Proširi mogu koristiti redukciju pritiska na pogonske rotirajuće mašine. Ovdje se mogu naći informacije o procjeni potencijalnih prednosti instalacije ekstendera.
Obično u industriji hemijske procese (CPI) ", velika količina energije se troši u kontrolnim ventilima pod pritiskom, gdje se tekućine visokog pritiska moraju biti pod pritiskom" [1]. Ovisno o različitim tehničkim i ekonomskim faktorima, možda će biti poželjno pretvoriti ovu energiju u rotirajuću mehaničku energiju, koja se može koristiti za pokretanje generatora ili drugih rotirajućeg strojeva. Za nekomprimične tekućine (tečnosti), to se postiže pomoću hidrauličke turbine za povrat energije (HPRT; vidi referencu 1). Za komprimične tečnosti (gasovi), Expander je pogodan stroj.
Proširi su zrela tehnologija s mnogim uspješnim primjenama kao što su charidna katalitička pukotina (FCC), hlađenje, prirodni plinski gradski ventili, odvajanje zraka ili emisije izduvnih gasova. U principu, bilo koji plinski tok sa smanjenim pritiskom može se koristiti za pokretanje Expandera, ali "izlaz energije je izravno proporcionalan omjer tlaka, temperaturu i protoku plina" [2], kao i tehnička i ekonomska izvodljivost. Implementacija Expander-a: Proces ovisi o tim i drugim faktorima, kao što su lokalne cijene energije i dostupnosti proizvođača odgovarajuće opreme.
Iako je Turboexpander (funkcioniranje slično na turbinu) najpoznatiji tip ekspandera (slika 1), postoje i druge vrste pogodne za različite procesne uslove. Ovaj članak predstavlja glavne vrste proširenja i njihove komponente i sažima kako rukovoditelji operacija, konsultanti ili energetski revizori u različitim divizijama CPI-a mogu ocijeniti potencijalne ekonomske i ekološke prednosti ugradnje Expandera.
Postoji mnogo različitih vrsta otpornih opsega koje se uvelike razlikuju u geometriji i funkciji. Glavne vrste prikazane su na slici 2, a svaka vrsta je nakratko opisana u nastavku. Za više informacija, kao i grafikone uspoređujući operativni status svake vrste na temelju određenih promjera i specifičnih brzina, pogledajte pomoć. 3.
PISTON TURBOEXPANDER. Klipni i rotacijski klip Turboexanders rade poput obrnuto rotirajućih motora za sagorijevanje, upijajući plin visokog pritiska i pretvaranje svoje pohranjene energije u rotacijsku energiju kroz radilicu.
Povucite turbo Expander. Ekspander kočnice sastoji se od koncentrične komore za protok sa perajama kanta pričvršćenih na periferiju rotirajućeg elementa. Dizajnirani su na isti način kao i vodeni točkovi, ali presjek koncentričnih komora povećava se s ulaza u izlaz, omogućavajući da se plin širi.
Radial Turboexpander. Radial Flow Turboexpanders imaju aksijalni otvor i radijalnu utičnicu, omogućujući da se plin radijalno proširi kroz rotor turbine. Slično tome, aksijalne turbine Proširi plin kroz turbinski točak, ali smjer protoka ostaje paralelno s osi rotacije.
Ovaj se članak fokusira na radijalne i aksijalne turboeksandere, razgovarajući o svojim različitim podtipovima, komponentama i ekonomiji.
Turboexpander izvlači energiju iz visokotlačnog gasa gasa i pretvara ga u pogon. Opterećenje je obično kompresor ili generator spojen na osovinu. Turboeksander sa kompresorom komprimira tekućinu u drugim dijelovima procesa koji zahtijevaju komprimiranu tekućinu, čime se povećava cjelokupna efikasnost postrojenja koristeći energiju koja je inače izgubljena. Turboeksander sa opterećenjem generatora pretvara energiju u električnu energiju, koja se može koristiti u drugim biljnim procesima ili se vraća na lokalnu mrežu na prodaju.
Generatori Turboexpander mogu biti opremljeni ili direktnim pogonskim osovinama od turbinskog kotača do generatora, ili kroz mjenjač koji učinkovito smanjuje ulaznu brzinu od turbinskog kotača do generatora kroz omjer prijenosa. Direktni pogonski turboexpander nudi prednosti u efikasnosti, troškovima traga i održavanja. Menjač Turboexpanders su teži i zahtijevaju veći otisak traga, pomoćnu opremu za podmazivanje i redovno održavanje.
Turboexpander u protoku mogu se izrađivati u obliku radijalnih ili aksijalnih turbina. Radial protok sadrže aksijalni otvor i radijalnu utičnicu tako da protok plina radijalno izlazi u turbinu radijalno iz osi vrtnje. Aksijalne turbine omogućuju plinu da protječe aksijalno duž osi rotacije. Aksijalne turbine izvlačenja energije iz protoka plina kroz ulazne vodilice KUPE DO WHAN-a EXPANDER, s presjek presjeka komore za proširenje postepeno se povećava za održavanje stalne brzine.
TURBOEXPANDER Generator sastoji se od tri glavne komponente: turbinski točak, posebne ležajeve i generator.
Turbinski točak. Turbinski točkovi često su dizajnirani posebno za optimizaciju aerodinamičke efikasnosti. Varijable primjene koje utječu na dizajn turbinskog kotača uključuju pritisak ulaznog / izlaza, temperaturu ulaznog / izlaza, protok za jačinu zvuka i svojstva tekućine. Kada je omjer kompresije previsok da bi se smanjio u jednoj fazi, potreban je turboeksander s više turbinskih kotača. I radijalne i aksijalne turbine mogu biti dizajnirane kao višestepene, ali aksijalni turbinski točkovi imaju mnogo kraću aksijalnu dužinu i stoga su kompaktniji. Višestambeni radijalni turbini za protok zahtijevaju da plin teče iz aksijalnog do radijalnog i natrag u aksijalno, stvarajući veće gubitke trenja od aksijalnih turbina.
Ležajevi. Dizajn ležaja je kritičan za efikasan rad Turboexpandera. Vrste ležajeva koji se odnose na turboexpander dizajneri se široko variraju i mogu uključivati ležajeve ulja, tekućih ležajeva filma, tradicionalne kuglične ležajeve i magnetske ležajeve. Svaka metoda ima svoje prednosti i nedostatke, kao što je prikazano u tablici 1.
Mnogi proizvođači Turboexpander-a odabir magnetske ležajeve kao svoj "ležaj izbora" zbog njihovih jedinstvenih prednosti. Magnetni ležajevi osiguravaju rad bez trenja dinamičkih komponenti Turboexpander-a, značajno smanjujući troškove rada i održavanja tokom života mašine. Dizajnirani su i da izdrže širok spektar aksijalnih i radijalnih opterećenja i uvjeta za nadzor. Njihovi veći početni troškovi nadoknađuju se mnogo nižim troškovima životnog ciklusa.
Dinamo. Generator uzima rotacijsku energiju turbine i pretvara ga u korisnu električnu energiju pomoću elektromagnetskog generatora (koji može biti indukcijski generator ili stalni magnet). Indukcijske generatore imaju nižu nazivnu brzinu, tako da zahtijeva brzina turbine za turbine, ali može se osmisliti da odgovaraju frekvenciji mreže, eliminirajući potrebu za promjenjivim frekvencijskim pogonom (VFD) za opskrbu generiranim električnom energijom. Stalni magnetni generatori, s druge strane, mogu se izravno osovina spojiti na turbinu i prenositi snagu na mrežu kroz promjenjivu frekvencijsku disk. Generator je dizajniran za isporuku maksimalne snage na osnovu dostupnog napajanja osovine u sistemu.
Brtve. Pečat je i kritična komponenta prilikom dizajniranja turboexpanderskog sistema. Da bi se održala visoka efikasnost i ispunjavanje ekoloških standarda, sustavi moraju biti zapečaćeni kako bi se spriječilo potencijalno curenje gasa. Turboexpanders se mogu opremiti dinamičnim ili statičkim brtvama. Dinamične brtve, poput labirintnih brtva i suvih plinova, osiguravaju brtvu oko rotirajuće osovine, obično između turbinskog kotača, ležajeva i ostatka uređaja na kojem se nalazi generator. Dinamičke brtve se s vremenom istroše i zahtijevaju redovno održavanje i pregled kako bi se osiguralo da pravilno funkcioniraju. Kada se sve turboexpander komponente nalaze u jednoj kućištu, statičke brtve mogu se koristiti za zaštitu bilo kojeg dovoda koji izlazeći na kućište, uključujući generator, magnetni ležaj ili senzore. Ove nepropusne brtve pružaju trajnu zaštitu od curenja plina i ne zahtijevaju održavanje ili popravak.
Sa procesnog stajališta, primarni zahtjev za instaliranje Expandera je opskrbljivanje plina visokog pritiska (bez kondenzabilnog) plina na sustav niskog pritiska s dovoljnim protokom, padom pritiska i korištenje za održavanje normalnog rada opreme. Radni parametri se održavaju na sigurnom i efikasnom nivou.
U pogledu funkcije smanjenja pritiska, Expander se može koristiti za zamjenu ventila Joule-Thomson (JT), poznat i kao ventil za gas. Budući da se JT ventil pomiče na andrender, a Expander se pomiče gotovo isentroppnom stazom, potonji smanjuje entalpu plina i pretvara entalnu razliku u snagu osovine, čime stvara nižu temperaturu izlaza od JT ventila. Ovo je korisno u kriogenim procesima u kojima je cilj smanjiti temperaturu plina.
Ako postoji donja granica na izlazni temperaturi plina (na primjer, u dekompresijskoj stanici gdje se mora održavati temperatura plina iznad zamrzavanja, hidratacije ili minimalne temperature dizajna materijala), mora se dodati najmanje jedan grijač. Kontrolišite temperaturu plina. Kada se predpredriješi u uzvodnoj od Expandera, u Expanderu se takođe oporavljaju i neke energije iz frizičke plina, čime se povećava izlaz snage. U nekim konfiguracijama gdje je potrebna kontrola temperature izlazne temperature, drugi rehuater može se instalirati nakon što ekspander pruža brže kontrolu.
Na slici 3 prikazuje pojednostavljeni dijagram dijagrama općeg protoka generatora Expander-a s predpredovima koji se koristi za zamjenu JT ventila.
U ostalim konfiguracijama procesa, energija se oporavljena u Expanderu može se prenijeti izravno u kompresor. Ove mašine, ponekad nazivaju "zapovjednici", obično imaju faze proširenja i kompresije koje su povezane s jednim ili više osovina, koji mogu uključivati i mjenjač za reguliranje brzine između dvije faze. Može sadržavati i dodatni motor za pružanje više snage u fazi kompresije.
Ispod su neke od najvažnijih komponenti koje osiguravaju pravilan rad i stabilnost sistema.
Obilazni ventil ili ventil za smanjenje pritiska. Bypass ventil omogućava da se nastavi kada Turboexpander ne radi (na primjer, za održavanje ili hitno stanje), dok se ventil za smanjenje pritiska koristi za kontinuirani rad za opskrbu viška plina kada se ukupni protok prelazi.
VENTILNE VENTILNE TREĆE (ESD). ESD ventili koriste se za blokiranje protoka plina u Expander u hitnim slučajevima kako bi se izbjegla mehanička oštećenja.
Instrumenti i kontrole. Važne varijable za nadzor uključuju ulaz i izlazni pritisak, protok, brzinu rotacije i izlaz snage.
Vožnja prekomjerne brzine. Uređaj se isključuje protok na turbinu, uzrokujući da se turbinski rotor usporava, čime se štiti opremu od prekomjernih brzina zbog neočekivanih procesnih uvjeta koji mogu oštetiti opremu.
VENTIL SAVJETNOSTI TLAKA (PSV). PSV su često instalirani nakon turboexpandera za zaštitu cjevovoda i opreme za nisku pritisku. PSV mora biti dizajniran tako da izdrži najoštrije nepredviđene situacije, što obično uključuje kvar zaobilaznog ventila za otvaranje. Ako se dodatna stanica doda na postojeću stanicu za smanjenje pritiska, tim dizajna procesa mora utvrditi da li postojeći PSV pruža odgovarajuću zaštitu.
Grijač. Grijači kompenziraju pad temperature uzrokovane plinom koji prolaze kroz turbinu, tako da plin mora biti zagrijani. Njegova glavna funkcija je povećati temperaturu rastućeg protoka plina kako bi se održala temperatura plina ostavljajući ekspander iznad minimalne vrijednosti. Druga korist od podizanja temperature je povećati izlaz snage, kao i spriječiti koroziju, kondenzaciju ili hidrata koji mogu negativno utjecati na mlaznice za opremu. U sistemima koji sadrže izmjenjivače topline (kao što je prikazano na slici 3), temperatura plina obično se kontrolira reguliranjem protoka grijane tečnosti u predgrijač. U nekim dizajnom se umjesto izmjenjivača topline mogu koristiti grijač ili električni grijač. Grijači već mogu postojati u postojećoj stanici JT ventila, a dodavanje Expandera možda neće zahtijevati instaliranje dodatnih grijača, već povećavajući protok grijane tekućine.
Podmazivanje nafte i pečat gasnih sistema. Kao što je već spomenuto, proširi se može koristiti različite dizajne za brtvljenje, što može zahtijevati maziva i brtvene gasove. Ako je primjenjivo, podmazivanje ulje mora održavati visoku kvalitetu i čistoću kada u kontaktu s procesnim gasovima, a nivo viskoznosti ulja mora ostati unutar potrebnog radnog raspona podmazanih ležajeva. Zatvoreni plinski sustavi obično su opremljeni uređajem za podmazivanje ulja kako bi spriječio ulje iz ležajnog okvira da uđe u okvir za proširenje. Za posebne primjene putnika koji se koriste u industriji ugljikovodika, mazivo nafte i plinski sustavi za pečat obično su dizajnirani za API 617 [5] Specifikacije 4. dijela.
Promenljivi frekvencijski pogon (VFD). Kada je generator induktura indukcija, VFD se obično uključuje za podešavanje alternativnog struje (AC) signala koji odgovaraju uslužnom frekvenciji. Obično, dizajni zasnovani na pogonima promjenjive frekvencije imaju veću ukupnu efikasnost od dizajna koji koriste mjenjače ili druge mehaničke komponente. Sustavi zasnovani na VFD-u mogu se smjestiti i širi spektar promjena procesa koji mogu rezultirati promjenama u brzini ekspanzije.
Prenos. Neki dizajni za Expander koriste mjenjač za smanjenje brzine Expandera na nazivnu brzinu generatora. Troškovi korištenja mjenjača je niža ukupna efikasnost i samim tim niži izlaz snage.
Prilikom pripreme zahtjeva za ponudu (RFQ) za Expander, procesni inženjer prvo mora odrediti radne uvjete, uključujući sljedeće informacije:
Mehanički inženjeri često kompletiraju specifikacije i specifikacije generatora Expander koristeći podatke iz drugih inženjerskih disciplina. Ovi ulazi mogu uključivati sljedeće:
Specifikacije također moraju sadržavati popis dokumenata i crteža koje proizvođač pružio kao dio tenderskog postupka i opseg opskrbe, kao i primjenjive testne postupke prema projektu.
Tehničke informacije koje proizvođač pruža kao dio tenderskog procesa uglavnom bi trebali uključivati sljedeće elemente:
Ako se bilo koji aspekt prijedloga razlikuje od originalnih specifikacija, proizvođač mora također pružiti popis odstupanja i razloge odstupanja.
Jednom kada se prijedlog primi, tim za razvoj projekata mora preispitati zahtjev za poštivanje i utvrđivanje da li su varijacije tehnički opravdane.
Ostala tehnička razmatranja za razmatranje prilikom ocjenjivanja prijedloga uključuju:
Konačno, potrebno je izvršiti ekonomsku analizu. Budući da različite opcije mogu rezultirati različitim početnim troškovima, preporučuje se da se izvrši analiza troškova novčanog toka ili životnog ciklusa za usporedbu dugoročne ekonomije projekta i povrat ulaganja. Na primjer, veća početna ulaganja može se dugoročno nadoknaditi povećanom produktivnošću ili smanjenim zahtjevima za održavanje. Pogledajte "Reference" za upute o ovoj vrsti analize. 4.
Sve aplikacije Turboexpander-Generator zahtijevaju početni ukupni potencijalni izračun snage kako bi se utvrdio ukupni iznos raspoložive energije koji se može oporaviti u određenoj aplikaciji. Za turboexpander generator potencijal napajanja izračunava se kao isentropski (konstantni entropijski) postupak. Ovo je idealna termodinamička situacija za razmatranje reverzibilnog adiabatskog procesa bez trenja, ali je točan proces za procjenu stvarnog energetskog potencijala.
Isentropy Potencijalna energija (IPP) izračunava se množenjem specifične entalske razlike na dovodu i utičnicu Turboexpander i množenje rezultata masovnim protokom. Ova potencijalna energija bit će izražena kao izontropska količina (jednadžba (1)):
IPP = (Hinlet - H (i, E)) × ṁ x ŋ (1)
gdje je h (i, e) specifična entalpija uzimajući u obzir isentropsku temperaturu izlaza i ṁ je brzina mase.
Iako se isentropska potencijalna energija može koristiti za procjenu potencijalne energije, svi pravi sustavi uključuju trenje, toplinu i druge pomoćne gubitke energije. Stoga, pri izračunavanju stvarnog potencijala moći, treba uzeti u obzir sljedeće dodatne ulazne podatke:
U većini turboexpander-a, temperatura je ograničena na minimum kako bi se spriječilo neželjene probleme poput zamrzavanja cijevi koji su ranije spomenuti. Tamo gdje su tokovi prirodnog plina gotovo uvijek prisutni, što znači da će se naftovod nizvodno od turboeksera ili leptirnog ventila zamrznuti interno i izvana ako temperatura izlaza padne ispod 0 ° C. Formiranje leda može rezultirati ograničenjem protoka i u konačnici isključite sistem za odmrzavanje. Stoga se "željena" izlazna temperatura koristi za izračunavanje realnijeg potencijalnog scenarija snage. Međutim, za gasove poput vodika, ograničenje temperature je mnogo manje jer se vodik ne mijenja iz plina u tečnost dok ne dosegne kriogenu temperaturu (-253 ° C). Koristite ovu željenu temperaturu izlaza za izračunavanje specifičnog entalpy-a.
Također se mora uzeti u obzir efikasnost Turboexpanderskog sistema. Ovisno o korištenoj tehnologiji, efikasnost sistema može značajno razlikovati. Na primjer, turboeksander koji koristi redukcioni zupčanik za prijenos rotacijske energije iz turbine do generatora doživjet će veće gubitke trenja od sistema koji koristi direktan pogon od turbine do generatora. Ukupna efikasnost sustava Turboexpander izražena je kao postotak i uzima se u obzir prilikom procjene stvarnog potencijala električne energije Turboexpander-a. Stvarni potencijal napajanja (PP) izračunava se na sljedeći način:
Pp = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Pogledajmo primjenu olakšice od prirodnog plina. ABC djeluje i održava stanicu za smanjenje pritiska koja prevozi prirodni plin iz glavnog cjevovoda i distribuira ga lokalnim općinama. Na ovoj su stanici, ulazni tlak na plin iznosi 40 bara, a izlazni tlak je 8 bara. Pregrijana temperatura ulaznog plina je 35 ° C, što zagrijava plin kako bi se spriječilo zamrzavanje cjevovoda. Stoga se temperatura izlazna plina mora kontrolirati tako da ne padne ispod 0 ° C. U ovom primjeru koristit ćemo 5 ° C kao minimalna temperatura izlaza za povećanje faktora sigurnosti. Normalizirani volumetrijski protok plina je 50.000 Nm3 / h. Da bi izračunali potencijal moći, pretpostavit ćemo da svi plin teče kroz turbo Expander i izračunavaju maksimalni izlaz snage. Procijenite ukupni potencijal izlazne snage koristeći sljedeći izračun:
Pošta: May-25-2024