Разширяващите могат да използват намаляване на налягането, за да задвижват въртящи се машини. Информация за това как да се оцени потенциалните ползи от инсталирането на разширител можете да намерите тук.
Обикновено в индустрията на химическите процеси (CPI) „голямо количество енергия се губи в клапани за контрол на налягането, където течностите с високо налягане трябва да бъдат потиснати“ [1]. В зависимост от различни технически и икономически фактори, може да е желателно да се превърне тази енергия в въртяща се механична енергия, която може да се използва за задвижване на генератори или други въртящи се машини. За некомпресивни течности (течности) това се постига с помощта на турбина за възстановяване на хидравлична енергия (HPRT; виж Референция 1). За сгъваеми течности (газове) разширителят е подходяща машина.
Разширяващите са зряла технология с много успешни приложения като течно -каталитично напукване (FCC), хладилник, градски клапани на природен газ, отделяне на въздух или емисии на отработени газове. По принцип всеки газов поток с намалено налягане може да се използва за задвижване на разширителя, но „изходът на енергия е пряко пропорционален на съотношението на налягането, температурата и дебита на газовия поток“ [2], както и техническата и икономическата осъществимост. Изпълнение на Expander: Процесът зависи от тези и други фактори, като например местните цени на енергията и наличието на подходящо оборудване на производителя.
Въпреки че турбоекспандърът (функциониращ подобно на турбина) е най-известният тип разширител (Фигура 1), има и други видове, подходящи за различни условия на процеса. Тази статия представя основните видове разширители и техните компоненти и обобщава как операциите мениджъри, консултанти или енергийни одитори в различни отдели за ИПП могат да оценят потенциалните икономически и екологични ползи от инсталирането на разширител.
Има много различни видове ленти за съпротива, които се различават значително в геометрията и функцията. Основните типове са показани на фигура 2 и всеки тип е описан накратко по -долу. За повече информация, както и графики, сравняващи работното състояние от всеки тип въз основа на специфични диаметри и специфични скорости, вижте помощта. 3.
Бутален турбоекспенд. Буталото и въртящото се бутално турбоуксери работят като двигател с вътрешно горене на обратното въртящи се, абсорбирайки газ с високо налягане и превръщайки съхраняваната му енергия в ротационна енергия през коляновия вал.
Плъзнете турбо разширителя. Разширяването на спирачната турбина се състои от камера за концентричен поток с перки на кофата, 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 до изхода, което позволява на газа да се разшири.
Радиални турбоекспендове. Радиалният поток турбоядрите имат аксиален вход и радиален изход, което позволява на газа да се разширява радиално през турбинното работно колело. По същия начин турбините на аксиалния поток разширяват газ през турбинното колело, но посоката на потока остава успоредна на оста на въртене.
Тази статия се фокусира върху радиални и аксиални турбоуксери, обсъждайки техните различни подтипове, компоненти и икономика.
Turboexpander извлича енергия от газов поток с високо налягане и го превръща в задвижващ товар. Обикновено товарът е компресор или генератор, свързан към вал. Турбоекспендорът с компресор компресира течност в други части на процеса, който изисква компресирана течност, като по този начин увеличава общата ефективност на растението, като използва енергия, която се губи по друг начин. Turboexpander с генератор натоварване превръща енергията в електричество, което може да се използва в други процеси на растения или да се върне в местната мрежа за продажба.
Turboexpander Generators могат да бъдат оборудвани или с директен задвижващ вал от турбинното колело до генератора, или през скоростна кутия, която ефективно намалява скоростта на вход от турбинното колело към генератора чрез съотношение на предавката. TurboExpanders с директно задвижване предлагат предимства на ефективността, отпечатъка и разходите за поддръжка. TurboExpanders на скоростната кутия са по -тежки и изискват по -голям отпечатък, спомагателно оборудване за смазване и редовна поддръжка.
Поток-чрез турбоядрите могат да бъдат направени под формата на радиални или аксиални турбини. Радиалните разширители на потока 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. Турбините на аксиалния поток извличат енергия от газовия поток през входните водещи лопатки към колелото на разширяващите, като площта на напречното сечение на разширителната камера постепенно се увеличава, за да поддържа постоянна скорост.
Генератор на турбоекспендри 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 засягат дизайна на турбинните колела, включват налягане в входящ/изход, температура на входящ/изход, обемни потоци и свойства на течността. Когато съотношението на компресия е твърде високо, за да се намали на един етап, е необходим турбоекспендер с множество турбинни колела. Както радиалните, така и аксиалните турбинови колела могат да бъдат проектирани като многоетапни, но аксиалните турбинови колела имат много по-къса аксиална дължина и следователно са по-компактни. Турбините с многоетажен радиален поток изискват газ да тече от аксиален към радиален и обратно към аксиални, създавайки по -високи загуби на триене от турбините на аксиалния поток.
лагери. Дизайнът на лагера е от решаващо значение за ефективната работа на Turboexpander. Типовете на лагерите, свързани с дизайна на турбоекспендора, варират в голяма степен и могат да включват маслени лагери, течни филмови лагери, традиционни лагери и магнитни лагери. Всеки метод има свои предимства и недостатъци, както е показано в таблица 1.
Много производители на Turboexpander избират магнитни лагери като своя „лагер на избор“ поради техните уникални предимства. Магнитните лагери гарантират работата без триене на динамичните компоненти на турбоекспендора, като значително намаляват разходите за експлоатация и поддръжка през живота на машината. Те също са проектирани така, че да издържат на широк спектър от аксиални и радиални натоварвания и условия на пренапрежение. По -високите им първоначални разходи се компенсират от много по -ниски разходи за жизнения цикъл.
Динамо. Генераторът приема въртящата енергия на турбината и я превръща в полезна електрическа енергия, използвайки електромагнитен генератор (който може да бъде индукционен генератор или постоянен генератор на магнит). Индукционните генератори имат по -ниска номинална скорост, така че високоскоростните приложения на турбината изискват скоростна кутия, но могат да бъдат проектирани така, че да съответстват на честотата на мрежата, като елиминира необходимостта от променливо честотно задвижване (VFD), за да достави генерираното електричество. Постоянните магнитни генератори, от друга страна, могат да бъдат директно вал, свързан към турбината и да предават мощност на мрежата през променливо честотно задвижване. Генераторът е проектиран да доставя максимална мощност въз основа на мощността на вала, налична в системата.
Уплътнения. Уплътнението също е критичен компонент при проектирането на система Turboexpander. За да поддържат висока ефективност и да отговарят на стандартите за околната среда, системите трябва да бъдат запечатани, за да се предотвратят потенциални течове на процеса на газ. Turboexpanders 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 течение на времето и изискват редовна поддръжка и проверка, за да се гарантира, че функционират правилно. Когато всички компоненти на Turboexpander се съдържат в един корпус, статичните уплътнения могат да се използват за защита на всички проводници, излизащи от корпуса, включително към генератора, магнитни лагери или сензори. 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 снабдяват сгъваем (некондензируем) газ с високо налягане към система с ниско налягане с достатъчен поток, спад на налягането и използване за поддържане на нормалната 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 замяна на клапана на Joule-Thomson (JT), известен още като клапан на дросела. Тъй като клапанът JT се движи по изоентропния път и разширителят се движи по почти изоентропния път, последният намалява енталпията на газа и превръща разликата в енталпията в мощността на вала, като по този начин произвежда по -ниска температура на изхода от JT клапана. Това е полезно при криогенни процеси, при които целта е да се намали температурата на газа.
Ако има по -ниска граница на температурата на изходния газ (например в декомпресионна станция, където температурата на газа трябва да се поддържа над замръзване, хидратация или минимална температура на дизайна на материала), трябва да се добави поне един нагревател. Контролирайте температурата на газа. Когато предглаерът е разположен нагоре по течението на разширителя, част от енергията от захранващия газ също се възстановява в разширителя, като по този начин се увеличава мощността му. В някои конфигурации, при които се изисква контрол на температурата на изхода, след разширяващия може да се инсталира втори повторно изпращане, за да се осигури по -бърз контрол.
На фиг. Фигура 3 показва опростена диаграма на общата диаграма на потока на генератор на разширители с предварителен поглед, използван за подмяна на JT клапан.
В други конфигурации на процесите енергията, възстановена в разширителя, може да бъде прехвърлена директно в компресора. Тези машини, понякога наричани „командири“, обикновено имат етапи на разширяване и компресия, свързани с един или повече валове, които също могат да включват скоростна кутия за регулиране на разликата в скоростта между двата етапа. Той може също да включва допълнителен двигател, който да осигури повече мощност към етапа на компресия.
По -долу са някои от най -важните компоненти, които осигуряват правилна работа и стабилност на системата.
Байпасен клапан или клапан за намаляване на налягането. Байпасният клапан позволява работата да продължи, когато турбоекспендистът не работи (например за поддръжка или аварийно), докато клапанът за намаляване на налягането се използва за непрекъсната работа за доставка на излишен газ, когато общият поток надвишава дизайнерския капацитет на разширителя.
Авариен клапан за изключване (ESD). ESD клапаните се използват за блокиране на потока на газ в разширителя при спешни случаи, за да се избегнат механични щети.
Инструменти и контроли. Важните променливи за наблюдение включват налягане в входа и изхода, скоростта на потока, скоростта на въртене и изхода на мощността.
Шофиране с прекомерна скорост. Устройството отрязва потока към турбината, което води до забавяне на ротора на турбината, като по този начин предпазва оборудването от прекомерни скорости поради неочаквани условия на процеса, които могат да повредят оборудването.
Клапан за безопасност на налягането (PSV). PSV често се инсталират след турбопепандер за защита на тръбопроводите и оборудването с ниско налягане. PSV трябва да бъде проектиран така, че да издържа на най -тежките непредвидени ситуации, които обикновено включват повреда на байпасния клапан за отваряне. Ако разширителят се добави към съществуваща станция за намаляване на налягането, екипът за проектиране на процеса трябва да определи дали съществуващият PSV осигурява адекватна защита.
Нагревател. Нагревателите компенсират спада на температурата, причинен от газ, преминаващ през турбината, така че газът трябва да бъде предварително загрял. Основната му функция е да повиши температурата на нарастващия поток на газ, за да поддържа температурата на газа, оставяйки разширителя над минимална стойност. Друго предимство на повишаването на температурата е увеличаване на мощността, както и предотвратяване 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 нагрята течност в предишния. В някои дизайни може да се използва нагревател за пламък или електрически нагревател вместо топлообменник. Нагревателите може вече да съществуват в съществуваща JT клапана и добавянето на разширител може да не изисква инсталиране на допълнителни нагреватели, а по -скоро увеличаване на потока от отопляема течност.
Смазване на маслени и уплътнителни газови системи. Както бе споменато по -горе, разширителите могат да използват различни дизайни на уплътнения, които могат да изискват смазочни материали и уплътняващи газове. Когато е приложимо, смазващото масло трябва да поддържа високо качество и чистота, когато е в контакт с процесорни газове, а нивото на вискозитет на маслото трябва да остане в необходимия работен обхват на смазани лагери. Запечатаните газови системи обикновено са оборудвани с устройство за смазване на масло, за да се предотврати влизането на маслото от лагерната кутия в кутията за разширяване. За специални приложения на събраните, използвани в въглеводородната промишленост, системите за смазване и уплътнителни газове обикновено са проектирани за API 617 [5] Част 4 Спецификации.
Променливо честотно устройство (VFD). Когато генераторът е индукция, VFD обикновено се включва за регулиране на сигнала за променлив ток (AC), за да съответства на честотата на полезността. Обикновено дизайните, базирани на променливи честотни дискове, имат по -висока обща ефективност от дизайните, които използват скоростни кутии или други механични компоненти. Системите, базирани на VFD, също могат да приспособяват по-широк спектър от промени в процеса, които могат да доведат до промени в скоростта на вала на разширителя.
Предаване. Някои дизайни на разширители използват скоростна кутия, за да намалят скоростта на разширителя до номиналната скорост на генератора. Цената за използване на скоростна кутия е по -ниска обща ефективност и следователно по -ниска мощност.
Когато подготвя заявка за оферта (RFQ) за разширител, процесорният инженер първо трябва да определи работните условия, включително следната информация:
Механичните инженери често завършват спецификации и спецификации на генератора на разширител, използвайки данни от други инженерни дисциплини. Тези входове могат да включват следното:
Спецификациите трябва също да включват списък с документи и чертежи, предоставени от производителя, като част от процеса на търг и обхвата на доставката, както и приложимите процедури за изпитване, както се изисква от проекта.
Техническата информация, предоставена от производителя като част от процеса на търг, обикновено включва следните елементи:
Ако някой аспект на предложението се различава от първоначалните спецификации, производителят също трябва да предостави списък на отклоненията и причините за отклоненията.
След като бъде получено предложение, екипът за разработка на проекта трябва да прегледа искането за съответствие и да определи дали вариациите са технически оправдани.
Други технически съображения, които трябва да се вземат предвид при оценката на предложенията, включват:
И накрая, трябва да се извърши икономически анализ. Тъй като различни опции могат да доведат до различни първоначални разходи, се препоръчва анализ на разходите за паричен поток или жизнен цикъл, за да се сравни дългосрочната икономика на проекта и възвръщаемостта на инвестициите. Например, по -високата първоначална инвестиция може да бъде компенсирана в дългосрочен план чрез повишена производителност или намалени изисквания за поддръжка. Вижте „Референции“ за инструкции за този тип анализ. 4.
Всички приложения на Turboexpander-Generator изискват първоначално общо изчисление на потенциалната мощност, за да се определи общото количество налична енергия, което може да бъде възстановено в определено приложение. За генератор на турбоекспендер мощностният потенциал се изчислява като Isentropic (постоянна ентропия) процес. Това е идеалната термодинамична ситуация за разглеждане на обратим адиабатен процес без триене, но това е правилният процес за оценка на действителния енергиен потенциал.
Исентропната потенциална енергия (IPP) се изчислява чрез умножаване на специфичната разлика в енталпията на входа и изхода на турбоекспеното и умножава резултата от масовия дебит. Тази потенциална енергия ще бъде изразена като изонтропно количество (уравнение (1)):
Ipp = (Hinlet - H (i, E)) × ṁ x ŋ (1)
където H (I, E) е специфичната енталпия, като се вземат предвид температурата на изхода на ISEntropic и ṁ е дебитът на масовия поток.
Въпреки че еентропната потенциална енергия може да се използва за оценка на потенциалната енергия, всички реални системи включват триене, топлина и други спомагателни енергийни загуби. По този начин, при изчисляване на действителния потенциал за мощност, трябва да се вземат предвид следните допълнителни входни данни:
В повечето приложения на турбоекспендер температурата е ограничена до минимум, за да се предотвратят нежелани проблеми като замразяване на тръби, споменати по -рано. Когато природният газ тече, хидратите почти винаги присъстват, което означава, че тръбопроводът надолу по течението на турбоекспенд или клапан на дросела 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 се изключи системата, за да се размразява. По този начин, „желаната“ температура на изхода се използва за изчисляване на по -реалистичен потенциален сценарий за мощност. Въпреки това, за газове като водород, температурната граница е много по-ниска, тъй като водородът не се променя от газ в течност, докато достигне криогенна температура (-253 ° С). Използвайте тази желана температура на изхода, за да изчислите специфичната енталпия.
Трябва да се вземе предвид и ефективността на системата Turboexpander. В зависимост от използваната технология, ефективността на системата може да варира значително. Например, турбоекспестент, който използва редукционна предавка за прехвърляне на ротационна енергия от турбината към генератора, ще изпита по -големи загуби на триене от система, която използва директно задвижване от турбината към генератора. Общата ефективност на система от турбоекспендера се изразява като процент и се взема предвид при оценка на действителния потенциал на мощност на турбопемарията. Действителният потенциал за мощност (PP) се изчислява, както следва:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Нека разгледаме прилагането на облекчаване на налягането в природен газ. ABC оперира и поддържа станция за намаляване на налягането, която транспортира природен газ от основния тръбопровод и го разпределя до местните общини. На тази станция налягането на входа на газа е 40 бара, а налягането на изхода е 8 бара. Предварително загрятият температура на входящия газ е 35 ° C, което предварително загрява газа, за да се предотврати замразяването на тръбопровода. Следователно температурата на изходящия газ трябва да се контролира, така че да не падне под 0 ° C. В този пример ще използваме 5 ° C като минимална температура на изхода, за да увеличим коефициента на безопасност. Нормализираният обемният дебит на газ е 50 000 nm3/h. За да изчислим потенциала за мощност, ще приемем, че всички газове текат през турбо разширителя и ще изчислят максималния мощен мощност. Оценете общия потенциал за мощност, като използвате следното изчисление:
Време за публикация: май-25-2024