HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO., LTD.

Ekspandere kan bruge trykreduktion til at drive roterende maskiner. Information om, hvordan man vurderer de potentielle fordele ved at installere en forlænger, kan findes her.
Typisk i den kemiske procesindustri (CPI) "spildes en stor mængde energi i trykreguleringsventiler, hvor højtryksvæsker skal aflastes" [1]. Afhængigt af forskellige tekniske og økonomiske faktorer kan det være ønskeligt at omdanne denne energi til roterende mekanisk energi, som kan bruges til at drive generatorer eller andre roterende maskiner. For ikke-kompressible væsker (væsker) opnås dette ved hjælp af en hydraulisk energigenvindingsturbine (HPRT; se reference 1). For kompressible væsker (gasser) er en ekspander en passende maskine.
Ekspandere er en moden teknologi med mange succesfulde anvendelser såsom fluidkatalytisk krakning (FCC), køling, naturgasventiler, luftseparation eller udstødningsemissioner. I princippet kan enhver gasstrøm med reduceret tryk bruges til at drive en ekspander, men "energiproduktionen er direkte proportional med trykforholdet, temperaturen og strømningshastigheden for gasstrømmen" [2], samt den tekniske og økonomiske gennemførlighed. Implementering af ekspander: Processen afhænger af disse og andre faktorer, såsom lokale energipriser og producentens tilgængelighed af passende udstyr.
Selvom turboekspanderen (der fungerer på samme måde som en turbine) er den mest kendte type ekspander (figur 1), findes der andre typer, der er egnede til forskellige procesforhold. Denne artikel introducerer hovedtyperne af ekspandere og deres komponenter og opsummerer, hvordan driftsledere, konsulenter eller energirevisorer i forskellige CPI-afdelinger kan evaluere de potentielle økonomiske og miljømæssige fordele ved at installere en ekspander.
Der findes mange forskellige typer modstandsbånd, der varierer meget i geometri og funktion. Hovedtyperne er vist i figur 2, og hver type er kort beskrevet nedenfor. For mere information, samt grafer, der sammenligner driftsstatus for hver type baseret på specifikke diametre og specifikke hastigheder, se Hjælp. 3.
Stempelturboekspander. Stempel- og rotationsstempelturboekspandere fungerer som en omvendt roterende forbrændingsmotor, der absorberer højtryksgas og omdanner dens lagrede energi til rotationsenergi gennem krumtapakslen.
Træk turbo-ekspanderen. Bremseturbine-ekspanderen består af et koncentrisk strømningskammer med spandfinner fastgjort til periferien af ​​det roterende element. De er designet på samme måde som vandhjul, men tværsnittet af de koncentriske kamre øges fra indløb til udløb, hvilket tillader gassen at udvide sig.
Radial turboekspander. Radialstrømningsturboekspandere har et aksialt indløb og et radialt udløb, der tillader gassen at ekspandere radialt gennem turbinehjulet. Tilsvarende ekspanderer aksialstrømningsturbiner gassen gennem turbinehjulet, men strømningsretningen forbliver parallel med rotationsaksen.
Denne artikel fokuserer på radiale og aksiale turboekspandere og diskuterer deres forskellige undertyper, komponenter og økonomi.
En turboekspander udvinder energi fra en højtryksgasstrøm og omdanner den til en drivbelastning. Typisk er belastningen en kompressor eller generator forbundet til en aksel. En turboekspander med en kompressor komprimerer væske i andre dele af processtrømmen, der kræver komprimeret væske, hvorved anlæggets samlede effektivitet øges ved at bruge energi, der ellers går til spilde. En turboekspander med en generatorbelastning omdanner energien til elektricitet, som kan bruges i andre processer i anlægget eller returneres til det lokale net til salg.
Turboekspandergeneratorer kan udstyres med enten en direkte drivaksel fra turbinehjulet til generatoren eller via en gearkasse, der effektivt reducerer indgangshastigheden fra turbinehjulet til generatoren gennem et gearforhold. Direkte drevne turboekspandere tilbyder fordele i effektivitet, fodaftryk og vedligeholdelsesomkostninger. Turboekspandere med gearkasse er tungere og kræver et større fodaftryk, smøreudstyr og regelmæssig vedligeholdelse.
Gennemstrømningsturboekspandere kan fremstilles i form af radiale eller aksiale turbiner. Radiale flowekspandere indeholder et aksialt indløb og et radialt udløb, således at gasstrømmen forlader turbinen radialt fra rotationsaksen. Aksiale turbiner tillader gas at strømme aksialt langs rotationsaksen. Aksiale flowturbiner udvinder energi fra gasstrømmen gennem indløbsledeskovle til ekspanderhjulet, hvor ekspansionskammerets tværsnitsareal gradvist øges for at opretholde en konstant hastighed.
En turboekspandergenerator består af tre hovedkomponenter: et turbinehjul, speciallejer og en generator.
Turbinehjul. Turbinehjul er ofte designet specifikt til at optimere aerodynamisk effektivitet. Applikationsvariabler, der påvirker turbinehjulets design, omfatter indløbs-/udløbstryk, indløbs-/udløbstemperatur, volumenstrøm og væskeegenskaber. Når kompressionsforholdet er for højt til at blive reduceret i ét trin, kræves en turboekspander med flere turbinehjul. Både radiale og aksiale turbinehjul kan designes som flertrins-turbinehjul, men aksiale turbinehjul har en meget kortere aksial længde og er derfor mere kompakte. Flertrins radialstrømsturbiner kræver, at gas strømmer fra aksial til radial og tilbage til aksial, hvilket skaber højere friktionstab end aksialstrømsturbiner.
Lejer. Lejedesign er afgørende for en turboekspanders effektive drift. Lejetyper relateret til turboekspanderdesign varierer meget og kan omfatte olielejer, flydende filmlejer, traditionelle kuglelejer og magnetiske lejer. Hver metode har sine egne fordele og ulemper, som vist i tabel 1.
Mange producenter af turboekspandere vælger magnetiske lejer som deres "foretrukne lejer" på grund af deres unikke fordele. Magnetiske lejer sikrer friktionsfri drift af turboekspanderens dynamiske komponenter, hvilket reducerer drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne betydeligt i løbet af maskinens levetid. De er også designet til at modstå en bred vifte af aksiale og radiale belastninger og overbelastningsforhold. Deres højere startomkostninger opvejes af meget lavere livscyklusomkostninger.
dynamo. Generatoren tager turbinens rotationsenergi og omdanner den til nyttig elektrisk energi ved hjælp af en elektromagnetisk generator (som kan være en induktionsgenerator eller en permanentmagnetgenerator). Induktionsgeneratorer har en lavere nominel hastighed, så højhastighedsturbineapplikationer kræver en gearkasse, men kan designes til at matche netfrekvensen, hvilket eliminerer behovet for et variabelt frekvensdrev (VFD) til at levere den genererede elektricitet. Permanente magnetgeneratorer kan derimod akselkobles direkte til turbinen og overføre effekt til nettet via et variabelt frekvensdrev. Generatoren er designet til at levere maksimal effekt baseret på den akseleffekt, der er tilgængelig i systemet.
Tætninger. Tætningen er også en kritisk komponent ved design af et turboekspandersystem. For at opretholde høj effektivitet og opfylde miljøstandarder skal systemerne forsegles for at forhindre potentielle procesgaslækager. Turboekspandere kan udstyres med dynamiske eller statiske tætninger. Dynamiske tætninger, såsom labyrinttætninger og tørgastætninger, giver en tætning omkring en roterende aksel, typisk mellem turbinehjulet, lejerne og resten af ​​maskinen, hvor generatoren er placeret. Dynamiske tætninger slides over tid og kræver regelmæssig vedligeholdelse og inspektion for at sikre, at de fungerer korrekt. Når alle turboekspanderkomponenter er indeholdt i et enkelt hus, kan statiske tætninger bruges til at beskytte eventuelle ledninger, der forlader huset, inklusive til generatoren, magnetiske lejedrev eller sensorer. Disse lufttætte tætninger giver permanent beskyttelse mod gaslækage og kræver ingen vedligeholdelse eller reparation.
Fra et procesmæssigt synspunkt er det primære krav for installation af en ekspander at tilføre højtrykskompressibel (ikke-kondenserbar) gas til et lavtrykssystem med tilstrækkelig flow, trykfald og udnyttelsesgrad til at opretholde normal drift af udstyret. Driftsparametrene opretholdes på et sikkert og effektivt niveau.
Med hensyn til trykreducerende funktion kan ekspanderen bruges til at erstatte Joule-Thomson (JT) ventilen, også kendt som drosselsventilen. Da JT-ventilen bevæger sig langs en isentropisk bane, og ekspanderen bevæger sig langs en næsten isentropisk bane, reducerer sidstnævnte gassens entalpi og omdanner entalpiforskellen til akseleffekt, hvorved der produceres en lavere udløbstemperatur end JT-ventilen. Dette er nyttigt i kryogene processer, hvor målet er at reducere gassens temperatur.
Hvis der er en nedre grænse for udløbsgastemperaturen (for eksempel i en dekompressionsstation, hvor gastemperaturen skal holdes over frysepunktet, hydrering eller minimumsmaterialedesigntemperatur), skal mindst én varmelegeme tilføjes. Kontroller gastemperaturen. Når forvarmeren er placeret opstrøms for ekspanderen, genvindes noget af energien fra fødegassen også i ekspanderen, hvorved dens effekt øges. I nogle konfigurationer, hvor udløbstemperaturstyring er påkrævet, kan en anden varmelegeme installeres efter ekspanderen for at give hurtigere styring.
I figur 3 vises et forenklet diagram over det generelle flowdiagram for en ekspansionsgenerator med forvarmer, der bruges til at erstatte en JT-ventil.
I andre proceskonfigurationer kan den energi, der genvindes i ekspanderen, overføres direkte til kompressoren. Disse maskiner, undertiden kaldet "kommandører", har normalt ekspansions- og kompressionstrin forbundet med en eller flere aksler, som også kan omfatte en gearkasse til at regulere hastighedsforskellen mellem de to trin. Den kan også omfatte en ekstra motor for at give mere kraft til kompressionstrinet.
Nedenfor er nogle af de vigtigste komponenter, der sikrer systemets korrekte drift og stabilitet.
Bypassventil eller trykreduktionsventil. Bypassventilen tillader driften at fortsætte, når turboekspanderen ikke er i drift (f.eks. ved vedligeholdelse eller i nødstilfælde), mens trykreduktionsventilen bruges til kontinuerlig drift for at tilføre overskydende gas, når den samlede strømning overstiger ekspanderens designkapacitet.
Nødstopventil (ESD). ESD-ventiler bruges til at blokere gasstrømmen ind i ekspanderen i en nødsituation for at undgå mekanisk skade.
Instrumenter og betjeningselementer. Vigtige variabler at overvåge omfatter indløbs- og udløbstryk, flowhastighed, rotationshastighed og effekt.
Kørsel med for høj hastighed. Enheden afbryder strømmen til turbinen, hvilket får turbinrotoren til at sænke hastigheden og beskytter dermed udstyret mod for høje hastigheder på grund af uventede procesforhold, der kan beskadige udstyret.
Tryksikkerhedsventil (PSV). PSV'er installeres ofte efter en turboekspander for at beskytte rørledninger og lavtryksudstyr. PSV'en skal være designet til at modstå de mest alvorlige hændelser, som typisk inkluderer manglende åbning af bypassventilen. Hvis en ekspander tilføjes til en eksisterende trykreduktionsstation, skal procesdesignteamet afgøre, om den eksisterende PSV yder tilstrækkelig beskyttelse.
Varmelegeme. Varmelegemer kompenserer for temperaturfaldet forårsaget af gassen, der passerer gennem turbinen, så gassen skal forvarmes. Dens hovedfunktion er at øge temperaturen på den stigende gasstrøm for at holde temperaturen på den gas, der forlader ekspanderen, over en minimumsværdi. En anden fordel ved at hæve temperaturen er at øge effekten samt forhindre korrosion, kondens eller hydrater, der kan påvirke udstyrets dyser negativt. I systemer, der indeholder varmevekslere (som vist i figur 3), styres gastemperaturen normalt ved at regulere strømmen af ​​opvarmet væske ind i forvarmeren. I nogle designs kan en flammevarmer eller elektrisk varmelegeme bruges i stedet for en varmeveksler. Varmelegemer kan allerede findes i en eksisterende JT-ventilstation, og tilføjelse af en ekspander kræver muligvis ikke installation af yderligere varmelegemer, men snarere en øgning af strømmen af ​​opvarmet væske.
Smøreolie- og tætningsgassystemer. Som nævnt ovenfor kan ekspandere anvende forskellige tætningsdesigns, hvilket kan kræve smøremidler og tætningsgasser. Hvor det er relevant, skal smøreolien opretholde høj kvalitet og renhed, når den er i kontakt med procesgasser, og oliens viskositetsniveau skal forblive inden for det krævede driftsområde for smurte lejer. Forseglede gassystemer er normalt udstyret med en oliesmøreanordning for at forhindre olie fra lejekassen i at trænge ind i ekspansionskassen. Til særlige anvendelser af ekspandere, der anvendes i kulbrinteindustrien, er smøreolie- og tætningsgassystemer typisk designet til API 617 [5] del 4 specifikationer.
Variabel frekvensdrev (VFD). Når generatoren er induktion, tændes en VFD typisk for at justere vekselstrømssignalet (AC), så det matcher forsyningsfrekvensen. Typisk har design baseret på variabel frekvensdrev en højere samlet effektivitet end design, der bruger gearkasser eller andre mekaniske komponenter. VFD-baserede systemer kan også håndtere en bredere vifte af procesændringer, der kan resultere i ændringer i ekspanderakselhastigheden.
Transmission. Nogle ekspanderdesign bruger en gearkasse til at reducere ekspanderens hastighed til generatorens nominelle hastighed. Omkostningerne ved at bruge en gearkasse er lavere samlet effektivitet og derfor lavere effekt.
Når procesingeniøren udarbejder en tilbudsanmodning (RFQ) for en ekspander, skal vedkommende først bestemme driftsforholdene, herunder følgende oplysninger:
Mekanikingeniører udarbejder ofte specifikationer for ekspandergeneratorer og specifikationer ved hjælp af data fra andre ingeniørdiscipliner. Disse input kan omfatte følgende:
Specifikationerne skal også indeholde en liste over dokumenter og tegninger, som producenten har leveret som en del af udbudsprocessen, og leveringsomfanget samt gældende testprocedurer, som projektet kræver.
De tekniske oplysninger, som producenten leverer som en del af udbudsprocessen, bør generelt omfatte følgende elementer:
Hvis noget aspekt af forslaget afviger fra de oprindelige specifikationer, skal producenten også fremlægge en liste over afvigelser og årsagerne til afvigelserne.
Når et forslag er modtaget, skal projektudviklingsteamet gennemgå anmodningen om overholdelse og afgøre, om afvigelserne er teknisk berettigede.
Andre tekniske overvejelser, der skal tages i betragtning ved evaluering af forslag, omfatter:
Endelig skal der udføres en økonomisk analyse. Da forskellige muligheder kan resultere i forskellige initialomkostninger, anbefales det at udføre en cash flow- eller livscyklusomkostningsanalyse for at sammenligne projektets langsigtede økonomi og investeringsafkast. For eksempel kan en højere initialinvestering på lang sigt opvejes af øget produktivitet eller reducerede vedligeholdelseskrav. Se "Referencer" for instruktioner om denne type analyse. 4.
Alle turboekspander-generatorapplikationer kræver en indledende beregning af den samlede potentielle effekt for at bestemme den samlede mængde tilgængelig energi, der kan genvindes i en bestemt applikation. For en turboekspandergenerator beregnes effektpotentialet som en isentropisk (konstant entropi) proces. Dette er den ideelle termodynamiske situation for at betragte en reversibel adiabatisk proces uden friktion, men det er den korrekte proces til at estimere det faktiske energipotentiale.
Isentropisk potentiel energi (IPP) beregnes ved at gange den specifikke entalpiforskel ved turboekspanderens indløb og udløb og gange resultatet med massestrømningshastigheden. Denne potentielle energi vil blive udtrykt som en isentropisk størrelse (ligning (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
hvor h(i,e) er den specifikke enthalpi under hensyntagen til den isentropiske udløbstemperatur, og ṁ er massestrømningshastigheden.
Selvom isentropisk potentiel energi kan bruges til at estimere potentiel energi, involverer alle virkelige systemer friktion, varme og andre supplerende energitab. Derfor bør følgende yderligere inputdata tages i betragtning ved beregning af det faktiske effektpotentiale:
I de fleste turboekspanderapplikationer er temperaturen begrænset til et minimum for at forhindre uønskede problemer såsom frysning af rør, som nævnt tidligere. Hvor naturgas strømmer, er hydrater næsten altid til stede, hvilket betyder, at rørledningen nedstrøms for en turboekspander eller drosselventil vil fryse internt og eksternt, hvis udløbstemperaturen falder til under 0°C. Isdannelse kan resultere i strømningsbegrænsning og i sidste ende lukke systemet ned for optøning. Derfor bruges den "ønskede" udløbstemperatur til at beregne et mere realistisk potentielt effektscenarie. For gasser som brint er temperaturgrænsen dog meget lavere, fordi brint ikke skifter fra gas til væske, før det når kryogen temperatur (-253°C). Brug denne ønskede udløbstemperatur til at beregne den specifikke entalpi.
Effektiviteten af ​​turboekspandersystemet skal også tages i betragtning. Afhængigt af den anvendte teknologi kan systemets effektivitet variere betydeligt. For eksempel vil en turboekspander, der bruger et reduktionsgear til at overføre rotationsenergi fra turbinen til generatoren, opleve større friktionstab end et system, der bruger direkte drev fra turbinen til generatoren. Den samlede effektivitet af et turboekspandersystem udtrykkes som en procentdel og tages i betragtning ved vurdering af turboekspanderens faktiske effektpotentiale. Det faktiske effektpotentiale (PP) beregnes som følger:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Lad os se på anvendelsen af ​​trykaflastning for naturgas. ABC driver og vedligeholder en trykreduktionsstation, der transporterer naturgas fra hovedrørledningen og distribuerer den til lokale kommuner. På denne station er gasindgangstrykket 40 bar, og udgangstrykket er 8 bar. Den forvarmede indgangsgastemperatur er 35 °C, hvilket forvarmer gassen for at forhindre, at rørledningen fryser. Derfor skal udgangsgastemperaturen kontrolleres, så den ikke falder til under 0 °C. I dette eksempel bruger vi 5 °C som minimum udgangstemperatur for at øge sikkerhedsfaktoren. Den normaliserede volumetriske gasstrømningshastighed er 50.000 Nm3/t. For at beregne effektpotentialet antager vi, at al gas strømmer gennem turbo-ekspanderen, og beregner den maksimale effekt. Estimer det samlede effektpotentiale ved hjælp af følgende beregning: