Расширители могут использовать снижение давления для привода вращающихся машин. Информацию о том, как оценить потенциальные преимущества установки расширителя, можно найти здесь.
Обычно в химической промышленности (ХПП) «большое количество энергии тратится впустую в клапанах регулирования давления, где жидкости высокого давления должны быть разгерметизированы» [1]. В зависимости от различных технических и экономических факторов может быть желательно преобразовать эту энергию во вращательную механическую энергию, которую можно использовать для привода генераторов или других вращающихся машин. Для несжимаемых жидкостей это достигается с помощью турбины гидравлической рекуперации энергии (HPRT; см. ссылку 1). Для сжимаемых жидкостей (газов) подходящей машиной является расширитель.
Детандеры — это зрелая технология со множеством успешных применений, таких как каталитический крекинг с псевдоожиженным слоем (FCC), охлаждение, городские клапаны природного газа, разделение воздуха или выбросы выхлопных газов. В принципе, любой поток газа с пониженным давлением может использоваться для приведения в действие детандера, но «выход энергии прямо пропорционален отношению давления, температуре и расходу потока газа» [2], а также технической и экономической осуществимости. Реализация детандера: процесс зависит от этих и других факторов, таких как местные цены на энергию и наличие у производителя подходящего оборудования.
Хотя турбодетандер (функционирующий аналогично турбине) является наиболее известным типом детандера (рисунок 1), существуют и другие типы, подходящие для различных условий процесса. В этой статье представлены основные типы детандеров и их компоненты, а также кратко изложено, как операционные менеджеры, консультанты или энергоаудиторы в различных подразделениях CPI могут оценить потенциальные экономические и экологические выгоды от установки детандера.
Существует множество различных типов лент сопротивления, которые сильно различаются по геометрии и функциям. Основные типы показаны на рисунке 2, и каждый тип кратко описан ниже. Для получения дополнительной информации, а также графиков, сравнивающих рабочее состояние каждого типа на основе определенных диаметров и определенных скоростей, см. Help. 3.
Поршневой турбодетандер. Поршневые и роторно-поршневые турбодетандеры работают как двигатель внутреннего сгорания обратного вращения, поглощая газ высокого давления и преобразуя его накопленную энергию в энергию вращения через коленчатый вал.
Протащите турбодетандер. Тормозной турбодетандер состоит из концентрической проточной камеры с лопастями-ковшами, прикрепленными к периферии вращающегося элемента. Они сконструированы так же, как и водяные колеса, но поперечное сечение концентрических камер увеличивается от входа к выходу, позволяя газу расширяться.
Радиальный турбодетандер. Турбодетандеры с радиальным потоком имеют осевой вход и радиальный выход, что позволяет газу расширяться радиально через рабочее колесо турбины. Аналогично, турбины с осевым потоком расширяют газ через рабочее колесо турбины, но направление потока остается параллельным оси вращения.
В данной статье рассматриваются радиальные и осевые турбодетандеры, их различные подтипы, компоненты и экономические характеристики.
Турбодетандер извлекает энергию из потока газа высокого давления и преобразует ее в приводную нагрузку. Обычно нагрузка представляет собой компрессор или генератор, соединенный с валом. Турбодетандер с компрессором сжимает жидкость в других частях технологического потока, которым требуется сжатая жидкость, тем самым повышая общую эффективность установки за счет использования энергии, которая в противном случае тратится впустую. Турбодетандер с генераторной нагрузкой преобразует энергию в электричество, которое может использоваться в других процессах установки или возвращаться в местную сеть для продажи.
Турбодетандерные генераторы могут быть оснащены либо прямым приводным валом от турбинного колеса к генератору, либо через редуктор, который эффективно снижает входную скорость от турбинного колеса к генератору через передаточное отношение. Турбодетандеры с прямым приводом имеют преимущества в эффективности, занимаемой площади и стоимости обслуживания. Турбодетандеры с редуктором тяжелее и требуют большей площади, смазки, вспомогательного оборудования и регулярного обслуживания.
Проточные турбодетандеры могут быть выполнены в виде радиальных или осевых турбин. Радиальные детандеры содержат осевой вход и радиальный выход, так что поток газа выходит из турбины радиально от оси вращения. Осевые турбины позволяют газу течь аксиально вдоль оси вращения. Осевые турбины извлекают энергию из потока газа через входные направляющие лопатки к 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. Переменные применения, которые влияют на конструкцию турбинного колеса, включают давление на входе/выходе, температуру на входе/выходе, объемный расход и свойства жидкости. Когда 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 как многоступенчатые, но осевые турбинные колеса имеют гораздо меньшую осевую длину и, следовательно, более компактны. Многоступенчатые радиальные турбины требуют, чтобы газ перетекал из осевого в радиальный и обратно в осевой, что создает более высокие потери на трение, чем турбины с осевым потоком.
подшипники. Конструкция подшипника имеет решающее значение для эффективной работы турбодетандера. Типы подшипников, связанных с конструкциями турбодетандеров, сильно различаются и могут включать масляные подшипники, жидкостные подшипники, 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 по выбору» из-за их уникальных преимуществ. Магнитные подшипники обеспечивают работу динамических компонентов турбодетандера без трения, что значительно снижает расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание в течение срока службы машины. Они также рассчитаны на широкий диапазон осевых и радиальных нагрузок и условий перенапряжения. Их более высокие первоначальные затраты компенсируются гораздо более низкими затратами на жизненный цикл.
Динамо. Генератор берет энергию вращения турбины и преобразует ее в полезную электрическую энергию с помощью электромагнитного генератора (который может быть индукционным генератором или генератором с постоянными магнитами). Индукционные генераторы имеют более низкую номинальную скорость, поэтому для высокоскоростных турбинных приложений требуется редуктор, но могут быть спроектированы для соответствия частоте сети, что устраняет 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 предназначен для выработки максимальной мощности на основе 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 уплотнение вокруг вращающегося вала, как правило, между 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 магнитных подшипников или датчикам. Эти герметичные уплотнения обеспечивают постоянную защиту от утечки газа и не требуют обслуживания или ремонта.
С точки зрения процесса, основным требованием к установке детандера является подача сжимаемого (неконденсирующегося) газа высокого давления в систему низкого давления с достаточным расходом, перепадом давления и использованием для поддержания нормальной работы оборудования. Рабочие параметры поддерживаются на безопасном и эффективном уровне.
С точки зрения функции снижения давления, расширитель может использоваться для замены клапана Джоуля-Томсона (JT), также известного как дроссельный клапан. Поскольку клапан JT движется по изоэнтропической траектории, а расширитель движется по почти изоэнтропической траектории, последний уменьшает энтальпию газа и преобразует разницу энтальпии в мощность вала, тем самым обеспечивая более низкую температуру на выходе, чем клапан JT. Это полезно в криогенных процессах, где целью является снижение температуры газа.
Если есть нижний предел температуры газа на выходе (например, на станции декомпрессии, где температура газа должна поддерживаться выше температуры замерзания, гидратации или минимальной расчетной температуры материала), необходимо добавить по крайней мере один нагреватель. контролировать температуру газа. Когда подогреватель расположен выше по потоку от детандера, часть энергии из исходного газа также восстанавливается в детандере, тем самым увеличивая его выходную мощность. В некоторых конфигурациях, где требуется контроль температуры на выходе, второй подогреватель может быть установлен после детандера для обеспечения более быстрого управления.
На рис. 3 показана упрощенная схема общей потоковой схемы детандер-генератора с подогревателем, используемого для замены клапана Джоуля-Томсона.
В других конфигурациях процесса энергия, извлеченная в детандере, может быть передана непосредственно в компрессор. Эти машины, иногда называемые «командорами», обычно имеют ступени расширения и сжатия, соединенные одним или несколькими валами, которые также могут включать редуктор для регулирования разницы скоростей между двумя ступенями. Он также может включать дополнительный двигатель для обеспечения большей мощности ступени сжатия.
Ниже приведены некоторые наиболее важные компоненты, обеспечивающие правильную работу и стабильность системы.
Перепускной клапан или редукционный клапан. Перепускной клапан позволяет продолжать работу, когда турбодетандер не работает (например, для технического обслуживания или в аварийной ситуации), тогда как редукционный клапан используется для непрерывной работы для подачи избыточного газа, когда общий поток превышает проектную мощность детандера.
Клапан аварийного отключения (ESD). Клапаны аварийного отключения используются для блокировки потока газа в расширитель в аварийной ситуации, чтобы избежать механических повреждений.
Инструменты и элементы управления. Важные переменные для мониторинга включают давление на входе и выходе, скорость потока, скорость вращения и выходную мощность.
Движение на чрезмерной скорости. Устройство перекрывает поток к турбине, заставляя ротор турбины замедляться, тем самым защищая оборудование от чрезмерной скорости из-за непредвиденных условий процесса, которые могут повредить оборудование.
Предохранительный клапан давления (PSV). PSV часто устанавливаются после турбодетандера для защиты трубопроводов и оборудования низкого давления. PSV должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать самые серьезные непредвиденные обстоятельства, которые обычно включают отказ перепускного клапана при открытии. Если к существующей станции снижения давления добавляется детандер, группа по проектированию процесса должна определить, обеспечивает ли существующий PSV адекватную защиту.
Нагреватель. Нагреватели компенсируют падение температуры, вызванное прохождением газа через турбину, поэтому газ должен быть предварительно нагрет. Его основная функция — повышение температуры восходящего потока газа для поддержания температуры газа, выходящего из расширителя, выше минимального значения. Еще одним преимуществом повышения температуры является увеличение выходной мощности, а также предотвращение коррозии, конденсации или гидратов, которые могут отрицательно повлиять на сопла оборудования. В системах, содержащих теплообменники (как показано на рисунке 3), температура газа обычно контролируется путем регулирования потока нагретой жидкости в подогреватель. В некоторых конструкциях вместо теплообменника можно использовать пламенный нагреватель или электрический нагреватель. Нагреватели могут уже существовать в существующей клапанной станции JT, и добавление расширителя может не потребовать установки дополнительных нагревателей, а скорее увеличения потока нагретой жидкости.
Системы смазочного масла и уплотнительного газа. Как упоминалось выше, расширители могут использовать различные конструкции уплотнений, для которых могут потребоваться смазочные материалы и уплотнительные газы. Где применимо, смазочное масло должно сохранять высокое качество и чистоту при контакте с технологическими газами, а уровень вязкости масла должен оставаться в пределах требуемого рабочего диапазона смазываемых подшипников. Системы с уплотненным газом обычно оснащаются устройством масляной смазки, чтобы предотвратить попадание масла из корпуса подшипника в корпус расширения. Для специальных применений компандеров, используемых в углеводородной промышленности, системы смазочного масла и уплотнительного газа обычно проектируются в соответствии со спецификациями API 617 [5] Часть 4.
Частотно-регулируемый привод (ЧРП). Когда генератор индукционный, ЧРП обычно включается для регулировки сигнала переменного тока (AC) в соответствии с частотой сети. Обычно конструкции на основе частотно-регулируемых приводов имеют более высокую общую эффективность, чем конструкции, в которых используются редукторы или другие механические компоненты. Системы на основе ЧРП также могут вмещать более широкий диапазон изменений процесса, которые могут привести к изменению скорости вала расширителя.
Трансмиссия. Некоторые конструкции расширителей используют редуктор для снижения скорости расширителя до номинальной скорости генератора. Стоимость использования редуктора — более низкая общая эффективность и, следовательно, более низкая выходная мощность.
При подготовке запроса на предложение (RFQ) на экспандер инженер-технолог должен в первую очередь определить условия эксплуатации, включая следующую информацию:
Инженеры-механики часто составляют спецификации и спецификации генераторов-детандеров, используя данные из других инженерных дисциплин. Эти входные данные могут включать следующее:
Спецификации также должны включать список документов и чертежей, предоставленных производителем в рамках тендерного процесса, и 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 предмет соответствия 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 различным первоначальным затратам, рекомендуется провести анализ денежных потоков или стоимости жизненного цикла для сравнения долгосрочной экономики 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 этому типу анализа см. в разделе «Ссылки». 4.
Все приложения турбодетандера-генератора требуют начального расчета полной потенциальной мощности для определения общего количества доступной энергии, которая может быть восстановлена в конкретном приложении. Для турбодетандера-генератора потенциал мощности рассчитывается как изоэнтропический (с постоянной энтропией) процесс. Это идеальная термодинамическая ситуация для рассмотрения обратимого адиабатического процесса без трения, но это правильный процесс для оценки фактического энергетического потенциала.
Изоэнтропическая потенциальная энергия (ИПЭ) рассчитывается путем умножения удельной разности энтальпии на входе и выходе турбодетандера и умножения результата на массовый расход. Эта потенциальная энергия будет выражена как изэнтропическая величина (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 трение, тепло и другие вспомогательные потери энергии. Таким образом, при расчете фактического потенциала мощности следует учитывать следующие дополнительные входные данные:
В большинстве применений турбодетандера температура ограничена минимумом, чтобы предотвратить нежелательные проблемы, такие как замерзание трубы, упомянутое ранее. Там, где течет природный газ, гидраты почти всегда присутствуют, а это означает, что трубопровод ниже по потоку от турбодетандера или дроссельного клапана замерзнет изнутри и снаружи, если температура на выходе упадет ниже 0 °C. Образование льда может привести к ограничению потока и в конечном итоге отключить систему для размораживания. Таким образом, «желаемая» температура на выходе используется для расчета более реалистичного сценария потенциальной мощности. Однако для таких газов, как водород, предел температуры намного 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.
Также необходимо учитывать эффективность турбодетандерной системы. В зависимости от используемой технологии эффективность системы может существенно различаться. Например, турбодетандер, использующий редуктор для передачи вращательной энергии от турбины к генератору, будет испытывать большие потери на трение, чем система, использующая прямой привод от турбины к генератору. Общая эффективность турбодетандерной системы выражается в процентах и учитывается при оценке фактического потенциала мощности турбодетандера. Фактический потенциал мощности (PP) рассчитывается следующим образом:
ПП = (хинлет – гексит) × ṁ x ṅ (2)
Давайте рассмотрим применение сброса давления природного газа. 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 давление на выходе — 8 бар. Температура предварительно нагретого газа на входе составляет 35°C, что позволяет подогреть газ для предотвращения замерзания трубопровода. Поэтому температура газа на выходе должна контролироваться так, чтобы она не опускалась ниже 0°C. В этом примере мы будем использовать 5°C в качестве минимальной температуры на выходе для увеличения 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:
Время публикации: 25 мая 2024 г.