Paplašinātāji var izmantot spiediena samazināšanu, lai virzītu rotējošas mašīnas. Informāciju par to, kā novērtēt paplašinātāja instalēšanas iespējamos ieguvumus, var atrast šeit.
Parasti ķīmisko procesu rūpniecībā (CPI) “spiediena kontroles vārstos tiek izšķērdēts liels daudzums enerģijas, kur ir jānospiež augsta spiediena šķidrumi” [1]. Atkarībā no dažādiem tehniskiem un ekonomiskiem faktoriem var būt vēlams pārveidot šo enerģiju rotējošā mehāniskajā enerģijā, ko var izmantot ģeneratoru vai citu rotējošu mašīnu vadīšanai. Par nesaspiežamiem šķidrumiem (šķidrumiem) tas tiek panākts, izmantojot hidrauliskās enerģijas reģenerācijas turbīnu (HPRT; sk. 1. atsauci). Saspiestiem šķidrumiem (gāzēm) paplašinātājs ir piemērota mašīna.
Paplašinātāji ir nobriedusi tehnoloģija ar daudziem veiksmīgiem lietojumiem, piemēram, šķidruma katalītisko plaisāšanu (FCC), saldēšanu, dabasgāzes pilsētas vārstiem, gaisa atdalīšanu vai izplūdes gāzēm. Principā jebkuru gāzes plūsmu ar samazinātu spiedienu var izmantot, lai vadītu paplašinātāju, bet “enerģijas jauda ir tieši proporcionāla gāzes plūsmas spiediena attiecībai, temperatūrai un plūsmas ātrumam” [2], kā arī tehniskā un ekonomiskā iespējamība. Papildinātāja ieviešana: process ir atkarīgs no šiem un citiem faktoriem, piemēram, vietējām enerģijas cenām un no ražotāja pieejamības piemērotās iekārtas.
Lai arī turboexpander (kas darbojas līdzīgi turbīnai) ir vispazīstamākais paplašinātāja veids (1. attēls), ir arī citi tipi, kas piemēroti dažādiem procesa apstākļiem. Šis raksts iepazīstina ar galvenajiem paplašinātāju un to komponentu veidiem un ir apkopots, kā operāciju vadītāji, konsultanti vai enerģijas auditori dažādās CPI nodaļās var novērtēt iespējamos ekonomiskos un vides ieguvumus, kas saistīti ar paplašinātāja uzstādīšanu.
Ir daudz dažādu pretestības joslu veidu, kas ievērojami atšķiras ģeometrijā un funkcijās. Galvenie tipi ir parādīti 2. attēlā, un katrs tips ir īsi aprakstīts zemāk. Papildinformāciju, kā arī grafikus, salīdzinot katra veida darbības statusu, pamatojoties uz konkrētiem diametriem un īpašiem ātrumiem, skatiet palīdzību. 3.
Virzuļa turboexpander. Virzuļa un rotācijas virzuļa turboexpanders darbojas kā reversa rotējošs iekšdedzes dzinējs, absorbējot augsta spiediena gāzi un pārveidojot tā uzkrāto enerģiju rotācijas enerģijā caur kloķvārpstu.
Velciet turbo paplašinātāju. Bremžu turbīnu paplašinātājs sastāv no koncentriskas plūsmas kameras ar kausa spurām, kas piestiprinātas pie rotējošā elementa perifērijas. Tie ir veidoti tāpat kā ūdens riteņi, bet koncentrisko kameru šķērsgriezums palielinās no ieplūdes uz izejas, ļaujot gāzei paplašināties.
Radiālais turboexpander. Radiālās plūsmas turboexpanderers ir aksiālā ieplūde un radiālā izeja, ļaujot gāzei radiāli izplešanās caur turbīnas lāpstiņriteni. Līdzīgi aksiālās plūsmas turbīnas izplešas gāzi caur turbīnas riteni, bet plūsmas virziens paliek paralēli rotācijas asij.
Šis raksts ir vērsts uz radiālo un aksiālo turboexpanders, apspriežot viņu dažādos apakštipus, komponentus un ekonomiku.
Turboexpander ekstrahē enerģiju no augsta spiediena gāzes plūsmas un pārvērš to piedziņas slodzē. Parasti slodze ir kompresors vai ģenerators, kas savienots ar vārpstu. Turboexpander ar kompresoru saspiež šķidrumu citās procesa plūsmas daļās, kurām nepieciešams saspiests šķidrums, tādējādi palielinot auga kopējo efektivitāti, izmantojot citādi izšķērdētu enerģiju. Turboexpander ar ģeneratora slodzi pārveido enerģiju elektrībā, ko var izmantot citos augu procesos vai atgrieztos vietējā tīklā pārdošanai.
Turboexpander ģeneratorus var aprīkot ar tiešu piedziņas vārpstu no turbīnas riteņa līdz ģeneratoram vai caur pārnesumkārbu, kas efektīvi samazina ieejas ātrumu no turbīnas riteņa uz ģeneratoru, izmantojot pārnesuma attiecību. Tiešā piedziņa Turboexpanders piedāvā efektivitātes, pēdas nospieduma un uzturēšanas izmaksu priekšrocības. Pārnesumkārbas turboexpanders ir smagāks un prasa lielāku pēdas nospiedumu, eļļošanas palīglīdzekļus un regulāru apkopi.
Turboexpanders var izgatavot caurplūdes vai aksiālu turbīnu veidā. Radiālās plūsmas paplašinātāji satur aksiālo ieplūdi un radiālo kontaktligzdu tā, lai gāzes plūsma radiāli iziet no turbīnas no rotācijas ass. Aksiālās turbīnas ļauj gāzei plūst aksiāli gar rotācijas asi. Aksiālās plūsmas turbīnas ekstrahē enerģiju no gāzes plūsmas caur ieplūdes vadotņu lāpstiņām uz paplašinātāja riteni, un izplešanās kameras šķērsgriezuma laukums pakāpeniski palielinās, lai saglabātu nemainīgu ātrumu.
Turboexpander ģenerators sastāv no trim galvenajiem komponentiem: turbīnas ritenī, īpašiem gultņiem un ģeneratora.
Turbīnas ritenis. Turbīnu riteņi bieži tiek īpaši izstrādāti, lai optimizētu aerodinamisko efektivitāti. Lietošanas mainīgie, kas ietekmē turbīnu riteņu dizainu, ietver ieplūdes/izejas spiedienu, ieplūdes/izejas temperatūru, tilpuma plūsmu un šķidruma īpašības. Ja kompresijas koeficients ir pārāk augsts, lai to samazinātu vienā posmā, ir nepieciešams turboexpander ar vairākiem turbīnu riteņiem. Gan radiālo, gan aksiālo turbīnu riteņus var projektēt kā daudzpakāpju, bet aksiālo turbīnu riteņiem ir daudz īsāks aksiālais garums un tāpēc tie ir kompaktāki. Daudzpakāpju radiālās plūsmas turbīnām nepieciešama gāze no aksiālās uz radiālo un atpakaļ uz aksiālo, radot lielākus berzes zudumus nekā aksiālās plūsmas turbīnas.
gultņi. Gultņu dizains ir kritisks, lai efektīvi darbotos turboexpander. Gultņu veidi, kas saistīti ar TurboExpander dizainu, ir ļoti atšķirīgi, un tie var ietvert eļļas gultņus, šķidrās plēvju gultņus, tradicionālos lodīšu gultņus un magnētiskos gultņus. Katrai metodei ir savas priekšrocības un trūkumi, kā parādīts 1. tabulā.
Daudzi Turboexpander ražotāji izvēlas magnētiskos gultņus kā “izvēlēto gultni” to unikālo priekšrocību dēļ. Magnētiskie gultņi nodrošina Turboexpander dinamisko komponentu darbību bez berzes, ievērojami samazinot darbības un uzturēšanas izmaksas visā mašīnas darbības laikā. Tie ir paredzēti arī tā, lai izturētu plašu aksiālo un radiālo slodzi un pārspīlējuma apstākļus. Viņu augstākās sākotnējās izmaksas kompensē daudz zemākas dzīves cikla izmaksas.
dinamo. Ģenerators ņem turbīnas rotācijas enerģiju un pārvērš to noderīgā elektriskajā enerģijā, izmantojot elektromagnētisko ģeneratoru (kas var būt indukcijas ģenerators vai pastāvīgs magnēta ģenerators). Indukcijas ģeneratoriem ir zemāks novērtējums, tāpēc ātrgaitas turbīnu lietojumprogrammām ir nepieciešama pārnesumkārba, bet tie var būt paredzēti, lai tie atbilstu tīkla frekvencei, novēršot nepieciešamību pēc mainīgas frekvences piedziņas (VFD), lai piegādātu ģenerēto elektrību. No otras puses, pastāvīgos magnētu ģeneratorus var tieši vārpstas savienot ar turbīnu un pārraidīt jaudu uz režģi caur mainīgas frekvences piedziņu. Ģenerators ir paredzēts, lai nodrošinātu maksimālo jaudu, pamatojoties uz sistēmā pieejamo vārpstas jaudu.
Roņi. SEAL ir arī kritiska sastāvdaļa, izstrādājot Turboexpander sistēmu. Lai saglabātu augstu efektivitāti un ievērotu vides standartus, sistēmas ir jānoslēdz, lai novērstu iespējamās procesa gāzes noplūdes. Turboexpanderus var aprīkot ar dinamiskiem vai statiskiem blīvējumiem. Dinamiskie blīvējumi, piemēram, labirinta blīvējumi un sausas gāzes blīves, nodrošina blīvējumu ap rotējošu vārpstu, parasti starp turbīnas riteni, gultņiem un pārējo mašīnu, kur atrodas ģenerators. Dinamiskie blīvējumi laika gaitā nolietojas un prasa regulāru apkopi un pārbaudi, lai pārliecinātos, ka tie darbojas pareizi. Ja visus turboexpander komponentus atrodas vienā korpusā, statiskos blīvējumus var izmantot, lai aizsargātu visus vadus, kas iziet no korpusa, ieskaitot ģeneratoru, magnētiskos gultņu diskdziņus vai sensorus. Šie hermētiskie blīvējumi nodrošina pastāvīgu aizsardzību pret gāzes noplūdi un nav nepieciešama apkope vai remonts.
Raugoties no procesa viedokļa, primārā prasība par paplašinātāja uzstādīšanu ir piegādāt augstspiediena saspiežamās (nedzīves) gāzi zema spiediena sistēmai ar pietiekamu plūsmu, spiediena kritumu un izmantošanu, lai uzturētu normālu aprīkojuma darbību. Darbības parametri tiek uzturēti drošā un efektīvā līmenī.
Runājot par spiediena samazināšanas funkciju, paplašinātāju var izmantot, lai nomainītu Joule-Thomson (JT) vārstu, kas pazīstams arī kā droseļvārsts. Tā kā JT vārsts pārvietojas pa izentropisko ceļu un paplašinātājs pārvietojas pa gandrīz izentropisko ceļu, pēdējais samazina gāzes entalpiju un pārveido entalpijas atšķirību vārpstas jaudā, tādējādi radot zemāku izejas temperatūru nekā JT vārsts. Tas ir noderīgi kriogēnos procesos, kur mērķis ir samazināt gāzes temperatūru.
Ja izplūdes gāzes temperatūrā ir zemāks ierobežojums (piemēram, dekompresijas stacijā, kur gāzes temperatūra jāuztur virs sasalšanas, hidratācijas vai minimālās materiāla projektēšanas temperatūras), jāpievieno vismaz viens sildītājs. kontrolēt gāzes temperatūru. Kad priekšsildītājs atrodas augšpus paplašinātāja, arī daļa no barības gāzes enerģijas tiek atgūta arī paplašinātājā, tādējādi palielinot tās jaudu. Dažās konfigurācijās, kur nepieciešama izejas temperatūras kontrole, pēc paplašinātāja var uzstādīt otro sildītāju, lai nodrošinātu ātrāku kontroli.
3. attēlā parādīta vienkāršota paplašinātāja ģeneratora plūsmas diagrammas diagramma ar priekšsildītāju, ko izmanto, lai aizstātu JT vārstu.
Citās procesa konfigurācijās paplašinātāju atgūto enerģiju var pārsūtīt tieši uz kompresoru. Šīm mašīnām, kuras dažreiz sauc par “komandieriem”, parasti ir paplašināšanas un saspiešanas posmi, kas savienoti ar vienu vai vairākām vārpstām, kas var ietvert arī pārnesumkārbu, lai regulētu ātruma starpību starp abiem posmiem. Tas var ietvert arī papildu motoru, lai nodrošinātu lielāku jaudu kompresijas posmam.
Zemāk ir daži no vissvarīgākajiem komponentiem, kas nodrošina pareizu sistēmas darbību un stabilitāti.
Apvedceļa vārsts vai spiediena samazināšanas vārsts. Apvedceļa vārsts ļauj operācijai turpināties, kad TurboExpander nedarbojas (piemēram, uzturēšanai vai ārkārtas situācijai), savukārt spiediena samazināšanas vārstu izmanto nepārtrauktai darbībai, lai piegādātu lieko gāzi, kad kopējā plūsma pārsniedz paplašinātāja projektēšanas spēju.
Avārijas izslēgšanas vārsts (ESD). ESD vārsti tiek izmantoti, lai avārijā bloķētu gāzes plūsmu paplašinātājā, lai izvairītos no mehāniskiem bojājumiem.
Instrumenti un vadība. Svarīgi uzraudzības mainīgie ietver ieplūdes un izejas spiedienu, plūsmas ātrumu, rotācijas ātrumu un jaudas jaudu.
Braukšana ar pārmērīgu ātrumu. Ierīce samazina plūsmu turbīnā, izraisot turbīnas rotora palēnināšanos, tādējādi aizsargājot aprīkojumu no pārmērīga ātruma negaidītiem procesa apstākļiem, kas varētu sabojāt aprīkojumu.
Spiediena drošības vārsts (PSV). PSV bieži tiek uzstādīti pēc turboexpander, lai aizsargātu cauruļvadus un zema spiediena aprīkojumu. PSV jāprojektē tā, lai izturētu vissmagākos gadījumus, kas parasti ietver apvedceļa vārsta neveiksmi. Ja esošajai spiediena samazināšanas stacijai tiek pievienots paplašinātājs, procesa projektēšanas komandai ir jānosaka, vai esošais PSV nodrošina atbilstošu aizsardzību.
Sildītājs. Sildītāji kompensē temperatūras kritumu, ko izraisa gāze, kas iet caur turbīnu, tāpēc gāze ir jāuzsilda. Tās galvenā funkcija ir paaugstināt pieaugošās gāzes plūsmas temperatūru, lai saglabātu gāzes temperatūru, atstājot paplašinātāju virs minimālās vērtības. Vēl viens labums, paaugstinot temperatūru, ir palielināt jaudas jaudu, kā arī novērst koroziju, kondensāciju vai hidrātus, kas varētu nelabvēlīgi ietekmēt aprīkojuma sprauslas. Sistēmās, kas satur siltummaiņus (kā parādīts 3. attēlā), gāzes temperatūru parasti kontrolē, regulējot apsildāmā šķidruma plūsmu priekšsildītājā. Dažos dizainos siltummaiņa vietā var izmantot liesmas sildītāju vai elektrisko sildītāju. Sildītāji jau var pastāvēt esošajā JT vārsta stacijā, un paplašinātāja pievienošanai, iespējams, nav jāinstalē papildu sildītāji, bet drīzāk palielina apsildāmā šķidruma plūsmu.
Eļļas un blīvējuma sistēmas. Kā minēts iepriekš, paplašinātāji var izmantot dažādus blīvējuma dizainus, kuriem var būt vajadzīgas smērvielas un blīvēšanas gāzes. Vajadzības gadījumā smēreļļai ir jāsaglabā augstas kvalitātes un tīrības, saskaroties ar procesa gāzēm, un eļļas viskozitātes līmenim jāpaliek nepieciešamajā ieeļļotu gultņu darbības diapazonā. Noslēgtās gāzes sistēmas parasti ir aprīkotas ar eļļas eļļošanas ierīci, lai neļautu eļļai no gultņu kastes iekļūt izplešanās kastē. Kompanderu īpašiem lietojumiem, ko izmanto ogļūdeņražu rūpniecībā, lubveida eļļas un blīvējuma gāzes sistēmas parasti ir paredzētas API 617 [5] 4. daļas specifikācijām.
Mainīgas frekvences piedziņa (VFD). Kad ģenerators ir indukcija, parasti tiek ieslēgts VFD, lai pielāgotu mainīgo strāvas (AC) signālu, lai tas atbilstu lietderības frekvencei. Parasti dizainparaugiem, kuru pamatā ir mainīgas frekvences piedziņas, ir augstāka kopējā efektivitāte nekā dizainparaugiem, kas izmanto pārnesumkārbas vai citas mehāniskās sastāvdaļas. Uz VFD balstītas sistēmas var ietvert arī plašāku procesu izmaiņu klāstu, kas var izraisīt izmaiņas paplašinātāja vārpstas ātrumā.
Pārnešana. Daži paplašinātāju dizainparaugi izmanto pārnesumkārbu, lai samazinātu paplašinātāja ātrumu līdz ģeneratora nominālajam ātrumam. Pārnesumkārbas izmantošanas izmaksas ir zemākas kopējās efektivitātes un līdz ar to zemāka jaudas jauda.
Sagatavojot piedāvājuma pieprasījumu (RFQ) paplašinātājam, procesa inženierim vispirms jānosaka darbības nosacījumi, ieskaitot šādu informāciju:
Mehāniskie inženieri bieži aizpilda paplašinātāja ģeneratora specifikācijas un specifikācijas, izmantojot datus no citām inženiertehniskām disciplīnām. Šīs ieejas var ietvert šādus:
Specifikācijās jāiekļauj arī dokumentu un rasējumu saraksts, ko ražotājs nodrošina kā daļu no konkursa procesa un piegādes apjoma, kā arī piemērojamās testa procedūras, kā to prasa projekts.
Ražotāja sniegtā tehniskā informācija kā daļa no konkursa procesa parasti jāiekļauj šādi elementi:
Ja kāds priekšlikuma aspekts atšķiras no sākotnējām specifikācijām, ražotājam jāsniedz arī novirzes saraksts un novirzes iemesli.
Kad priekšlikums ir saņemts, projekta izstrādes komandai ir jāpārskata atbilstības pieprasījums un jānosaka, vai variācijas ir tehniski pamatotas.
Citi tehniski apsvērumi, kas jāņem vērā, novērtējot priekšlikumus, ir:
Visbeidzot, jāveic ekonomiskā analīze. Tā kā dažādas iespējas var izraisīt dažādas sākotnējās izmaksas, ieteicams veikt naudas plūsmas vai dzīves cikla izmaksu analīzi, lai salīdzinātu projekta ilgtermiņa ekonomiku un ieguldījumu atdevi. Piemēram, lielāku sākotnējo ieguldījumu ilgtermiņā var kompensēt paaugstināta produktivitāte vai samazinātas apkopes prasības. Instrukcijas par šāda veida analīzi skatiet “Atsauces”. 4.
Visiem TurboExpander ģeneratoru lietojumprogrammām ir nepieciešams sākotnējais kopējais potenciāla jaudas aprēķins, lai noteiktu kopējo pieejamās enerģijas daudzumu, ko var atgūt noteiktā lietojumprogrammā. Turboexpander ģeneratoram jaudas potenciālu aprēķina kā izentropisku (pastāvīgu entropijas) procesu. Šī ir ideāla termodinamiskā situācija, lai apsvērtu atgriezenisku adiabātisko procesu bez berzes, taču tas ir pareizais process faktiskā enerģijas potenciāla novērtēšanai.
Izentropisko potenciālo enerģiju (IPP) aprēķina, reizinot īpašo entalpijas starpību turboexpander ieplūdes un izejvielās un reizinot rezultātu ar masas plūsmas ātrumu. Šī potenciālā enerģija tiks izteikta kā izentropisks daudzums ((1) vienādojums):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
kur h (i, e) ir īpašā entalpija, ņemot vērā izentropisko izejas temperatūru un ṁ ir masas plūsmas ātrums.
Lai arī potenciālās enerģijas novērtēšanai var izmantot izentropisko potenciālo enerģiju, visās reālajās sistēmās ir saistīta ar berzi, siltumu un citiem papildu enerģijas zudumiem. Tādējādi, aprēķinot faktisko jaudas potenciālu, jāņem vērā šādi papildu ievades dati:
Lielākajā daļā TurboExpander lietojumprogrammu temperatūra ir ierobežota līdz minimumam, lai novērstu nevēlamas problēmas, piemēram, iepriekš minēto cauruļu sasalšanu. Ja dabasgāzes plūst, hidrāti gandrīz vienmēr ir sastopami, kas nozīmē, ka cauruļvads lejpus turboexpander vai droseļvārsta vārstu iesaldēsies iekšēji un ārēji, ja izejas temperatūra nokrītas zem 0 ° C. Ledus veidošanās var izraisīt plūsmas ierobežošanu un galu galā izslēgt sistēmu, lai atkausētu. Tādējādi “vēlamo” izejas temperatūru izmanto, lai aprēķinātu reālistiskāku potenciālo jaudas scenāriju. Tomēr tādām gāzēm kā ūdeņradis temperatūras robeža ir daudz zemāka, jo ūdeņradis nemainās no gāzes uz šķidrumu, kamēr tas nesasniedz kriogēno temperatūru (-253 ° C). Izmantojiet šo vēlamo izejas temperatūru, lai aprēķinātu īpašo entalpiju.
Jāņem vērā arī turboexpander sistēmas efektivitāte. Atkarībā no izmantotās tehnoloģijas sistēmas efektivitāte var ievērojami atšķirties. Piemēram, turboexpander, kas izmanto reducēšanas pārnesumu, lai pārnestu rotācijas enerģiju no turbīnas uz ģeneratoru, būs lielāki berzes zudumi nekā sistēma, kas izmanto tiešu piedziņu no turbīnas uz ģeneratoru. Turboexpander sistēmas vispārējā efektivitāte tiek izteikta procentos un tiek ņemta vērā, novērtējot Turboexpander faktisko jaudas potenciālu. Faktisko jaudas potenciālu (PP) aprēķina šādi:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Apskatīsim dabasgāzes spiediena samazināšanas pielietojumu. ABC darbojas un uztur spiediena samazināšanas staciju, kas transportē dabasgāzi no galvenā cauruļvada un izplata to vietējām pašvaldībām. Šajā stacijā gāzes ieplūdes spiediens ir 40 bāru, un izejas spiediens ir 8 bārs. Uzkarsētā ieplūdes gāzes temperatūra ir 35 ° C, kas uzkarsē gāzi, lai novērstu cauruļvada sasalšanu. Tāpēc izplūdes gāzes temperatūra ir jākontrolē tā, lai tā nebūtu zemāka par 0 ° C. Šajā piemērā mēs izmantosim 5 ° C kā minimālo izejas temperatūru, lai palielinātu drošības koeficientu. Normalizētais tilpuma gāzes plūsmas ātrums ir 50 000 nm3/h. Lai aprēķinātu jaudas potenciālu, mēs pieņemsim, ka visas gāzes plūst caur turbo paplašinātāju un aprēķina maksimālo jaudas jaudu. Novērtējiet kopējo jaudas izejas potenciālu, izmantojot šādu aprēķinu:
Pasta laiks: 25-24 maijs