Paplašinātāji var izmantot spiediena samazināšanu, lai darbinātu rotējošas mašīnas. Informāciju par to, kā novērtēt paplašinātāja uzstādīšanas potenciālos ieguvumus, var atrast šeit.
Ķīmiskās pārstrādes rūpniecībā (CPI) parasti "spiediena regulēšanas vārstos, kur augstspiediena šķidrumi ir jāsamazina spiediens, tiek izšķērdēts liels enerģijas daudzums" [1]. Atkarībā no dažādiem tehniskiem un ekonomiskiem faktoriem var būt vēlams šo enerģiju pārveidot rotējošā mehāniskajā enerģijā, ko var izmantot ģeneratoru vai citu rotējošu mašīnu piedziņai. Nesaspiežamiem šķidrumiem (šķidrumiem) to panāk, izmantojot hidrauliskās enerģijas atgūšanas turbīnu (HPRT; sk. 1. atsauci). Saspiežamiem šķidrumiem (gāzēm) piemērota iekārta ir izplešanās iekārta.
Paplašinātāji ir nobriedusi tehnoloģija ar daudziem veiksmīgiem pielietojumiem, piemēram, šķidrā katalītiskā krekinga (FCC), saldēšanas, dabasgāzes pilsētu vārstu, gaisa atdalīšanas vai izplūdes gāzu emisiju jomā. Principā jebkuru gāzes plūsmu ar samazinātu spiedienu var izmantot, lai darbinātu paplašinātāju, bet "enerģijas izlaide ir tieši proporcionāla gāzes plūsmas spiediena attiecībai, temperatūrai un plūsmas ātrumam" [2], kā arī tehniskajai un ekonomiskajai iespējamībai. Paplašinātāja ieviešana: process ir atkarīgs no šiem un citiem faktoriem, piemēram, vietējām enerģijas cenām un piemērota aprīkojuma pieejamības ražotājam.
Lai gan turboekspanders (kas darbojas līdzīgi turbīnai) ir vispazīstamākais ekspanderu veids (1. attēls), ir arī citi veidi, kas piemēroti dažādiem procesa apstākļiem. Šajā rakstā ir iepazīstināts ar galvenajiem ekspanderu veidiem un to sastāvdaļām, kā arī apkopots, kā operāciju vadītāji, konsultanti vai energoauditori dažādās patēriņa cenu indeksa (CPI) nodaļās var novērtēt ekspandera uzstādīšanas potenciālos ekonomiskos un vides ieguvumus.
Ir daudz dažādu pretestības joslu veidu, kas ievērojami atšķiras pēc ģeometrijas un funkcijas. Galvenie veidi ir parādīti 2. attēlā, un katrs veids ir īsi aprakstīts tālāk. Lai iegūtu plašāku informāciju, kā arī grafikus, kuros salīdzināts katra veida darbības stāvoklis, pamatojoties uz konkrētu diametru un konkrētu ātrumu, skatiet palīdzību. 3.
Virzuļa turboekspanders. Virzuļa un rotācijas virzuļa turboekspanderi darbojas kā reversā virzienā rotējošs iekšdedzes dzinējs, absorbējot augstspiediena gāzi un pārveidojot tās uzkrāto enerģiju rotācijas enerģijā caur kloķvārpstu.
Velciet turboekspanderu. Bremžu turbīnas ekspanders sastāv no koncentriskas plūsmas kameras ar spaiņiem, kas piestiprināti rotējošā elementa perifērijai. Tie ir konstruēti tāpat kā ūdensrati, bet koncentrisko kameru šķērsgriezums palielinās no ieplūdes līdz izejai, ļaujot gāzei izplesties.
Radiālais turbīnas paplašinātājs. Radiālās plūsmas turbīnas paplašinātājiem ir aksiāla ieplūde un radiāla izeja, kas ļauj gāzei izplesties radiāli caur turbīnas lāpstiņriteni. Līdzīgi aksiālās plūsmas turbīnas izpleš gāzi caur turbīnas ratu, bet plūsmas virziens paliek paralēls rotācijas asij.
Šajā rakstā galvenā uzmanība pievērsta radiālajiem un aksiālajiem turboekspanderiem, apspriežot to dažādos apakštipus, komponentus un ekonomiskos aspektus.
Turboeksanders iegūst enerģiju no augstspiediena gāzes plūsmas un pārveido to piedziņas slodzē. Parasti slodze ir kompresors vai ģenerators, kas savienots ar vārpstu. Turboeksanders ar kompresoru saspiež šķidrumu citās procesa plūsmas daļās, kurām nepieciešams saspiests šķidrums, tādējādi palielinot rūpnīcas kopējo efektivitāti, izmantojot enerģiju, kas citādi tiktu izšķērdēta. Turboeksanders ar ģeneratora slodzi pārveido enerģiju elektrībā, ko var izmantot citos rūpnīcas procesos vai atgriezt vietējā tīklā pārdošanai.
Turboekspanderu ģeneratorus var aprīkot vai nu ar tiešu piedziņas vārpstu no turbīnas riteņa uz ģeneratoru, vai arī ar pārnesumkārbu, kas efektīvi samazina ieejas ātrumu no turbīnas riteņa uz ģeneratoru, izmantojot pārnesumu skaitli. Tiešās piedziņas turboekspanderi piedāvā priekšrocības efektivitātes, nospieduma un apkopes izmaksu ziņā. Pārnesumkārbas turboekspanderi ir smagāki un tiem nepieciešams lielāks nospiedums, eļļošanas palīgiekārtas un regulāra apkope.
Caurplūdes turboekspanderus var izgatavot radiālu vai aksiālu turbīnu veidā. Radiālie plūsmas ekspanderi satur aksiālu ieplūdi un radiālu izeju, lai gāzes plūsma izietu no turbīnas radiāli no rotācijas ass. Aksiālās turbīnas ļauj gāzei plūst aksiāli pa rotācijas asi. Aksiālās plūsmas turbīnas iegūst enerģiju no gāzes plūsmas caur ieplūdes vadotnēm uz ekspandera riteni, pakāpeniski palielinot izplešanās kameras šķērsgriezuma laukumu, lai uzturētu nemainīgu ātrumu.
Turboekspandera ģenerators sastāv no trim galvenajām sastāvdaļām: turbīnas riteņa, īpašiem gultņiem un ģeneratora.
Turbīnas ritenis. Turbīnas riteņi bieži tiek īpaši projektēti, lai optimizētu aerodinamisko efektivitāti. Pielietojuma mainīgie, kas ietekmē turbīnas rata konstrukciju, ietver ieplūdes/izplūdes spiedienu, ieplūdes/izplūdes temperatūru, tilpuma plūsmu un šķidruma īpašības. Ja kompresijas pakāpe ir pārāk augsta, lai to varētu samazināt vienā posmā, ir nepieciešams turbīnas ekspanders ar vairākiem turbīnas riteņiem. Gan radiālos, gan aksiālos turbīnas ratus var konstruēt kā daudzpakāpju, bet aksiālajiem turbīnas riteņiem ir daudz īsāks aksiālais garums, un tāpēc tie ir kompaktāki. Daudzpakāpju radiālās plūsmas turbīnām ir nepieciešama gāzes plūsma no aksiālās uz radiālo un atpakaļ uz aksiālo, radot lielākus berzes zudumus nekā aksiālās plūsmas turbīnām.
gultņi. Gultņu konstrukcija ir kritiski svarīga turboekspandera efektīvai darbībai. Ar turboekspanderu konstrukcijām saistītie gultņu veidi ir ļoti dažādi un var ietvert eļļas gultņus, šķidrās plēves gultņus, tradicionālos lodīšu gultņus un magnētiskos gultņus. Katrai metodei ir savas priekšrocības un trūkumi, kā parādīts 1. tabulā.
Daudzi turboekspanderu ražotāji izvēlas magnētiskos gultņus kā savu “izvēles gultni” to unikālo priekšrocību dēļ. Magnētiskie gultņi nodrošina turboekspandera dinamisko komponentu darbību bez berzes, ievērojami samazinot ekspluatācijas un apkopes izmaksas visā mašīnas kalpošanas laikā. Tie ir arī konstruēti tā, lai izturētu plašu aksiālo un radiālo slodžu un pārslodzes apstākļu diapazonu. To augstākās sākotnējās izmaksas kompensē daudz zemākas dzīves cikla izmaksas.
dinamo. Ģenerators izmanto turbīnas rotācijas enerģiju un pārveido to lietderīgā elektriskajā enerģijā, izmantojot elektromagnētisko ģeneratoru (kas var būt indukcijas ģenerators vai pastāvīgā magnēta ģenerators). Indukcijas ģeneratoriem ir zemāks nominālais ātrums, tāpēc ātrgaitas turbīnu lietojumiem ir nepieciešama pārnesumkārba, taču tos var konstruēt tā, lai tie atbilstu tīkla frekvencei, novēršot nepieciešamību pēc mainīgas frekvences piedziņas (VFD), lai piegādātu ģenerēto elektroenerģiju. Savukārt pastāvīgā magnēta ģeneratorus var tieši savienot ar turbīnu ar vārpstu un pārsūtīt jaudu uz tīklu, izmantojot mainīgas frekvences piedziņu. Ģenerators ir paredzēts, lai nodrošinātu maksimālo jaudu, pamatojoties uz sistēmā pieejamo vārpstas jaudu.
Blīvējumi. Blīvējums ir arī kritiski svarīga sastāvdaļa, projektējot turboekspanderu sistēmu. Lai uzturētu augstu efektivitāti un atbilstu vides standartiem, sistēmām jābūt noslēgtām, lai novērstu potenciālas procesa gāzes noplūdes. Turboekspanderus var aprīkot ar dinamiskiem vai statiskiem blīvējumiem. Dinamiskie blīvējumi, piemēram, labirinta blīvējumi un sausās gāzes blīvējumi, nodrošina blīvējumu ap rotējošu vārpstu, parasti starp turbīnas ratu, gultņiem un pārējo mašīnas daļu, kur atrodas ģenerators. Dinamiskie blīvējumi laika gaitā nolietojas un tiem nepieciešama regulāra apkope un pārbaude, lai nodrošinātu to pareizu darbību. Ja visas turboekspanderu sastāvdaļas atrodas vienā korpusā, statiskos blīvējumus var izmantot, lai aizsargātu visus vadus, kas iziet no korpusa, tostarp vadus, kas ved uz ģeneratoru, magnētiskajiem gultņu piedziņām vai sensoriem. Šie hermētiskie blīvējumi nodrošina pastāvīgu aizsardzību pret gāzes noplūdi un tiem nav nepieciešama apkope vai remonts.
No procesa viedokļa galvenā prasība paplašinātāja uzstādīšanai ir piegādāt augstspiediena saspiežamu (nekondensējamu) gāzi zemspiediena sistēmai ar pietiekamu plūsmu, spiediena kritumu un izmantošanu, lai uzturētu normālu iekārtas darbību. Darbības parametri tiek uzturēti drošā un efektīvā līmenī.
Runājot par spiediena samazināšanas funkciju, eksanderu var izmantot, lai aizstātu Džoula-Tomsona (JT) vārstu, kas pazīstams arī kā droseļvārsts. Tā kā JT vārsts pārvietojas pa izoentropisku ceļu, bet eksanders pārvietojas pa gandrīz izoentropisku ceļu, pēdējais samazina gāzes entalpiju un pārveido entalpijas starpību vārpstas jaudā, tādējādi radot zemāku izejas temperatūru nekā JT vārsts. Tas ir noderīgi kriogēnos procesos, kur mērķis ir samazināt gāzes temperatūru.
Ja izejas gāzes temperatūrai ir zemāka robeža (piemēram, dekompresijas stacijā, kur gāzes temperatūra jāuztur virs sasalšanas, hidratācijas vai minimālās materiāla projektētās temperatūras), jāpievieno vismaz viens sildītājs. kontrolēt gāzes temperatūru. Ja priekšsildītājs atrodas augšpus paplašinātāja, daļa enerģijas no padeves gāzes tiek atgūta arī paplašinātājā, tādējādi palielinot tā jaudu. Dažās konfigurācijās, kur nepieciešama izejas temperatūras kontrole, pēc paplašinātāja var uzstādīt otru atkārtotas sildīšanas ierīci, lai nodrošinātu ātrāku kontroli.
3. attēlā parādīta vienkāršota ekspanderģeneratora ar priekšsildītāju, ko izmanto JT vārsta aizstāšanai, vispārējās plūsmas diagrammas diagramma.
Citās procesa konfigurācijās izplešanās iekārtā atgūto enerģiju var tieši pārnest uz kompresoru. Šīm iekārtām, ko dažreiz sauc par “komandieriem”, parasti ir izplešanās un saspiešanas posmi, kas savienoti ar vienu vai vairākām vārpstām, kas var ietvert arī pārnesumkārbu, lai regulētu ātruma starpību starp abiem posmiem. Tajā var būt arī papildu motors, lai nodrošinātu lielāku jaudu saspiešanas posmam.
Zemāk ir norādītas dažas no svarīgākajām sastāvdaļām, kas nodrošina sistēmas pareizu darbību un stabilitāti.
Apvada vārsts vai spiediena samazināšanas vārsts. Apvada vārsts ļauj turpināt darbību, kad turboekspanders nedarbojas (piemēram, apkopes vai ārkārtas situācijā), savukārt spiediena samazināšanas vārsts tiek izmantots nepārtrauktai darbībai, lai piegādātu lieko gāzi, kad kopējā plūsma pārsniedz ekspandera projektēto jaudu.
Avārijas izslēgšanas vārsts (ESD). ESD vārstus izmanto, lai ārkārtas situācijā bloķētu gāzes plūsmu izpletējā un novērstu mehāniskus bojājumus.
Instrumenti un vadības ierīces. Svarīgi uzraugāmie mainīgie ir ieplūdes un izplūdes spiediens, plūsmas ātrums, rotācijas ātrums un jauda.
Braukšana ar pārmērīgu ātrumu. Ierīce pārtrauc plūsmu uz turbīnu, kā rezultātā turbīnas rotors palēninās, tādējādi pasargājot iekārtu no pārmērīga ātruma neparedzētu procesa apstākļu dēļ, kas varētu sabojāt iekārtu.
Spiediena drošības vārsts (PSV). SSV bieži tiek uzstādīti pēc turboekspandera, lai aizsargātu cauruļvadus un zemspiediena iekārtas. SSV jāprojektē tā, lai tas izturētu vissmagākās ārkārtas situācijas, kas parasti ietver apvada vārsta atvēršanās neveiksmi. Ja esošajai spiediena samazināšanas stacijai tiek pievienots ekspanders, procesa projektēšanas komandai ir jānosaka, vai esošais PSV nodrošina pietiekamu aizsardzību.
Sildītājs. Sildītāji kompensē temperatūras pazemināšanos, ko izraisa gāzes plūsma caur turbīnu, tāpēc gāze ir iepriekš jāuzsilda. To galvenā funkcija ir paaugstināt augošās gāzes plūsmas temperatūru, lai uzturētu no izpletņa izejošās gāzes temperatūru virs minimālās vērtības. Vēl viena temperatūras paaugstināšanas priekšrocība ir jaudas palielināšana, kā arī korozijas, kondensāta vai hidrātu veidošanās novēršana, kas varētu negatīvi ietekmēt iekārtu sprauslas. Sistēmās, kas satur siltummaiņus (kā parādīts 3. attēlā), gāzes temperatūru parasti kontrolē, regulējot uzkarsētā šķidruma plūsmu uz priekšsildītāju. Dažās konstrukcijās siltummaiņa vietā var izmantot liesmas sildītāju vai elektrisko sildītāju. Sildītāji var jau būt esošajā JT vārstu stacijā, un, pievienojot izpletni, var nebūt nepieciešams uzstādīt papildu sildītājus, bet gan palielināt uzkarsētā šķidruma plūsmu.
Smēreļļas un blīvgāzes sistēmas. Kā minēts iepriekš, izplešanās mehānismiem var izmantot dažādas blīvējumu konstrukcijas, kurām var būt nepieciešamas smērvielas un blīvgāzes. Attiecīgā gadījumā smēreļļai, nonākot saskarē ar procesa gāzēm, ir jāuztur augsta kvalitāte un tīrība, un eļļas viskozitātes līmenim jāpaliek eļļoto gultņu nepieciešamajā darbības diapazonā. Hermētiskās gāzes sistēmas parasti ir aprīkotas ar eļļas eļļošanas ierīci, lai novērstu eļļas iekļūšanu no gultņu kārbas izplešanās kārbā. Īpašiem kompanderu pielietojumiem ogļūdeņražu rūpniecībā smēreļļas un blīvgāzes sistēmas parasti tiek projektētas atbilstoši API 617 [5] 4. daļas specifikācijām.
Mainīgas frekvences piedziņa (VFD). Kad ģenerators ir indukcijas ģenerators, VFD parasti tiek ieslēgts, lai pielāgotu maiņstrāvas (AC) signālu atbilstoši tīkla frekvencei. Parasti konstrukcijām, kuru pamatā ir mainīgas frekvences piedziņa, ir augstāka kopējā efektivitāte nekā konstrukcijām, kurās tiek izmantotas pārnesumkārbas vai citas mehāniskas sastāvdaļas. Uz VFD balstītas sistēmas var arī pielāgoties plašākam procesa izmaiņu klāstam, kas var izraisīt izmaiņas paplašinātāja vārpstas ātrumā.
Transmisija. Dažās paplašinātāja konstrukcijās tiek izmantota pārnesumkārba, lai samazinātu paplašinātāja ātrumu līdz ģeneratora nominālajam ātrumam. Pārnesumkārbas izmantošanas izmaksas ir zemāka kopējā efektivitāte un līdz ar to zemāka jauda.
Sagatavojot cenu piedāvājumu pieprasījumu (RFQ) paplašinātājam, procesa inženierim vispirms jānosaka ekspluatācijas apstākļi, tostarp šāda informācija:
Mehānikas inženieri bieži vien izstrādā ekspanderu ģeneratoru specifikācijas un specifikācijas, izmantojot datus no citām inženierzinātņu disciplīnām. Šie ievades dati var ietvert sekojošo:
Specifikācijās jāiekļauj arī ražotāja iesniegto dokumentu un rasējumu saraksts konkursa procesa ietvaros un piegādes apjoms, kā arī piemērojamās testēšanas procedūras, kas noteiktas projektā.
Ražotāja sniegtajā tehniskajā informācijā konkursa procesa ietvaros parasti jāiekļauj šādi elementi:
Ja kāds priekšlikuma aspekts atšķiras no sākotnējām specifikācijām, ražotājam ir jāiesniedz arī noviržu saraksts un noviržu iemesli.
Kad priekšlikums ir saņemts, projekta izstrādes komandai ir jāpārskata atbilstības pieprasījums un jānosaka, vai atkāpes ir tehniski pamatotas.
Citi tehniski apsvērumi, kas jāņem vērā, izvērtējot priekšlikumus, ir šādi:
Visbeidzot, ir jāveic ekonomiskā analīze. Tā kā dažādas iespējas var radīt atšķirīgas sākotnējās izmaksas, ieteicams veikt naudas plūsmas vai dzīves cikla izmaksu analīzi, lai salīdzinātu projekta ilgtermiņa ekonomiku un ieguldījumu atdevi. Piemēram, lielākus sākotnējos ieguldījumus ilgtermiņā var kompensēt paaugstināta produktivitāte vai samazinātas apkopes prasības. Norādījumus par šāda veida analīzi skatiet sadaļā “Atsauces”. 4.
Visiem turboekspanderu ģeneratoru lietojumiem ir nepieciešams sākotnējais kopējās potenciālās jaudas aprēķins, lai noteiktu kopējo pieejamās enerģijas daudzumu, ko var atgūt konkrētā lietojumā. Turboekspanderu ģeneratoram jaudas potenciāls tiek aprēķināts kā izentropisks (konstantas entropijas) process. Šī ir ideāla termodinamiskā situācija, lai apsvērtu atgriezenisku adiabātisku procesu bez berzes, taču tas ir pareizs process faktiskā enerģijas potenciāla novērtēšanai.
Izentropisko potenciālo enerģiju (IPP) aprēķina, reizinot īpatnējo entalpijas starpību turboekspandera ieejā un izejā un reizinot rezultātu ar masas plūsmas ātrumu. Šī potenciālā enerģija tiks izteikta kā izentropisks lielums (1. vienādojums):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
kur h(i,e) ir īpatnējā entalpija, ņemot vērā izentropisko izejas temperatūru, un ṁ ir masas plūsmas ātrums.
Lai gan izentropisko potenciālo enerģiju var izmantot potenciālās enerģijas novērtēšanai, visās reālajās sistēmās ir berze, siltums un citi papildu enerģijas zudumi. Tādēļ, aprēķinot faktisko jaudas potenciālu, jāņem vērā šādi papildu ievades dati:
Vairumā turboekspanderu pielietojumu temperatūra tiek ierobežota līdz minimumam, lai novērstu nevēlamas problēmas, piemēram, iepriekš minēto cauruļu sasalšanu. Vietās, kur plūst dabasgāze, gandrīz vienmēr ir klāt hidrāti, kas nozīmē, ka cauruļvads lejpus turboekspandera vai droseļvārsta sasals gan iekšēji, gan ārēji, ja izejas temperatūra nokrītas zem 0°C. Ledus veidošanās var izraisīt plūsmas ierobežošanu un galu galā apturēt sistēmas atkausēšanu. Tādējādi "vēlamā" izejas temperatūra tiek izmantota, lai aprēķinātu reālistiskāku potenciālās jaudas scenāriju. Tomēr tādām gāzēm kā ūdeņradis temperatūras robeža ir daudz zemāka, jo ūdeņradis nemainās no gāzes uz šķidrumu, kamēr tas nesasniedz kriogēnu temperatūru (-253°C). Izmantojiet šo vēlamo izejas temperatūru, lai aprēķinātu īpatnējo entalpiju.
Jāņem vērā arī turboekspandera sistēmas efektivitāte. Atkarībā no izmantotās tehnoloģijas sistēmas efektivitāte var ievērojami atšķirties. Piemēram, turboekspanders, kas rotācijas enerģijas pārnešanai no turbīnas uz ģeneratoru izmanto reduktoru, piedzīvos lielākus berzes zudumus nekā sistēma, kas izmanto tiešo piedziņu no turbīnas uz ģeneratoru. Turboekspandera sistēmas kopējā efektivitāte tiek izteikta procentos un tiek ņemta vērā, novērtējot turboekspandera faktisko jaudas potenciālu. Faktiskais jaudas potenciāls (PP) tiek aprēķināts šādi:
PP = (inlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Apskatīsim dabasgāzes spiediena samazināšanas pielietojumu. ABC ekspluatē un uztur spiediena samazināšanas staciju, kas transportē dabasgāzi no galvenā cauruļvada un sadala to vietējām pašvaldībām. Šajā stacijā gāzes ieplūdes spiediens ir 40 bāri un izejas spiediens ir 8 bāri. Iepriekš uzsildītās ieplūdes gāzes temperatūra ir 35 °C, kas iepriekš uzsilda gāzi, lai novērstu cauruļvada sasalšanu. Tāpēc izejas gāzes temperatūra ir jākontrolē tā, lai tā nenokristu zem 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 visa gāze plūst caur turboekspanderu, un aprēķināsim maksimālo jaudu. Novērtējiet kopējo jaudas potenciālu, izmantojot šādu aprēķinu:
Publicēšanas laiks: 2024. gada 25. maijs