Ханчжоуская технологическая группа Нучжуо, ООО

Расширители могут использовать понижение давления для привода вращающихся механизмов. Информацию о том, как оценить потенциальные преимущества установки расширителя, можно найти здесь.
Как правило, в химической промышленности (ХПП) «значительное количество энергии теряется в клапанах регулирования давления, где необходимо сбрасывать давление жидкостей под высоким давлением» [1]. В зависимости от различных технических и экономических факторов может возникнуть необходимость преобразования этой энергии во вращательную механическую энергию, которую можно использовать для привода генераторов или других вращающихся машин. Для несжимаемых жидкостей (НЖТ) это достигается с помощью гидравлической турбины рекуперации энергии (HPRT; см. ссылку 1). Для сжимаемых жидкостей (газов) подходящим устройством является детандер.
Детандеры – это развитая технология, имеющая множество успешных применений, таких как каталитический крекинг с псевдоожиженным слоем (FCC), холодильная техника, газовые клапаны, разделение воздуха и выбросы выхлопных газов. В принципе, для привода детандера может использоваться любой поток газа с пониженным давлением, но «выходная энергия прямо пропорциональна степени сжатия, температуре и расходу потока газа» [2], а также технической и экономической целесообразности. Внедрение детандера: процесс зависит от этих и других факторов, таких как местные цены на энергоносители и наличие у производителя подходящего оборудования.
Хотя турбодетандер (функционирующий аналогично турбине) является наиболее распространённым типом детандера (рис. 1), существуют и другие типы, подходящие для различных технологических условий. В данной статье рассматриваются основные типы детандеров и их компоненты, а также кратко описывается, как руководители производства, консультанты и энергоаудиторы различных подразделений CPI могут оценить потенциальные экономические и экологические преимущества установки детандера.
Существует множество различных типов эспандеров, значительно различающихся по геометрии и функциям. Основные типы показаны на рисунке 2, а краткое описание каждого типа приведено ниже. Дополнительную информацию, а также графики, сравнивающие рабочие характеристики каждого типа в зависимости от диаметра и скорости, см. в разделе «Помощь». 3.
Поршневой турбодетандер. Поршневые и роторно-поршневые турбодетандеры работают по принципу двигателя внутреннего сгорания обратного вращения, поглощая газ под высоким давлением и преобразуя его накопленную энергию во вращательную энергию посредством коленчатого вала.
Протащите турбодетандер. Тормозной турбодетандер состоит из концентрической проточной камеры с лопаточными лопастями, прикрепленными к периферии вращающегося элемента. Они сконструированы так же, как и водяные колеса, но поперечное сечение концентрических камер увеличивается от входа к выходу, что позволяет газу расширяться.
Радиальный турбодетандер. Турбодетандеры радиального потока имеют осевой вход и радиальный выход, что позволяет газу расширяться радиально через рабочее колесо турбины. Аналогично, осевые турбины расширяют газ через рабочее колесо турбины, но направление потока остаётся параллельным оси вращения.
В данной статье рассматриваются радиальные и осевые турбодетандеры, их различные подтипы, компоненты и экономические показатели.
Турбодетандер извлекает энергию из потока газа высокого давления и преобразует её в приводную нагрузку. Обычно нагрузкой является компрессор или генератор, соединённый с валом. Турбодетандер с компрессором сжимает жидкость в других частях технологического процесса, требующих сжатой жидкости, тем самым повышая общую эффективность установки за счёт использования энергии, которая в противном случае тратилась бы впустую. Турбодетандер с генераторной нагрузкой преобразует энергию в электроэнергию, которую можно использовать в других технологических процессах установки или возвращать в местную электросеть для продажи.
Турбодетандерные генераторы могут быть оснащены либо прямым приводом вала от турбинного колеса к генератору, либо через редуктор, который эффективно снижает скорость вращения вала от турбинного колеса к генератору посредством передаточного числа. Турбодетандеры с прямым приводом обладают преимуществами в плане эффективности, компактности и стоимости обслуживания. Турбодетандеры с редуктором тяжелее и требуют большей площади, дополнительного оборудования для смазки и регулярного обслуживания.
Проточные турбодетандеры могут быть выполнены в виде радиальных или осевых турбин. Радиальные детандеры содержат осевой вход и радиальный выход, благодаря чему поток газа выходит из турбины радиально от оси вращения. Осевые турбины обеспечивают аксиальный поток газа вдоль оси вращения. Осевые турбины отбирают энергию из потока газа через входной направляющий аппарат к рабочему колесу детандера, при этом площадь поперечного сечения камеры расширения постепенно увеличивается для поддержания постоянной скорости.
