Extindenții pot folosi reducerea presiunii pentru a conduce mașini rotative. Informații despre modul de evaluare a beneficiilor potențiale ale instalării unui extender pot fi găsite aici.
De obicei, în industria proceselor chimice (IPC), „o cantitate mare de energie este irosită în valvele de control al presiunii, unde lichidele de înaltă presiune trebuie depresurizate” [1]. În funcție de diverși factori tehnici și economici, poate fi de dorit să se transforme această energie în energie mecanică rotativă, care poate fi utilizată pentru a conduce generatoare sau alte mașini rotative. Pentru lichidele incompresibile (lichide), acest lucru se realizează folosind o turbină de recuperare a energiei hidraulice (HPRT; vezi Referința 1). Pentru lichidele compresibile (gaze), un expandent este o mașină adecvată.
Exploleys este o tehnologie matură, cu multe aplicații de succes, cum ar fi fisurarea fluidă catalitică (FCC), refrigerare, supapele din orașul natural, separarea aerului sau emisiile de evacuare. În principiu, orice flux de gaze cu presiune redusă poate fi utilizat pentru a conduce un expander, dar „producția de energie este direct proporțională cu raportul de presiune, temperatura și debitul fluxului de gaz” [2], precum și fezabilitatea tehnică și economică. Implementarea Expander: Procesul depinde de acești factori și de alți factori, cum ar fi prețurile locale de energie și disponibilitatea producătorului de echipamente adecvate.
Deși turboexpanderul (funcționând similar cu o turbină) este cel mai cunoscut tip de expandent (figura 1), există alte tipuri adecvate pentru diferite condiții de proces. Acest articol introduce principalele tipuri de expandatori și componentele acestora și rezumă modul în care managerii de operațiuni, consultanții sau auditorii energetici din diverse divizii IPC pot evalua potențialele beneficii economice și de mediu ale instalării unui expander.
Există multe tipuri diferite de benzi de rezistență care variază foarte mult în geometrie și funcție. Principalele tipuri sunt prezentate în figura 2 și fiecare tip este descris pe scurt mai jos. Pentru mai multe informații, precum și graficele care compară starea de funcționare a fiecărui tip pe baza diametrelor specifice și a vitezei specifice, consultați Ajutor. 3.
Piston Turboexpander. Turboexpanderii cu piston și cu piston rotativ funcționează ca un motor de combustie internă care se rotește invers, absorbind gazul de înaltă presiune și transformând energia stocată în energie rotativă prin arborele cotit.
Trageți Turbo Expander. Expanda de turbină de frână este formată dintr -o cameră de flux concentrică cu aripioare cu găleată 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 să se extindă gazul.
Turboexpander radial. Turboexpanderii 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 de curgere rămâne paralelă cu axa de rotație.
Acest articol se concentrează pe turboexpanderii radiale și axiale, discutând diferitele subtipuri, componente și economie.
Un turboexpander extrage energie dintr-un flux de gaz de înaltă presiune și îl transformă într-o sarcină de acționare. De obicei, sarcina este un compresor sau un generator conectat la un arbore. Un turboexpander cu un compresor comprimă fluid în alte părți ale fluxului de proces care necesită lichid comprimat, crescând astfel eficiența generală a plantei prin utilizarea de energie care altfel este irosită. Un turboexpander cu o sarcină generator transformă energia în electricitate, care poate fi utilizată în alte procese de plante sau returnată în rețeaua locală de vânzare.
Generatoarele Turboexpander pot fi echipate fie cu un arbore de antrenare directă de la roata turbinei la generator, fie printr -o cutie de viteze care reduce efectiv viteza de intrare de la roata turbinei la generator printr -un raport de viteză. Turboexpanderii cu unitate directă oferă avantaje în costurile de eficiență, amprentă și întreținere. Turboexpanderii cutiei de viteze sunt mai grele și necesită o amprentă mai mare, echipament auxiliar de ungere și întreținere regulată.
Turboexpanderii cu flux pot fi realizate sub formă de turbine radiale sau axiale. Extensioanele cu flux radial conțin o intrare axială și o ieșire radială, astfel încât debitul de gaz iese din turbină radial din axa de rotație. Turbinele axiale permit gazul să curgă axial de -a lungul axei de rotație. Turbinele cu flux axial extrag energie din fluxul de gaz prin paletele de ghidare de intrare până la roata de expandent, zona transversală a camerei de expansiune crescând treptat pentru a menține o viteză constantă.
Un generator de turboexpander este format din trei componente principale: o roată cu turbină, rulmenți speciali și un generator.
Roată turbină. Roțile de turbină sunt adesea concepute special pentru a optimiza eficiența aerodinamică. Variabilele de aplicare care afectează proiectarea roții turbinei includ presiunea de intrare/ieșire, temperatura de intrare/ieșire, fluxul de volum și proprietățile fluidului. Când raportul de compresie este prea mare pentru a fi redus într -o etapă, este necesar un turboexpander cu roți cu turbină multiplă. Atât roțile radiale cât și cele axiale ale turbinei pot fi proiectate ca cele mai multe etape, dar roțile de turbină axială au o lungime axială mult mai scurtă și, prin urmare, sunt mai compacte. Turbinele cu flux radial cu mai multe etape necesită ca gaz să curgă de la axial la radial și înapoi la axial, creând pierderi de frecare mai mari decât turbinele cu flux axial.
Rulmenții. Proiectarea rulmentului este esențială pentru funcționarea eficientă a unui turboexpander. Tipurile de rulment legate de proiectele turboexpander variază foarte mult și pot include rulmenți de ulei, rulmenți de film lichid, rulmenți tradiționali cu bile și rulmenți magnetici. Fiecare metodă are propriile avantaje și dezavantaje, așa cum se arată în tabelul 1.
Mulți producători de turboexpander selectează rulmenții magnetici ca „rulmentul alegerii” lor 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, sunt concepute pentru a rezista la o gamă largă de încărcături axiale și radiale și condiții de suprasolicitare. Costurile lor inițiale mai mari sunt compensate de costurile mult mai mici ale ciclului de viață.
dinam. Generatorul ia energia de rotație a turbinei și îl transformă în energie electrică utilă folosind un generator electromagnetic (care poate fi un generator de inducție sau un generator de magnet permanent). Generatoarele de inducție au o viteză nominală mai mică, astfel încât aplicațiile de turbină de mare viteză necesită o cutie de viteze, dar pot fi proiectate pentru a se potrivi cu frecvența rețelei, eliminând necesitatea unei acțiuni de frecvență variabilă (VFD) pentru a furniza electricitatea generată. Pe de altă parte, generatoarele de magnet permanente pot fi direct cuplate la turbină și pot transmite putere către grilă printr -o unitate de frecvență variabilă. Generatorul este proiectat pentru a oferi o putere maximă bazată pe puterea arborelui disponibilă în sistem.
Sigilii. Sigiliul este, de asemenea, o componentă critică atunci când proiectați un sistem turboexpander. Pentru a menține eficiența ridicată și pentru a îndeplini standardele de mediu, sistemele trebuie sigilate pentru a preveni scurgerile potențiale de gaz. Turboexpanderii pot fi echipate cu sigilii dinamice sau statice. Garniturile dinamice, cum ar fi garniturile de labirint și garniturile de gaz uscat, asigură un sigiliu în jurul unui arbore rotativ, de obicei între roata turbinei, rulmenții și restul mașinii unde se află generatorul. Garniturile dinamice se uzează în timp și necesită întreținere și inspecție regulată pentru a se asigura că funcționează corect. Când toate componentele turboexpander sunt conținute într -o singură carcasă, sigiliile statice pot fi utilizate pentru a proteja orice cabluri care ies din carcasă, inclusiv generatorului, unități de rulment magnetic sau senzori. Aceste garnituri etanșe asigură o protecție permanentă împotriva scurgerilor de gaz și nu necesită întreținere sau reparații.
Din punct de vedere al procesului, cerința principală pentru instalarea unui expander este furnizarea de gaz comprimibil (necondensat) de înaltă presiune către un sistem de joasă presiune, cu un flux suficient, cădere de presiune și utilizarea 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, expandentul poate fi utilizat pentru a înlocui supapa Joule-Thomson (JT), cunoscută și sub numele de supapa de accelerație. Deoarece valva JT se deplasează de -a lungul unei căi izentropice, iar expandentul se deplasează pe o cale aproape izentropică, aceasta din urmă reduce entalpia gazului și transformă diferența de entalpie în puterea arborelui, producând astfel o temperatură mai mică de ieșire decât valva JT. Acest lucru este util în procesele criogene în care obiectivul este reducerea temperaturii gazului.
Dacă există o limită mai mică a temperaturii gazelor de ieșire (de exemplu, într -o stație de decompresie unde temperatura gazului trebuie menținută peste înghețarea, hidratarea sau temperatura minimă de proiectare a materialului), trebuie să se adauge cel puțin un încălzitor. Controlează temperatura gazului. Când preîncălzirea este situată în amonte de expandent, o parte din energia din gazul de alimentare este, de asemenea, recuperată în expandent, crescând astfel puterea de energie. În unele configurații în care este necesară controlul temperaturii de ieșire, se poate instala un al doilea reîncărcare după expandent pentru a oferi un control mai rapid.
În Fig. Figura 3 prezintă o diagramă simplificată a diagramei generale de flux a unui generator de expandent cu preîncălzire utilizată pentru a înlocui o supapă JT.
În alte configurații de proces, energia recuperată în expandent poate fi transferată direct la compresor. Aceste mașini, uneori numite „comandanți”, au de obicei etape de expansiune și compresie conectate de unul sau mai mulți arbori, care pot include, de asemenea, o cutie de viteze pentru a regla diferența de viteză dintre cele două etape. De asemenea, poate include un motor suplimentar pentru a oferi mai multă putere etapei de compresie.
Mai jos sunt câteva dintre cele mai importante componente care asigură funcționarea și stabilitatea corectă a sistemului.
Supapă de bypass sau supapă de reducere a presiunii. Supapa de bypass permite funcționarea să continue atunci când turboexpander nu funcționează (de exemplu, pentru întreținere sau o urgență), în timp ce supapa de reducere a presiunii este utilizată pentru funcționarea continuă pentru a furniza exces de gaz atunci când debitul total depășește capacitatea de proiectare a expandrării.
Supapă de oprire de urgență (ESD). Supapele ESD sunt utilizate pentru a bloca fluxul de gaz în expandent în caz de urgență pentru a evita deteriorarea mecanică.
Instrumente și controale. Variabilele importante de monitorizat includ presiunea de intrare și ieșire, debit, viteza de rotație și puterea de putere.
Conducând cu viteză excesivă. Dispozitivul reduce fluxul către turbină, ceea ce face ca rotorul turbinei să încetinească, protejând astfel echipamentul de viteze excesive din cauza condițiilor de proces neașteptate care ar putea deteriora echipamentul.
Supapă de siguranță a presiunii (PSV). PSV -urile sunt adesea instalate după un turboexpander pentru a proteja conductele și echipamentele de joasă presiune. PSV trebuie să fie proiectat pentru a rezista la cele mai severe contingențe, care includ de obicei eșecul valvei de bypass. Dacă se adaugă un expander la o stație de reducere a presiunii existente, echipa de proiectare a procesului trebuie să stabilească dacă PSV -ul existent oferă o protecție adecvată.
Încălzitor. Încălzitoarele compensează scăderea temperaturii cauzate de gazul care trece prin turbină, astfel încât gazul trebuie să fie preîncălzit. Funcția sa principală este de a crește temperatura fluxului de gaz în creștere pentru a menține temperatura gazului lăsând expandrul peste o valoare minimă. Un alt beneficiu al creșterii temperaturii este creșterea puterii, precum și prevenirea coroziunii, condensului sau hidraților care ar putea afecta negativ duzele echipamentului. În sistemele care conțin schimbătoare de căldură (așa cum se arată în figura 3), temperatura gazului este de obicei controlată prin reglarea fluxului de lichid încălzit în preîncălzire. În unele modele, un încălzitor de flacără sau un încălzitor electric poate fi utilizat în loc de un schimbător de căldură. Încălzitoarele pot exista deja într -o stație de valvă JT existentă, iar adăugarea unui expander poate să nu necesite instalarea de încălzitoare suplimentare, ci mai degrabă să crească fluxul de lichid încălzit.
Sisteme de lubrifiere a uleiului și a gazelor de etanșare. După cum am menționat mai sus, expandatorii pot utiliza diferite modele de etanșare, care pot necesita lubrifianți și gaze de etanșare. Dacă este cazul, uleiul de lubrifiere trebuie să mențină o calitate și o puritate înaltă atunci când este în contact cu gazele de proces, iar nivelul de vâscozitate a uleiului trebuie să rămână în intervalul de funcționare necesar de rulmenți lubrifiați. Sistemele de gaze sigilate sunt de obicei echipate cu un dispozitiv de ungere a uleiului pentru a împiedica uleiul de la cutia de rulment să intre în cutia de expansiune. Pentru aplicații speciale ale comandanților utilizate în industria hidrocarburilor, sistemele de gaze de lubrifiere și gaze de etanșare sunt de obicei proiectate pentru a specifica API 617 [5] Partea a 4 -a.
Unitate de frecvență variabilă (VFD). Când generatorul este inducție, un VFD este de obicei pornit pentru a regla semnalul curent alternativ (AC) pentru a se potrivi cu frecvența utilității. De obicei, proiectele bazate pe unități de frecvență variabilă au o eficiență generală mai mare decât proiectele care utilizează cutii de viteze sau alte componente mecanice. Sistemele bazate pe VFD pot găzdui, de asemenea, o gamă mai largă de modificări ale procesului care pot duce la modificări ale vitezei arborelui de expandent.
Transmitere. Unele proiecte de expandent folosesc o cutie de viteze pentru a reduce viteza expandoarelor la viteza nominală a generatorului. Costul utilizării unei cutii de viteze este o eficiență generală mai mică și, prin urmare, o putere mai mică de putere.
Atunci când pregătește o solicitare de cotație (RFQ) pentru un expander, inginerul de proces trebuie să stabilească mai întâi condițiile de operare, inclusiv următoarele informații:
Inginerii mecanici completează deseori specificațiile și specificațiile generatorului de expandent folosind date din alte discipline inginerești. Aceste intrări 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 a domeniului de aprovizionare, precum și a procedurilor de testare aplicabile, astfel cum solicită proiectul.
Informațiile tehnice furnizate de producător ca parte a procesului de licitație ar trebui să includă, în general, următoarele elemente:
Dacă vreun aspect al propunerii diferă de specificațiile originale, producătorul trebuie să ofere, de asemenea, o listă de abateri și motivele abaterilor.
Odată ce o propunere este primită, echipa de dezvoltare a proiectului trebuie să revizuiască cererea de conformitate și să stabilească dacă variațiile sunt justificate din punct de vedere tehnic.
Alte considerente tehnice care trebuie luate în considerare la evaluarea propunerilor includ:
În cele din urmă, trebuie efectuată o analiză economică. Deoarece diferite opțiuni pot duce la costuri inițiale diferite, este recomandat ca o analiză a costurilor de flux de numerar sau a ciclului de viață să fie efectuată pentru a compara economia pe termen lung a proiectului și rentabilitatea investițiilor. De exemplu, o investiție inițială mai mare poate fi compensată pe termen lung prin creșterea productivității sau a cerințelor de întreținere reduse. Consultați „Referințe” pentru instrucțiuni despre acest tip de analiză. 4.
Toate aplicațiile generatoare de turboexpander necesită un calcul inițial potențial total de putere pentru a determina cantitatea totală de energie disponibilă care poate fi recuperată într-o anumită aplicație. Pentru un generator de turboexpander, potențialul de putere este calculat ca un proces izentropic (entropie constantă). Aceasta este situația termodinamică ideală pentru a lua în considerare un proces adiabatic reversibil fără frecare, dar este procesul corect pentru estimarea potențialului energetic real.
Energia potențială isentropică (IPP) este calculată prin înmulțirea diferenței specifice de entalpie la intrarea și ieșirea turboexpanderului și înmulțirea rezultatului cu debitul de masă. Această energie potențială va fi exprimată ca o cantitate izentropică (ecuația (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
unde h (i, e) este entalpia specifică, luând în considerare temperatura de ieșire izentropică și ṁ este debitul de masă.
Deși energia potențială isentropică poate fi utilizată pentru a estima energia potențială, toate sistemele reale implică frecare, căldură și alte pierderi de energie auxiliară. Astfel, atunci când se calculează potențialul real de putere, trebuie luate în considerare următoarele date suplimentare de intrare:
În majoritatea aplicațiilor turboexpander, temperatura este limitată la un minim pentru a preveni probleme nedorite, cum ar fi înghețarea conductelor menționate anterior. În cazul în care fluxurile de gaze naturale, hidrații sunt aproape întotdeauna prezenți, ceea ce înseamnă că conducta din aval de o supapă turboexpander sau accelerație se va îngheța intern și extern dacă temperatura de ieșire scade sub 0 ° C. Formarea gheții poate duce la restricția fluxului și, în final, poate închide sistemul pentru a se dezgheța. Astfel, temperatura de ieșire „dorită” este utilizată pentru a calcula un scenariu de putere potențial mai realist. Cu toate acestea, pentru gaze precum hidrogenul, limita de temperatură este mult mai mică, deoarece hidrogenul nu se schimbă de la gaz la lichid până nu atinge temperatura criogenă (-253 ° C). Utilizați această temperatură de ieșire dorită pentru a calcula entalpia specifică.
De asemenea, trebuie luată în considerare eficiența sistemului turboexpander. În funcție de tehnologia utilizată, eficiența sistemului poate varia semnificativ. De exemplu, un turboexpander care folosește un echipament de reducere pentru a transfera energia de rotație de la turbină la generator va experimenta pierderi mai mari de frecare decât un sistem care folosește un acționare directă de la turbină la generator. Eficiența generală a unui sistem turboexpander este exprimată ca procent și este luată în considerare atunci când se evaluează potențialul real de putere al turboexpanderului. Potențialul real de putere (PP) este calculat după cum urmează:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Să ne uităm la aplicarea reducerii presiunii gazelor naturale. ABC operează și menține o stație de reducere a presiunii care transportă gaze naturale din conducta principală și o distribuie în municipalitățile locale. La această stație, presiunea de intrare a gazului este de 40 de bar, iar presiunea de ieșire este de 8 bar. Temperatura de gaz de intrare preîncălzită este de 35 ° C, care preîncălzește gazul pentru a preveni înghețarea conductelor. 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 de gaz volumetric normalizat este de 50.000 nm3/h. Pentru a calcula potențialul de putere, vom presupune că toate gazele curg prin expandelul turbo și vom calcula puterea maximă de putere. Estimați potențialul total de putere de putere folosind următorul calcul:
Timpul post: 25-2024 mai