Laajennukset voivat käyttää paineen vähentämistä pyörivien koneiden ohjaamiseen. Tietoja siitä, kuinka arvioida laajennuksen asentamisen mahdollisia etuja, löytyy täältä.
Tyypillisesti kemiallisessa prosessiteollisuudessa (CPI) ”suurta määrää energiaa tuhlataan paineenhallintaventtiileissä, joissa korkeapainekeskuksia on masennettava” [1]. Eri teknisistä ja taloudellisista tekijöistä riippuen voi olla toivottavaa muuntaa tämä energia pyöriväksi mekaaniseksi energiaksi, jota voidaan käyttää generaattorien tai muiden pyörivien koneiden ohjaamiseen. Puristamattomille nesteille (nesteille) tämä saavutetaan käyttämällä hydraulisen energian talteenottoturbiinia (HPRT; katso viite 1). Puristuneiden nesteiden (kaasut) varten laajennus on sopiva kone.
Laajennukset ovat kypsä tekniikka, jossa on monia onnistuneita sovelluksia, kuten nesteen katalyyttinen halkeilu (FCC), jäähdytys, maakaasukaupungin venttiilit, ilmanerotus tai pakokaasupäästöt. Periaatteessa mitä tahansa kaasuvirtaa, jolla on alennettua painetta, voidaan käyttää laajennuksen ohjaamiseen, mutta ”energiantuotto on suoraan verrannollinen kaasuvirran painesuhteeseen, lämpötilaan ja virtausnopeuteen” [2] sekä tekninen ja taloudellinen toteutettavuus. Laajennan toteutus: Prosessi riippuu näistä ja muista tekijöistä, kuten paikallisista energian hinnoista ja valmistajan käytettävyydestä sopivien laitteiden saatavuudesta.
Vaikka turboexpander (toimii samalla tavalla kuin turbiini) on tunnetuin laajennustyyppi (kuva 1), on olemassa muita tyyppejä, jotka sopivat eri prosessiolosuhteisiin. Tässä artikkelissa esitellään päätyyppejä ja niiden komponentteja ja tiivistää, kuinka erilaisissa CPI -divisioonissa toimivien johtajien, konsulttien tai energiatarkastajat voivat arvioida laajennuksen asentamisen mahdollisia taloudellisia ja ympäristöhyötyjä.
On olemassa monia erityyppisiä vastusnauhoja, jotka vaihtelevat suuresti geometriassa ja toiminnassa. Päätyypit on esitetty kuvassa 2, ja jokainen tyyppi kuvataan lyhyesti alla. Katso lisätietoja, kun verrataan kunkin tyypin käyttötilaa tiettyjen halkaisijoiden ja tiettyjen nopeuksien perusteella, katso ohje. 3.
Mäntä turboexpander. Männän ja pyörivän männän turboexpanders toimivat kuin käänteisen kiertävä polttomoottori, absorboimalla korkeapaineista kaasua ja muuntamalla sen varastoidun energian kiertoenergiaksi kampiakselin läpi.
Vedä turbo -laajennusta. Jarruturbiinilaajennus koostuu samankeskisestä virtauskammiosta, jonka ämpäri -evät on kiinnitetty pyörivän elementin reunaan. Ne on suunniteltu samalla tavalla kuin vesipyörät, mutta samankeskisten kammioiden poikkileikkaus kasvaa sisääntulosta poistoaukkoon, jolloin kaasu voi laajentua.
Radiaalinen turboexpander. Radiaalivirtaus TurboExpandereilla on aksiaalisen sisääntulon ja säteittäinen poistoaukko, jolloin kaasu voi laajentua säteittäisesti turbiinin juoksupyörän läpi. Samoin aksiaalivirtausturbiinit laajentavat kaasua turbiinin pyörän läpi, mutta virtaussuunta pysyy yhdensuuntaisesti kierto -akselin kanssa.
Tämä artikkeli keskittyy säteittäisiin ja aksiaalisiin turboexpandereihin, jotka keskustelevat niiden eri alatyypeistä, komponenteista ja taloudesta.
Turboexpander uuttaa energiaa korkeapaineisesta kaasuvirrasta ja muuntaa sen käyttökuormaksi. Tyypillisesti kuorma on kompressori tai generaattori, joka on kytketty akseliin. Kompressorilla varustettu turboexpander puristaa nesteen prosessivirran muissa osissa, jotka vaativat paineista nestettä, lisäämällä siten kasvin kokonaistehokkuutta käyttämällä energiaa, joka muuten hukkaantuu. Turboexpander, jolla on generaattorikuormitus, muuntaa energian sähköksi, jota voidaan käyttää muissa kasviprosesseissa tai palauttaa paikalliselle verkkoon myytävänä.
Turboexpander -generaattorit voidaan varustaa joko suoralla käyttöakselilla turbiinipyörästä generaattoriin tai vaihdelaatikko, joka vähentää tehokkaasti syöttönopeutta turbiinipyörästä generaattoriin vaihde -suhteen kautta. Suorat ajomatkan turboexpanderit tarjoavat etuja tehokkuudesta, jalanjäljestä ja ylläpitokustannuksista. Vaihdelaatikon turboexpanderit ovat raskaampia ja vaativat suuremman jalanjäljen, voitelun apuvälineet ja säännöllisen huolto.
Turboexpanderit voidaan valmistaa säteittäisten tai aksiaalisten turbiinien muodossa. Radiaalivirtausaajennukset sisältävät aksiaalisen sisääntulon ja säteittäisen poistoaukon siten, että kaasuvirtaus poistuu turbiinista säteittäisesti pyörimisakselista. Aksiaaliset turbiinit antavat kaasun virtata aksiaalisesti kierto -akselia pitkin. Aksiaalivirtaturbiinit uutettavat energiaa kaasuvirtauksesta sisääntuloluojan läpi laajennuspyörään, laajennuskammion poikkileikkauspinta-ala kasvaa vähitellen vakionopeuden ylläpitämiseksi.
Turboexpander -generaattori koostuu kolmesta pääkomponentista: turbiinipyörä, erityiset laakerit ja generaattori.
Turbiinipyörä. Turbiinipyörät on usein suunniteltu erityisesti aerodynaamisen tehokkuuden optimoimiseksi. Sovellusmuuttujia, jotka vaikuttavat turbiinin pyörän suunnitteluun, sisältävät sisääntulon/poistopaine, sisääntulon/poistolämpötila, tilavuusvirtaus ja nesteen ominaisuudet. Kun puristussuhde on liian korkea vähentyäkseen yhdessä vaiheessa, tarvitaan turbiinipyörien turbiinipyöriä. Sekä radiaaliset että aksiaaliset turbiinipyörät voidaan suunnitella monivaiheisiksi, mutta aksiaaliset turbiinipyörät ovat paljon lyhyempi aksiaalipituus ja siksi ne ovat kompakti. Monivaiheiset säteittäiset virtausturbiinit vaativat kaasua virtaamaan aksiaalista säteittäiseen ja takaisin aksiaaliin, mikä aiheuttaa suurempia kitkahäviöitä kuin aksiaalivirtaturbiinit.
laakerit. Laakerimalli on kriittinen turboexpanderin tehokkaalle toiminnalle. Turboexpander -malleihin liittyvät laakerit vaihtelevat suuresti ja voivat sisältää öljylaakerit, nestemäiset kalvolaakerit, perinteiset kuulalaakerit ja magneettilaakerit. Jokaisella menetelmällä on omat edut ja haitat, kuten taulukossa 1 esitetään.
Monet turboexpander -valmistajat valitsevat magneettiset laakerit "valintalaakeriksi" ainutlaatuisten etujensa vuoksi. Magneettiset laakerit varmistavat turboexpanderin dynaamisten komponenttien kitkattoman toiminnan vähentäen merkittävästi käyttö- ja ylläpitokustannuksia koneen käyttöikäyn. Ne on myös suunniteltu kestämään laaja valikoima aksiaalisia ja säteittäisiä kuormituksia ja ylikuormitusolosuhteita. Niiden korkeammat alkuperäiset kustannukset korvaavat paljon alhaisemmat elinkaarikustannukset.
dynamo. Generaattori ottaa turbiinin kiertoenergian ja muuntaa sen hyödylliseksi sähköenergiaksi sähkömagneettisen generaattorin avulla (joka voi olla induktiogeneraattori tai pysyvä magneettigeneraattori). Induktiogeneraattoreissa on pienempi nimellisnopeus, joten nopea turbiinisovellus vaativat vaihdelaatikkoa, mutta ne voidaan suunnitella vastaamaan ruudukontaajuutta, mikä eliminoi muuttuvan taajuusaseman (VFD) tarpeen tuotetun sähkön toimittamiseksi. Pysyvät magneettigeneraattorit toisaalta voidaan suoraan akselia kytkettynä turbiiniin ja siirtää tehoa ruudukkoon muuttuvan taajuuskäytön kautta. Generaattori on suunniteltu tuottamaan maksimaalinen teho järjestelmän käytettävissä olevan akselin tehon perusteella.
Sinetti. Tiiviste on myös kriittinen komponentti suunnitellessaan turboexpander -järjestelmää. Korkean hyötysuhteen ylläpitämiseksi ja ympäristöstandardien täyttämiseksi järjestelmät on suljettava mahdollisten prosessikaasuvuotojen estämiseksi. TurboExpanderit voidaan varustaa dynaamisilla tai staattisilla tiivisteillä. Dynaamiset tiivisteet, kuten labyrinttitiivisteet ja kuivat kaasutiivisteet, tarjoavat tiivisteen pyörivän akselin ympärillä, tyypillisesti turbiinin pyörän, laakereiden ja muun koneen välillä, jossa generaattori sijaitsee. Dynaamiset tiivisteet kuluvat ajan myötä ja vaativat säännöllistä huoltoa ja tarkastusta varmistaakseen, että ne toimivat kunnolla. Kun kaikki turboexpander -komponentit sisältyvät yhteen koteloon, staattisia tiivisteitä voidaan käyttää kotelosta poistuvien johtojen suojaamiseen, mukaan lukien generaattorille, magneettiseen laakeriaseisiin tai anturit. Nämä ilmatiiviiset tiivisteet tarjoavat pysyvän suojan kaasuvuotoa vastaan eivätkä vaadi huoltoa tai korjausta.
Prosessin kannalta ensisijainen vaatimus laajennuksen asentamiselle on toimittaa korkeapaineinen puristuva (ei-kondensaatio) kaasu matalapaineiseen järjestelmään, jolla on riittävä virtaus, paineen pudotus ja käyttö laitteen normaalin käytön ylläpitämiseksi. Käyttöparametrit ylläpidetään turvallisella ja tehokkaalla tasolla.
Paineen vähentämisfunktion kannalta laajennusta voidaan käyttää Joule-Thomson (JT) -venttiilin korvaamiseen, joka tunnetaan myös nimellä kaasuventtiili. Koska JT -venttiili liikkuu isentrooppista polkua pitkin ja laajennus liikkuu melkein isentrooppista polkua pitkin, jälkimmäinen vähentää kaasun entalpiaa ja muuntaa entalpia -eron akselin voimiseksi, tuottaen siten alhaisemman poistolämpötilan kuin JT -venttiili. Tämä on hyödyllistä kryogeenisissä prosesseissa, joissa tavoitteena on vähentää kaasun lämpötilaa.
Jos poistoaukon lämpötilassa on alaraja (esimerkiksi dekompressioasemalla, jossa kaasun lämpötila on ylläpidettävä jäätymisen, nesteytyksen tai materiaalin vähimmäislämpötilan yläpuolella), vähintään yksi lämmitin on lisättävä. Hallitse kaasun lämpötilaa. Kun esikäsittelijä sijaitsee ylävirtaan laajennuksesta, myös osa syöttökaasun energiasta otetaan talteen laajennukseen, mikä lisää sen tehoa. Joissakin kokoonpanoissa, joissa poistoaukon lämpötilan hallinta vaaditaan, toinen uudelleenkäyttö voidaan asentaa laajennuksen jälkeen nopeamman ohjauksen aikaansaamiseksi.
Kuviossa 3 esitetään yksinkertaistetun kaavion laajennusgeneraattorin yleisestä virtauskaaviosta, jolla on esilämmitin, jota käytetään JT -venttiilin korvaamiseen.
Muissa prosessikokoonpanoissa laajennuksessa otettu energia voidaan siirtää suoraan kompressorille. Näissä koneissa, joita joskus kutsutaan ”komentajiksi”, on yleensä laajentumis- ja puristusvaiheet, jotka on kytketty yhdellä tai useammalla akselilla, jotka voivat myös sisältää vaihdelaatikkona näiden kahden vaiheen välisen nopeuseron säätelemiseksi. Se voi sisältää myös ylimääräisen moottorin, joka tarjoaa enemmän virtaa puristusvaiheeseen.
Alla on joitain tärkeimmistä komponenteista, jotka varmistavat järjestelmän asianmukaisen toiminnan ja stabiilisuuden.
Ohitusventtiili tai paineen vähentävä venttiili. Ohitusventtiili antaa toiminnan jatkaa, kun turboexpander ei toimi (esimerkiksi ylläpidossa tai hätätilanteessa), kun taas paineen vähentävää venttiiliä käytetään jatkuvaan toimintaan ylimääräisen kaasun toimittamiseksi, kun kokonaisvirta ylittää laajennuksen suunnittelukapasiteetin.
Hätätilanteen sammutusventtiili (ESD). ESD -venttiilejä käytetään kaasun virtauksen estämiseen laajennukseen hätätilanteessa mekaanisten vaurioiden välttämiseksi.
Instrumentit ja hallintalaitteet. Tärkeitä seurannan muuttujia ovat tulo- ja poistopaine, virtausnopeus, pyörimisnopeus ja tehonlähtö.
Ajo liiallisella nopeudella. Laite katkaisee virtauksen turbiiniin aiheuttaen turbiiniroottorin hidastumisen, suojaamalla laitteet siten liiallisilta nopeuksilta odottamattomien prosessiolosuhteiden vuoksi, jotka voivat vahingoittaa laitteita.
Painevahinko (PSV). PSV: t asennetaan usein turboexpanderin jälkeen putkistojen ja matalan paineen laitteiden suojaamiseksi. PSV on suunniteltava kestämään vakavimmat ennakoimattomuudet, jotka yleensä sisältävät ohitusventtiilin epäonnistumisen avaamiseksi. Jos laajennus lisätään olemassa olevaan paineen vähentämisasemaan, prosessisuunnittelutiimin on määritettävä, tarjoaako olemassa oleva PSV riittävä suoja.
Lämmitin. Lämmittimet kompensoivat turbiinin läpi kulkevan kaasun aiheuttaman lämpötilan pudotuksen, joten kaasu on esilämmitetty. Sen päätehtävänä on nostaa nousevan kaasun virtauksen lämpötilaa kaasun lämpötilan ylläpitämiseksi, joka jättää laajennuksen vähimmäisarvon yläpuolelle. Toinen lämpötilan nostamisen etu on lisätä tehontuotantoa sekä estää korroosiota, kondensaatiota tai hydraatteja, jotka voivat vaikuttaa haitallisesti laitteiden suuttimiin. Järjestelmissä, jotka sisältävät lämmönvaihtimia (kuten kuvassa 3 esitetään), kaasun lämpötilaa säädetään yleensä säätelemällä lämmitetyn nesteen virtausta esimehukseen. Joissakin malleissa voidaan käyttää liekinlämmitintä tai sähkölämmitinta lämmönvaihtimen sijasta. Lämmittimiä voi olla jo olemassa olevalla JT -venttiilin asemalla, ja laajennuksen lisääminen ei välttämättä edellytä lisälämmittimien asentamista, vaan pikemminkin lisäämällä lämmitetyn nesteen virtausta.
Voiteluöljy- ja hylkeen kaasujärjestelmät. Kuten edellä mainittiin, laajennimet voivat käyttää erilaisia tiivistimien malleja, jotka saattavat vaatia voiteluaineita ja tiivistyskaasuja. Voiteltavaksi voiteluöljyn on säilytettävä korkea laatu ja puhtaus kosketuksessa prosessikaasujen kanssa, ja öljyn viskositeettitason on pysyttävä vaaditussa voitelulaakerissa. Suljetut kaasujärjestelmät on yleensä varustettu öljyvoitelulaitteella estämään laakerilaatikon öljy, joka pääsee laajennuslaatikkoon. Hiilivetyteollisuudessa käytettyjen komplereiden erityissovelluksissa voiteluöljy- ja tiivistekaasujärjestelmät on tyypillisesti suunniteltu API 617 [5] -osa 4 -määrityksiin.
Muuttuvan taajuusasema (VFD). Kun generaattori on induktio, VFD kytketään tyypillisesti päälle säätääksesi vaihtovirran (AC) signaalia vastaamaan hyötytaajuutta. Tyypillisesti muuttuvien taajuusasemien perustuvat mallit ovat suurempi kokonaistehokkuus kuin malleilla, jotka käyttävät vaihdelaatikkoja tai muita mekaanisia komponentteja. VFD-pohjaiset järjestelmät voivat myös mahtua laajempaan prosessimuutoksiin, jotka voivat johtaa muutoksiin laajennusakselin nopeudessa.
Tarttuminen. Jotkut laajennusmallit käyttävät vaihdelaatikkoa vähentääksesi laajennuksen nopeutta generaattorin nimellisnopeuteen. Vaihteistolaatikon käytön kustannukset ovat alhaisempi kokonaistehokkuus ja siten pienempi teho.
Kun valmistelet tarjouspyyntöä (RFQ) laajennusta varten, prosessisuunnittelijan on ensin määritettävä käyttöolosuhteet, mukaan lukien seuraavat tiedot:
Konekaaniset insinöörit täyttävät usein laajennusgeneraattorien eritelmät ja eritelmät muiden tekniikan tieteiden tietojen avulla. Nämä tulot voivat sisältää seuraavat:
Eritelmien on sisällytettävä myös luettelo valmistajan toimittamista asiakirjoista ja piirustuksista osana tarjousprosessia ja toimitusten laajuutta sekä hankkeen edellyttämiä sovellettavia testimenettelyjä.
Valmistajan toimittamien teknisten tietojen osana tarjousprosessia tulisi yleensä sisältää seuraavat elementit:
Jos jokin ehdotuksen osa eroaa alkuperäisistä eritelmistä, valmistajan on myös tarjottava luettelo poikkeamista ja poikkeamien syistä.
Kun ehdotus on vastaanotettu, projektiryhmän on tarkistettava vaatimustenmukaisuuspyyntö ja selvitettävä, ovatko variaatiot teknisesti perusteltuja.
Muita teknisiä näkökohtia, jotka on otettava huomioon ehdotusten arvioinnissa, ovat:
Lopuksi on suoritettava taloudellinen analyysi. Koska erilaiset vaihtoehdot voivat johtaa erilaisiin alkuperäisiin kustannuksiin, on suositeltavaa, että kassavirta- tai elinkaarikustannusanalyysi suoritetaan projektin pitkän aikavälin taloustieteen ja sijoitetun pääoman tuoton vertaamiseksi. Esimerkiksi korkeampi alkuinvestointi voidaan kompensoida pitkällä aikavälillä lisääntyneellä tuottavuudella tai vähentyneillä ylläpitovaatimuksilla. Katso tämän tyyppisestä analyysistä ohjeet ”Viitteet”. 4.
Kaikki turboexpander-generaattorisovellukset vaativat alkuperäisen kokonaispotentiaalitehonlaskelman käytettävissä olevan energian kokonaismäärän määrittämiseksi, joka voidaan hyödyntää tietyssä sovelluksessa. Turboexpander -generaattorille tehopotentiaali lasketaan isentrooppisena (vakio entropia) -prosessina. Tämä on ihanteellinen termodynaaminen tilanne harkitsemaan palautuvaa adiabaattista prosessia ilman kitkaa, mutta se on oikea prosessi todellisen energiapotentiaalin arvioimiseksi.
Isentrooppinen potentiaalienergia (IPP) lasketaan kertomalla spesifinen entalpiaero turboexpanderin sisääntulo- ja poistoaukossa ja kertomalla tulos massan virtausnopeudella. Tämä potentiaalienergia ilmaistaan isentrooppisena määränä (yhtälö (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Missä H (i, E) on erityinen entalpia ottaen huomioon isentrooppinen poistolämpötila ja ṁ on massan virtausnopeus.
Vaikka isentropista potentiaalienergiaa voidaan käyttää potentiaalienergian arviointiin, kaikkiin todellisiin järjestelmiin sisältyy kitka, lämpö ja muut liitännäiset energiahäviöt. Siten todellisen tehopotentiaalin laskettaessa seuraavat lisätulotiedot on otettava huomioon:
Useimmissa turboexpander -sovelluksissa lämpötila on rajoitettu minimiin, jotta estävät aiemmin mainitut putkien jäädyttämisen ei -toivotut ongelmat. Kun maakaasu virtaa, hydraatteja on melkein aina läsnä, mikä tarkoittaa, että turboexpanderin tai kaasuventtiilin putkilinja jäätyy sisäisesti ja ulkoisesti, jos poistolämpötila laskee alle 0 ° C. Jään muodostuminen voi johtaa virtausrajoitukseen ja lopulta sammuttaa järjestelmän sulattamiseksi. Siten ”haluttu” poistoaukkoa käytetään realistisemman potentiaalisen tehon skenaarion laskemiseen. Kaasujen, kuten vety, lämpötilaraja on kuitenkin paljon alhaisempi, koska vety ei muutu kaasusta nesteeksi, ennen kuin se saavuttaa kryogeenisen lämpötilan (-253 ° C). Käytä tätä halutun poistolämpötilan laskemaan spesifinen entalpia.
Turboexpander -järjestelmän tehokkuutta on myös otettava huomioon. Käytetystä tekniikasta riippuen järjestelmän tehokkuus voi vaihdella merkittävästi. Esimerkiksi turboexpander, joka käyttää pelkistysvälinettä kiertoenergian siirtämiseen turbiinista generaattoriin, kokee suuremmat kitkahäviöt kuin järjestelmä, joka käyttää suoraa ajamista turbiinista generaattoriin. Turboexpander -järjestelmän yleinen tehokkuus ilmaistaan prosentteina, ja se otetaan huomioon arvioitaessa turboexpanderin todellista tehopotentiaalia. Varsinainen tehopotentiaali (PP) lasketaan seuraavasti:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Katsotaanpa maakaasun paineen lievittämistä. ABC käyttää ja ylläpitää paineen vähentämisasemaa, joka kuljettaa maakaasua pääputkelta ja jakaa sen paikallisille kunnille. Tällä asemalla kaasun sisääntulopaine on 40 bar ja poistopaine on 8 bar. Esilämmitetty sisääntulon kaasun lämpötila on 35 ° C, joka esilämmittää kaasua putkilinjan jäätymisen estämiseksi. Siksi poistokaasun lämpötilaa on ohjattava siten, että se ei laskeudu alle 0 ° C. Tässä esimerkissä käytämme 5 ° C: n vähimmäislämpötilaa turvakertoimen lisäämiseksi. Normalisoitu tilavuuskaasun virtausnopeus on 50 000 nm3/h. Tehopotentiaalin laskemiseksi oletetaan, että kaikki kaasu virtaa turbo -laajennuksen läpi ja laskee maksimitehon tuotannon. Arvioi kokonaistehotuottopotentiaali seuraavan laskelman avulla:
Viestin aika: toukokuu-25-2024