HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO., LTD.

Expanders kan använda tryckreducering för att driva roterande maskiner. Information om hur man utvärderar de potentiella fördelarna med att installera en förlängare finns här.
Inom den kemiska processindustrin (CPI) är det vanligt att ”en stor mängd energi går till spillo i tryckreglerventiler där högtrycksvätskor måste avlastas” [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 inkompressibla vätskor (vätskor) uppnås detta med hjälp av en hydraulisk energiåtervinningsturbin (HPRT; se referens 1). För kompressibla vätskor (gaser) är en expander en lämplig maskin.
Expanderteknik är en mogen teknik med många framgångsrika tillämpningar, såsom fluidkatalytisk krackning (FCC), kylning, naturgasventiler, luftseparation eller avgasutsläpp. I princip kan vilken gasström som helst med reducerat tryck användas för att driva en expander, men "energiproduktionen är direkt proportionell mot tryckförhållandet, temperaturen och flödeshastigheten för gasströmmen" [2], samt teknisk och ekonomisk genomförbarhet. Implementering av expander: Processen beror på dessa och andra faktorer, såsom lokala energipriser och tillverkarens tillgång till lämplig utrustning.
Även om turboexpandern (som fungerar på liknande 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 huvudtyperna av expanderar och deras komponenter och sammanfattar hur driftschefer, konsulter eller energirevisorer i olika CPI-avdelningar kan utvärdera de potentiella ekonomiska och miljömässiga fördelarna med att installera en expander.
Det finns många olika typer av motståndsband som varierar kraftigt i geometri och funktion. Huvudtyperna visas i figur 2, och varje typ beskrivs kortfattat nedan. För mer information, samt grafer som jämför driftsstatus för varje typ baserat på specifika diametrar och specifika hastigheter, se hjälpen. 3.
Kolvturboexpander. Kolv- och rotationskolvturboexpandrar fungerar som en omvänd roterande förbränningsmotor, absorberar högtrycksgas och omvandlar dess lagrade energi till rotationsenergi genom vevaxeln.
Dra turboexpandern. Bromsturbinexpandern består av en koncentrisk flödeskammare med skopflänsar fästa vid periferin av 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 turboexpandrar har ett axiellt inlopp och ett radiellt utlopp, vilket gör att gasen kan expandera radiellt genom turbinhjulet. På liknande sätt expanderar axialflödesturbiner gas genom turbinhjulet, men flödesriktningen förblir parallell med rotationsaxeln.
Den här artikeln fokuserar på radiella och axiella turboexpandermotorer och diskuterar deras olika undertyper, komponenter och ekonomi.
En turboexpander utvinner energi från en högtrycksgasström och omvandlar den till en drivlast. Lasten är vanligtvis en kompressor eller generator ansluten till en axel. En turboexpander med en kompressor komprimerar vätska i andra delar av processflödet som kräver komprimerad vätska, vilket ökar anläggningens totala effektivitet genom att använda energi som annars går till spillo. En turboexpander med en generatorlast omvandlar energin till elektricitet, som kan användas i andra anläggningsprocesser eller återföras till det lokala elnätet för försäljning.
Turboexpandergeneratorer kan utrustas med antingen en direkt drivaxel från turbinhjulet till generatorn, eller via en växellåda som effektivt minskar ingångsvarvtalet från turbinhjulet till generatorn genom en utväxling. Direktdrivna turboexpandrar erbjuder fördelar vad gäller effektivitet, fotavtryck och underhållskostnader. Turboexpandrar med växellåda är tyngre och kräver ett större fotavtryck, smörjutrustning och regelbundet underhåll.
Genomströmningsturboexpandrar kan tillverkas i form av radiella eller axiella turbiner. Radiella flödesexpandrar innehåller ett axiellt inlopp och ett radiellt utlopp så att gasflödet lämnar turbinen radiellt från rotationsaxeln. Axiella turbiner tillåter gas att flöda axiellt längs rotationsaxeln. Axiella flödesturbiner utvinner energi från gasflödet genom inloppsledskenor till expanderhjulet, varvid expansionskammarens tvärsnittsarea gradvis ökar för att bibehålla en konstant hastighet.
En turboexpandergenerator består av tre huvudkomponenter: ett turbinhjul, speciallager och en generator.
