Hangzhou nuzhuo Technology Group Co., Ltd.

A kibővítők nyomáscsökkentést használhatnak a forgó gépek meghajtására. A kiterjesztő telepítésének lehetséges előnyeinek értékelésére vonatkozó információk itt találhatók.
Általában a kémiai folyamatiparban (CPI) „nagy mennyiségű energiát pazarolnak a nyomásszabályozó szelepekben, ahol a nagynyomású folyadékokat el kell nyomni” [1]. Különböző technikai és gazdasági tényezőktől függően kívánatos lehet, hogy ezt az energiát forgó mechanikai energiává alakítsák, amely felhasználható a generátorok vagy más forgó gépek meghajtására. Az összenyomhatatlan folyadékok (folyadékok) esetében ezt hidraulikus energia -visszanyerési turbina segítségével érik el (HPRT; lásd az 1. hivatkozást). A sűríthető folyadékok (gázok) esetében az expander megfelelő gép.
A bővítők érett technológiák, sok sikeres alkalmazással, például folyadékkatalitikus repedéssel (FCC), hűtéssel, földgáz városi szelepekkel, levegő elválasztással vagy kipufogógáz -kibocsátással. Alapvetően minden csökkentett nyomással rendelkező gázáram felhasználható az expander vezetésére, de „az energiatermelés közvetlenül arányos a nyomásarány, a hőmérséklet és az áramlási sebességgel” [2], valamint a műszaki és gazdasági megvalósíthatósággal. Bővítő megvalósítás: A folyamat ezektől és más tényezőktől függ, például a helyi energiaáraktól és a gyártó rendelkezésre állásától a megfelelő berendezések rendelkezésre állásától.
Noha a turbó-pander (a turbinához hasonlóan működik) a legismertebb expander típus (1. ábra), vannak más típusok is, amelyek különböző folyamatokhoz alkalmasak. Ez a cikk bemutatja a kibővítők és azok alkotóelemeinek fő típusait, és összefoglalja, hogy a különféle CPI -osztályokban működő műveleti vezetők, tanácsadók vagy energiavizsgálók hogyan tudják értékelni a bővítő telepítésének lehetséges gazdasági és környezeti előnyeit.
Számos különféle rezisztencia sáv létezik, amelyek a geometria és a funkció szempontjából nagyban eltérnek. A fő típusokat a 2. ábra mutatja, és az egyes típusokat röviden ismertetjük. További információkért, valamint az egyes típusok működési állapotát összehasonlító grafikonokért lásd a Súgó. 3.
Dugattyú turboexpander. A dugattyú és a forgó dugattyú turboexpanderek úgy működnek, mint egy fordított forgó belső égésű motor, elnyelve a nagynyomású gázt, és tárolt energiáját forgási energiává alakítva a forgattyústengelyen keresztül.
Húzza a Turbo Expander -t. A fékturbina expander egy koncentrikus áramlási kamrából áll, amelynek vödör uszonya van a forgó elem perifériájához. Ugyanúgy tervezték őket, mint a vízkerekek, de a koncentrikus kamrák keresztmetszete növekszik a bemeneti nyílásról a kimenetre, lehetővé téve a gáz kibővítését.
Radiális turboexpander. A radiális áramlású turboexpanderek tengelyirányú bemeneti nyílással és sugárirányú kimenetelűek, lehetővé téve a gáz számára, hogy sugárirányban terjedjen ki a turbina járókeréken. Hasonlóképpen, az axiális áramlású turbinák kibővítik a gázt a turbina keréken, de az áramlás iránya párhuzamosan marad a forgási tengelyével.
Ez a cikk a radiális és axiális turboexpanderekre összpontosít, megvitatva a különféle altípusokat, alkotóelemeket és közgazdaságtanokat.
A TurboExpander energiát von ki a nagynyomású gázáramból, és meghajtóterhré alakítja. A terhelés általában egy tengelyhez csatlakoztatott kompresszor vagy generátor. A kompresszorral ellátott turbóexpander a folyadékot a folyamatfolyam más részein, amelyek sűrített folyadékot igényelnek, ezáltal növelve a növény általános hatékonyságát az egyébként pazarolt energia felhasználásával. A generátor terhelésével rendelkező turboexpander az energiát villamos energiává alakítja, amely más növényi folyamatokban felhasználható vagy az eladó helyi hálózatba visszatérhet.