Турбодетандерный генератор состоит из трех основных частей: турбинного колеса, специальных подшипников и генератора.
Турбинное колесо. Турбинные колеса часто проектируются специально для оптимизации аэродинамической эффективности. На конструкцию рабочего колеса влияют такие факторы, как давление на входе/выходе, температура на входе/выходе, расход и свойства жидкости. Если степень сжатия слишком высока для снижения на одной ступени, требуется турбодетандер с несколькими турбинными колесами. Как радиальные, так и осевые турбинные колеса могут быть спроектированы многоступенчатыми, но осевые имеют значительно меньшую осевую длину и, следовательно, более компактны. Многоступенчатые радиальные турбины требуют, чтобы газ перетекал из осевого направления в радиальное и обратно в осевое, что приводит к более высоким потерям на трение, чем осевые турбины.
Подшипники. Конструкция подшипников критически важна для эффективной работы турбодетандера. Типы подшипников, используемых в турбодетандерах, весьма разнообразны и могут включать масляные подшипники, подшипники жидкостного трения, традиционные шарикоподшипники и магнитные подшипники. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, как показано в таблице 1.
Многие производители турбодетандеров выбирают магнитные подшипники в качестве «подшипников выбора» благодаря их уникальным преимуществам. Магнитные подшипники обеспечивают работу динамических компонентов турбодетандера без трения, значительно снижая расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание в течение всего срока службы машины. Они также рассчитаны на широкий диапазон осевых и радиальных нагрузок, а также перенапряжений. Их более высокая первоначальная стоимость компенсируется значительно более низкой стоимостью жизненного цикла.
Динамо-машина. Генератор получает энергию вращения турбины и преобразует её в полезную электрическую энергию с помощью электромагнитного генератора (который может быть индукционным или генератором с постоянными магнитами). Индукционные генераторы имеют более низкую номинальную скорость, поэтому для высокоскоростных турбин требуется редуктор, но могут быть спроектированы для согласования с частотой сети, что исключает необходимость в частотно-регулируемом приводе (ЧРП) для подачи вырабатываемой электроэнергии. Генераторы с постоянными магнитами, с другой стороны, могут быть напрямую соединены валом с турбиной и передавать мощность в сеть через частотно-регулируемый привод. Генератор рассчитан на максимальную мощность, исходя из мощности на валу, доступной в системе.
Уплотнения. Уплотнение также является критически важным компонентом при проектировании турбодетандерной системы. Для поддержания высокой эффективности и соответствия экологическим стандартам системы должны быть герметизированы для предотвращения потенциальных утечек технологического газа. Турбодетандеры могут быть оснащены динамическими или статическими уплотнениями. Динамические уплотнения, такие как лабиринтные уплотнения и сухие газовые уплотнения, обеспечивают герметичность вращающегося вала, как правило, между рабочим колесом турбины, подшипниками и остальной частью машины, где расположен генератор. Динамические уплотнения со временем изнашиваются и требуют регулярного обслуживания и осмотра для обеспечения их надлежащего функционирования. Когда все компоненты турбодетандера находятся в одном корпусе, статические уплотнения могут использоваться для защиты любых выводов, выходящих из корпуса, в том числе к генератору, приводам с магнитными подшипниками или датчикам. Эти герметичные уплотнения обеспечивают постоянную защиту от утечки газа и не требуют обслуживания или ремонта.
С технологической точки зрения, основным требованием к установке детандера является подача сжимаемого (неконденсирующегося) газа высокого давления в систему низкого давления с достаточным расходом, перепадом давления и коэффициентом использования для поддержания нормальной работы оборудования. Рабочие параметры поддерживаются на безопасном и эффективном уровне.
С точки зрения функции снижения давления, детандер может заменить дроссельный клапан (ДТ). Поскольку ДТ-клапан движется по изоэнтропической траектории, а детандер – по почти изоэнтропической, последний снижает энтальпию газа и преобразует разницу энтальпий в мощность на валу, обеспечивая тем самым более низкую температуру на выходе, чем ДТ-клапан. Это полезно в криогенных процессах, где целью является снижение температуры газа.
Если температура газа на выходе ограничена снизу (например, на декомпрессионной станции, где температура газа должна поддерживаться выше температуры замерзания, гидратации или минимальной расчетной температуры материала), необходимо добавить как минимум один подогреватель. Для управления температурой газа. При размещении подогревателя перед детандером часть энергии из исходного газа также рекуперируется в детандере, что увеличивает его выходную мощность. В некоторых конфигурациях, где требуется контроль температуры на выходе, после детандера может быть установлен второй подогреватель для обеспечения более быстрого регулирования.
На рис. 3 показана упрощенная схема общей схемы детандер-генератора с подогревателем, используемого для замены клапана Джоуля-Томсона.
В других конфигурациях процесса энергия, рекуперированная в детандере, может передаваться непосредственно в компрессор. Эти машины, иногда называемые «коммандерами», обычно имеют ступени расширения и сжатия, соединённые одним или несколькими валами, которые также могут включать редуктор для регулирования разницы скоростей между двумя ступенями. Они также могут включать дополнительный двигатель для увеличения мощности ступени сжатия.
Ниже приведены некоторые наиболее важные компоненты, обеспечивающие правильную работу и стабильность системы.
Перепускной клапан или редукционный клапан. Перепускной клапан обеспечивает продолжение работы турбодетандера, когда он не работает (например, для технического обслуживания или в аварийной ситуации), в то время как редукционный клапан используется для непрерывной работы для подачи избыточного газа, когда общий расход превышает проектную производительность детандера.
Клапан аварийного отключения (КАЗ). Клапаны КАЗ используются для перекрытия потока газа в расширитель в аварийной ситуации во избежание механических повреждений.
Приборы и средства управления. Важные контролируемые параметры включают давление на входе и выходе, расход, скорость вращения и выходную мощность.
Движение с превышением скорости. Устройство перекрывает поток к турбине, замедляя её ротор и тем самым защищая оборудование от превышения скорости, вызванного непредвиденными технологическими условиями, которые могут привести к его повреждению.
Предохранительный клапан давления (ПРК). ПРК часто устанавливаются после турбодетандера для защиты трубопроводов и оборудования низкого давления. ПРК должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать самые серьёзные непредвиденные обстоятельства, к которым обычно относится отказ перепускного клапана. Если к существующей станции понижения давления добавляется детандер, группа проектирования технологического процесса должна определить, обеспечивает ли существующий ПРК достаточную защиту.
Нагреватель. Нагреватели компенсируют падение температуры, вызванное прохождением газа через турбину, поэтому газ необходимо предварительно подогревать. Его основная функция — повышение температуры восходящего потока газа для поддержания температуры газа на выходе из детандера выше минимального значения. Ещё одним преимуществом повышения температуры является увеличение выходной мощности, а также предотвращение коррозии, конденсации и образования гидратов, которые могут негативно повлиять на сопла оборудования. В системах с теплообменниками (как показано на рисунке 3) температура газа обычно регулируется путём регулирования расхода нагретой жидкости в подогреватель. В некоторых конструкциях вместо теплообменника может использоваться пламенный или электрический нагреватель. Нагреватели могут уже быть установлены в существующей станции с дроссельным клапаном Джоуля-Томсона, и добавление детандера может не потребовать установки дополнительных нагревателей, а лишь увеличить расход нагретой жидкости.
Системы смазочного масла и уплотнительного газа. Как упоминалось выше, в расширителях могут использоваться уплотнения различных конструкций, для которых могут потребоваться смазочные материалы и уплотнительные газы. При необходимости смазочное масло должно сохранять высокое качество и чистоту при контакте с технологическими газами, а уровень вязкости масла должен оставаться в пределах рабочего диапазона смазываемых подшипников. Системы смазочного масла обычно оснащаются устройством смазки маслом, предотвращающим попадание масла из корпуса подшипника в корпус расширителя. Для специальных применений компандеров, используемых в углеводородной промышленности, системы смазочного масла и уплотнительного газа обычно проектируются в соответствии со стандартом API 617 [5], часть 4.
Частотно-регулируемый привод (ЧРП). Если генератор асинхронный, ЧРП обычно включается для регулировки сигнала переменного тока в соответствии с частотой сети. Как правило, конструкции на основе частотно-регулируемых приводов имеют более высокий общий КПД, чем конструкции с редукторами или другими механическими компонентами. Системы на основе ЧРП также способны адаптироваться к более широкому диапазону изменений технологического процесса, которые могут привести к изменению скорости вращения вала детандера.
Трансмиссия. В некоторых конструкциях детандеров используется редуктор для снижения скорости вращения детандера до номинальной скорости генератора. Стоимость использования редуктора приводит к снижению общего КПД и, следовательно, к снижению выходной мощности.
При подготовке запроса на ценовое предложение (RFQ) на экспандер инженер-технолог должен в первую очередь определить условия эксплуатации, включая следующую информацию:
Инженеры-механики часто составляют спецификации и спецификации детандер-генераторов, используя данные из других инженерных дисциплин. Эти данные могут включать следующее:
Спецификации также должны включать список документов и чертежей, предоставленных производителем в рамках тендерного процесса, объем поставки, а также применимые процедуры испытаний, требуемые проектом.
