Expansoarele pot utiliza reducerea presiunii pentru a acționa mașini rotative. Informații despre cum să evaluați potențialele beneficii ale instalării unui extensie pot fi găsite aici.
De obicei, în industria proceselor chimice (IPC), „o cantitate mare de energie se irosește în valvele de control al presiunii unde fluidele de înaltă presiune trebuie depresurizate” [1]. În funcție de diverși factori tehnici și economici, poate fi de dorit să se convertească această energie în energie mecanică rotativă, care poate fi utilizată pentru a acționa generatoare sau alte mașini rotative. Pentru fluidele incompresibile (lichide), acest lucru se realizează folosind o turbină hidraulică de recuperare a energiei (HPRT; vezi referința 1). Pentru lichidele compresibile (gaze), un expansor este o mașină potrivită.
Expansoarele reprezintă o tehnologie matură cu multe aplicații de succes, cum ar fi cracarea catalitică fluidă (FCC), refrigerarea, valvele de gaze naturale pentru oraș, separarea aerului sau emisiile de gaze de eșapament. În principiu, orice flux de gaz cu presiune redusă poate fi utilizat pentru a acționa un expansor, dar „producția de energie este direct proporțională cu raportul de presiune, temperatura și debitul fluxului de gaz” [2], precum și cu fezabilitatea tehnică și economică. Implementarea expansorului: Procesul depinde de acești factori și de alții, cum ar fi prețurile locale la energie și disponibilitatea echipamentelor adecvate de către producător.
Deși turboexpansorul (care funcționează similar unei turbine) este cel mai cunoscut tip de expansor (Figura 1), există și alte tipuri potrivite pentru diferite condiții de proces. Acest articol prezintă principalele tipuri de expansoare și componentele acestora și rezumă modul în care managerii de operațiuni, consultanții sau auditorii energetici din diverse divizii CPI pot evalua potențialele beneficii economice și de mediu ale instalării unui expansor.
Există multe tipuri diferite de benzi de rezistență care variază foarte mult ca geometrie și funcție. Principalele tipuri sunt prezentate în Figura 2, iar fiecare tip este descris pe scurt mai jos. Pentru mai multe informații, precum și grafice care compară starea de funcționare a fiecărui tip în funcție de diametre specifice și viteze specifice, consultați Ajutorul. 3.
Turboexpansor cu piston. Turboexpansorele cu piston și piston rotativ funcționează ca un motor cu ardere internă cu rotație inversă, absorbind gazul de înaltă presiune și transformând energia stocată în energie de rotație prin arborele cotit.
Trageți de expansorul turbo. Expansorul turbinei de frână constă dintr-o cameră de curgere concentrică cu aripioare în formă de cupă atașate la periferia elementului rotativ. Acestea sunt proiectate în același mod ca roțile de apă, dar secțiunea transversală a camerelor concentrice crește de la intrare la ieșire, permițând gazului să se extindă.
Turbodetentor radial. Turbodetentoarele cu flux radial au o intrare axială și o ieșire radială, permițând gazului să se extindă radial prin rotorul turbinei. În mod similar, turbinele cu flux axial extind gazul prin roata turbinei, dar direcția fluxului rămâne paralelă cu axa de rotație.
Acest articol se concentrează pe turboexpanderele radiale și axiale, discutând diversele lor subtipuri, componente și aspecte economice.
Un turboexpansor extrage energie dintr-un flux de gaz la presiune înaltă și o transformă într-o sarcină de acționare. De obicei, sarcina este un compresor sau un generator conectat la un arbore. Un turboexpansor cu compresor comprimă fluidul din alte părți ale fluxului de proces care necesită fluid comprimat, crescând astfel eficiența generală a instalației prin utilizarea energiei care altfel ar fi irosită. Un turboexpansor cu sarcină de generator transformă energia în electricitate, care poate fi utilizată în alte procese ale instalației sau returnată rețelei locale pentru vânzare.
Turbogeneratoarele cu acționare directă pot fi echipate fie cu un arbore de acționare directă de la roata turbinei la generator, fie printr-o cutie de viteze care reduce eficient viteza de intrare de la roata turbinei la generator printr-un raport de transmisie. Turboexpanderele cu acționare directă oferă avantaje în ceea ce privește eficiența, amprenta la sol și costurile de întreținere. Turboexpanderele cu cutie de viteze sunt mai grele și necesită o amprentă la sol mai mare, echipamente auxiliare de lubrifiere și întreținere regulată.
Turbodepanderele cu flux continuu pot fi realizate sub formă de turbine radiale sau axiale. Depanderele cu flux radial conțin o intrare axială și o ieșire radială, astfel încât fluxul de gaz iese din turbină radial față de axa de rotație. Turbinele axiale permit gazului să curgă axial de-a lungul axei de rotație. Turbinele cu flux axial extrag energie din fluxul de gaz prin palete de ghidare de admisie către roata de expansiune, aria secțiunii transversale a camerei de expansiune crescând treptat pentru a menține o viteză constantă.
Un generator turbodeclanșator este alcătuit din trei componente principale: o roată de turbină, rulmenți speciali și un generator.
Roata turbinei. Roțile turbinei sunt adesea proiectate special pentru a optimiza eficiența aerodinamică. Variabilele de aplicație care afectează designul roților turbinei includ presiunea de intrare/ieșire, temperatura de intrare/ieșire, debitul volumetric și proprietățile fluidului. Atunci când raportul de compresie este prea mare pentru a fi redus într-o singură etapă, este necesar un turbodetentor cu roți multiple de turbină. Atât roțile radiale, cât și cele axiale ale turbinei pot fi proiectate ca roți multietajate, dar roțile turbinei axiale au o lungime axială mult mai scurtă și, prin urmare, sunt mai compacte. Turbinele cu flux radial multietajat necesită ca gazul să curgă de la axial la radial și înapoi la axial, creând pierderi prin frecare mai mari decât turbinele cu flux axial.
rulmenți. Proiectarea rulmenților este esențială pentru funcționarea eficientă a unui turboexpansor. Tipurile de rulmenți legate de proiectarea turboexpansorelor variază foarte mult și pot include rulmenți cu ulei, rulmenți cu peliculă lichidă, rulmenți cu bile tradiționali și rulmenți magnetici. Fiecare metodă are propriile avantaje și dezavantaje, așa cum se arată în Tabelul 1.
Mulți producători de turboexpandere aleg rulmenții magnetici drept „rulmentul preferat” datorită avantajelor lor unice. Rulmenții magnetici asigură funcționarea fără frecare a componentelor dinamice ale turboexpanderului, reducând semnificativ costurile de operare și întreținere pe durata de viață a mașinii. De asemenea, aceștia sunt proiectați să reziste la o gamă largă de sarcini axiale și radiale și condiții de suprasolicitare. Costurile lor inițiale mai mari sunt compensate de costuri mult mai mici pe durata de viață.
dinam. Generatorul preia energia de rotație a turbinei și o transformă în energie electrică utilă folosind un generator electromagnetic (care poate fi un generator de inducție sau un generator cu magneți permanenți). Generatoarele de inducție au o viteză nominală mai mică, astfel încât aplicațiile cu turbine de mare viteză necesită o cutie de viteze, dar pot fi proiectate să se potrivească cu frecvența rețelei, eliminând necesitatea unui variator de frecvență (VFD) pentru a furniza energia electrică generată. Generatoarele cu magneți permanenți, pe de altă parte, pot fi cuplate direct pe arbore la turbină și pot transmite puterea către rețea printr-un variator de frecvență. Generatorul este proiectat să furnizeze putere maximă pe baza puterii arborelui disponibilă în sistem.
Garnituri. Garnitura este, de asemenea, o componentă critică la proiectarea unui sistem de turboexpandere. Pentru a menține o eficiență ridicată și a respecta standardele de mediu, sistemele trebuie să fie etanșate pentru a preveni potențialele scurgeri de gaze de proces. Turboexpanderele pot fi echipate cu etanșări dinamice sau statice. Etanșările dinamice, cum ar fi etanșările labirint și etanșările uscate pentru gaze, asigură o etanșare în jurul unui arbore rotativ, de obicei între roata turbinei, rulmenți și restul mașinii unde se află generatorul. Etanșările dinamice se uzează în timp și necesită întreținere și inspecție regulată pentru a se asigura că funcționează corect. Atunci când toate componentele turboexpanderei sunt conținute într-o singură carcasă, etanșările statice pot fi utilizate pentru a proteja orice cabluri care ies din carcasă, inclusiv către generator, acționări magnetice ale rulmenților sau senzori. Aceste etanșări etanșe oferă protecție permanentă împotriva scurgerilor de gaze și nu necesită întreținere sau reparații.
Din punct de vedere al procesului, principala cerință pentru instalarea unui expansor este de a furniza gaz compresibil (necondensabil) de înaltă presiune unui sistem de joasă presiune, cu un debit, o cădere de presiune și o utilizare suficiente pentru a menține funcționarea normală a echipamentului. Parametrii de funcționare sunt menținuți la un nivel sigur și eficient.
În ceea ce privește funcția de reducere a presiunii, expansorul poate fi utilizat pentru a înlocui supapa Joule-Thomson (JT), cunoscută și sub denumirea de supapă de accelerație. Deoarece supapa JT se mișcă de-a lungul unei traiectorii izentropice, iar expansorul se mișcă de-a lungul unei traiectorii aproape izentropice, acesta din urmă reduce entalpia gazului și transformă diferența de entalpie în putere la arbore, producând astfel o temperatură de ieșire mai scăzută decât supapa JT. Acest lucru este util în procesele criogenice, unde scopul este de a reduce temperatura gazului.
Dacă există o limită inferioară a temperaturii gazului de ieșire (de exemplu, într-o stație de decompresie unde temperatura gazului trebuie menținută peste temperatura de îngheț, hidratare sau temperatura minimă de proiectare a materialului), trebuie adăugat cel puțin un încălzitor. Controlul temperaturii gazului. Când preîncălzitorul este amplasat în amonte de expansor, o parte din energia din gazul de alimentare este, de asemenea, recuperată în expansor, crescând astfel puterea sa de ieșire. În unele configurații în care este necesar controlul temperaturii de ieșire, un al doilea reîncălzitor poate fi instalat după expansor pentru a oferi un control mai rapid.
În Fig. 3 este prezentată o diagramă simplificată a schemei generale de flux a unui generator de expansiune cu preîncălzitor utilizat pentru a înlocui o supapă JT.
În alte configurații de proces, energia recuperată în expansor poate fi transferată direct către compresor. Aceste mașini, uneori numite „comenzi”, au de obicei etape de expansiune și compresie conectate prin unul sau mai mulți arbori, care pot include și o cutie de viteze pentru a regla diferența de viteză dintre cele două etape. De asemenea, poate include un motor suplimentar pentru a furniza mai multă putere etapei de compresie.
Mai jos sunt prezentate câteva dintre cele mai importante componente care asigură funcționarea corectă și stabilitatea sistemului.
Supapă de bypass sau supapă de reducere a presiunii. Supapa de bypass permite continuarea funcționării atunci când turboexpansorul nu funcționează (de exemplu, pentru întreținere sau o urgență), în timp ce supapa de reducere a presiunii este utilizată pentru funcționare continuă pentru a furniza excesul de gaz atunci când debitul total depășește capacitatea proiectată a expansorului.
Supapă de oprire de urgență (ESD). Supapele ESD sunt utilizate pentru a bloca fluxul de gaz în expansor în caz de urgență, pentru a evita deteriorarea mecanică.
Instrumente și comenzi. Variabilele importante de monitorizat includ presiunea de intrare și ieșire, debitul, viteza de rotație și puterea de ieșire.
Conducerea cu viteză excesivă. Dispozitivul întrerupe fluxul către turbină, provocând încetinirea rotorului turbinei, protejând astfel echipamentul de viteze excesive datorate unor condiții de proces neașteptate care ar putea deteriora echipamentul.
Supapă de siguranță a presiunii (PSV). PSV-urile sunt adesea instalate după un turboexpansor pentru a proteja conductele și echipamentele de joasă presiune. PSV-ul trebuie proiectat să reziste celor mai severe situații neprevăzute, care includ de obicei nefuncționarea valvei de bypass. Dacă se adaugă un expansor la o stație de reducere a presiunii existentă, echipa de proiectare a procesului trebuie să determine dacă PSV-ul existent oferă o protecție adecvată.
Încălzitor. Încălzitoarele compensează scăderea de temperatură cauzată de trecerea gazului prin turbină, astfel încât gazul trebuie preîncălzit. Funcția sa principală este de a crește temperatura fluxului de gaz ascendent pentru a menține temperatura gazului care iese din expansor peste o valoare minimă. Un alt beneficiu al creșterii temperaturii este creșterea puterii de ieșire, precum și prevenirea coroziunii, condensului sau hidraților care ar putea afecta negativ duzele echipamentelor. În sistemele care conțin schimbătoare de căldură (așa cum se arată în Figura 3), temperatura gazului este de obicei controlată prin reglarea debitului de lichid încălzit în preîncălzitor. În unele modele, se poate utiliza un încălzitor cu flacără sau un încălzitor electric în loc de un schimbător de căldură. Încălzitoarele pot exista deja într-o stație de valve JT existentă, iar adăugarea unui expansor poate să nu necesite instalarea de încălzitoare suplimentare, ci mai degrabă creșterea debitului de fluid încălzit.
Sisteme de ulei de ungere și gaz de etanșare. Așa cum s-a menționat mai sus, expansoarele pot utiliza diferite modele de etanșări, care pot necesita lubrifianți și gaze de etanșare. Acolo unde este cazul, uleiul de ungere trebuie să își mențină o calitate și o puritate ridicate în contact cu gazele de proces, iar nivelul de vâscozitate al uleiului trebuie să rămână în intervalul de funcționare necesar pentru rulmenții lubrifiați. Sistemele de gaz etanșare sunt de obicei echipate cu un dispozitiv de lubrifiere cu ulei pentru a preveni pătrunderea uleiului din cutia rulmenților în cutia de expansiune. Pentru aplicații speciale ale expansoarelor utilizate în industria hidrocarburilor, sistemele de ulei de ungere și gaz de etanșare sunt de obicei proiectate conform specificațiilor API 617 [5] Partea 4.
Acționare cu frecvență variabilă (VFD). Când generatorul funcționează cu inducție, un VFD este de obicei pornit pentru a ajusta semnalul de curent alternativ (CA) pentru a se potrivi cu frecvența utilității. De obicei, modelele bazate pe acționări cu frecvență variabilă au o eficiență generală mai mare decât modelele care utilizează cutii de viteze sau alte componente mecanice. Sistemele bazate pe VFD pot, de asemenea, să accepte o gamă mai largă de modificări ale procesului care pot duce la modificări ale vitezei arborelui de expansiune.
Transmisie. Unele modele de expansoare utilizează o cutie de viteze pentru a reduce viteza expansorului la viteza nominală a generatorului. Costul utilizării unei cutii de viteze este o eficiență generală mai mică și, prin urmare, o putere de ieșire mai mică.
Atunci când pregătește o cerere de ofertă (RFQ) pentru un expansor, inginerul de proces trebuie mai întâi să determine condițiile de funcționare, inclusiv următoarele informații:
Inginerii mecanici completează adesea specificațiile generatoarelor de expansiune și specificațiile folosind date din alte discipline inginerești. Aceste date pot include următoarele:
Specificațiile trebuie să includă, de asemenea, o listă de documente și desene furnizate de producător ca parte a procesului de licitație și domeniul de aplicare al livrării, precum și procedurile de testare aplicabile, conform cerințelor proiectului.
Informațiile tehnice furnizate de producător în cadrul procesului de licitație ar trebui să includă, în general, următoarele elemente:
Dacă vreun aspect al propunerii diferă de specificațiile inițiale, producătorul trebuie să furnizeze și o listă a abaterilor și motivele abaterilor.
Odată ce o propunere este primită, echipa de dezvoltare a proiectului trebuie să examineze cererea pentru conformitate și să stabilească dacă derogările sunt justificate din punct de vedere tehnic.
Alte aspecte tehnice de luat în considerare la evaluarea propunerilor includ:
În cele din urmă, este necesară efectuarea unei analize economice. Deoarece diferite opțiuni pot duce la costuri inițiale diferite, se recomandă efectuarea unei analize a fluxului de numerar sau a costurilor ciclului de viață pentru a compara aspectele economice pe termen lung ale proiectului și rentabilitatea investiției. De exemplu, o investiție inițială mai mare poate fi compensată pe termen lung printr-o productivitate crescută sau o reducere a cerințelor de întreținere. Consultați „Referințe” pentru instrucțiuni privind acest tip de analiză. 4.
Toate aplicațiile turbogenerator-generator necesită un calcul inițial al puterii potențiale totale pentru a determina cantitatea totală de energie disponibilă care poate fi recuperată într-o anumită aplicație. Pentru un turbogenerator, potențialul de putere este calculat ca un proces izentropic (entropie constantă). Aceasta este situația termodinamică ideală pentru a considera un proces adiabatic reversibil fără frecare, dar este procesul corect pentru estimarea potențialului energetic real.
Energia potențială izentropică (IPP) se calculează prin înmulțirea diferenței de entalpie specifică la intrarea și ieșirea turbodetentorului și înmulțirea rezultatului cu debitul masic. Această energie potențială va fi exprimată ca o mărime izentropică (Ecuația (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
unde h(i,e) este entalpia specifică ținând cont de temperatura izentropică de ieșire, iar ṁ este debitul masic.
Deși energia potențială izentropică poate fi utilizată pentru estimarea energiei potențiale, toate sistemele reale implică frecare, căldură și alte pierderi de energie auxiliare. Prin urmare, la calcularea potențialului real de putere, trebuie luate în considerare următoarele date de intrare suplimentare:
În majoritatea aplicațiilor cu turbodetentoare, temperatura este limitată la minim pentru a preveni problemele nedorite, cum ar fi înghețarea țevilor menționate anterior. Acolo unde curge gaz natural, hidrații sunt aproape întotdeauna prezenți, ceea ce înseamnă că conducta din aval de un turbodetentor sau de o supapă de accelerație va îngheța intern și extern dacă temperatura de ieșire scade sub 0°C. Formarea gheții poate duce la restricționarea debitului și, în cele din urmă, la oprirea sistemului pentru dezghețare. Astfel, temperatura de ieșire „dorită” este utilizată pentru a calcula un scenariu de putere potențială mai realist. Cu toate acestea, pentru gaze precum hidrogenul, limita de temperatură este mult mai mică, deoarece hidrogenul nu se schimbă din gaz în lichid până când nu atinge temperatura criogenică (-253°C). Utilizați această temperatură de ieșire dorită pentru a calcula entalpia specifică.
De asemenea, trebuie luată în considerare eficiența sistemului turbodetentor. În funcție de tehnologia utilizată, eficiența sistemului poate varia semnificativ. De exemplu, un turbodetentor care utilizează un reductor pentru a transfera energia de rotație de la turbină la generator va experimenta pierderi prin frecare mai mari decât un sistem care utilizează acționarea directă de la turbină la generator. Eficiența generală a unui sistem turbodetentor este exprimată ca procent și este luată în considerare la evaluarea potențialului real de putere al turbodetentorului. Potențialul real de putere (PP) se calculează după cum urmează:
PP = (hilet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Să analizăm aplicarea reducerii presiunii gazelor naturale. ABC operează și întreține o stație de reducere a presiunii care transportă gaze naturale din conducta principală și le distribuie către municipalitățile locale. La această stație, presiunea de intrare a gazului este de 40 bar, iar presiunea de ieșire este de 8 bar. Temperatura gazului de intrare preîncălzit este de 35°C, ceea ce preîncălzește gazul pentru a preveni înghețarea conductei. Prin urmare, temperatura gazului de ieșire trebuie controlată astfel încât să nu scadă sub 0°C. În acest exemplu, vom folosi 5°C ca temperatură minimă de ieșire pentru a crește factorul de siguranță. Debitul volumetric normalizat de gaz este de 50.000 Nm3/h. Pentru a calcula potențialul de putere, vom presupune că tot gazul curge prin turbo-expansor și vom calcula puterea maximă de ieșire. Estimați potențialul total de putere de ieșire folosind următorul calcul:
Data publicării: 25 mai 2024