A TurboExpander generátorok felépíthetők akár egy közvetlen hajtótengelygel a turbinakeréktől a generátorig, vagy egy sebességváltón keresztül, amely hatékonyan csökkenti a bemeneti sebességet a turbina keréktől a generátorig a sebességváltó arány révén. A közvetlen meghajtó turboexpanderek előnyöket kínálnak a hatékonyság, a lábnyom és a karbantartási költségek számára. A sebességváltó turboexpanderek nehezebbek, és nagyobb lábnyomot, kenési kiegészítő berendezést és rendszeres karbantartást igényelnek.
Az átfolyó turbóexpanderek radiális vagy axiális turbinák formájában készíthetők. A radiális áramlás -expanderek tengelyirányú bemeneti nyílásokat és radiális kimenetet tartalmaznak, oly módon, hogy a gázáram sugárirányban kilép a turbinából a forgási tengelyről. A tengelyirányú turbinák lehetővé teszik a gázt tengelyirányban a forgási tengely mentén. A tengelyirányú áramlású turbinák az energiát kivonják a gázáramból a bemeneti vezetékek átmenő lapátokból az expander kerékbe, a tágulási kamra keresztmetszeti területe fokozatosan növekszik az állandó sebesség fenntartása érdekében.
A TurboExpander generátor három fő alkatrészből áll: egy turbina kerékből, speciális csapágyakból és egy generátorból.
Turbina kerék. A turbina kerekeket gyakran kifejezetten az aerodinamikai hatékonyság optimalizálására tervezték. A turbina kerék kialakítását befolyásoló alkalmazási változók közé tartozik a bemeneti/kimeneti nyomás, a bemeneti/kimeneti hőmérséklet, a térfogatáram és a folyadék tulajdonságai. Ha a kompressziós arány túl magas ahhoz, hogy egy szakaszban csökkenjen, akkor több turbinakerekkel rendelkező turboexpanderre van szükség. Mind a radiális, mind az axiális turbina kerekeket többlépcsős formákként lehet megtervezni, de az axiális turbina kerekek sokkal rövidebb tengelyirányúak, és ezért kompaktabbak. A többlépcsős radiális áramlási turbinákhoz a gáznak a tengelyirányú és a radiális és a tengelyirányú áramlás szükséges, magasabb súrlódási veszteségeket okozva, mint az axiális áramlású turbinák.
csapágyak. A csapágy kialakítása kritikus fontosságú a turbóexpander hatékony működéséhez. A TurboExpander mintákhoz kapcsolódó csapágytípusok nagyon eltérőek, és magukban foglalhatják az olajcsapágyakat, a folyékony filmcsapágyakat, a hagyományos golyóscsapágyakat és a mágneses csapágyakat. Minden módszernek megvannak a saját előnyei és hátrányai, amint az az 1. táblázatban látható.
Számos TurboExpander gyártó egyedi előnyeik miatt választja ki a mágneses csapágyakat „választott csapágyuknak”. A mágneses csapágyak biztosítják a TurboExpander dinamikus alkatrészeinek súrlódásmentes működését, jelentősen csökkentve a működési és karbantartási költségeket a gép élettartama alatt. Úgy tervezték, hogy a tengelyirányú és sugárirányú terhelések és a túlélési körülmények széles skálájának ellenálljanak. Magasabb kezdeti költségeiket ellensúlyozza az életciklus sokkal alacsonyabb költségei.
dinamó. A generátor elveszi a turbina forgási energiáját, és elektromágneses generátorral (amely lehet indukciós generátor vagy állandó mágnesgenerátor lehet) hasznos elektromos energiává alakítja. Az indukciós generátorok alacsonyabb sebességgel bírnak, így a nagysebességű turbina alkalmazásoknak sebességváltót kell végezniük, de úgy lehet megtervezni, hogy megfeleljen a rácsfrekvenciának, kiküszöbölve a változó frekvenciameghajtás (VFD) szükségességét a generált villamos energia biztosításához. Az állandó mágnes -generátorok viszont közvetlenül a turbinához csatlakoztathatók, és egy változó frekvenciameghajtáson keresztül továbbíthatják a rácsot. A generátort úgy tervezték, hogy maximális energiát biztosítson a rendszerben rendelkezésre álló tengely teljesítménye alapján.
Pecsétek. A pecsét a TurboExpander rendszer tervezésekor is kritikus elem. A magas hatékonyság fenntartása és a környezeti előírások teljesítése érdekében a rendszereket le kell zárni a potenciális folyamatok gázszivárgásainak megakadályozása érdekében. A turboexpanderek dinamikus vagy statikus tömítésekkel felszerelhetők. A dinamikus tömítések, például a labirintus tömítések és a száraz gáztömítések, egy forgó tengely körüli tömítést biztosítanak, jellemzően a turbina kerék, a csapágyak és a gép többi része között, ahol a generátor található. A dinamikus pecsétek idővel elhasználódnak, és rendszeres karbantartást és ellenőrzést igényelnek annak biztosítása érdekében, hogy megfelelően működjenek. Ha az összes TurboExpander alkatrész egyetlen házban van, akkor statikus tömítések felhasználhatók a házból kilépő vezetékek védelmére, beleértve a generátor, a mágneses csapágy meghajtókat vagy az érzékelőket. Ezek a légmentesen lezárt tömítések állandó védelmet nyújtanak a gázszivárgás ellen, és nem igényelnek karbantartást vagy javítást.
A folyamat szempontjából az expander telepítésének elsődleges követelménye a nagynyomású, összenyomható (nem kondenzálható) gáz biztosítása egy alacsony nyomású rendszerbe, elegendő áramlással, nyomáseséssel és felhasználással a berendezés normál működésének fenntartása érdekében. A működési paramétereket biztonságos és hatékony szinten tartják.
A nyomáscsökkentő funkció szempontjából az expander felhasználható a Joule-Thomson (JT) szelep cseréjére, más néven fojtószelep. Mivel a JT szelep egy izentrópiás út mentén mozog, és az expander egy majdnem izentrópiás út mentén mozog, az utóbbi csökkenti a gáz entalpiáját, és az entalpi különbséget tengelyenergiává alakítja, ezáltal alacsonyabb kimeneti hőmérsékletet eredményez, mint a JT szelep. Ez hasznos a kriogén folyamatokban, ahol a cél a gáz hőmérsékletének csökkentése.
Ha a kimeneti gáz hőmérséklete alsó határértéke van (például egy dekompressziós állomáson, ahol a gáz hőmérsékletét fagyasztás, hidratálás vagy minimális anyag -tervezési hőmérséklet felett kell tartani), akkor legalább egy fűtőberendezés hozzáadódik. ellenőrizze a gáz hőmérsékletét. Amikor az előmelegítő az expander előtt felfelé helyezkedik el, a takarmánygázból származó energia egy része szintén helyreáll az expanderben, ezáltal növelve a teljesítményt. Egyes konfigurációkban, ahol kimeneti hőmérséklet -szabályozás szükséges, egy második melegítőt lehet telepíteni a bővítő után, hogy gyorsabb vezérlés legyen.
A 3. ábrán a JT szelep cseréjéhez használt előmelegítő általános áramlási diagramjának egyszerűsített diagramját mutatja.
Más folyamatkonfigurációkban az expanderben visszanyert energia közvetlenül a kompresszorba kerülhet. Ezeknek a gépeknek, amelyeket néha „parancsnokoknak” hívnak, általában egy vagy több tengely kötődik a tágulási és kompressziós szakaszokkal, amelyek tartalmazhatnak egy sebességváltót is a két szakasz közötti sebességkülönbség szabályozására. Tartalmazhat egy további motort is, amely nagyobb energiát biztosít a kompressziós szakaszhoz.
Az alábbiakban bemutatjuk a legfontosabb alkatrészeket, amelyek biztosítják a rendszer megfelelő működését és stabilitását.
Megkerülési szelep vagy nyomáscsökkentő szelep. A bypass szelep lehetővé teszi a működés folytatódását, amikor a TurboExpander nem működik (például karbantartáshoz vagy vészhelyzethez), míg a nyomáscsökkentő szelepet folyamatos működésre használják a felesleges gáz szállítására, ha a teljes áramlás meghaladja az expander tervezési kapacitását.
Vészhelyzeti kiállítási szelep (ESD). Az ESD szelepeket a mechanikai károsodás elkerülése érdekében a gázáramlás blokkolására használják az expanderbe.
Eszközök és vezérlők. A megfigyeléshez szükséges fontos változók közé tartozik a bemeneti és kimeneti nyomás, az áramlási sebesség, a forgási sebesség és a teljesítmény.
Túlzott sebességgel vezet. A készülék levágja a turbina áramlását, és a turbina forgórészének lelassul, ezáltal megvédi a berendezést a túlzott sebességektől a váratlan folyamatok miatt, amelyek károsíthatják a berendezést.
Nyomásbiztonsági szelep (PSV). A PSV -ket gyakran egy turboexpander után kell felszerelni a csővezetékek és az alacsony nyomású berendezések védelme érdekében. A PSV -t úgy kell megtervezni, hogy ellenálljon a legsúlyosabb eseményeknek, amelyek általában magukban foglalják a bypass szelep kinyitásának meghibásodását. Ha a meglévő nyomáscsökkentő állomáshoz bővítést adnak, akkor a folyamattervező csapatnak meg kell határoznia, hogy a meglévő PSV megfelelő védelmet nyújt -e.
Fűtés. A fűtőberendezések kompenzálják a turbinán áthaladó gáz által okozott hőmérsékletcsökkenést, így a gázt elő kell mozdítani. Fő funkciója az emelkedő gázáram hőmérsékletének növelése a gáz hőmérsékletének fenntartása érdekében, így az expander minimális érték fölé kerül. A hőmérséklet emelésének további előnye az energiateljesítmény növelése, valamint a korrózió, kondenzáció vagy hidrátok megelőzése, amelyek hátrányosan befolyásolhatják a berendezések fúvókáit. A hőcserélőket tartalmazó rendszerekben (amint az a 3. ábrán látható), a gázhőmérsékletet általában úgy szabályozzák, hogy szabályozzák a melegített folyadék áramlását az előmelegítőbe. Egyes kivitelben lángfűtés vagy elektromos fűtés használható hőcserélő helyett. A fűtőberendezések már létezhetnek egy meglévő JT szelep állomáson, és az expander hozzáadása nem igényel további fűtőberendezéseket, hanem a fűtött folyadék áramlásának növelését.
Kenőolaj- és tömítés gázrendszerek. Mint fentebb említettük, a kibővítők különféle pecséteket használhatnak, amelyekhez kenőanyagok és lezáró gázok szükségesek lehetnek. Adott esetben a kenőolajnak meg kell tartania a magas színvonalat és a tisztaságot, amikor a folyamatgázokkal érintkezik, és az olaj viszkozitási szintjének a kenő csapágyak szükséges működési tartományán belül kell maradnia. A lezárt gázrendszereket általában olajkenősítő készülékkel vannak felszerelve, hogy megakadályozzák az olaj, hogy a csapágydoboz beírja a bővítődobozt. A szénhidrogén -iparban alkalmazott összehasonlítók speciális alkalmazásaihoz általában az API 617 [5] előírásokra tervezték a kenőolaj- és tömítésgázrendszereket.
Változó frekvencia meghajtó (VFD). Amikor a generátor indukció, a VFD -t általában bekapcsolják, hogy beállítsák a váltakozó áram (AC) jelet, hogy megfeleljenek a hasznosság frekvenciájának. Általában a változófrekvenciás meghajtókon alapuló terveknél az általános hatékonyság magasabb, mint a sebességváltó vagy más mechanikus alkatrészek használata. A VFD-alapú rendszerek a folyamatváltozások szélesebb körét is befogadhatják, amelyek változást eredményezhetnek az expander tengelysebességben.
Terjedés. Egyes expander -tervek sebességváltót használnak, hogy csökkentsék az expander sebességét a generátor névleges sebességére. A sebességváltó használatának költsége alacsonyabb az általános hatékonyság, és ezért alacsonyabb a teljesítmény.
Az árajánlatok (RFQ) kérésének elkészítésekor a bővítők számára a folyamatmérnöknek először meg kell határoznia a működési feltételeket, beleértve a következő információkat:
A mechanikus mérnökök gyakran befejezik az expander generátor specifikációit és specifikációit más mérnöki tudományágak adatainak felhasználásával. Ezek a bemenetek tartalmazhatják a következőket:
A specifikációknak tartalmazniuk kell a gyártó által a pályázati eljárás és a kínálat körének részeként biztosított dokumentumok és rajzok listáját, valamint a projekt által előírt alkalmazandó vizsgálati eljárásokat.
A gyártó által a pályázati eljárás részeként nyújtott műszaki információknak általában a következő elemeket kell tartalmazniuk:
Ha a javaslat bármely szempontja eltér az eredeti előírásoktól, akkor a gyártónak meg kell adnia az eltérések és az eltérések okainak listáját is.
A javaslat beérkezése után a projektfejlesztési csoportnak felül kell vizsgálnia a megfelelési kérelmet, és meg kell határoznia, hogy az eltérések technikailag indokoltak -e.
A javaslatok értékelésekor figyelembe vett egyéb technikai szempontok a következők:
Végül gazdasági elemzést kell végezni. Mivel a különböző opciók eltérő kezdeti költségeket eredményezhetnek, javasoljuk, hogy a projekt hosszú távú közgazdaságtanának és a beruházás megtérülésének összehasonlításához cash flow vagy életciklus-költségek elemzését végezzék. Például egy magasabb kezdeti beruházást hosszú távon ellensúlyozhat a megnövekedett termelékenység vagy a csökkentési követelmények csökkentése. Az ilyen típusú elemzésekről szóló utasításokat lásd a „Hivatkozásokról”. 4.
Az összes TurboExpander-generátor alkalmazáshoz kezdeti teljes potenciális teljesítményszámítás szükséges a rendelkezésre álló energia teljes mennyiségének meghatározásához, amelyet egy adott alkalmazásban lehet visszanyerni. TurboExpander generátor esetén a teljesítménypotenciált izentrópi (állandó entrópia) folyamatként számolják. Ez az ideális termodinamikai helyzet a reverzibilis adiabatikus folyamat súrlódás nélküli mérlegeléséhez, de ez a helyes folyamat a tényleges energiapotenciál becslésére.
Az izentropikus potenciális energiát (IPP) úgy számítják ki, hogy a specifikus entalpia különbséget szorozják a turboexpander bemeneti és kimeneti nyílásánál, és megszorozzuk az eredményt a tömegáramlási sebességgel. Ezt a potenciális energiát izentrópikus mennyiségként fejezzük ki ((1) egyenlet):
IPP = (Hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Ahol H (i, e) az a specifikus entalpia, figyelembe véve az izentrópiás kimeneti hőmérsékletet, és ṁ a tömegáramlási sebesség.
Noha az izentrópiás potenciális energia felhasználható a potenciális energia becslésére, az összes valós rendszer súrlódást, hőt és egyéb kiegészítő energiaveszteségeket foglal magában. Így a tényleges teljesítménypotenciál kiszámításakor a következő kiegészítő bemeneti adatokat kell figyelembe venni:
A legtöbb TurboExpander alkalmazásban a hőmérséklet minimumra korlátozódik, hogy megakadályozzák a nem kívánt problémákat, például a csövek fagyasztását. Ahol a földgáz folyik, a hidrátok szinte mindig jelen vannak, azaz a Turboexpander vagy a fojtószelepetől lefelé lefelé vezető csővezeték belsőleg és kívül lefagy, ha a kimeneti hőmérséklet 0 ° C alá esik. A jégképződés áramlási korlátozást eredményezhet, és végül leállíthatja a rendszert a leolvasztáshoz. Így a „kívánt” kimeneti hőmérsékletet használják a valósághűbb potenciális teljesítmény forgatókönyv kiszámításához. Az olyan gázok esetében azonban, mint a hidrogén, a hőmérsékleti határ sokkal alacsonyabb, mivel a hidrogén nem változik a gázról folyadékra, amíg el nem éri a kriogén hőmérsékletet (-253 ° C). Használja ezt a kívánt kimeneti hőmérsékletet a specifikus entalpia kiszámításához.
A TurboExpander rendszer hatékonyságát szintén figyelembe kell venni. Az alkalmazott technológiától függően a rendszer hatékonysága jelentősen eltérhet. Például egy turboexpander, amely redukciós felszerelést használ a forgási energia átvitelére a turbinából a generátorba, nagyobb súrlódási veszteségeket fog tapasztalni, mint egy olyan rendszer, amely a turbinától a generátorig közvetlen hajtást használ. A turboExpander rendszer általános hatékonyságát százalékban fejezik ki, és figyelembe veszik a TurboExpander tényleges teljesítménypotenciáljának értékelésekor. A tényleges teljesítménypotenciált (PP) a következőképpen számítják ki:
PP = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Nézzük meg a földgáz nyomás enyhítését. Az ABC egy nyomáscsökkentő állomást működtet és tart fenn, amely a földgázt szállítja a fővezetékből, és elosztja azt a helyi önkormányzatoknak. Ezen az állomáson a gáz bemeneti nyomása 40 bar, a kimeneti nyomás 8 bar. Az előmelegített bemeneti gáz hőmérséklete 35 ° C, amely előmelegíti a gázt, hogy megakadályozza a csővezeték fagyasztását. Ezért a kimeneti gáz hőmérsékletét úgy kell szabályozni, hogy az ne essen 0 ° C alá. Ebben a példában 5 ° C -ot fogunk használni a minimális kimeneti hőmérsékletként a biztonsági tényező növelésére. A normalizált térfogati gázáramlási sebesség 50 000 nm3/h. A teljesítménypotenciál kiszámításához feltételezzük, hogy az összes gáz átfolyik a turbó -expanderen, és kiszámítja a maximális teljesítményt. Becsülje meg a teljes teljesítmény kimeneti potenciálját a következő számítással: