HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Расширители могут использовать понижение давления для привода вращающихся машин. Информацию о том, как оценить потенциальные преимущества установки расширителя, можно найти здесь.
Как правило, в химической промышленности «значительное количество энергии теряется в клапанах регулирования давления, где необходимо снижать давление жидкостей под высоким давлением» [1]. В зависимости от различных технических и экономических факторов может быть целесообразно преобразовать эту энергию во вращательную механическую энергию, которую можно использовать для привода генераторов или других вращающихся машин. Для несжимаемых жидкостей (жидкостей) это достигается с помощью гидравлической турбины рекуперации энергии (ГТР; см. ссылку 1). Для сжимаемых жидкостей (газов) подходящей машиной является расширитель.
Расширители — это зрелая технология со множеством успешных применений, таких как жидкостный каталитический крекинг (FCC), холодильные установки, городские газовые клапаны, разделение воздуха или выбросы выхлопных газов. В принципе, для привода расширителя можно использовать любой поток газа с пониженным давлением, но «выходная энергия прямо пропорциональна коэффициенту давления, температуре и расходу потока газа» [2], а также технической и экономической целесообразности. Внедрение расширителя: 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 известным типом расширителя (рис. 1), существуют и другие типы, подходящие для различных технологических условий. В данной статье представлены основные типы расширителей и их компоненты, а также обобщены рекомендации для руководителей производственных процессов, консультантов и энергоаудиторов в различных подразделениях CPI по оценке потенциальных экономических и экологических преимуществ установки расширителя.
Существует множество различных типов эластичных лент сопротивления, которые значительно 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 в зависимости от конкретного диаметра и скорости, см. раздел «Справка». 3.
Поршневой турбодетандер. Поршневые и роторные турбодетандеры работают как двигатель внутреннего сгорания с обратным вращением, поглощая газ под высоким давлением и преобразуя накопленную энергию во вращательную энергию через коленчатый вал.
Перетащите турборасширитель. Турбинный расширитель тормозной системы состоит из концентрической проточной камеры с лопатообразными ребрами, прикрепленными по периферии вращающегося элемента. Они спроектированы так же, как и водяные колеса, но поперечное сечение концентрических камер увеличивается от входа к выходу, что позволяет газу расширяться.
Радиальный турбодетандер. Радиальные турбодетандеры имеют осевой вход и радиальный выход, что позволяет газу расширяться радиально через рабочее колесо турбины. Аналогично, осевые турбины расширяют газ через турбинное колесо, но направление потока остается параллельным оси вращения.
В данной статье рассматриваются радиальные и осевые турбодетандеры, обсуждаются их различные подтипы, компоненты и экономические аспекты.
Турбодетандер извлекает энергию из потока газа высокого давления и преобразует ее в приводную нагрузку. Обычно нагрузкой является компрессор или генератор, соединенные с валом. Турбодетандер с компрессором сжимает жидкость в других частях технологического потока, требующих сжатого воздуха, тем самым повышая общую эффективность установки за счет использования энергии, которая в противном случае была бы потеряна. Турбодетандер с генераторной нагрузкой преобразует энергию в электроэнергию, которая может быть использована в других процессах установки или возвращена в местную сеть для продажи.
Турбодетандеры могут быть оснащены либо прямым приводом вала от турбинного колеса к генератору, либо редуктором, который эффективно снижает входную скорость вращения турбинного колеса к генератору за счет передаточного отношения. Турбодетандеры с прямым приводом обладают преимуществами в эффективности, габаритах и ​​затратах на техническое обслуживание. Турбодетандеры с редуктором тяжелее и требуют больших габаритов, вспомогательного оборудования для смазки и регулярного технического обслуживания.
Турборасширители с проточным потоком могут быть выполнены в виде радиальных или осевых турбин. Радиальные расширители имеют 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 расширительному колесу, при этом площадь поперечного сечения расширительной камеры постепенно увеличивается для поддержания постоянной скорости.
Турборазрядный генератор состоит из трех основных компонентов: турбинного колеса, специальных подшипников и генератора.
Турбинное колесо. Турбинные колеса часто проектируются специально для оптимизации аэродинамической эффективности. К переменным параметрам, влияющим на конструкцию турбинного колеса, относятся давление на входе/выходе, температура на входе/выходе, объемный расход и свойства рабочей жидкости. Когда степень сжатия слишком высока, чтобы ее можно было снизить за одну ступень, требуется турбодетандер с несколькими турбинными колесами. Как радиальные, так и осевые турбинные колеса могут быть многоступенчатыми, но осевые турбинные колеса имеют гораздо меньшую осевую длину и, следовательно, более компактны. Многоступенчатые радиальные турбины требуют, чтобы газ протекал от осевого потока к радиальному и обратно к осевому, что создает более высокие потери на трение, чем осевые турбины.
Подшипники. Конструкция подшипников имеет решающее значение для эффективной работы турбодетандера. Типы подшипников, используемые в конструкциях турбодетандеров, весьма разнообразны и могут включать масляные подшипники, подшипники с жидкостной пленкой, традиционные шариковые подшипники и магнитные подшипники. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки, как показано в таблице 1.
Многие производители турбодетандеров выбирают магнитные подшипники в качестве «основного типа подшипников» благодаря их уникальным преимуществам. Магнитные подшипники обеспечивают работу динамических компонентов турбодетандера без трения, значительно снижая эксплуатационные и технические расходы в течение всего срока службы машины. Они также рассчитаны на работу в широком диапазоне осевых и радиальных нагрузок и условий перенапряжения. Более высокая первоначальная стоимость компенсируется значительно более низкими затратами на протяжении всего жизненного цикла.
Динамо-генератор. Генератор преобразует вращательную энергию турбины 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 вращения, поэтому в высокоскоростных турбинных установках требуется редуктор, но их конструкция может быть согласована 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 с турбиной на валу и передавать мощность в сеть через частотно-регулируемый привод. Генератор спроектирован для обеспечения максимальной мощности, исходя из доступной мощности на валу в системе.
Уплотнения. Уплотнение также является критически важным компонентом при проектировании системы турбодетандера. Для поддержания высокой эффективности и соответствия экологическим стандартам системы должны быть герметизированы, чтобы предотвратить потенциальные утечки технологического газа. Турбодетандеры могут быть оснащены динамическими или статическими уплотнениями. Динамические уплотнения, такие как лабиринтные уплотнения и уплотнения из сухого газа, обеспечивают герметизацию вращающегося вала, как правило, между турбинным колесом, подшипниками и остальной частью машины, где расположен генератор. Динамические уплотнения со временем изнашиваются и требуют регулярного технического обслуживания и осмотра для обеспечения их надлежащего функционирования. Когда все компоненты турбодетандера размещены в одном корпусе, для защиты любых выводов, выходящих из корпуса, включая выводы к генератору, приводам магнитных подшипников или датчикам, могут использоваться статические уплотнения. Эти герметичные уплотнения обеспечивают постоянную защиту от утечки газа и не требуют технического обслуживания или ремонта.
С технологической точки зрения, основным требованием для установки расширителя является подача сжимаемого (неконденсируемого) 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, расширитель может использоваться для замены клапана Джоуля-Томсона (JT), также известного как дроссельный клапан. Поскольку клапан JT движется по изоэнтропической траектории, а расширитель — по почти изоэнтропической, последний снижает энтальпию газа и преобразует разницу энтальпий в мощность на валу, тем самым создавая более низкую температуру на выходе, чем клапан JT. Это полезно в криогенных процессах, где целью является снижение температуры газа.
Если существует нижний предел температуры выходящего газа (например, на декомпрессионной станции, где температура газа должна поддерживаться выше температуры замерзания, гидратации или минимальной расчетной температуры материала), необходимо добавить как минимум один нагреватель для контроля температуры газа. Когда предварительный нагреватель расположен перед расширителем, часть энергии подаваемого газа также рекуперируется в расширителе, тем самым увеличивая его выходную мощность. В некоторых конфигурациях, где требуется контроль температуры на выходе, после расширителя можно установить второй подогреватель для более быстрого контроля.
На рис. 3 представлена ​​упрощенная схема общей технологической схемы генератора-расширителя с предварительным подогревателем, используемого для замены клапана Джоуля-Томсона.
В других технологических конфигурациях энергия, рекуперированная в расширителе, может передаваться непосредственно компрессору. Эти машины, иногда называемые «командирами», обычно имеют ступени расширения и сжатия, соединенные одним или несколькими валами, которые также могут включать редуктор для регулирования разницы скоростей между двумя ступенями. Они также могут включать дополнительный двигатель для обеспечения большей мощности ступени сжатия.
Ниже перечислены некоторые из наиболее важных компонентов, обеспечивающих надлежащую работу и стабильность системы.
Перепускной клапан или редукционный клапан. Перепускной клапан позволяет продолжать работу, когда турбодетандер не работает (например, во время технического обслуживания или в аварийной ситуации), тогда как редукционный клапан используется для непрерывной работы и подачи избыточного газа, когда общий поток превышает проектную мощность расширителя.
Аварийный запорный клапан (АЗК). АЗК используются для блокировки потока газа в расширитель в аварийной ситуации во избежание механических повреждений.
Приборы и средства управления. Важные параметры, которые необходимо контролировать, включают входное и выходное давление, расход, скорость вращения и выходную мощность.
Движение на чрезмерной скорости. Устройство перекрывает поток к турбине, вызывая замедление вращения ротора турбины и тем самым защищая оборудование от превышения скорости, вызванного непредвиденными технологическими условиями, которые могут повредить оборудование.
Предохранительный клапан (ПДК). Предохранительные клапаны часто устанавливаются после турбодекомпрессора для защиты трубопроводов и оборудования низкого давления. Предохранительный клапан должен быть спроектирован таким образом, чтобы выдерживать самые суровые непредвиденные обстоятельства, которые обычно включают отказ в открытии перепускного клапана. Если к существующей станции понижения давления добавляется турбодекомпрессор, группа проектирования технологического процесса должна определить, обеспечивает ли существующий предохранительный клапан достаточную защиту.
Нагреватель. Нагреватели компенсируют падение температуры, вызванное прохождением газа через турбину, поэтому газ необходимо предварительно нагревать. Его основная функция заключается в повышении 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 образования гидратов, которые могут негативно повлиять на форсунки оборудования. В системах, содержащих теплообменники (как показано на рисунке 3), температура газа обычно регулируется путем регулирования потока нагретой жидкости в предварительный нагреватель. В некоторых конструкциях вместо теплообменника может использоваться пламенный нагреватель или электрический нагреватель. Нагреватели могут уже присутствовать в существующей системе клапанов турбины, и добавление расширителя может не потребовать установки дополнительных нагревателей, а лишь увеличения потока нагретой жидкости.
Системы смазки и уплотняющего газа. Как упоминалось выше, в расширителях могут использоваться различные конструкции уплотнений, которые могут потребовать смазочных материалов и уплотняющих газов. В соответствующих случаях 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 уплотняющим газом обычно оснащаются устройством смазки маслом, чтобы предотвратить попадание масла из подшипникового узла в расширительный узел. Для специальных применений расширителей, используемых в нефтегазовой промышленности, системы смазки и уплотняющего газа обычно проектируются в соответствии со спецификациями API 617 [5] Часть 4.
Частотно-регулируемый привод (ЧРП). Когда генератор работает в асинхронном режиме, обычно включается ЧРП для регулировки переменного тока в соответствии с частотой сети. Как правило, конструкции на основе частотно-регулируемых приводов имеют более высокую общую эффективность, чем конструкции, использующие редукторы или другие механические компоненты. Системы на основе ЧРП также позволяют учитывать более широкий диапазон изменений технологического процесса, которые могут привести к изменению скорости вращения вала расширителя.
Трансмиссия. В некоторых конструкциях расширителей используется редуктор для снижения скорости расширителя до номинальной скорости генератора. Недостатком использования редуктора является снижение общей эффективности и, следовательно, снижение выходной мощности.
При подготовке запроса на коммерческое предложение (RFQ) для расширителя инженер-технолог должен сначала определить условия эксплуатации, включая следующую информацию:
Инженеры-механики часто составляют технические характеристики генераторов-расширителей, используя данные из других инженерных дисциплин. В качестве исходных данных могут использоваться следующие:
В техническое задание также необходимо включить перечень документов и чертежей, предоставленных производителем в рамках тендерного процесса, а также объем поставок и применимые процедуры испытаний, необходимые для проекта.
Техническая информация, предоставляемая производителем в рамках тендерного процесса, как правило, должна включать следующие элементы:
Если какой-либо аспект предложения отличается от первоначальных технических условий, производитель также должен предоставить список отклонений и причины этих отклонений.
После получения предложения группа разработчиков проекта должна проверить запрос на соответствие требованиям и определить, оправданы ли с технической точки зрения отклонения.
К другим техническим аспектам, которые следует учитывать при оценке предложений, относятся:
Наконец, необходимо провести экономический анализ. Поскольку различные варианты могут привести к различным первоначальным затратам, рекомендуется провести анализ денежных потоков или анализ затрат жизненного цикла, чтобы сравнить долгосрочную экономическую эффективность проекта и рентабельность инвестиций. Например, более высокие первоначальные инвестиции могут быть компенсированы в долгосрочной перспективе повышением производительности или снижением требований к техническому обслуживанию. См. раздел «Ссылки» для получения инструкций по проведению такого рода анализа. 4.
Для всех применений турбодетандер-генераторов требуется первоначальный расчет общей потенциальной мощности, чтобы определить общее количество доступной энергии, которую можно извлечь в конкретном применении. Для турбодетандер-генератора потенциальная мощность рассчитывается как изоэнтропический (с постоянной энтропией) процесс. Это идеальная термодинамическая ситуация для рассмотрения обратимого адиабатического процесса без трения, но это также правильный процесс для оценки фактического энергетического потенциала.
Изоэнтропическая потенциальная энергия (ИПЭ) рассчитывается путем умножения разности удельных энтальпий на входе и выходе турбодетандера на массовый расход. Эта потенциальная энергия будет выражена как изоэнтропическая величина (уравнение (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
где h(i,e) — удельная энтальпия с учетом изоэнтропической температуры на выходе, а ṁ — массовый расход.
Хотя изоэнтропическая потенциальная энергия может быть использована для оценки потенциальной энергии, во всех реальных системах присутствуют трение, тепло и другие сопутствующие потери энергии. Таким образом, при расчете фактической потенциальной мощности следует учитывать следующие дополнительные входные данные:
В большинстве случаев при использовании турбодетандеров температура ограничивается минимальным значением, чтобы предотвратить нежелательные проблемы, такие как замерзание труб, упомянутое ранее. Там, где течет природный газ, почти всегда присутствуют гидраты, а это означает, что трубопровод после 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 к остановке системы для размораживания. Таким образом, «желаемая» температура на выходе используется для расчета более реалистичного сценария потенциальной мощности. Однако для таких газов, как водород, температурный предел намного ниже, поскольку водород не переходит из газообразного состояния в жидкое до тех пор, пока не достигнет криогенной температуры (-253°C). Используйте эту желаемую температуру на выходе для расчета удельной энтальпии.
Необходимо также учитывать эффективность системы турбодетандера. В зависимости от используемой технологии эффективность системы может значительно варьироваться. 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 системы турбодетандера выражается в процентах и ​​учитывается при оценке фактического энергетического потенциала турбодетандера. Фактический энергетический потенциал (ЭВП) рассчитывается следующим образом:
ПП = (хинлет – гексит) × ṁ x ṅ (2)
Рассмотрим применение сброса давления природного газа. Компания ABC эксплуатирует и обслуживает станцию ​​понижения давления, которая транспортирует природный газ из магистрального трубопровода и распределяет его в местные муниципалитеты. На этой станции давление на входе газа составляет 40 бар, а на выходе — 8 бар. Температура предварительно нагретого газа на входе составляет 35 °C, что предотвращает замерзание газа в трубопроводе. Следовательно, температура газа на выходе должна контролироваться таким образом, чтобы она не опускалась ниже 0 °C. В этом примере мы будем использовать 5 °C в качестве минимальной температуры на выходе для повышения коэффициента запаса прочности. Нормализованный объемный расход газа составляет 50 000 Нм³/ч. Для расчета потенциальной мощности предположим, что весь газ проходит через турбодекомпрессор, и рассчитаем максимальную выходную мощность. Оценим общий потенциальный выходной уровень, используя следующий расчет: