Udvidere kan bruge trykreduktion til at drive roterende maskiner. Oplysninger om, hvordan man evaluerer de potentielle fordele ved at installere en extender, findes her.
Typisk i den kemiske procesindustri (CPI) spildes "en stor mængde energi i trykstyringsventiler, hvor højtryksvæsker skal depressureres" [1]. Afhængig 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 ukomprimerbare væsker (væsker) opnås dette ved hjælp af en hydraulisk energiindvindingsturbine (HPRT; se Reference 1). For komprimerbare væsker (gasser) er en ekspander en passende maskine.
Udvidere er en moden teknologi med mange vellykkede anvendelser, såsom fluidkatalytisk krakning (FCC), køling, naturgasbyventiler, luftparation eller udstødningsemissioner. I princippet kan enhver gasstrøm med reduceret tryk bruges til at drive en ekspander, men "energiudgangen er direkte proportional med trykforholdet, temperaturen og strømningshastigheden for gasstrømmen" [2] samt teknisk og økonomisk gennemførlighed. Ekspanderimplementering: Processen afhænger af disse og andre faktorer, såsom lokale energipriser og producentens tilgængelighed af passende udstyr.
Selvom turboxpander (fungerer på lignende måde som en turbin) er den mest kendte type ekspander (figur 1), er der andre typer, der er egnede til forskellige procesbetingelser. Denne artikel introducerer de vigtigste typer udvidere og deres komponenter og opsummerer, hvordan driftsledere, konsulenter eller energirevisorer i forskellige CPI -afdelinger kan evaluere de potentielle økonomiske og miljømæssige fordele ved installation af en ekspander.
Der er 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, såvel som grafer, der sammenligner driftsstatus for hver type baseret på specifikke diametre og specifikke hastigheder, se hjælp. 3.
Stempel Turboxpander. Stempel- og roterende stempel turboxpanders fungerer som en omvendt-roterende forbrændingsmotor, der absorberer højtryksgas og omdanner sin lagrede energi til rotationsenergi gennem krumtapakslen.
Træk turbo -ekspanderen. Bremseturbinekspanderen 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 giver gassen mulighed for at udvide sig.
Radial turboxpander. Radial flow turboxpanders har et aksialt indløb og et radial afsætningsmarked, der giver gassen mulighed for at ekspandere radialt gennem turbinebjælken. Tilsvarende udvider aksiale strømningsturbiner gas gennem turbinhjulet, men strømningsretningen forbliver parallel med rotationsaksen.
Denne artikel fokuserer på radiale og aksiale turboxpandere og diskuterer deres forskellige undertyper, komponenter og økonomi.
En turboxpander udtrækker energi fra en højtryksgasstrøm og omdanner den til en drivbelastning. Typisk er belastningen en kompressor eller generator, der er forbundet til en skaft. En turboxpander med en kompressor komprimerer væske i andre dele af processen, der kræver komprimeret væske, hvilket øger den samlede effektivitet af planten ved at bruge energi, der ellers er spildt. En turboxpander med en generatorbelastning konverterer energien til elektricitet, som kan bruges i andre planteprocesser eller returneres til det lokale gitter til salg.
Turboxpander -generatorer kan udstyres med enten en direkte drivaksel fra turbinhjulet til generatoren eller gennem en gearkasse, der effektivt reducerer indgangshastigheden fra turbinhjulet til generatoren gennem et gearforhold. Direct Drive Turboxpanders giver fordele inden for effektivitet, fodaftryk og vedligeholdelsesomkostninger. Turboxpandere i gearkassen er tungere og kræver et større fodaftryk, smøremiddeludstyr og regelmæssig vedligeholdelse.
Gennemtrængende turboxpandere kan fremstilles i form af radiale eller aksiale turbiner. Radialstrømsudvidere indeholder et aksialt indløb og en radial udløb, således at gasstrømmen forlader turbinen radialt fra rotationsaksen. Aksiale turbiner tillader gas at strømme aksialt langs rotationsaksen. Axialstrømningsturbiner udtrækker energi fra gasstrømmen gennem indløbsvejledning til ekspanderhjulet, hvor tværsnitsarealet af ekspansionskammeret gradvist øges for at opretholde en konstant hastighed.
En turboxpander -generator består af tre hovedkomponenter: et turbinhjul, specielle lejer og en generator.
Turbinehjul. Turbinehjul er ofte designet specifikt til at optimere aerodynamisk effektivitet. Anvendelsesvariabler, der påvirker turbinhjulets design inkluderer indløb/udløbstryk, indløb/udløbstemperatur, volumenstrøm og væskeegenskaber. Når kompressionsforholdet er for højt til at reduceres i et trin, kræves en turboxpander med flere turbinhjul. Både radiale og aksiale turbinhjul kan designes som flertrin, men aksiale turbinhjul har en meget kortere aksial længde og er derfor mere kompakte. Multistages radiale strømningsturbiner kræver gas for at strømme fra aksial til radial og tilbage til aksial, hvilket skaber højere friktionstab end aksiale strømningsturbiner.
Lejer. Bærende design er kritisk for effektiv drift af en turboxpander. Bæretyper relateret til turboxpander -design 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 turboxpander -producenter vælger magnetiske lejer som deres "pausing efter valg" på grund af deres unikke fordele. Magnetiske lejer sikrer friktionsfri drift af Turboxpanders dynamiske komponenter, hvilket reducerer drifts- og vedligeholdelsesomkostningerne markant i løbet af maskinens levetid. De er også designet til at modstå en lang række aksiale og radiale belastninger og overstressforhold. Deres højere oprindelige omkostninger 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 permanent magnetgenerator). Induktionsgeneratorer har en lavere nominel hastighed, så højhastighedsturbinapplikationer kræver en gearkasse, men kan designes til at matche gitterfrekvensen, hvilket eliminerer behovet for et variabelt frekvensdrev (VFD) for at levere den genererede elektricitet. Permanente magnetgeneratorer kan på den anden side være direkte aksel koblet til turbinen og transmittere strømmen til gitteret gennem et variabelt frekvensdrev. Generatoren er designet til at levere maksimal effekt baseret på den skafteffekt, der er tilgængelig i systemet.
Sæler. Forseglingen er også en kritisk komponent, når man designer et turboxpander -system. For at opretholde høj effektivitet og opfylde miljøstandarder skal systemer forsegles for at forhindre potentielle procesgaslækager. Turboxpandere kan udstyres med dynamiske eller statiske sæler. Dynamiske sæler, såsom labyrintforseglinger og tørgasforseglinger, giver en tætning omkring en roterende skaft, typisk mellem turbinhjulet, lejer og resten af maskinen, hvor generatoren er placeret. Dynamiske sæler slides over tid og kræver regelmæssig vedligeholdelse og inspektion for at sikre, at de fungerer korrekt. Når alle turboxpander -komponenter er indeholdt i et enkelt hus, kan statiske sæler bruges til at beskytte eventuelle kundeemner, der forlader huset, herunder til generatoren, magnetisk bæredrev eller sensorer. Disse lufttætte sæler giver permanent beskyttelse mod gaslækage og kræver ingen vedligeholdelse eller reparation.
Fra et processynspunkt er det primære krav til installation af en ekspander at levere højtryks komprimerbar (ikke-kondenserbar) gas til et lavtrykssystem med tilstrækkelig strømning, trykfald og anvendelse til at opretholde normal drift af udstyret. Driftsparametre 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 gashåndtagsventilen. Da JT -ventilen bevæger sig langs en isentropisk sti, og ekspanderen bevæger sig langs en næsten isentropisk sti, reducerer sidstnævnte enthalpi af gassen og omdanner enthalpi -forskellen til akselstrøm og producerer derved en lavere udgangstemperatur end JT -ventilen. Dette er nyttigt i kryogene processer, hvor målet er at reducere temperaturen på gassen.
Hvis der er en nedre grænse for udløbstemperaturen (for eksempel i en dekomprimeringsstation, hvor gastemperaturen skal opretholdes over frysning, hydrering eller minimumsmaterialedesigntemperatur), skal mindst en varmelegeme tilsættes. Kontroller gastemperaturen. Når forvarmeren er placeret opstrøms for ekspanderen, gendannes nogle af energien fra fodergassen også i ekspanderen og øger derved dens effekt. I nogle konfigurationer, hvor udløbstemperaturkontrol er påkrævet, kan en anden reheater installeres efter ekspanderen for at give hurtigere kontrol.
I fig. Figur 3 viser et forenklet diagram over det generelle flowdiagram over en ekspandergenerator med forvarmer, der bruges til at erstatte en JT -ventil.
I andre proceskonfigurationer kan energien, der er genvundet i ekspanderen, overføres direkte til kompressoren. Disse maskiner, sommetider kaldes "kommandører", har normalt ekspansions- og komprimeringsstadier forbundet med et eller flere aksler, som også kan omfatte en gearkasse til at regulere hastighedsforskellen mellem de to trin. Det kan også omfatte en ekstra motor til at give mere strøm til komprimeringsstadiet.
Nedenfor er nogle af de vigtigste komponenter, der sikrer korrekt drift og stabilitet i systemet.
Bypassventil eller trykreducerende ventil. Bypass -ventilen gør det muligt for drift at fortsætte, når turboxpander ikke fungerer (for eksempel til vedligeholdelse eller en nødsituation), mens trykreducerende ventil bruges til kontinuerlig drift til at levere overskydende gas, når den samlede strøm overstiger ekspanderens designkapacitet.
Nødlukningsventil (ESD). ESD -ventiler bruges til at blokere gasstrømmen i ekspanderen i en nødsituation for at undgå mekanisk skade.
Instrumenter og kontroller. Vigtige variabler til overvågning inkluderer indløb og udløbstryk, strømningshastighed, rotationshastighed og effekt.
Kørsel med overdreven hastighed. Enheden afskærer strømmen til turbinen, hvilket får turbinens rotor til at bremse og derved beskytte udstyret mod overdreven hastigheder på grund af uventede procesforhold, der kan skade udstyret.
Tryksikkerhedsventil (PSV). PSV'er installeres ofte efter en turboxpander for at beskytte rørledninger og udstyr med lavt tryk. PSV skal være designet til at modstå de mest alvorlige eventualiteter, som typisk inkluderer svigt i bypass -ventilen til at åbne. Hvis der føjes en ekspander til en eksisterende trykreduktionsstation, skal procesdesignteamet afgøre, om den eksisterende PSV giver tilstrækkelig beskyttelse.
Varmeapparat. Varmerne kompenserer for temperaturfaldet forårsaget af den gas, der passerer gennem turbinen, så gassen skal forvarmes. Dens hovedfunktion er at øge temperaturen på den stigende gasstrøm for at opretholde temperaturen på gassen, der forlader ekspanderen over en minimumsværdi. En anden fordel ved at hæve temperaturen er at øge effekten samt forhindre korrosion, kondensation eller hydrater, der kan påvirke udstyrsdyser negativt. I systemer, der indeholder varmevekslere (som vist i figur 3), styres gastemperaturen normalt ved at regulere strømmen af opvarmet væske til forvarmeren. I nogle designs kan en flammevarmer eller elektrisk varmelegeme bruges i stedet for en varmeveksler. Varmerne kan allerede eksistere i en eksisterende JT -ventilstation, og tilføjelse af en ekspander kræver muligvis ikke installation af yderligere varmeapparater, men snarere øger strømmen af opvarmet væske.
Smørolie- og tætningsgassystemer. Som nævnt ovenfor kan udvidere bruge forskellige tætningsdesign, som kan kræve smøremidler og tætning af gasser. Hvor det er relevant, skal smøreolien opretholde høj kvalitet og renhed, når den er i kontakt med procesgasser, og olieviskositetsniveauet skal forblive inden for det krævede driftsområde af smurt lejer. Forseglede gassystemer er normalt udstyret med en olie -smøringsindretning for at forhindre, at olie i lejeboksen kommer ind i ekspansionsboksen. Til specielle anvendelser af kompandere, der bruges i carbonhydridindustrien, 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 det vekslende strøm (AC) signal for at matche hjælpefrekvensen. Typisk har design baseret på variable frekvensdrev højere samlet effektivitet end design, der bruger gearkasser eller andre mekaniske komponenter. VFD-baserede systemer kan også rumme en bredere række procesændringer, der kan resultere i ændringer i ekspanderskafthastighed.
Smitte. 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 man forbereder en anmodning om citat (RFQ) til en ekspander, skal procesingeniøren først bestemme driftsbetingelserne, herunder følgende oplysninger:
Mekaniske ingeniører afslutter ofte ekspanderingsgeneratorspecifikationer og specifikationer ved hjælp af data fra andre ingeniørdiscipliner. Disse input kan omfatte følgende:
Specifikationerne skal også indeholde en liste over dokumenter og tegninger leveret af producenten som en del af udbudsprocessen og anvendelsesområdet samt relevante testprocedurer som krævet af projektet.
De tekniske oplysninger, der leveres af producenten som en del af udbudsprocessen, bør generelt omfatte følgende elementer:
Hvis et aspekt af forslaget adskiller sig fra de originale specifikationer, skal producenten også give en liste over afvigelser og årsagerne til afvigelserne.
Når et forslag er modtaget, skal projektudviklingsteamet gennemgå anmodningen om overholdelse og afgøre, om afvigelser teknisk er berettiget.
Andre tekniske overvejelser, der skal overvejes, når man evaluerer forslag inkluderer:
Endelig skal der udføres en økonomisk analyse. Da forskellige muligheder kan resultere i forskellige startomkostninger, anbefales det, at der udføres en pengestrøms- eller livscyklusomkostningsanalyse for at sammenligne projektets langsigtede økonomi og afkast på investeringer. For eksempel kan en højere initial investering modregnes på lang sigt ved øget produktivitet eller reducerede vedligeholdelseskrav. Se “Referencer” for instruktioner om denne type analyse. 4.
Alle Turboxpander-Generator-applikationer kræver en indledende total potentiel effektberegning for at bestemme den samlede mængde tilgængelig energi, der kan gendannes i en bestemt applikation. For en turboxpander -generator beregnes effektpotentialet som en isentropisk (konstant entropi) proces. Dette er den ideelle termodynamiske situation til at overveje en reversibel adiabatisk proces uden friktion, men det er den rigtige proces at estimere det faktiske energipotentiale.
Isentropisk potentiel energi (IPP) beregnes ved at multiplicere den specifikke entalpi -forskel ved indløbet og udløbet af turboxpanderen og multiplicere resultatet med massestrømningshastigheden. Denne potentielle energi vil blive udtrykt som en isentropisk mængde (ligning (1)):
Ipp = (Hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Hvor h (i, e) er den specifikke entalpi under hensyntagen til den isentropiske udløbstemperatur og ṁ er massestrømningshastigheden.
Selvom isentropisk potentiel energi kan bruges til at estimere potentiel energi, involverer alle reelle systemer friktion, varme og andre supplerende energitab. Når man beregner det faktiske effektpotentiale, skal følgende yderligere inputdata tages i betragtning:
I de fleste turboxpander -applikationer er temperaturen begrænset til et minimum for at forhindre uønskede problemer, såsom rørfrysning, der er nævnt tidligere. Hvor naturgasstrømme er hydrater næsten altid til stede, hvilket betyder, at rørledningen nedstrøms for en turboxpander eller gashåndtagsventil fryser internt og eksternt, hvis udløbstemperaturen falder under 0 ° C. ICE -dannelse kan resultere i flowbegrænsning og i sidste ende lukke systemet for at afrime. Således bruges den "ønskede" udløbstemperatur til at beregne et mere realistisk potentielt effektscenarie. For gasser såsom brint er temperaturgrænsen imidlertid meget lavere, fordi brint ikke ændrer sig fra gas til væske, før den når kryogen temperatur (-253 ° C). Brug denne ønskede udløbstemperatur til at beregne den specifikke entalpi.
Effektiviteten af turboxpander -systemet skal også overvejes. Afhængig af den anvendte teknologi kan systemeffektivitet variere markant. For eksempel vil en turboxpander, der bruger et reduktionsudstyr 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 turboxpander -system udtrykkes som en procentdel og tages i betragtning, når man vurderer det faktiske effektpotentiale for turboxpanderen. Det faktiske effektpotentiale (PP) beregnes som følger:
Pp = (Hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Lad os se på påføring af lindring af naturgastryk. ABC driver og opretholder en trykreduktionsstation, der transporterer naturgas fra hovedrørledningen og distribuerer den til lokale kommuner. På denne station er gasindløbstrykket 40 bar, og udløbstrykket er 8 bar. Den forvarmede indløbstemperatur er 35 ° C, der forvarmer gassen for at forhindre frysning af rørledninger. Derfor skal udløbstemperaturen kontrolleres, så den ikke falder til under 0 ° C. I dette eksempel vil vi bruge 5 ° C som minimum afsætningstemperatur til at øge sikkerhedsfaktoren. Den normaliserede volumetriske gasstrømningshastighed er 50.000 nm3/h. For at beregne effektpotentialet antager vi, at al gas flyder gennem turbo -ekspanderen og beregner den maksimale effekt. Estimer det samlede effektpotentiale ved hjælp af følgende beregning:
Posttid: Maj-25-2024