Turbinhjul. Turbinhjul är ofta specifikt utformade för att optimera den aerodynamiska effektiviteten. Tillämpningsvariabler som påverkar turbinhjulsdesignen inkluderar inlopps-/utloppstryck, inlopps-/utloppstemperatur, volymflöde och fluidegenskaper. När kompressionsförhållandet är för högt för att minskas i ett steg krävs en turboexpander med flera turbinhjul. Både radiella och axiella turbinhjul kan utformas som flerstegsturbinhjul, men axiella turbinhjul har en mycket kortare axiell längd och är därför mer kompakta. Flerstegsturbiner med radiellt flöde kräver att gas flödar från axiellt till radiellt och tillbaka till axiellt, vilket skapar högre friktionsförluster än axiellt flödesturbiner.
Lager. Lagerkonstruktionen är avgörande för en turboexpanderns effektiva drift. Lagertyper relaterade till turboexpanderkonstruktioner varierar kraftigt och kan inkludera oljelager, vätskefilmlager, traditionella kullager och magnetlager. Varje metod har sina egna fördelar och nackdelar, som visas i tabell 1.
Många tillverkare av turboexpander väljer magnetlager som sitt "föredragna lager" på grund av deras unika fördelar. Magnetiska lager säkerställer friktionsfri drift av turboexpanderns dynamiska komponenter, vilket avsevärt minskar drifts- och underhållskostnaderna under maskinens livslängd. De är också konstruerade för att motstå ett brett spektrum av axiella och radiella belastningar och överbelastningsförhållanden. 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 permanentmagnetgenerator). Induktionsgeneratorer har en lägre nominell hastighet, så höghastighetsturbinapplikationer kräver en växellåda, men kan utformas för att matcha nätfrekvensen, vilket eliminerar behovet av en frekvensomriktare (VFD) för att leverera den genererade elektriciteten. Permanentmagnetgeneratorer, å andra sidan, kan axelkopplas direkt till turbinen och överföra effekt till nätet via en frekvensomriktare. Generatorn är konstruerad för att leverera maximal effekt baserat på den axeleffekt som finns tillgänglig i systemet.
Tätningar. Tätningen är också en kritisk komponent vid utformning av ett turboexpandersystem. För att bibehålla hög effektivitet och uppfylla miljöstandarder måste systemen tätas för att förhindra potentiella processgasläckor. Turboexpandrar kan utrustas med dynamiska eller statiska tätningar. Dynamiska tätningar, såsom labyrinttätningar och torrgastätningar, ger en tätning runt en roterande axel, vanligtvis mellan turbinhjulet, lagren och resten av maskinen där generatorn är placerad. Dynamiska tätningar slits ut med tiden och kräver regelbundet underhåll och inspektion för att säkerställa att de fungerar korrekt. När alla turboexpanderkomponenter finns i ett enda hölje kan statiska tätningar användas för att skydda alla ledningar som lämnar höljet, inklusive till generatorn, magnetiska lagerdrivningar 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 tillföra högtryckskompressibel (icke-kondenserbar) gas till ett lågtryckssystem med tillräckligt flöde, tryckfall och utnyttjande för att upprätthålla normal drift av utrustningen. Driftsparametrarna bibehålls på en säker och effektiv nivå.
När det gäller tryckreducerande funktion kan expandern användas för att ersätta Joule-Thomson (JT) ventilen, även känd som strypventilen. Eftersom JT-ventilen rör sig längs en isentropisk bana och expandern rör sig längs en nästan isentropisk bana, minskar den senare gasens entalpi och omvandlar entalpiskillnaden till axeleffekt, vilket ger en lägre utloppstemperatur än JT-ventilen. Detta är användbart i kryogena processer där målet är att sänka gasens temperatur.
Om det finns en nedre gräns för utloppsgastemperaturen (till exempel i en dekompressionsstation där gastemperaturen måste hållas över fryspunkten, hydratiseringstemperaturen eller den lägsta materialtemperaturen), måste minst en värmare läggas till. Kontrollera gastemperaturen. När förvärmaren är placerad uppströms expandern återvinns även en del av energin från matargasen i expandern, vilket ökar dess effekt. I vissa konfigurationer där utloppstemperaturreglering krävs kan en andra eftervärmare installeras efter expandern för att ge snabbare reglering.
I figur 3 visas ett förenklat diagram över det allmänna flödesschemat för en expansionsgenerator med förvärmare som används för att ersätta en JT-ventil.
I andra processkonfigurationer kan energin som återvinns i expandern överföras direkt till kompressorn. Dessa maskiner, ibland kallade "commanders", har vanligtvis expansions- och kompressionssteg sammankopplade med en eller flera axlar, vilka också kan inkludera en växellåda för att reglera hastighetsskillnaden mellan de två stegen. Den kan också inkludera en extra motor för att ge mer kraft till kompressionssteget.
Nedan följer några av de viktigaste komponenterna som säkerställer korrekt drift och stabilitet i systemet.
Bypassventil eller tryckreduceringsventil. Bypassventilen gör att driften kan fortsätta när turboexpandern inte är i drift (till exempel vid underhåll eller en nödsituation), medan tryckreduceringsventilen används för kontinuerlig drift för att tillföra överskottsgas när det totala flödet överstiger expanderns designkapacitet.
Nödavstängningsventil (ESD). ESD-ventiler används för att blockera gasflödet in i expandern i en nödsituation för att undvika mekaniska skador.
Instrument och kontroller. Viktiga variabler att övervaka inkluderar inlopps- och utloppstryck, flödeshastighet, rotationshastighet och effekt.
Körning med för hög hastighet. Enheten stänger av flödet till turbinen, vilket gör att turbinrotorn saktar ner och skyddar därigenom utrustningen från för höga hastigheter på grund av oväntade processförhållanden som kan skada utrustningen.
Trycksäkerhetsventil (PSV). Trycksäkerhetsventiler installeras ofta efter en turboexpander för att skydda rörledningar och lågtrycksutrustning. Trycksäkerhetsventilen måste vara konstruerad för att motstå de allvarligaste händelserna, vilket vanligtvis inkluderar att bypassventilen inte öppnas. Om en expander läggs till i en befintlig tryckreduceringsstation måste processdesignteamet avgöra om den befintliga trycksäkerhetsventilen ger tillräckligt skydd.
Värmare. Värmare kompenserar för temperaturfallet som orsakas av att gasen passerar genom turbinen, så gasen måste förvärmas. Dess huvudsakliga funktion är att öka temperaturen på det stigande gasflödet för att hålla temperaturen på gasen som lämnar expandern över ett minimivärde. En annan fördel med att höja temperaturen är att öka effekten samt förhindra korrosion, kondens eller hydrater som kan påverka utrustningens munstycken negativt. I system som innehåller värmeväxlare (som visas i figur 3) styrs gastemperaturen vanligtvis genom att reglera flödet av uppvärmd vätska in i förvärmaren. I vissa utföranden kan en flamvärmare eller elektrisk värmare användas istället för en värmeväxlare. Värmare kan redan finnas i en befintlig JT-ventilstation, och att lägga till en expander kanske inte kräver att ytterligare värmare installeras, utan snarare att flödet av uppvärmd vätska ökas.
Smörjolje- och tätningsgassystem. Som nämnts ovan kan expanderare använda olika tätningskonstruktioner, vilket kan kräva smörjmedel och tätningsgaser. Där så är tillämpligt måste smörjoljan bibehålla hög kvalitet och renhet vid kontakt med processgaser, och oljeviskositetsnivån måste hållas inom det erforderliga driftsområdet för smorda lager. Tätade gassystem är vanligtvis utrustade med en oljesmörjanordning för att förhindra att olja från lagerlådan kommer in i expansionslådan. För speciella tillämpningar av expanderare som används inom kolväteindustrin är smörjolje- och tätningsgassystem vanligtvis konstruerade enligt API 617 [5] del 4-specifikationer.
Variabel frekvensdrivning (VFD). När generatorn är induktionsdriven slås en VFD vanligtvis på för att justera växelströmssignalen (AC) så att den matchar nätfrekvensen. Vanligtvis har konstruktioner baserade på variabel frekvensdrivning högre total effektivitet än konstruktioner som använder växellådor eller andra mekaniska komponenter. VFD-baserade system kan också hantera ett bredare spektrum av processförändringar som kan resultera i förändringar i expanderaxelns hastighet.
Växellåda. Vissa expanderkonstruktioner använder en växellåda för att reducera expanderns hastighet till generatorns nominella hastighet. Kostnaden för att använda en växellåda är lägre total verkningsgrad och därmed lägre effekt.
När en offertförfrågan (RFQ) för en expander förbereds måste processingenjören först fastställa driftsförhållandena, inklusive följande information:
Maskingenjörer sammanställer ofta specifikationer för expandergeneratorer och andra specifikationer med hjälp av data från andra ingenjörsdiscipliner. Dessa indata kan inkludera följande:
Specifikationerna ska också innehålla en lista över dokument och ritningar som tillverkaren tillhandahållit som en del av anbudsprocessen och leveransomfattningen, samt tillämpliga testprocedurer som krävs för projektet.
Den tekniska information som tillverkaren tillhandahåller som en del av anbudsprocessen bör generellt innehålla följande element:
Om någon aspekt av förslaget avviker från de ursprungliga specifikationerna måste tillverkaren också tillhandahålla en lista över avvikelser och orsakerna till avvikelserna.
När ett förslag har mottagits måste projektutvecklingsgruppen granska begäran om efterlevnad och avgöra om avvikelser är tekniskt motiverade.
Andra tekniska överväganden att beakta vid utvärdering av förslag inkluderar:
Slutligen behöver en ekonomisk analys genomföras. Eftersom olika alternativ kan resultera i olika initialkostnader rekommenderas att en kassaflödes- eller livscykelkostnadsanalys utförs för att jämföra projektets långsiktiga ekonomi och avkastning på investeringen. Till exempel kan en högre initial investering på lång sikt kompenseras av ökad produktivitet eller minskade underhållsbehov. Se ”Referenser” för instruktioner om denna typ av analys. 4.
Alla tillämpningar av turboexpandergeneratorer kräver en initial beräkning av den totala potentiella effekten för att bestämma den totala mängden tillgänglig energi som kan återvinnas i en viss tillämpning. För en turboexpandergenerator beräknas effektpotentialen som en isentropisk (konstant entropi) process. Detta är den ideala termodynamiska situationen för att betrakta en reversibel adiabatisk process utan friktion, men det är den korrekta processen för att uppskatta den faktiska energipotentialen.
Isentropisk potentiell energi (IPP) beräknas genom att multiplicera den specifika entalpidifferensen vid turboexpanderns inlopp och utlopp och multiplicera resultatet med massflödet. Denna potentiella energi kommer att uttryckas som en isentropisk kvantitet (ekvation (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
där h(i,e) är den specifika entalpin med 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 kompletterande energiförluster. Därför bör följande ytterligare indata beaktas vid beräkning av den faktiska effektpotentialen:
I de flesta turboexpanderapplikationer begränsas temperaturen till ett minimum för att förhindra oönskade problem som frysning av rör, vilket nämnts tidigare. Där naturgas flödar finns nästan alltid hydrater, vilket innebär att rörledningen nedströms en turboexpander eller strypventil kommer att frysa internt och externt om utloppstemperaturen sjunker under 0 °C. Isbildning kan resultera i flödesbegränsning och slutligen stänga av systemet för avfrostning. Därför används den "önskade" utloppstemperaturen för att beräkna ett mer realistiskt potentiellt effektscenario. För gaser som väte är dock temperaturgränsen mycket lägre eftersom väte inte övergår från gas till vätska förrän det når kryogen temperatur (-253 °C). Använd denna önskade utloppstemperatur för att beräkna den specifika entalpin.
Turboexpandersystemets effektivitet måste också beaktas. Beroende på vilken teknik som används kan systemets effektivitet variera avsevärt. Till exempel kommer en turboexpander som använder en reduktionsväxel för att överföra rotationsenergi från turbinen till generatorn att uppleva större friktionsförluster än ett system som använder direktdrift från turbinen till generatorn. Den totala effektiviteten för ett turboexpandersystem uttrycks i procent och beaktas vid bedömning av turboexpanderns faktiska effektpotential. Den faktiska effektpotentialen (PP) beräknas enligt följande:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Låt oss titta på tillämpningen av naturgastryckavlastning. ABC driver och underhåller en tryckreduceringsstation som transporterar naturgas från huvudledningen och distribuerar den till lokala kommuner. Vid denna station är gasinloppstrycket 40 bar och utloppstrycket 8 bar. Den förvärmda inloppsgastemperaturen är 35 °C, vilket förvärmer gasen för att förhindra att rörledningen fryser. Därför måste utloppsgastemperaturen kontrolleras så att den inte sjunker under 0 °C. I det här exemplet använder vi 5 °C som lägsta utloppstemperatur för att öka säkerhetsfaktorn. Det normaliserade volymetriska gasflödet är 50 000 Nm3/h. För att beräkna effektpotentialen antar vi att all gas flödar genom turboexpandern och beräknar den maximala effektutgången. Uppskatta den totala effektutgången med hjälp av följande beräkning: