съществуваща станция за намаляване на налягането се добави разширител, екипът за проектиране на процеса трябва да определи дали съществуващият PSV осигурява адекватна защита.
Нагревател. Нагревателите компенсират спада на температурата, причинен от преминаването на газа през турбината, така че газът трябва да бъде предварително загрят. Основната му функция е да повиши температурата на възходящия газов поток, за да поддържа температурата на газа, напускащ разширителя, над минимална стойност. Друго предимство на повишаването на температурата е увеличаването на изходната мощност, както и предотвратяването на корозия, кондензация или хидрати, които биха могли да повлияят неблагоприятно на дюзите на оборудването. В системи, съдържащи топлообменници (както е показано на Фигура 3), температурата на газа обикновено се контролира чрез регулиране на потока на нагрятата течност в подгревателя. В някои конструкции вместо топлообменник може да се използва пламъчен нагревател или електрически нагревател. Нагревателите може вече да съществуват в съществуваща JT клапанна станция и добавянето на разширител може да не изисква инсталиране на допълнителни нагреватели, а по-скоро увеличаване на потока на нагрятата течност.
Системи за смазочно масло и уплътнителен газ. Както бе споменато по-горе, разширителите могат да използват различни конструкции на уплътнения, които може да изискват смазочни материали и уплътнителни газове. Където е приложимо, смазочното масло трябва да поддържа високо качество и чистота при контакт с технологични газове, а нивото на вискозитет на маслото трябва да остане в рамките на необходимия работен диапазон на смазваните лагери. Системите за запечатан газ обикновено са оборудвани с устройство за смазване с масло, за да се предотврати навлизането на масло от лагерната кутия в разширителната кутия. За специални приложения на компандерите, използвани във въглеводородната промишленост, системите за смазочно масло и уплътнителен газ обикновено са проектирани съгласно спецификациите на API 617 [5] Част 4.
Задвижване с променлива честота (ЧП). Когато генераторът е индукционен, ЧП обикновено се включва, за да регулира сигнала за променлив ток (AC), за да съответства на честотата на електроснабдителната мрежа. Обикновено конструкциите, базирани на задвижвания с променлива честота, имат по-висока обща ефективност от конструкциите, които използват скоростни кутии или други механични компоненти. Системите, базирани на ЧП, могат също така да поемат по-широк диапазон от промени в процеса, които могат да доведат до промени в скоростта на вала на разширителя.
Трансмисия. Някои конструкции на разширители използват скоростна кутия, за да намалят скоростта на разширителя до номиналната скорост на генератора. Цената на използването на скоростна кутия е по-ниска обща ефективност и следователно по-ниска изходна мощност.
Когато подготвя заявка за оферта (RFQ) за разширител, технологичният инженер първо трябва да определи работните условия, включително следната информация:
Машинните инженери често изготвят спецификации на разширителни генератори и спецификации, използвайки данни от други инженерни дисциплини. Тези входни данни могат да включват следното:
Спецификациите трябва да включват и списък с документи и чертежи, предоставени от производителя като част от тръжната процедура, и обхвата на доставката, както и приложимите процедури за изпитване, изисквани от проекта.
Техническата информация, предоставена от производителя като част от тръжната процедура, обикновено следва да включва следните елементи:
Ако някой аспект на предложението се различава от първоначалните спецификации, производителят трябва също да предостави списък с отклоненията и причините за тях.
След като бъде получено предложение, екипът за разработване на проекта трябва да прегледа искането за съответствие и да определи дали отклоненията са технически обосновани.
Други технически съображения, които трябва да се вземат предвид при оценката на предложенията, включват:
Накрая е необходимо да се извърши икономически анализ. Тъй като различните опции могат да доведат до различни първоначални разходи, се препоръчва да се извърши анализ на паричния поток или разходите за жизнения цикъл, за да се сравнят дългосрочната икономическа ефективност на проекта и възвръщаемостта на инвестициите. Например, по-високата първоначална инвестиция може да бъде компенсирана в дългосрочен план от повишена производителност или намалени изисквания за поддръжка. Вижте „Референции“ за инструкции относно този вид анализ. 4.
Всички приложения на турборазширителен генератор изискват първоначално изчисление на общата потенциална мощност, за да се определи общото количество налична енергия, която може да бъде възстановена в конкретно приложение. За турборазширителен генератор, енергийният потенциал се изчислява като изоентропен (с постоянна ентропия) процес. Това е идеалната термодинамична ситуация за разглеждане на обратим адиабатен процес без триене, но е и правилният процес за оценка на действителния енергиен потенциал.
Изентропната потенциална енергия (ИПЕ) се изчислява чрез умножаване на специфичната енталпийна разлика на входа и изхода на турбодетандера и умножаване на резултата по масовия дебит. Тази потенциална енергия ще бъде изразена като изентропна величина (уравнение (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
където h(i,e) е специфичната енталпия, отчитаща изоентропната температура на изхода, а ṁ е масовият дебит.
Въпреки че изентропната потенциална енергия може да се използва за оценка на потенциалната енергия, всички реални системи включват триене, топлина и други спомагателни енергийни загуби. Следователно, при изчисляване на действителния енергиен потенциал, трябва да се вземат предвид следните допълнителни входни данни:
В повечето приложения на турбоекспандери температурата е ограничена до минимум, за да се предотвратят нежелани проблеми, като например замръзване на тръбите, споменато по-рано. Там, където тече природен газ, почти винаги присъстват хидрати, което означава, че тръбопроводът след турбоекспандера или дроселната клапа ще замръзне вътрешно и външно, ако температурата на изхода падне под 0°C. Образуването на лед може да доведе до ограничаване на потока и в крайна сметка да спре системата за размразяване. По този начин „желаната“ изходна температура се използва за изчисляване на по-реалистичен сценарий на потенциална мощност. За газове като водород обаче температурното ограничение е много по-ниско, защото водородът не преминава от газообразно в течно състояние, докато не достигне криогенна температура (-253°C). Използвайте тази желана изходна температура, за да изчислите специфичната енталпия.
Трябва да се вземе предвид и ефективността на системата с турборазширител. В зависимост от използваната технология, ефективността на системата може да варира значително. Например, турборазширител, който използва редуктор за прехвърляне на ротационна енергия от турбината към генератора, ще претърпи по-големи загуби от триене, отколкото система, която използва директно задвижване от турбината към генератора. Общата ефективност на системата с турборазширител се изразява в проценти и се взема предвид при оценката на действителния потенциал на мощността на турборазширителя. Действителният потенциал на мощност (PP) се изчислява, както следва:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Нека разгледаме приложението на намаляването на налягането на природния газ. ABC управлява и поддържа станция за намаляване на налягането, която транспортира природен газ от главния тръбопровод и го разпределя до местните общини. В тази станция входното налягане на газа е 40 бара, а изходното налягане е 8 бара. Температурата на предварително загрятия входящ газ е 35°C, което го подгрява, за да предотврати замръзване на тръбопровода. Следователно, температурата на изходния газ трябва да се контролира, така че да не пада под 0°C. В този пример ще използваме 5°C като минимална изходна температура, за да увеличим коефициента на безопасност. Нормализираният обемен дебит на газа е 50 000 Nm3/h. За да изчислим потенциала на мощността, ще приемем, че целият газ преминава през турбодетандера и ще изчислим максималната изходна мощност. Оценете общия потенциал на изходната мощност, като използвате следното изчисление: