Expanders kan använda tryckreduktion för att driva roterande maskiner. Information om hur du utvärderar de potentiella fördelarna med att installera en extender kan hittas här.
Vanligtvis inom den kemiska processindustrin (CPI) slösas "en stor mängd energi i tryckkontrollventiler där högtrycksvätskor måste depressuriseras" [1]. Beroende på olika tekniska och ekonomiska faktorer kan det vara önskvärt att omvandla denna energi till roterande mekanisk energi, som kan användas för att driva generatorer eller andra roterande maskiner. För inkomprimerbara vätskor (vätskor) uppnås detta med användning av en hydraulisk energiåtervinningsturbin (HPRT; se referens 1). För komprimerbara vätskor (gaser) är en expander en lämplig maskin.
Expanders är en mogen teknik med många framgångsrika tillämpningar såsom vätskekatalytisk sprickbildning (FCC), kylning, naturgasstadsventiler, luftseparation eller avgasutsläpp. I princip kan varje gasström med reducerat tryck användas för att driva en expander, men "energiproduktionen är direkt proportionell mot tryckförhållandet, temperaturen och flödeshastigheten för gasströmmen" [2], liksom teknisk och ekonomisk genomförbarhet. Expander -implementering: Processen beror på dessa och andra faktorer, till exempel lokala energipriser och tillverkarens tillgänglighet av lämplig utrustning.
Även om Turboexpander (som fungerar på samma sätt som en turbin) är den mest kända typen av expander (figur 1), finns det andra typer som är lämpliga för olika processförhållanden. Den här artikeln introducerar de viktigaste typerna av expanders och deras komponenter och sammanfattar hur operatörschefer, konsulter eller energisrevisorer i olika CPI -divisioner kan utvärdera de potentiella ekonomiska och miljömässiga fördelarna med att installera en expander.
Det finns många olika typer av resistensband som varierar mycket i geometri och funktion. Huvudtyperna visas i figur 2, och varje typ beskrivs kort nedan. För mer information, såväl som grafer som jämför driftsstatusen för varje typ baserat på specifika diametrar och specifika hastigheter, se hjälp. 3.
Kolv Turboexpander. Kolv- och rotationskolvturboexpanders fungerar som en omvänd roterande förbränningsmotor, absorberar högtrycksgas och omvandlar sin lagrade energi till rotationsenergi genom vevaxeln.
Dra turbo expander. Bromsturbinutföraren består av en koncentrisk flödeskammare med hinkfenor fästa vid periferin i det roterande elementet. De är utformade på samma sätt som vattenhjul, men tvärsnittet av de koncentriska kamrarna ökar från inlopp till utlopp, vilket gör att gasen kan expandera.
Radiell turboexpander. Radiella flödes turboexpanders har ett axiellt inlopp och ett radiellt utlopp, vilket gör att gasen kan expandera radiellt genom turbinhjulet. På liknande sätt expanderar axiella flödesurbiner gas genom turbinhjulet, men flödesriktningen förblir parallell med rotationsaxeln.
Den här artikeln fokuserar på radiella och axiella turboexpanders och diskuterar deras olika undertyper, komponenter och ekonomi.
En turboexpander extraherar energi från en högtrycksgasström och omvandlar den till en drivbelastning. Vanligtvis är lasten en kompressor eller generator ansluten till en axel. En turboexpander med en kompressor komprimerar vätska i andra delar av processströmmen som kräver komprimerad vätska och därmed ökar växtens totala effektivitet genom att använda energi som annars slösas bort. En turboexpander med en generatorbelastning omvandlar energin till elektricitet, som kan användas i andra växtprocesser eller återlämnas till det lokala nätet till salu.
TurboExpander -generatorer kan utrustas med antingen en direktdrivning av turbinhjulet till generatorn, eller genom en växellåda som effektivt reducerar ingångshastigheten från turbinhjulet till generatorn genom ett växelförhållande. Direct Drive TurboExpanders erbjuder fördelar inom effektivitet, fotavtryck och underhållskostnader. Växellådan turboexpanders är tyngre och kräver ett större fotavtryck, smörjningsutrustning och regelbundet underhåll.
Genomströmning av turboexpanders kan göras i form av radiella eller axiella turbiner. Radiella flödesutvidgare innehåller ett axiellt inlopp och ett radiellt utlopp så att gasflödet lämnar turbinen radiellt från rotationsaxeln. Axiella turbiner tillåter gas att flyta axiellt längs rotationsaxeln. Axiala flödesurbiner extraherar energi från gasflödet genom inloppsstyrskovlar till expandershjulet, med tvärsnittsområdet för expansionskammaren som gradvis ökar för att upprätthålla en konstant hastighet.
En TurboExpander -generator består av tre huvudkomponenter: ett turbinhjul, speciallager och en generator.
Turbinhjul. Turbinhjul är ofta utformade specifikt för att optimera aerodynamisk effektivitet. Applikationsvariabler som påverkar turbinhjulets design inkluderar inloppspress, inlopps-/utloppstemperatur, volymflöde och vätskegenskaper. När kompressionsförhållandet är för högt för att reduceras i ett steg krävs en turboexpander med flera turbinhjul. Både radiella och axiella turbinhjul kan utformas som flera steg, men axiella turbinhjul har en mycket kortare axiell längd och är därför mer kompakta. Radiella flödeturbiner med flera steg kräver gas för att flyta från axiella till radiella och tillbaka till axiella, vilket skapar högre friktionsförluster än axiella flödeturbiner.
lager. Lagerkonstruktion är avgörande för en effektiva drift av en turboexpander. Lagertyper relaterade till turboexpanderkonstruktioner varierar mycket och kan inkludera oljelager, flytande filmlager, traditionella kullager och magnetlager. Varje metod har sina egna fördelar och nackdelar, som visas i tabell 1.
Många TurboExpander -tillverkare väljer magnetlager som deras "val av bärande" på grund av deras unika fördelar. Magnetlager säkerställer friktionsfri drift av turboexpanders dynamiska komponenter, vilket avsevärt minskar drifts- och underhållskostnaderna under maskinens livslängd. De är också utformade för att motstå ett brett utbud av axiella och radiella belastningar och överspänningsförhållanden. Deras högre initialkostnader kompenseras av mycket lägre livscykelkostnader.
dynamo. Generatorn tar turbinens rotationsenergi och omvandlar den till användbar elektrisk energi med hjälp av en elektromagnetisk generator (som kan vara en induktionsgenerator eller en permanent magnetgenerator). Induktionsgeneratorer har en lägre hastighet, så höghastighetsturbinapplikationer kräver en växellåda, men kan utformas för att matcha rutnätfrekvensen, vilket eliminerar behovet av en variabel frekvensdrivning (VFD) för att leverera den genererade elen. Permanentmagnetgeneratorer kan å andra sidan vara direkt axel kopplade till turbinen och överföra effekt till nätet genom en variabel frekvensdrivning. Generatorn är utformad för att leverera maximal effekt baserat på den tillgängliga axelkraften i systemet.
Tätningar. Tätningen är också en kritisk komponent när man utformar ett turboexpander -system. För att upprätthålla hög effektivitet och uppfylla miljöstandarder måste system förseglas för att förhindra potentiella processgasläckor. TurboExpanders kan utrustas med dynamiska eller statiska tätningar. Dynamiska tätningar, såsom labyrinttätningar och torra gastätningar, ger en tätning runt en roterande axel, vanligtvis mellan turbinhjulet, lagren och resten av maskinen där generatorn är belägen. Dynamiska tätningar sliter över tid och kräver regelbundet underhåll och inspektion för att säkerställa att de fungerar korrekt. När alla TurboExpander -komponenter finns i ett enda hus, kan statiska tätningar användas för att skydda alla leads som lämnar huset, inklusive generator, magnetlager eller sensorer. Dessa lufttäta tätningar ger permanent skydd mot gasläckage och kräver inget underhåll eller reparation.
Ur processsynpunkt är det primära kravet för att installera en expander att leverera högtryckskomprimerbar (icke-kondenserbar) gas till ett lågtryckssystem med tillräckligt flöde, tryckfall och användning för att upprätthålla normal drift av utrustningen. Driftsparametrar upprätthålls på en säker och effektiv nivå.
När det gäller tryckreducerande funktion kan expander användas för att ersätta Joule-Thomson (JT) -ventilen, även känd som gasventilen. Eftersom JT -ventilen rör sig längs en isentropisk stig och expander rör sig längs en nästan isentropisk väg, reducerar den senare gasens entalpi och omvandlar entalpinskillnaden till axelkraft och därmed producerar en lägre utloppstemperatur än JT -ventilen. Detta är användbart i kryogena processer där målet är att minska temperaturen på gasen.
Om det finns en lägre gräns för utloppsgastemperaturen (till exempel i en dekompressionsstation där gastemperaturen måste hållas ovanför frysning, hydrering eller minimikonstruktionstemperatur) måste minst en värmare läggas till. Kontrollera gastemperaturen. När förvärmaren är belägen uppströms om expander, återvinns en del av energin från fodergasen också i expander och därmed ökar kraftuttaget. I vissa konfigurationer där utloppstemperaturkontrollen krävs kan en andra värmare installeras efter expander för att ge snabbare kontroll.
I fig. Figur 3 visar ett förenklat diagram över det allmänna flödesdiagrammet för en expandersgenerator med förvärmare som används för att ersätta en JT -ventil.
I andra processkonfigurationer kan den energi som återvinns i expander överföras direkt till kompressorn. Dessa maskiner, ibland kallade "befälhavare", har vanligtvis expansions- och kompressionssteg förbundna med en eller flera axlar, som också kan inkludera en växellåda för att reglera hastighetsskillnaden mellan de två stegen. Det kan också inkludera en ytterligare motor för att ge mer kraft till kompressionssteget.
Nedan följer några av de viktigaste komponenterna som säkerställer korrekt drift och stabilitet i systemet.
Förbikopplingsventil eller tryckreducerande ventil. Bypassventilen gör det möjligt för driften att fortsätta när turboexpander inte fungerar (till exempel för underhåll eller en nödsituation), medan tryckreducerande ventil används för kontinuerlig drift för att leverera överskottsgas när det totala flödet överskrider expanders designkapacitet.
Nödavstängningsventil (ESD). ESD -ventiler används för att blockera flödet av gas in i expander i en nödsituation för att undvika mekaniska skador.
Instrument och kontroller. Viktiga variabler att övervaka inkluderar inlopps- och utloppstryck, flödeshastighet, rotationshastighet och effektutgång.
Kör med överdriven hastighet. Enheten avbryter flödet till turbinen, vilket får turbinrotorn att sakta ner och därigenom skydda utrustningen från överdrivna hastigheter på grund av oväntade processförhållanden som kan skada utrustningen.
Trycksäkerhetsventil (PSV). PSV installeras ofta efter en turboexpander för att skydda rörledningar och lågtrycksutrustning. PSV måste vara utformad för att motstå de allvarligaste beredskaperna, som vanligtvis inkluderar misslyckandet av förbikopplingsventilen att öppna. Om en expander läggs till en befintlig tryckreduktionsstation måste processdesignteamet avgöra om den befintliga PSV ger tillräckligt skydd.
Värmare. Värmare kompenserar för temperaturfallet som orsakas av gasen som passerar genom turbinen, så gasen måste förvärmas. Dess huvudfunktion är att öka temperaturen på det stigande gasflödet för att bibehålla temperaturen på gasen som lämnar expander över ett minimivärde. En annan fördel med att höja temperaturen är att öka kraftuttaget samt förhindra korrosion, kondensation eller hydrater som kan påverka utrustningens munstycken negativt. I system som innehåller värmeväxlare (som visas i figur 3) styrs vanligtvis gastemperaturen genom att reglera flödet av uppvärmd vätska i förvärmningen. I vissa mönster kan en låga värmare eller elektrisk värmare användas istället för en värmeväxlare. Värmare kan redan existera i en befintlig JT -ventilstation, och att lägga till en expander kanske inte kräver installation av ytterligare värmare, utan snarare ökar flödet av uppvärmd vätska.
Smörjning av olje- och tätningsgassystem. Som nämnts ovan kan expanders använda olika tätningskonstruktioner, som kan kräva smörjmedel och tätningsgaser. I tillämpliga fall måste smörjoljan upprätthålla hög kvalitet och renhet vid kontakt med processgaser, och oljeviskositetsnivån måste förbli inom det nödvändiga driftsområdet för smörjlager. Tätade gassystem är vanligtvis utrustade med en oljesmörjanordning för att förhindra att olja från lagerlådan kommer in i expansionslådan. För särskilda tillämpningar av uppkomster som används i kolväteindustrin är smörjolje- och tätningsgassystem vanligtvis utformade till API 617 [5] Del 4 -specifikationer.
Variabel frekvensdrivning (VFD). När generatorn är induktion slås en VFD vanligtvis på för att justera den växlande strömsignalen (AC) för att matcha verktygsfrekvensen. Vanligtvis har konstruktioner baserade på variabla frekvensenheter högre total effektivitet än mönster som använder växellådor eller andra mekaniska komponenter. VFD-baserade system kan också rymma ett bredare utbud av processförändringar som kan resultera i förändringar i expanderaxelhastighet.
Överföring. Vissa expander -mönster använder en växellåda för att minska expandens hastighet till generatorens nominella hastighet. Kostnaden för att använda en växellåda är lägre total effektivitet och därför lägre effektutgång.
När du förbereder en begäran om offert (RFQ) för en expander måste processingenjören först bestämma driftsförhållandena, inklusive följande information:
Mekaniska ingenjörer slutför ofta expandergeneratorspecifikationer och specifikationer med hjälp av data från andra tekniska discipliner. Dessa ingångar kan inkludera följande:
Specifikationerna måste också innehålla en lista över dokument och ritningar som tillhandahålls av tillverkaren som en del av anbudsprocessen och tillförselområdet, samt tillämpliga testförfaranden enligt projektets krävs.
Den tekniska informationen som tillhandahålls av tillverkaren som en del av anbudsprocessen bör i allmänhet inkludera följande element:
Om någon aspekt av förslaget skiljer sig från de ursprungliga specifikationerna, måste tillverkaren också tillhandahålla en lista över avvikelser och orsakerna till avvikelserna.
När ett förslag har mottagits måste projektutvecklingsteamet granska begäran om efterlevnad och avgöra om varians är tekniskt motiverade.
Andra tekniska överväganden att överväga vid utvärdering av förslag inkluderar:
Slutligen måste en ekonomisk analys genomföras. Eftersom olika alternativ kan resultera i olika initialkostnader rekommenderas att en kassaflöde eller livscykelkostnadsanalys utförs för att jämföra projektets långsiktiga ekonomi och avkastning på investeringar. Till exempel kan en högre initial investering kompenseras på lång sikt genom ökad produktivitet eller minskade underhållskrav. Se "Referenser" för instruktioner om denna typ av analys. 4.
Alla TurboExpander-generatorapplikationer kräver en initial total potentiell effektberäkning för att bestämma den totala mängden tillgänglig energi som kan återvinnas i en viss applikation. För en TurboExpander -generator beräknas kraftpotentialen som en isentropisk (konstant entropi). Detta är den ideala termodynamiska situationen för att överväga en reversibel adiabatisk process utan friktion, men det är rätt process för att uppskatta den faktiska energipotentialen.
Isentropic Potential Energy (IPP) beräknas genom att multiplicera den specifika entalpiskillnaden vid Turboexpanderers inlopp och utlopp och multiplicera resultatet med massflödeshastigheten. Denna potentiella energi kommer att uttryckas som en isentropisk mängd (ekvation (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Där h (i, e) är den specifika entalpin som tar hänsyn till den isentropiska utloppstemperaturen och ṁ är massflödeshastigheten.
Även om isentropisk potentiell energi kan användas för att uppskatta potentiell energi, involverar alla verkliga system friktion, värme och andra tillhörande energiförluster. Vid beräkning av den faktiska kraftpotentialen bör följande ytterligare inmatningsdata beaktas:
I de flesta TurboExpander -applikationer är temperaturen begränsad till ett minimum för att förhindra oönskade problem som rörfrysning som nämnts tidigare. Där naturgasflöden är hydrater nästan alltid närvarande, vilket innebär att rörledningen nedströms om en turboexpander eller gasventil fryser internt och externt om utloppstemperaturen sjunker under 0 ° C. Isbildning kan resultera i flödesbegränsning och slutligen stänga av systemet för att avfrostas. Således används den "önskade" utloppstemperaturen för att beräkna ett mer realistiskt potentiellt kraftscenario. För gaser som väte är emellertid temperaturgränsen mycket lägre eftersom väte inte ändras från gas till vätska förrän den når kryogen temperatur (-253 ° C). Använd denna önskade utloppstemperatur för att beräkna den specifika entalpin.
Effektiviteten hos TurboExpander -systemet måste också beaktas. Beroende på den använda tekniken kan systemeffektiviteten variera avsevärt. Till exempel kommer en turboexpander som använder en reduktionsutrustning för att överföra rotationsenergi från turbinen till generatorn att uppleva större friktionsförluster än ett system som använder direktdrivning från turbinen till generatorn. Den övergripande effektiviteten i ett turboexpander -system uttrycks i procent och beaktas vid bedömningen av turboexanders faktiska kraftpotential. Den faktiska kraftpotentialen (PP) beräknas enligt följande:
Pp = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Låt oss titta på tillämpningen av naturgastryckslindring. ABC driver och underhåller en tryckreduktionsstation som transporterar naturgas från huvudledningen och distribuerar den till lokala kommuner. Vid denna station är gasinloppstrycket 40 bar och utloppstrycket är 8 bar. Den förvärmda inloppsgasstemperaturen är 35 ° C, vilket förvärmar gasen för att förhindra frysning av rörledningen. Därför måste utloppsgastemperaturen styras så att den inte faller under 0 ° C. I det här exemplet kommer vi att använda 5 ° C som minsta utloppstemperatur för att öka säkerhetsfaktorn. Den normaliserade volymetriska gasflödeshastigheten är 50 000 nm3/h. För att beräkna kraftpotentialen kommer vi att anta att alla gaser flyter genom turboutvidgaren och beräknar den maximala effektutgången. Uppskatta den totala effektutgångspotentialen med följande beräkning:
Inläggstid: maj-25-2024