Техническая информация, предоставляемая производителем в рамках тендерного процесса, как правило, должна включать следующие элементы:
Если какой-либо аспект предложения отличается от первоначальных спецификаций, производитель также должен предоставить список отклонений и причины отклонений.
После получения предложения группа по разработке проекта должна рассмотреть запрос на соответствие и определить, являются ли отклонения технически обоснованными.
Другие технические соображения, которые следует учитывать при оценке предложений, включают:
Наконец, необходимо провести экономический анализ. Поскольку различные варианты могут привести к разным первоначальным затратам, рекомендуется провести анализ денежных потоков или стоимости жизненного цикла для сравнения долгосрочной экономической эффективности проекта и окупаемости инвестиций. Например, более высокие первоначальные инвестиции могут быть компенсированы в долгосрочной перспективе повышением производительности или снижением требований к техническому обслуживанию. Инструкции по данному виду анализа см. в разделе «Ссылки». 4.
Для всех применений турбодетандер-генератора требуется начальный расчёт полной потенциальной мощности для определения общего количества доступной энергии, которая может быть рекуперирована в конкретном случае. Для турбодетандер-генератора потенциал мощности рассчитывается как изоэнтропический (с постоянной энтропией) процесс. Это идеальная термодинамическая ситуация для рассмотрения обратимого адиабатического процесса без трения, но именно этот процесс является корректным для оценки фактического энергетического потенциала.
Изоэнтропическая потенциальная энергия (ИПЭ) рассчитывается путём умножения удельной разности энтальпий на входе и выходе турбодетандера на массовый расход. Эта потенциальная энергия выражается через изоэнтропическую величину (уравнение (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
где h(i,e) — удельная энтальпия с учетом изэнтропической температуры на выходе, а ṁ — массовый расход.
Хотя изоэнтропическая потенциальная энергия может быть использована для оценки потенциальной энергии, все реальные системы включают в себя потери энергии на трение, тепло и другие дополнительные потери. Поэтому при расчёте фактического потенциала мощности необходимо учитывать следующие дополнительные входные данные:
В большинстве случаев применения турбодетандеров температура ограничивается минимальным значением для предотвращения нежелательных проблем, таких как замерзание трубопровода, упомянутое ранее. При движении природного газа практически всегда присутствуют гидраты, а это означает, что трубопровод после турбодетандера или дроссельного клапана замерзнет как изнутри, так и снаружи, если температура на выходе опустится ниже 0 °C. Образование льда может привести к ограничению потока и, в конечном итоге, к отключению системы для размораживания. Таким образом, «желаемая» температура на выходе используется для расчета более реалистичного сценария потенциальной мощности. Однако для таких газов, как водород, предельная температура значительно ниже, поскольку водород не переходит из газообразного состояния в жидкое, пока не достигнет криогенной температуры (-253 °C). Используйте эту желаемую температуру на выходе для расчета удельной энтальпии.
Необходимо также учитывать КПД турбодетандерной системы. В зависимости от используемой технологии КПД системы может значительно различаться. Например, турбодетандер, использующий редуктор для передачи энергии вращения от турбины к генератору, будет испытывать большие потери на трение, чем система с прямым приводом от турбины к генератору. Общий КПД турбодетандерной системы выражается в процентах и ​​учитывается при оценке фактического мощностного потенциала турбодетандера. Фактический мощностной потенциал (РМ) рассчитывается следующим образом:
ПП = (хинлет – гексит) × ṁ x ṅ (2)
Рассмотрим применение сброса давления природного газа. Компания ABC эксплуатирует и обслуживает станцию ​​снижения давления, которая транспортирует природный газ из магистрального трубопровода и распределяет его по местным муниципалитетам. На этой станции давление газа на входе составляет 40 бар, а на выходе — 8 бар. Температура предварительно нагретого газа на входе составляет 35 °C, что предотвращает замерзание трубопровода. Поэтому температура газа на выходе должна контролироваться таким образом, чтобы она не опускалась ниже 0 °C. В данном примере мы возьмем 5 °C в качестве минимальной температуры на выходе для повышения коэффициента безопасности. Нормализованный объемный расход газа составляет 50 000 нм3/ч. Для расчета потенциала мощности предположим, что весь газ проходит через турбодетандер, и рассчитаем максимальную выходную мощность. Оцените общий потенциал выходной мощности, используя следующий расчет: