Ekspanderi mogu koristiti smanjenje pritiska za pogon rotirajućih mašina. Informacije o tome kako procijeniti potencijalne koristi od instaliranja ekstendera možete pronaći ovdje.
Tipično u hemijskoj procesnoj industriji (CPI), „velika količina energije se gubi u ventilima za regulaciju pritiska gdje se fluidi pod visokim pritiskom moraju dekompresovati“ [1]. U zavisnosti od različitih tehničkih i ekonomskih faktora, može biti poželjno pretvoriti ovu energiju u rotirajuću mehaničku energiju, koja se može koristiti za pogon generatora ili drugih rotirajućih mašina. Za nestlačive fluide (tečnosti), to se postiže korištenjem hidraulične turbine za rekuperaciju energije (HPRT; vidi referencu 1). Za stlačive tečnosti (gasove), ekspander je odgovarajuća mašina.
Ekspanderi su zrela tehnologija s mnogim uspješnim primjenama kao što su fluidni katalitički kreking (FCC), hlađenje, gradski ventili za prirodni plin, separacija zraka ili emisije ispušnih plinova. U principu, bilo koji tok plina sa smanjenim pritiskom može se koristiti za pogon ekspandera, ali „izlazna energija je direktno proporcionalna omjeru pritiska, temperaturi i brzini protoka struje plina“ [2], kao i tehničkoj i ekonomskoj izvodljivosti. Implementacija ekspandera: Proces ovisi o ovim i drugim faktorima, kao što su lokalne cijene energije i dostupnost odgovarajuće opreme od strane proizvođača.
Iako je turboekspander (koji funkcionira slično turbini) najpoznatiji tip ekspandera (Slika 1), postoje i drugi tipovi pogodni za različite procesne uslove. Ovaj članak predstavlja glavne tipove ekspandera i njihove komponente te sažima kako menadžeri operacija, konsultanti ili energetski revizori u različitim CPI odjeljenjima mogu procijeniti potencijalne ekonomske i ekološke koristi od instaliranja ekspandera.
Postoji mnogo različitih vrsta traka otpora koje se uveliko razlikuju po geometriji i funkciji. Glavne vrste su prikazane na Slici 2, a svaka vrsta je ukratko opisana u nastavku. Za više informacija, kao i grafikone koji upoređuju radno stanje svake vrste na osnovu specifičnih prečnika i specifičnih brzina, pogledajte Pomoć. 3.
Klipni turboekspander. Klipni i rotacijski klipni turboekspanderi rade poput motora s unutrašnjim sagorijevanjem s obrnutim smjerom rotacije, apsorbirajući plin pod visokim pritiskom i pretvarajući njegovu pohranjenu energiju u rotacijsku energiju putem radilice.
Povucite turbo ekspander. Ekspander kočione turbine sastoji se od koncentrične protočne komore s rebrima pričvršćenim na periferiju rotirajućeg elementa. Dizajnirani su na isti način kao i vodeni kotači, ali se poprečni presjek koncentričnih komora povećava od ulaza do izlaza, omogućavajući plinu da se širi.
Radijalni turboekspander. Turboekspanderi s radijalnim protokom imaju aksijalni ulaz i radijalni izlaz, što omogućava radijalno širenje plina kroz rotor turbine. Slično tome, aksijalne turbine šire plin kroz turbinsko kolo, ali smjer protoka ostaje paralelan s osom rotacije.
Ovaj članak se fokusira na radijalne i aksijalne turboekspandere, razmatrajući njihove različite podtipove, komponente i ekonomičnost.
Turboekspander izvlači energiju iz struje plina visokog pritiska i pretvara je u pogonsko opterećenje. Tipično, opterećenje je kompresor ili generator spojen na osovinu. Turboekspander s kompresorom komprimira fluid u drugim dijelovima procesnog toka koji zahtijevaju komprimirani fluid, čime se povećava ukupna efikasnost postrojenja korištenjem energije koja se inače rasipa. Turboekspander s generatorskim opterećenjem pretvara energiju u električnu energiju, koja se može koristiti u drugim procesima postrojenja ili vratiti u lokalnu mrežu za prodaju.
Turboekspander generatori mogu biti opremljeni ili direktnim pogonskim vratilom od turbinskog kola do generatora ili putem mjenjača koji efikasno smanjuje ulaznu brzinu od turbinskog kola do generatora putem prijenosnog omjera. Turboekspanderi s direktnim pogonom nude prednosti u efikasnosti, zauzetosti i troškovima održavanja. Turboekspanderi s mjenjačem su teži i zahtijevaju veći otisak, pomoćnu opremu za podmazivanje i redovno održavanje.
Protočni turboekspanderi mogu biti izrađeni u obliku radijalnih ili aksijalnih turbina. Radijalni ekspanderi protoka sadrže aksijalni ulaz i radijalni izlaz tako da protok plina izlazi iz turbine radijalno od ose rotacije. Aksijalne turbine omogućavaju da plin teče aksijalno duž ose rotacije. Aksijalne turbine protoka izvlače energiju iz protoka plina kroz ulazne vodeće lopatice do kola ekspandera, pri čemu se površina poprečnog presjeka ekspanzijske komore postepeno povećava kako bi se održala konstantna brzina.
Turboekspander generator sastoji se od tri glavne komponente: turbinskog kola, specijalnih ležajeva i generatora.
Turbinski točak. Turbinski točakovi su često posebno dizajnirani za optimizaciju aerodinamičke efikasnosti. Varijable primjene koje utiču na dizajn turbinskog točka uključuju ulazni/izlazni pritisak, ulaznu/izlaznu temperaturu, protok i svojstva fluida. Kada je stepen kompresije previsok da bi se smanjio u jednoj fazi, potreban je turboekspander sa više turbinskih točaka. I radijalni i aksijalni turbinski točakovi mogu biti dizajnirani kao višestepeni, ali aksijalni turbinski točakovi imaju mnogo kraću aksijalnu dužinu i stoga su kompaktniji. Višestepenim radijalnim turbinama je potreban protok gasa od aksijalnog do radijalnog i nazad do aksijalnog, što stvara veće gubitke trenja nego aksijalne turbine.
ležajevi. Dizajn ležajeva je ključan za efikasan rad turboekspandera. Vrste ležajeva povezane s dizajnom turboekspandera uveliko variraju i mogu uključivati uljne ležajeve, ležajeve s tekućim filmom, tradicionalne kuglične ležajeve i magnetske ležajeve. Svaka metoda ima svoje prednosti i nedostatke, kao što je prikazano u Tabeli 1.
Mnogi proizvođači turboekspandera biraju magnetne ležajeve kao svoje "ležajeve izbora" zbog njihovih jedinstvenih prednosti. Magnetski ležajevi osiguravaju rad dinamičkih komponenti turboekspandera bez trenja, značajno smanjujući troškove rada i održavanja tokom vijeka trajanja mašine. Također su dizajnirani da izdrže širok raspon aksijalnih i radijalnih opterećenja i uslova preopterećenja. Njihovi viši početni troškovi kompenzirani su mnogo nižim troškovima tokom životnog ciklusa.
dinamo. Generator uzima rotacijsku energiju turbine i pretvara je u korisnu električnu energiju pomoću elektromagnetnog generatora (koji može biti indukcijski generator ili generator s permanentnim magnetom). Indukcijski generatori imaju nižu nazivnu brzinu, tako da primjene turbina velike brzine zahtijevaju mjenjač, ali mogu biti dizajnirani da odgovaraju frekvenciji mreže, eliminirajući potrebu za pogonom s promjenjivom frekvencijom (VFD) za napajanje generirane električne energije. Generatori s permanentnim magnetima, s druge strane, mogu biti direktno spojeni na turbinu i prenositi snagu u mrežu putem pogona s promjenjivom frekvencijom. Generator je dizajniran da isporuči maksimalnu snagu na osnovu snage osovine dostupne u sistemu.
Zaptivke. Zaptivka je također ključna komponenta pri projektovanju sistema turboekspandera. Da bi se održala visoka efikasnost i ispunili ekološki standardi, sistemi moraju biti zatvoreni kako bi se spriječila potencijalna curenja procesnog gasa. Turboekspanderi mogu biti opremljeni dinamičkim ili statičkim zaptivkama. Dinamičke zaptivke, kao što su labirintne zaptivke i zaptivke suhog gasa, pružaju zaptivanje oko rotirajućeg vratila, obično između turbinskog kola, ležajeva i ostatka mašine gdje se nalazi generator. Dinamičke zaptivke se vremenom troše i zahtijevaju redovno održavanje i inspekciju kako bi se osiguralo da ispravno funkcionišu. Kada se sve komponente turboekspandera nalaze u jednom kućištu, statičke zaptivke se mogu koristiti za zaštitu svih vodova koji izlaze iz kućišta, uključujući i generator, pogone magnetnih ležajeva ili senzore. Ove hermetički zatvorene zaptivke pružaju trajnu zaštitu od curenja gasa i ne zahtijevaju održavanje ili popravku.
Sa stanovišta procesa, primarni zahtjev za instaliranje ekspandera je dovod visokotlačnog kompresibilnog (nekondezibilnog) plina u sistem niskog pritiska sa dovoljnim protokom, padom pritiska i iskorištenjem za održavanje normalnog rada opreme. Radni parametri se održavaju na sigurnom i efikasnom nivou.
Što se tiče funkcije smanjenja pritiska, ekspander se može koristiti kao zamjena za Joule-Thomsonov (JT) ventil, poznat i kao prigušnica. Budući da se JT ventil kreće duž izentropske putanje, a ekspander se kreće duž gotovo izentropske putanje, potonji smanjuje entalpiju gasa i pretvara razliku entalpije u snagu na osovini, čime se postiže niža izlazna temperatura nego kod JT ventila. Ovo je korisno u kriogenim procesima gdje je cilj smanjenje temperature gasa.
Ako postoji donja granica temperature izlaznog plina (na primjer, u dekompresijskoj stanici gdje se temperatura plina mora održavati iznad temperature smrzavanja, hidratacije ili minimalne projektne temperature materijala), mora se dodati barem jedan grijač. Kontrola temperature plina. Kada se predgrijač nalazi uzvodno od ekspandera, dio energije iz dovodnog plina se također obnavlja u ekspanderu, čime se povećava njegova izlazna snaga. U nekim konfiguracijama gdje je potrebna kontrola izlazne temperature, drugi dogrijač može se instalirati nakon ekspandera radi brže kontrole.
Na Sl. 3 prikazan je pojednostavljeni dijagram općeg dijagrama toka ekspander generatora s predgrijačem koji se koristi kao zamjena za JT ventil.
U drugim konfiguracijama procesa, energija rekuperirana u ekspanderu može se direktno prenijeti na kompresor. Ove mašine, ponekad nazvane "komanderi", obično imaju faze ekspanzije i kompresije povezane jednom ili više osovina, koje mogu uključivati i mjenjač za regulaciju razlike brzine između dvije faze. Također mogu uključivati dodatni motor za obezbjeđivanje veće snage fazi kompresije.
U nastavku su navedene neke od najvažnijih komponenti koje osiguravaju pravilan rad i stabilnost sistema.
Premosni ventil ili ventil za smanjenje pritiska. Premosni ventil omogućava nastavak rada kada turboekspander ne radi (na primjer, zbog održavanja ili u hitnim slučajevima), dok se ventil za smanjenje pritiska koristi za kontinuirani rad kako bi se doveo višak gasa kada ukupni protok premaši projektovani kapacitet ekspandera.
Ventil za hitno isključivanje (ESD). ESD ventili se koriste za blokiranje protoka plina u ekspander u hitnim slučajevima kako bi se izbjegla mehanička oštećenja.
Instrumenti i kontrole. Važne varijable koje treba pratiti uključuju ulazni i izlazni pritisak, protok, brzinu rotacije i izlaznu snagu.
Vožnja prevelikom brzinom. Uređaj prekida protok do turbine, uzrokujući usporavanje rotora turbine, čime se oprema štiti od prevelikih brzina uzrokovanih neočekivanim procesnim uslovima koji bi mogli oštetiti opremu.
Sigurnosni ventil za pritisak (PSV). PSV-ovi se često ugrađuju nakon turboekspanzera kako bi zaštitili cjevovode i opremu niskog pritiska. PSV mora biti dizajniran da izdrži najteže nepredviđene situacije, koje obično uključuju nemogućnost otvaranja bypass ventila. Ako se ekspander doda postojećoj stanici za smanjenje pritiska, tim za projektovanje procesa mora utvrditi da li postojeći PSV pruža adekvatnu zaštitu.
Grijač. Grijači kompenziraju pad temperature uzrokovan prolaskom plina kroz turbinu, tako da se plin mora prethodno zagrijati. Njegova glavna funkcija je povećanje temperature rastućeg protoka plina kako bi se temperatura plina koji izlazi iz ekspandera održala iznad minimalne vrijednosti. Još jedna prednost povećanja temperature je povećanje izlazne snage, kao i sprječavanje korozije, kondenzacije ili hidrata koji bi mogli negativno utjecati na mlaznice opreme. U sistemima koji sadrže izmjenjivače topline (kao što je prikazano na slici 3), temperatura plina se obično kontrolira reguliranjem protoka zagrijane tekućine u predgrijač. U nekim izvedbama, umjesto izmjenjivača topline može se koristiti grijač plamena ili električni grijač. Grijači mogu već postojati u postojećoj JT ventilskoj stanici, a dodavanje ekspandera možda neće zahtijevati ugradnju dodatnih grijača, već povećanje protoka zagrijane tekućine.
Sistemi ulja za podmazivanje i zaptivnog gasa. Kao što je gore spomenuto, ekspanderi mogu koristiti različite dizajne zaptivki, što može zahtijevati maziva i zaptivne gasove. Gdje je primjenjivo, ulje za podmazivanje mora održavati visok kvalitet i čistoću kada je u kontaktu s procesnim gasovima, a nivo viskoznosti ulja mora ostati unutar potrebnog radnog raspona podmazanih ležajeva. Sistemi sa zatvorenim gasom obično su opremljeni uređajem za podmazivanje uljem kako bi se spriječilo ulazak ulja iz kućišta ležaja u ekspanzionu kutiju. Za posebne primjene kompandera koji se koriste u industriji ugljikovodika, sistemi ulja za podmazivanje i zaptivnog gasa obično su dizajnirani prema specifikacijama API 617 [5] Dio 4.
Pogon s promjenjivom frekvencijom (VFD). Kada je generator indukcijski, VFD se obično uključuje kako bi prilagodio signal naizmjenične struje (AC) frekvenciji električne energije. Tipično, dizajni zasnovani na pogonima s promjenjivom frekvencijom imaju veću ukupnu efikasnost od dizajna koji koriste mjenjače ili druge mehaničke komponente. Sistemi zasnovani na VFD-u također mogu prilagoditi širi raspon promjena procesa koje mogu rezultirati promjenama brzine osovine ekspandera.
Prijenos. Neki dizajni ekspandera koriste mjenjač za smanjenje brzine ekspandera na nazivnu brzinu generatora. Cijena korištenja mjenjača je niža ukupna efikasnost i stoga niža izlazna snaga.
Prilikom pripreme zahtjeva za ponudu (RFQ) za ekspander, procesni inženjer prvo mora utvrditi radne uslove, uključujući sljedeće informacije:
Mašinski inženjeri često kompletiraju specifikacije generatora ekspandera i specifikacije koristeći podatke iz drugih inženjerskih disciplina. Ovi ulazi mogu uključivati sljedeće:
Specifikacije moraju također uključivati popis dokumenata i crteža koje je proizvođač dostavio kao dio postupka tendera i obim isporuke, kao i primjenjive postupke ispitivanja kako je to propisano projektom.
Tehničke informacije koje proizvođač pruža kao dio postupka tendera obično trebaju uključivati sljedeće elemente:
Ako se bilo koji aspekt prijedloga razlikuje od originalnih specifikacija, proizvođač mora također dostaviti popis odstupanja i razloge za odstupanja.
Nakon što primi prijedlog, tim za razvoj projekta mora pregledati zahtjev za usklađenost i utvrditi da li su odstupanja tehnički opravdana.
Ostala tehnička razmatranja koja treba uzeti u obzir prilikom ocjenjivanja prijedloga uključuju:
Konačno, potrebno je provesti ekonomsku analizu. Budući da različite opcije mogu rezultirati različitim početnim troškovima, preporučuje se provođenje analize novčanog toka ili troškova životnog ciklusa kako bi se uporedila dugoročna ekonomija projekta i povrat ulaganja. Na primjer, veća početna investicija može se dugoročno kompenzirati povećanom produktivnošću ili smanjenim zahtjevima za održavanjem. Pogledajte "Reference" za upute o ovoj vrsti analize. 4.
Sve primjene turboekspander generatora zahtijevaju početni proračun ukupne potencijalne snage kako bi se odredila ukupna količina dostupne energije koja se može iskoristiti u određenoj primjeni. Za turboekspander generator, potencijal snage se izračunava kao izentropski (konstantna entropija) proces. Ovo je idealna termodinamička situacija za razmatranje reverzibilnog adijabatskog procesa bez trenja, ali je i ispravan proces za procjenu stvarnog energetskog potencijala.
Izentropska potencijalna energija (IPP) se izračunava množenjem specifične razlike entalpije na ulazu i izlazu turboekspandera i množenjem rezultata sa masenim protokom. Ova potencijalna energija će biti izražena kao izentropska veličina (Jednačina (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
gdje je h(i,e) specifična entalpija uzimajući u obzir izentropsku temperaturu na izlazu, a ṁ je maseni protok.
Iako se izentropska potencijalna energija može koristiti za procjenu potencijalne energije, svi realni sistemi uključuju gubitke trenja, toplote i drugih pomoćnih energije. Stoga, prilikom izračunavanja stvarnog potencijala snage, treba uzeti u obzir sljedeće dodatne ulazne podatke:
U većini primjena turboekspandera, temperatura je ograničena na minimum kako bi se spriječili neželjeni problemi poput ranije spomenutog smrzavanja cijevi. Tamo gdje teče prirodni plin, hidrati su gotovo uvijek prisutni, što znači da će se cjevovod nizvodno od turboekspandera ili prigušnog ventila smrznuti iznutra i izvana ako izlazna temperatura padne ispod 0°C. Stvaranje leda može rezultirati ograničenjem protoka i na kraju isključiti sistem radi odmrzavanja. Stoga se "željena" izlazna temperatura koristi za izračunavanje realnijeg scenarija potencijalne snage. Međutim, za plinove poput vodika, temperaturno ograničenje je mnogo niže jer vodik ne prelazi iz plinovitog u tekuće stanje dok ne dostigne kriogenu temperaturu (-253°C). Koristite ovu željenu izlaznu temperaturu za izračunavanje specifične entalpije.
Također se mora uzeti u obzir efikasnost sistema turboekspandera. Ovisno o korištenoj tehnologiji, efikasnost sistema može značajno varirati. Na primjer, turboekspander koji koristi reduktor za prijenos rotacijske energije s turbine na generator imat će veće gubitke trenja od sistema koji koristi direktni pogon s turbine na generator. Ukupna efikasnost sistema turboekspandera izražava se u procentima i uzima se u obzir pri procjeni stvarnog potencijala snage turboekspandera. Stvarni potencijal snage (PP) izračunava se na sljedeći način:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Pogledajmo primjenu rasterećenja pritiska prirodnog gasa. ABC upravlja i održava stanicu za smanjenje pritiska koja transportuje prirodni gas iz glavnog cjevovoda i distribuira ga lokalnim opštinama. Na ovoj stanici, ulazni pritisak gasa je 40 bara, a izlazni pritisak je 8 bara. Temperatura prethodno zagrijanog ulaznog gasa je 35°C, što ga prethodno zagrijava kako bi se spriječilo smrzavanje cjevovoda. Stoga, temperatura izlaznog gasa mora biti kontrolisana tako da ne padne ispod 0°C. U ovom primjeru ćemo koristiti 5°C kao minimalnu izlaznu temperaturu kako bismo povećali faktor sigurnosti. Normalizovani volumetrijski protok gasa je 50.000 Nm3/h. Da bismo izračunali potencijal snage, pretpostavićemo da sav gas protiče kroz turbo ekspander i izračunati maksimalnu izlaznu snagu. Procijenite ukupni potencijal izlazne snage koristeći sljedeći proračun:
Vrijeme objave: 25. maj 2024.