A tágítók nyomáscsökkentéssel hajthatják meg a forgó gépeket. Itt talál információkat arról, hogyan értékelheti a tágító telepítésének lehetséges előnyeit.
A vegyipari feldolgozóiparban (CPI) jellemzően „nagy mennyiségű energia vész kárba a nyomásszabályozó szelepekben, ahol a nagynyomású folyadékokat nyomásmentesíteni kell” [1]. Különböző műszaki és gazdasági tényezőktől függően kívánatos lehet ezt az energiát forgó mechanikai energiává alakítani, amely generátorok vagy más forgógépek meghajtására használható. Összenyomhatatlan folyadékok (folyadékok) esetén ezt hidraulikus energiavisszanyerő turbina (HPRT; lásd az 1. hivatkozást) segítségével érik el. Összenyomható folyadékok (gázok) esetén az expander a megfelelő gép.
Az expanderek egy kiforrott technológia, számos sikeres alkalmazással, mint például a fluid katalitikus krakkolás (FCC), a hűtés, a földgáz városi szelepei, a levegő szétválasztása vagy a kipufogógáz-kibocsátás. Elvileg bármilyen csökkentett nyomású gázáram használható expander meghajtására, de „az energiatermelés egyenesen arányos a gázáram nyomásviszonyával, hőmérsékletével és áramlási sebességével” [2], valamint a műszaki és gazdasági megvalósíthatósággal. Expander megvalósítása: A folyamat ezektől és más tényezőktől függ, mint például a helyi energiaárak és a gyártó megfelelő berendezéseinek elérhetősége.
Bár a turbóexpander (amely hasonlóan működik, mint egy turbina) a legismertebb expander típus (1. ábra), léteznek más típusok is, amelyek alkalmasak különböző folyamatfeltételekhez. Ez a cikk bemutatja az expanderek fő típusait és alkatrészeiket, valamint összefoglalja, hogy a különböző fogyasztói árindex (CPI) részlegek üzemeltetési vezetői, tanácsadói vagy energetikai auditorai hogyan értékelhetik az expander telepítésének lehetséges gazdasági és környezeti előnyeit.
Sokféle ellenállás-szalag létezik, amelyek geometriájukban és funkciójukban is jelentősen eltérnek egymástól. A fő típusokat a 2. ábra mutatja, és az egyes típusokat röviden ismertetjük alább. További információkért, valamint az egyes típusok működési állapotát összehasonlító grafikonokért az adott átmérők és sebességek alapján lásd a Súgót. 3.
Dugattyús turbóexpander. A dugattyús és forgódugattyús turbóexpanderek úgy működnek, mint egy fordított forgásirányban forgó belső égésű motor, nagynyomású gázt nyelnek el, és a tárolt energiáját forgási energiává alakítják a főtengelyen keresztül.
Húzza a turbóexpandert. A fékturbina-expander egy koncentrikus áramlási kamrából áll, amelynek a forgó elem kerületéhez serlegbordák vannak rögzítve. Ugyanúgy vannak kialakítva, mint a vízikerekek, de a koncentrikus kamrák keresztmetszete a bemenettől a kimenetig növekszik, lehetővé téve a gáz tágulását.
Radiális turbóexpander. A radiális áramlású turbóexpanderek axiális bemenettel és radiális kimenettel rendelkeznek, lehetővé téve a gáz radiális tágulását a turbina járókerekén keresztül. Hasonlóképpen, az axiális áramlású turbinák a gázt a turbinakeréken keresztül tágítják, de az áramlás iránya párhuzamos marad a forgástengellyel.
Ez a cikk a radiális és axiális turbóexpanderekre összpontosít, tárgyalva azok különböző altípusait, alkatrészeit és gazdaságosságát.
Egy turbóexpander energiát von ki egy nagynyomású gázáramból, és hajtásterheléssé alakítja. A terhelés jellemzően egy tengelyhez csatlakoztatott kompresszor vagy generátor. Egy kompresszorral ellátott turbóexpander a folyamatáram más, sűrített folyadékot igénylő részeiben lévő folyadékot sűríti össze, ezáltal növelve az üzem összhatékonyságát azáltal, hogy felhasználja az egyébként kárba vész energiát. Egy generátorterheléssel ellátott turbóexpander az energiát elektromos árammá alakítja, amely más üzemi folyamatokban felhasználható, vagy visszavezethető a helyi hálózatba értékesítés céljából.
A turbóexpanderes generátorok felszerelhetők közvetlen hajtótengellyel a turbinakeréktől a generátorig, vagy egy sebességváltón keresztül, amely egy áttételen keresztül hatékonyan csökkenti a turbinakeréktől a generátorig terjedő bemeneti sebességet. A közvetlen hajtású turbóexpanderek előnyöket kínálnak a hatékonyság, a helyigény és a karbantartási költségek tekintetében. A sebességváltós turbóexpanderek nehezebbek, nagyobb helyigényt, kenőanyag-kiegészítő berendezéseket és rendszeres karbantartást igényelnek.
Az átáramlásos turbóexpanderek radiális vagy axiális turbinák formájában készülhetnek. A radiális áramlású expanderek egy axiális bemenettel és egy radiális kimenettel rendelkeznek, így a gázáram radiálisan lép ki a turbinából a forgástengelyhez képest. Az axiális turbinák lehetővé teszik, hogy a gáz axiálisan áramoljon a forgástengely mentén. Az axiális áramlású turbinák a gázáramból energiát nyernek ki a bemeneti vezetőlapátokon keresztül az expanderkerékhez, miközben az expanziós kamra keresztmetszeti területe fokozatosan növekszik az állandó sebesség fenntartása érdekében.
Egy turbóexpander generátor három fő alkatrészből áll: egy turbinakerékből, speciális csapágyakból és egy generátorból.
Turbinakerék. A turbinakerekeket gyakran kifejezetten az aerodinamikai hatékonyság optimalizálása érdekében tervezik. Az alkalmazási változók, amelyek befolyásolják a turbinakerék kialakítását, közé tartozik a bemeneti/kimeneti nyomás, a bemeneti/kimeneti hőmérséklet, a térfogatáram és a folyadék tulajdonságai. Amikor a sűrítési arány túl magas ahhoz, hogy egy lépésben csökkenthető legyen, több turbinakerékkel rendelkező turbóexpanderre van szükség. Mind a radiális, mind az axiális turbinakerekek kialakíthatók többlépcsősként, de az axiális turbinakerekek sokkal rövidebb tengelyhosszúsággal rendelkeznek, ezért kompaktabbak. A többlépcsős radiális áramlású turbinákhoz gázra van szükség az axiális irányú áramláshoz a radiális és az axiális irányú visszaáramláshoz, ami nagyobb súrlódási veszteségeket okoz, mint az axiális áramlású turbinák.
csapágyak. A csapágyak kialakítása kritikus fontosságú a turbóexpander hatékony működéséhez. A turbóexpander kialakításához kapcsolódó csapágytípusok széles skálán mozognak, és lehetnek olajcsapágyak, folyadékfilmes csapágyak, hagyományos golyóscsapágyak és mágneses csapágyak. Mindegyik módszernek megvannak a maga előnyei és hátrányai, amint azt az 1. táblázat mutatja.
Sok turbóexpander gyártó a mágneses csapágyakat választja „előnyös csapágynak” egyedi előnyeik miatt. A mágneses csapágyak biztosítják a turbóexpander dinamikus alkatrészeinek súrlódásmentes működését, jelentősen csökkentve az üzemeltetési és karbantartási költségeket a gép élettartama alatt. Úgy tervezték őket, hogy széles körű axiális és radiális terheléseket és túlterhelési körülményeket is elviseljenek. Magasabb kezdeti költségeiket ellensúlyozzák a sokkal alacsonyabb életciklus-költségek.
dinamó. A generátor a turbina forgási energiáját felhasználva egy elektromágneses generátor (ami lehet indukciós generátor vagy állandó mágneses generátor) segítségével hasznos elektromos energiává alakítja. Az indukciós generátorok alacsonyabb névleges fordulatszámmal rendelkeznek, így a nagy sebességű turbinaalkalmazásokhoz sebességváltóra van szükség, de úgy tervezhetők, hogy illeszkedjenek a hálózati frekvenciához, így nincs szükség változtatható frekvenciájú meghajtóra (VFD) a termelt villamos energia előállításához. Az állandó mágneses generátorok ezzel szemben közvetlenül tengelykapcsolóval csatlakoztathatók a turbinához, és egy változtatható frekvenciájú meghajtón keresztül továbbítják az energiát a hálózatra. A generátort úgy tervezték, hogy a rendszerben rendelkezésre álló tengelyteljesítmény alapján maximális teljesítményt nyújtson.
Tömítések. A tömítés szintén kritikus fontosságú elem a turbóexpander rendszer tervezésekor. A magas hatásfok fenntartása és a környezetvédelmi előírásoknak való megfelelés érdekében a rendszereket tömíteni kell, hogy megakadályozzák az esetleges technológiai gázszivárgásokat. A turbóexpanderek dinamikus vagy statikus tömítésekkel is felszerelhetők. A dinamikus tömítések, mint például a labirinttömítések és a szárazgáz-tömítések, tömítést biztosítanak egy forgó tengely körül, jellemzően a turbinakerék, a csapágyak és a generátort tartalmazó gép többi része között. A dinamikus tömítések idővel elkopnak, és rendszeres karbantartást és ellenőrzést igényelnek a megfelelő működésük biztosítása érdekében. Amikor az összes turbóexpander alkatrész egyetlen házban található, statikus tömítések használhatók a házból kilépő vezetékek védelmére, beleértve a generátorhoz, a mágneses csapágyhajtásokhoz vagy az érzékelőkhöz vezető vezetékeket is. Ezek a légmentes tömítések állandó védelmet nyújtanak a gázszivárgás ellen, és nem igényelnek karbantartást vagy javítást.
Folyamat szempontjából az expander telepítésének elsődleges követelménye, hogy nagynyomású, összenyomható (nem kondenzálódó) gázt juttasson egy alacsony nyomású rendszerbe, megfelelő áramlással, nyomáseséssel és kihasználtsággal a berendezés normál működésének fenntartásához. Az üzemi paramétereket biztonságos és hatékony szinten tartsa.
Nyomáscsökkentő funkció tekintetében az expander helyettesítheti a Joule-Thomson (JT) szelepet, más néven fojtószelepet. Mivel a JT szelep izentropikus pályán, az expander pedig közel izentropikus pályán mozog, az utóbbi csökkenti a gáz entalpiáját, és az entalpiakülönbséget tengelyteljesítménygé alakítja, ezáltal alacsonyabb kimeneti hőmérsékletet eredményez, mint a JT szelep. Ez hasznos kriogén folyamatokban, ahol a cél a gáz hőmérsékletének csökkentése.
Ha a kilépő gáz hőmérsékletére alsó határérték van érvényben (például egy dekompressziós állomáson, ahol a gáz hőmérsékletét fagypont, hidratáltság vagy a minimális anyagtervezési hőmérséklet felett kell tartani), akkor legalább egy fűtőberendezést kell hozzáadni. A gáz hőmérsékletének szabályozására. Ha az előmelegítő az expander előtt található, a betáplált gáz energiájának egy része is visszanyerhető az expanderben, ezáltal növelve annak teljesítményét. Bizonyos konfigurációkban, ahol a kimeneti hőmérséklet szabályozása szükséges, egy második utánmelegítő is telepíthető az expander után a gyorsabb szabályozás érdekében.
A 3. ábra egy előmelegítővel ellátott expandergenerátor általános folyamatábrájának egyszerűsített diagramját mutatja, amelyet JT szelep helyettesítésére használnak.
Más folyamatkonfigurációkban az expanderben visszanyert energia közvetlenül a kompresszorba továbbítható. Ezek a gépek, amelyeket néha „parancsnokoknak” is neveznek, általában egy vagy több tengellyel összekötött expanziós és kompressziós fokozatokkal rendelkeznek, amelyek tartalmazhatnak egy sebességváltót is a két fokozat közötti sebességkülönbség szabályozására. Tartalmazhat egy további motort is, amely nagyobb teljesítményt biztosít a kompressziós fokozatnak.
Az alábbiakban felsoroljuk a rendszer megfelelő működését és stabilitását biztosító legfontosabb összetevőket.
Megkerülő szelep vagy nyomáscsökkentő szelep. A megkerülő szelep lehetővé teszi a működés folytatását, amikor a turbóexpander nem működik (például karbantartás vagy vészhelyzet esetén), míg a nyomáscsökkentő szelep folyamatos működésre szolgál, hogy felesleges gázt biztosítson, amikor a teljes áramlás meghaladja az expander tervezési kapacitását.
Vészleállító szelep (ESD). Az ESD szelepeket arra használják, hogy vészhelyzetben blokkolják a gáz áramlását az expanderbe, elkerülve a mechanikai sérüléseket.
Műszerek és kezelőszervek. A monitorozandó fontos változók közé tartozik a bemeneti és kimeneti nyomás, az áramlási sebesség, a forgási sebesség és a teljesítmény.
Túlzott sebességgel haladás. A készülék elzárja a turbinához vezető áramlást, ami a turbina rotorjának lelassulását okozza, ezáltal megvédve a berendezést a váratlan folyamatkörülmények miatti túlzott sebességtől, amelyek károsíthatják a berendezést.
Nyomáscsökkentő szelep (PSV). A PSV-ket gyakran turbóexpander után telepítik a csővezetékek és az alacsony nyomású berendezések védelme érdekében. A PSV-t úgy kell megtervezni, hogy ellenálljon a legsúlyosabb vészhelyzeteknek, amelyek jellemzően magukban foglalják a bypass szelep nyitásának meghibásodását. Ha egy meglévő nyomáscsökkentő állomáshoz expandert adnak, a folyamattervező csapatnak meg kell határoznia, hogy a meglévő PSV megfelelő védelmet nyújt-e.
Fűtőberendezés. A fűtőberendezések kompenzálják a turbinán áthaladó gáz okozta hőmérsékletcsökkenést, ezért a gázt elő kell melegíteni. Fő funkciójuk a felszálló gázáram hőmérsékletének növelése, hogy az expanderből távozó gáz hőmérséklete egy minimális érték felett maradjon. A hőmérséklet emelésének további előnye a teljesítmény növelése, valamint a korrózió, a kondenzáció vagy a hidrátok megelőzése, amelyek hátrányosan befolyásolhatják a berendezések fúvókáit. Hőcserélőket tartalmazó rendszerekben (ahogy a 3. ábra mutatja) a gáz hőmérsékletét általában a melegített folyadék előmelegítőbe történő áramlásának szabályozásával szabályozzák. Egyes kialakításokban lángmelegítő vagy elektromos fűtőberendezés is használható hőcserélő helyett. A fűtőberendezések már létezhetnek egy meglévő JT szelepállomáson, és egy expander hozzáadása nem feltétlenül igényli további fűtőberendezések telepítését, hanem inkább a melegített folyadék áramlásának növelését.
Kenőolaj- és tömítőgáz-rendszerek. Amint fentebb említettük, az expanderek különböző tömítési kialakításokat használhatnak, amelyekhez kenőanyagokra és tömítőgázokra lehet szükség. Adott esetben a kenőolajnak magas minőséget és tisztaságot kell fenntartania a technológiai gázokkal való érintkezés során, és az olaj viszkozitási szintjének a kenéssel ellátott csapágyak előírt üzemi tartományán belül kell maradnia. A tömített gázrendszerek általában olajkenő berendezéssel vannak felszerelve, hogy megakadályozzák az olaj bejutását a csapágyházból az expanziós dobozba. A szénhidrogéniparban használt kompanderek speciális alkalmazásaihoz a kenőolaj- és tömítőgáz-rendszereket jellemzően az API 617 [5] 4. rész specifikációi szerint tervezik.
Változtatható frekvenciájú hajtás (VFD). Amikor a generátor indukciós, a VFD-t jellemzően bekapcsolják, hogy a váltakozó áramú (AC) jelet a hálózati frekvenciához igazítsák. A változtatható frekvenciájú hajtásokon alapuló kialakítások jellemzően nagyobb összhatásfokkal rendelkeznek, mint a sebességváltókat vagy más mechanikus alkatrészeket használó kialakítások. A VFD-alapú rendszerek a folyamatváltozások szélesebb skáláját is képesek kezelni, amelyek a tágító tengelyének sebességének változását eredményezhetik.
Sebességváltó. Egyes expander-konstrukciók sebességváltót használnak, hogy a expander sebességét a generátor névleges sebességére csökkentsék. A sebességváltó használatának költsége az alacsonyabb összhatásfok, és így az alacsonyabb teljesítmény.
Egy expander árajánlatkérésének (RFQ) elkészítésekor a folyamatmérnöknek először meg kell határoznia az üzemi feltételeket, beleértve a következő információkat:
A gépészmérnökök gyakran más mérnöki tudományágakból származó adatok felhasználásával készítik el az expandergenerátor specifikációit és a specifikációkat. Ezek a bemeneti adatok a következők lehetnek:
A specifikációknak tartalmazniuk kell a gyártó által a pályázati eljárás részeként biztosított dokumentumok és rajzok listáját, valamint a szállítási terjedelmet, továbbá a projekt által előírt alkalmazandó vizsgálati eljárásokat is.
A gyártó által a pályázati eljárás részeként megadott műszaki információknak általában a következő elemeket kell tartalmazniuk:
Ha a javaslat bármely aspektusa eltér az eredeti specifikációktól, a gyártónak mellékelnie kell az eltérések listáját és az eltérések okait is.
Miután beérkezik egy javaslat, a projektfejlesztő csapatnak felül kell vizsgálnia a megfelelőségi kérelmet, és meg kell állapítania, hogy az eltérések technikailag indokoltak-e.
Az ajánlatok értékelésekor figyelembe veendő egyéb technikai szempontok a következők:
Végül gazdasági elemzést kell végezni. Mivel a különböző lehetőségek eltérő kezdeti költségeket eredményezhetnek, ajánlott pénzáram- vagy életciklus-költségelemzést végezni a projekt hosszú távú gazdaságosságának és megtérülésének összehasonlítására. Például egy magasabb kezdeti beruházást hosszú távon ellensúlyozhat a megnövekedett termelékenység vagy a csökkent karbantartási igény. Az ilyen típusú elemzéssel kapcsolatos utasításokért lásd a „Referenciák” részt. 4.
Minden turbóexpander-generátor alkalmazáshoz kezdeti teljes potenciális teljesítményszámításra van szükség annak meghatározásához, hogy mennyi rendelkezésre álló energia nyerhető ki egy adott alkalmazásban. Egy turbóexpander-generátor esetében a teljesítménypotenciált izentropikus (állandó entrópia) folyamatként számítják ki. Ez az ideális termodinamikai helyzet egy súrlódás nélküli, megfordítható adiabatikus folyamat vizsgálatához, de ez a helyes folyamat a tényleges energiapotenciál becsléséhez.
Az izentropikus potenciális energiát (IPP) úgy számítjuk ki, hogy a turbóexpander bemeneténél és kimeneténél mért fajlagos entalpiakülönbséget megszorozzuk a tömegárammal. Ezt a potenciális energiát izentropikus mennyiségként fejezzük ki (1. egyenlet):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
ahol h(i,e) a fajlagos entalpia, figyelembe véve az izentropikus kilépő hőmérsékletet, ṁ pedig a tömegáram.
Bár az izentropikus potenciális energia felhasználható a potenciális energia becslésére, minden valós rendszerben súrlódás, hő és egyéb járulékos energiaveszteségek keletkeznek. Így a tényleges teljesítménypotenciál kiszámításakor a következő további bemeneti adatokat kell figyelembe venni:
A legtöbb turbóexpanderes alkalmazásban a hőmérsékletet minimálisra korlátozzák, hogy elkerüljék a nem kívánt problémákat, például a korábban említett csőbefagyást. Ahol földgáz áramlik, szinte mindig vannak jelen hidrátok, ami azt jelenti, hogy a turbóexpander vagy a fojtószelep utáni csővezeték belsőleg és külsőleg is befagy, ha a kimeneti hőmérséklet 0 °C alá csökken. A jégképződés áramláskorlátozást okozhat, és végül leállíthatja a rendszert a leolvasztáshoz. Így a „kívánt” kimeneti hőmérsékletet használják egy reálisabb potenciális teljesítményforgatókönyv kiszámításához. Azonban olyan gázok esetében, mint a hidrogén, a hőmérsékleti határ sokkal alacsonyabb, mivel a hidrogén nem változik gázból folyékony halmazállapotúvá, amíg el nem éri a kriogén hőmérsékletet (-253 °C). Ezt a kívánt kimeneti hőmérsékletet használja a fajlagos entalpia kiszámításához.
A turbóexpander rendszer hatásfokát is figyelembe kell venni. Az alkalmazott technológiától függően a rendszer hatásfoka jelentősen változhat. Például egy olyan turbóexpander, amely reduktorral viszi át a forgási energiát a turbináról a generátorra, nagyobb súrlódási veszteségeket tapasztal, mint egy olyan rendszer, amely közvetlen hajtást használ a turbinától a generátorig. A turbóexpander rendszer teljes hatásfokát százalékban fejezik ki, és ezt veszik figyelembe a turbóexpander tényleges teljesítménypotenciáljának értékelésekor. A tényleges teljesítménypotenciált (PP) a következőképpen számítják ki:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Vizsgáljuk meg a földgáznyomás-csökkentés alkalmazását. Az ABC üzemeltet és tart karban egy nyomáscsökkentő állomást, amely földgázt szállít a fővezetékből, és elosztja azt a helyi önkormányzatoknak. Ennél az állomásnál a gáz bemeneti nyomása 40 bar, a kimeneti nyomás pedig 8 bar. Az előmelegített bemeneti gáz hőmérséklete 35°C, ami előmelegíti a gázt, hogy megakadályozza a csővezeték befagyását. Ezért a kimeneti gáz hőmérsékletét úgy kell szabályozni, hogy ne essen 0°C alá. Ebben a példában 5°C-ot használunk minimális kimeneti hőmérsékletként a biztonsági tényező növelése érdekében. A normalizált térfogatáramú gáz áramlási sebessége 50 000 Nm3/h. A teljesítménypotenciál kiszámításához feltételezzük, hogy az összes gáz átáramlik a turbóexpanderen, és kiszámítjuk a maximális teljesítményt. Becsülje meg a teljes teljesítménypotenciált a következő számítással:
Közzététel ideje: 2024. május 25.