Расширение может использовать снижение давления для привода вращающихся машин. Информацию о том, как оценить потенциальные преимущества установки удлинителя, можно найти здесь.
Как правило, в отрасли химических процессов (CPI) «большое количество энергии потрачено в клапанах контроля давления, где жидкости высокого давления должны быть подавлены» [1]. В зависимости от различных технических и экономических факторов, может быть желательно преобразовать эту энергию в вращающуюся механическую энергию, которую можно использовать для управления генераторами или другими вращающимися машинами. Для несжимаемых жидкостей (жидкостей) это достигается с использованием турбины гидравлической энергии восстановления (HPRT; см. Ссылку 1). Для сжимаемых жидкостей (газов) расширитель является подходящей машиной.
Расширение представляет собой зрелую технологию с множеством успешных применений, таких как каталитическое растрескивание жидкости (FCC), охлаждение, клапаны природного газа, разделение воздуха или выбросы выхлопных газов. В принципе, любой газовый поток с пониженным давлением может использоваться для управления расширителем, но «выход энергии напрямую пропорционален соотношению давления, температуры и скорости потока газового потока» [2], а также технической и экономической осуществимости. Реализация расширителя: процесс зависит от этих и других факторов, таких как местные цены на энергоносители и доступность производителя подходящего оборудования.
Хотя турбоэкспендеру (функционирующий аналогично турбине) является наиболее известным типом эксперта (рис. 1), существуют другие типы, подходящие для различных условий процесса. В этой статье представлены основные типы экспундеров и их компоненты и суммируют, как менеджеры по операциям, консультанты или энергетические аудиторы в различных подразделениях CPI могут оценить потенциальные экономические и экологические выгоды от установки.
Существует много различных типов полос сопротивления, которые сильно различаются по геометрии и функции. 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 конкретных скоростей, см. Справка. 3
Поршень турбоэкспендера. Поршневые и вращающиеся поршневые турбоэкспрупты работают как двигатель внутреннего сгорания обратно, поглощая газ высокого давления и преобразуя его хранимую энергию в энергию вращения через коленчатый вал.
Перетащите турбоэнергии. Экспондер тормозной турбины состоит из концентрической проточной камеры с ковшовыми плавниками, прикрепленными к периферии вращающегося элемента. Они спроектированы так же, как водные колеса, но поперечное сечение концентрических камер увеличивается с входа к выходу, что позволяет газу расширяться.
Радиальный турбоэкспендер. Турбоэксплуатация радиального потока имеет осевой вход и радиальную розетку, что позволяет газу расширяться радиально через рабочее колесо турбины. Точно так же осевые проточные турбины расширяют газ через турбинное колесо, но направление потока остается параллельным оси вращения.
Эта статья посвящена радиальным и осевым турбоэкспруптам, обсуждая их различные подтипы, компоненты и экономику.
Турбоэкспендер извлекает энергию из газового потока высокого давления и преобразует ее в приводную нагрузку. Обычно нагрузка представляет собой компрессор или генератор, подключенный к валу. Турбоэкспендера с компрессором сжимает жидкость в других частях потока процесса, которые требуют сжатой жидкости, тем самым увеличивая общую эффективность установки, используя энергию, которая в противном случае потрачена впустую. Турбоэкспендера с генераторной нагрузкой преобразует энергию в электричество, которое можно использовать в других заводах или возвращать в местную сетку для продажи.
Генераторы турбоэкспендера могут быть оснащены либо прямым приводным валом от колеса турбины до генератора, либо через коробку передач, которая эффективно снижает скорость ввода от колеса турбины до генератора через передаточное число. Прямые турбоэкспендии Direct предлагают преимущества в области эффективности, присутствия и технического обслуживания. Турбоэлектростанции коробки передач тяжелее и требуют большего места, вспомогательного оборудования смазки и регулярного обслуживания.
Турбоэкспрупты с помощью потока могут быть сделаны в форме радиальных или осевых турбин. Распространники радиального потока содержат осевой впуск и радиальную выпускную точку, так что поток газа выходит из турбины радиально из оси вращения. Осевые турбины позволяют газу течь в осевом направлении вдоль оси вращения. Осевые потоковые турбины извлекают энергию от потока газа через впускные лопасти к колесу эксперта, при этом площадь поперечного сечения камеры расширения постепенно увеличивается, чтобы поддерживать постоянную скорость.
Генератор турбоэкспендера состоит из трех основных компонентов: турбинного колеса, специальных подшипников и генератора.
Турбиновое колесо. Турбинные колеса часто разработаны специально для оптимизации аэродинамической эффективности. Переменные применения, которые влияют на конструкцию турбинного колеса, включают давление в входе/выходе, температуру входа/выходов, объемный поток и свойства жидкости. Когда коэффициент сжатия слишком высок, чтобы его можно было уменьшить, требуется турбоэкспендеру с несколькими турбинными колесами. Как радиальные, так и осевые турбинные колеса могут быть спроектированы как многоэтапные, но осевые турбинные колеса имеют гораздо более короткую осевую длину и, следовательно, более компактны. Многоступенчатые радиальные проточные турбины требуют, чтобы газ проходил от осевого к радиальному и обратно к осевой, создавая более высокие потери трения, чем турбины осевых потоков.
подшипники. Конструкция подшипника имеет решающее значение для эффективной работы турбоэкспендера. Типы подшипников, связанные с конструкциями турбоэлектростанции, широко варьируются и могут включать в себя нефтяные подшипники, подшипники жидкости, традиционные шариковые подшипники и магнитные подшипники. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, как показано в таблице 1.
Многие производители турбоэкспресса выбирают магнитные подшипники в качестве «выбора» из -за их уникальных преимуществ. Магнитные подшипники обеспечивают работу без трения динамических компонентов турбоэкспресса, значительно снижая затраты на эксплуатацию и обслуживание в течение срока службы машины. Они также предназначены для выдержания широкого диапазона осевых и радиальных нагрузок и условий чрезмерного стресса. Их более высокие начальные затраты компенсируются гораздо более низкими затратами на жизненный цикл.
динамо. Генератор принимает энергию вращения турбины и преобразует ее в полезную электрическую энергию с использованием электромагнитного генератора (который может быть генератором индукционного или постоянного генератора магнитов). Индукционные генераторы имеют более низкую номинальную скорость, поэтому высокоскоростные турбинные приложения требуют коробки передач, но могут быть разработаны в соответствии с частотой сетки, что устраняет необходимость переменного частотного привода (VFD) для подачи генерируемого электричества. С другой стороны, постоянные генераторы магнитов могут быть непосредственно связаны с турбиной и передавать мощность в сетку с помощью переменного частотного диска. Генератор предназначен для обеспечения максимальной мощности на основе мощности вала, доступной в системе.
Уплотнения Уплотнение также является критическим компонентом при разработке системы турбоэкспендера. Чтобы поддерживать высокую эффективность и соответствовать экологическим стандартам, системы должны быть запечатаны для предотвращения потенциальных утечек газа. Турбоэкспенсии могут быть оснащены динамическими или статическими уплотнениями. Динамические уплотнения, такие как лабиринтовые уплотнения и сухие газовые уплотнения, обеспечивают уплотнение вокруг вращающегося вала, обычно между колесом турбины, подшипниками и остальной частью машины, где расположен генератор. Динамические уплотнения изнашиваются с течением времени и требуют регулярного технического обслуживания и проверки, чтобы убедиться, что они функционируют должным образом. Когда все компоненты Turboexpander содержится в одном корпусе, статические уплотнения могут использоваться для защиты любых выводов, выходящих из корпуса, в том числе генератора, магнитных приводов подшипников или датчиков. Эти герметичные уплотнения обеспечивают постоянную защиту от утечки газа и не требуют технического обслуживания или ремонта.
С точки зрения процесса, основным требованием для установки расширителя является предоставление сжимаемого высокого давления (неработаемого) газа в систему низкого давления с достаточным потоком, падением 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 джоу-Томсона (JT), также известного как клапан дроссельной заслонки. Поскольку клапан JT движется вдоль изоентропного пути, и экспердер движется вдоль почти изотентропического пути, последний снижает энтальпию газа и превращает разницу энтальпии в мощность вала, что приводит к более низкой температуре выхода, чем клапан JT. Это полезно в криогенных процессах, где цель состоит в том, чтобы снизить температуру газа.
Если есть нижний предел температуры на выходе (например, на станции декомпрессии, где температура газа должна сохраняться выше замораживания, увлажнения или минимальной температуры конструкции материала), необходимо добавить по крайней мере один обогреватель. контролировать температуру газа. Когда предварительный пользователь расположен вверх по течению от эксперта, часть энергии от кормового газа также восстанавливается в расширительном заводе, тем самым увеличивая его выходную мощность. В некоторых конфигурациях, где требуется управление температурой выходов, после расширителя может быть установлен второй повторный зеркатель, чтобы обеспечить более быстрый контроль.
На рис. На рисунке 3 показана упрощенная диаграмма общей диаграммы потока генератора эксперта с припогревателем, используемым для замены клапана JT.
В других конфигурациях процесса энергия, восстанавливаемая в расширительном, может быть передана непосредственно в компрессор. Эти машины, иногда называемые «командирами», обычно имеют стадии расширения и сжатия, соединенные одним или несколькими валами, которые также могут включать в себя коробку передач для регулирования разницы скорости между двумя этапами. Он также может включать дополнительный двигатель, чтобы обеспечить большую мощность на этапе сжатия.
Ниже приведены некоторые из наиболее важных компонентов, которые обеспечивают правильную работу и стабильность системы.
Обходной клапан или клапан уменьшает давление. Обходной клапан позволяет работать, когда турбоэкспендеру не работает (например, для технического обслуживания или чрезвычайной ситуации), в то время как для непрерывной работы используется клапан снижения давления для обеспечения избыточного газа, когда общий поток превышает проектную мощность расширителя.
Аварийный отключенный клапан (ESD). Клапаны ESD используются для блокировки потока газа в расширитель в чрезвычайной ситуации, чтобы избежать механического повреждения.
Инструменты и элементы управления. Важные переменные для мониторинга включают давление впускной и выходов, скорость потока, скорость вращения и выходную мощность.
Вождение на чрезмерной скорости. Устройство сокращает поток к турбине, в результате чего ротор турбины замедляется, тем самым защищая оборудование от чрезмерных скоростей из -за неожиданных условий процесса, которые могут повредить оборудование.
Клапан безопасности давления (PSV). PSV часто устанавливаются после турбоэлектростанции для защиты трубопроводов и оборудования с низким давлением. PSV должен быть разработан, чтобы противостоять самым серьезным непредвиденным обстоятельствам, которые обычно включают в себя отказ обходного клапана. Если расширитель добавляется на существующую станцию снижения давления, команда разработчиков процессов должна определить, обеспечивает ли существующий PSV адекватную защиту.
Нагреватель. Нагреватели компенсируют падение температуры, вызванное газом, проходящим через турбину, поэтому газ должен быть предварительно нагреть. Его основная функция заключается в повышении температуры повышенного потока газа, чтобы поддерживать температуру газа, оставляя 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 предварительную пользу. В некоторых проектах вместо теплообменника можно использовать пламя или электрический обогреватель. Нагреватели могут уже существовать на существующей станции клапана JT, и добавление расширителя может не потребовать установки дополнительных нагревателей, а скорее увеличивая поток нагретой жидкости.
Смазочные газовые системы. Как упомянуто выше, расширители могут использовать различные конструкции уплотнения, которые могут потребовать смазочных материалов и герметичных газов. Если применимо, смазочное масло должно поддерживать высокое качество и чистоту при контакте с газами процесса, а уровень вязкости нефти должен оставаться в пределах необходимого эксплуатационного диапазона смазываемых подшипников. Запечатанные газовые системы обычно оснащены устройством для смазки нефти, чтобы предотвратить въезд нефти из ящика для подшипника. Для специальных применений компонентов, используемых в углеводородной промышленности, смазочные газовые системы обычно предназначены для спецификаций API 617 [5] части 4.
Переменный частотный диск (VFD). Когда генератор индукция, VFD обычно включается, чтобы регулировать сигнал переменного тока (AC), чтобы соответствовать частоте утилиты. Как правило, конструкции, основанные на переменных частотных дисках, имеют более высокую общую эффективность, чем конструкции, в которых используются коробки передач или другие механические компоненты. Системы на основе VFD также могут приспособиться к более широкому диапазону изменений процесса, которые могут привести к изменениям в скорости расширителя.
Передача инфекции. Некоторые конструкции Expander используют коробку передач, чтобы уменьшить скорость расширителя до номинальной скорости генератора. Стоимость использования коробки передач ниже общей эффективности и, следовательно, более низкой выходной мощности.
При подготовке запроса о кавычках (RFQ) для расширителя инженер -процесс должен сначала определить условия работы, включая следующую информацию:
Инженеры -механики часто завершают спецификации генератора расширителей и спецификации, используя данные других инженерных дисциплин. Эти входы могут включать следующее:
Спецификации также должны включать список документов и чертежей, предоставленных производителем в рамках тендерного процесса и объема предложения, а также применимых процедур тестирования в соответствии с требованиями проекта.
Техническая информация, предоставленная производителем в рамках тендерного процесса, должна включать следующие элементы:
Если какой -либо аспект предложения отличается от первоначальных спецификаций, производитель также должен предоставить список отклонений и причин отклонений.
Как только предложение будет получено, команда разработчиков проекта должна рассмотреть запрос на соответствие и определить, являются ли различия технически оправданы.
Другие технические соображения, которые следует учитывать при оценке предложений, включают:
Наконец, необходимо провести экономический анализ. Поскольку различные варианты могут привести к различным начальным затратам, рекомендуется выполнить денежный поток или анализ затрат на жизненный цикл для сравнения долгосрочной экономики проекта и возврата инвестиций. Например, более высокие начальные инвестиции могут быть компенсированы в долгосрочной перспективе за счет повышения производительности или снижения требований к техническому обслуживанию. См. «Ссылки» для инструкций по этому типу анализа. 4
Все приложения Turboexpander-Generator требуют начального общего потенциального расчета мощности для определения общего количества доступной энергии, которая может быть восстановлена в конкретном применении. Для генератора турбоэкспендера потенциал мощности рассчитывается как изоентропный (постоянная энтропия) процесс. Это идеальная термодинамическая ситуация для рассмотрения обратимого адиабатического процесса без трения, но это правильный процесс оценки фактического энергетического потенциала.
Изентропная потенциальная энергия (IPP) рассчитывается путем умножения конкретной разницы энтальпии на входе и выходе турбоэкспендера и умножения результата на скорость массового расхода. Эта потенциальная энергия будет выражена как изоентропная величина (уравнение (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
где h (i, e) - это конкретная энтальпия с учетом изоентропной температуры выходов, а ṁ - массовый расход.
Хотя изотентропная потенциальная энергия может использоваться для оценки потенциальной энергии, все реальные системы включают трение, тепло и другие потери вспомогательной энергии. Таким образом, при расчете фактического потенциала мощности следует учитывать следующие дополнительные входные данные:
В большинстве приложений турбоэкспендера температура ограничена минимумом для предотвращения нежелательных проблем, таких как замораживание труб, упомянутые ранее. Там, где течет природного газа, гидраты почти всегда присутствуют, а это означает, что трубопровод ниже по течению от турбоэкспендера или дроссельного клапана замерзает внутренне и внешне, если температура выхода упадет ниже 0 ° C. Формирование льда может привести к ограничению потока и в конечном итоге отключить систему, чтобы разморозить. Таким образом, «желаемая» температура выхода используется для расчета более реалистичного потенциального сценария мощности. Однако для таких газов, как водород, ограничение температуры намного ниже, потому что водород не изменяется от газа к жидкости, пока не достигнет криогенной температуры (-253 ° C). Используйте эту желаемую температуру выхода, чтобы рассчитать конкретную энтальпию.
Эффективность системы турбоэкспруппа также должна быть рассмотрена. В зависимости от используемой технологии эффективность системы может значительно различаться. Например, турбоэкспендеру, который использует редуктивную передачу для передачи энергии вращения от турбины в генератор, будет испытывать большие потери трения, чем система, которая использует прямое движение от турбины к генератору. Общая эффективность системы турбоэлектростанции выражается в процентах и учитывается при оценке фактического потенциала мощности турбоэкспендера. Фактический потенциал мощности (PP) рассчитывается следующим образом:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Давайте посмотрим на применение снятия давления природного газа. ABC управляет и поддерживает станцию снижения давления, которая переносит природный газ из основного трубопровода и распределяет его в местных муниципалитетах. На этой станции давление на входе газа составляет 40 бар, а выпускное давление составляет 8 бар. Предварительно разогретая температура впускного газа составляет 35 ° C, которая разогревает газ, чтобы предотвратить замораживание трубопровода. Следовательно, температура выходного газа должна контролироваться так, чтобы она не падала ниже 0 ° C. В этом примере мы будем использовать 5 ° C в качестве минимальной температуры выхода для повышения коэффициента безопасности. Нормализованный объемный расход газа составляет 50 000 нм3/ч. Чтобы рассчитать потенциал мощности, мы предположим, что весь газ течет через турбоэнергетик и рассчитывает максимальную выходную мощность. Оцените общий потенциал выходной мощности, используя следующий расчет:
Время публикации: май-25-2024