Pengembara boleh menggunakan pengurangan tekanan untuk memacu mesin berputar. Maklumat tentang cara menilai potensi manfaat memasang extender boleh didapati di sini.
Biasanya dalam industri proses kimia (CPI), "sejumlah besar tenaga dibazirkan dalam injap kawalan tekanan di mana cecair tekanan tinggi mesti ditekankan" [1]. Bergantung kepada pelbagai faktor teknikal dan ekonomi, mungkin wajar untuk menukar tenaga ini menjadi tenaga mekanikal berputar, yang boleh digunakan untuk memacu penjana atau mesin berputar lain. Untuk cecair yang tidak dapat dikompresikan (cecair), ini dicapai menggunakan turbin pemulihan tenaga hidraulik (HPRT; lihat Rujukan 1). Untuk cecair mampat (gas), expander adalah mesin yang sesuai.
Pengembara adalah teknologi matang dengan banyak aplikasi yang berjaya seperti retak pemangkin cecair (FCC), penyejukan, injap bandar gas asli, pemisahan udara atau pelepasan ekzos. Pada dasarnya, mana -mana aliran gas dengan tekanan yang dikurangkan boleh digunakan untuk memacu expander, tetapi "output tenaga adalah berkadar terus dengan nisbah tekanan, suhu dan kadar aliran aliran gas" [2], serta kemungkinan teknikal dan ekonomi. Pelaksanaan Expander: Proses ini bergantung kepada faktor -faktor ini dan lain -lain, seperti harga tenaga tempatan dan ketersediaan peralatan yang sesuai.
Walaupun turboexpander (berfungsi sama dengan turbin) adalah jenis pengeksploitasi yang paling terkenal (Rajah 1), terdapat jenis lain yang sesuai untuk keadaan proses yang berbeza. Artikel ini memperkenalkan jenis pengusaha utama dan komponen mereka dan meringkaskan bagaimana pengurus operasi, perunding atau juruaudit tenaga di pelbagai bahagian CPI dapat menilai manfaat ekonomi dan alam sekitar yang berpotensi memasang expander.
Terdapat banyak jenis band rintangan yang berbeza -beza dalam geometri dan fungsi. Jenis utama ditunjukkan dalam Rajah 2, dan setiap jenis diterangkan secara ringkas di bawah. Untuk maklumat lanjut, serta graf membandingkan status operasi setiap jenis berdasarkan diameter tertentu dan kelajuan tertentu, lihat bantuan. 3.
Piston Turboexpander. Piston dan rotary omboh turboexpanders beroperasi seperti enjin pembakaran dalaman yang berputar terbalik, menyerap gas tekanan tinggi dan menukar tenaga tersimpannya ke dalam tenaga putaran melalui engkol engkol.
Seret Expander Turbo. Ekspander turbin brek terdiri daripada ruang aliran sepusat dengan sirip baldi yang dilampirkan ke pinggir elemen berputar. Mereka direka dengan cara yang sama seperti roda air, tetapi keratan rentas ruang sepusat meningkat dari salur masuk ke outlet, membolehkan gas berkembang.
Radial Turboexpander. Turboexpanders aliran radial mempunyai salur masuk paksi dan saluran radial, yang membolehkan gas berkembang secara radiasi melalui pendesak turbin. Begitu juga, turbin aliran paksi mengembangkan gas melalui roda turbin, tetapi arah aliran tetap selari dengan paksi putaran.
Artikel ini memberi tumpuan kepada turboexpanders radial dan paksi, membincangkan pelbagai subtipe, komponen, dan ekonomi mereka.
Turboexpander mengekstrak tenaga dari aliran gas bertekanan tinggi dan menukarkannya menjadi beban pemacu. Biasanya beban adalah pemampat atau penjana yang disambungkan ke aci. Turboexpander dengan pemampat memampatkan cecair di bahagian lain aliran proses yang memerlukan cecair termampat, dengan itu meningkatkan kecekapan keseluruhan tumbuhan dengan menggunakan tenaga yang sebaliknya sia -sia. Turboexpander dengan beban penjana menukar tenaga ke dalam elektrik, yang boleh digunakan dalam proses tumbuhan lain atau dikembalikan ke grid tempatan untuk dijual.
Penjana TurboExpander boleh dilengkapi dengan sama ada aci pemacu langsung dari roda turbin ke penjana, atau melalui kotak gear yang berkesan mengurangkan kelajuan input dari roda turbin ke penjana melalui nisbah gear. TurboExpanders Direct Drive menawarkan kelebihan dalam kecekapan, jejak dan kos penyelenggaraan. Gearbox TurboExpanders lebih berat dan memerlukan jejak yang lebih besar, peralatan tambahan pelinciran, dan penyelenggaraan tetap.
Turboexpanders aliran boleh dibuat dalam bentuk turbin radial atau paksi. Pengembangan aliran radial mengandungi salur masuk paksi dan saluran radial supaya aliran gas keluar dari turbin secara radiasi dari paksi putaran. Turbin paksi membolehkan gas mengalir di sepanjang paksi putaran. Turbin aliran paksi mengekstrak tenaga dari aliran gas melalui bilah panduan masuk ke roda expander, dengan kawasan keratan rentas ruang pengembangan secara beransur-ansur meningkat untuk mengekalkan kelajuan yang berterusan.
Penjana Turboexpander terdiri daripada tiga komponen utama: roda turbin, galas khas dan penjana.
Roda turbin. Roda turbin sering direka khusus untuk mengoptimumkan kecekapan aerodinamik. Pembolehubah aplikasi yang mempengaruhi reka bentuk roda turbin termasuk tekanan masuk/keluar, suhu masuk/keluar, aliran kelantangan, dan sifat bendalir. Apabila nisbah mampatan terlalu tinggi untuk dikurangkan dalam satu peringkat, turboexpander dengan roda turbin berganda diperlukan. Kedua-dua roda turbin radial dan paksi boleh direka sebagai pelbagai peringkat, tetapi roda turbin paksi mempunyai panjang paksi yang lebih pendek dan oleh itu lebih padat. Turbin aliran radial multistage memerlukan gas mengalir dari paksi ke radial dan kembali ke paksi, mewujudkan kerugian geseran yang lebih tinggi daripada turbin aliran paksi.
galas. Reka bentuk galas adalah penting untuk operasi yang cekap dari turboexpander. Jenis galas yang berkaitan dengan reka bentuk turboexpander berbeza -beza dan boleh termasuk galas minyak, galas filem cecair, galas bola tradisional, dan galas magnet. Setiap kaedah mempunyai kelebihan dan kekurangannya sendiri, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1.
Banyak pengeluar Turboexpander memilih galas magnet sebagai "pilihan pilihan" mereka kerana kelebihan unik mereka. Galas magnet memastikan operasi bebas geseran komponen dinamik Turboexpander, dengan ketara mengurangkan kos operasi dan penyelenggaraan sepanjang hayat mesin. Mereka juga direka untuk menahan pelbagai jenis paksi dan radial dan keadaan overstress. Kos awal mereka yang lebih tinggi diimbangi oleh kos kitaran hayat yang lebih rendah.
Dynamo. Penjana mengambil tenaga putaran turbin dan menukarkannya menjadi tenaga elektrik yang berguna menggunakan penjana elektromagnet (yang boleh menjadi penjana induksi atau penjana magnet kekal). Penjana induksi mempunyai kelajuan yang lebih rendah, jadi aplikasi turbin berkelajuan tinggi memerlukan kotak gear, tetapi boleh direka untuk memadankan kekerapan grid, menghapuskan keperluan untuk pemacu kekerapan berubah (VFD) untuk membekalkan elektrik yang dihasilkan. Penjana magnet tetap, sebaliknya, boleh secara langsung aci ditambah ke turbin dan menghantar kuasa ke grid melalui pemacu frekuensi berubah. Penjana direka untuk menyampaikan kuasa maksimum berdasarkan kuasa aci yang terdapat dalam sistem.
Anjing laut. Meterai juga merupakan komponen kritikal apabila mereka bentuk sistem turboexpander. Untuk mengekalkan kecekapan yang tinggi dan memenuhi piawaian alam sekitar, sistem mesti dimeteraikan untuk mencegah kebocoran gas proses yang berpotensi. TurboExpanders boleh dilengkapi dengan meterai dinamik atau statik. Meterai dinamik, seperti meterai labirin dan meterai gas kering, menyediakan meterai di sekitar aci berputar, biasanya di antara roda turbin, galas dan seluruh mesin di mana penjana terletak. Meterai dinamik haus dari masa ke masa dan memerlukan penyelenggaraan dan pemeriksaan yang kerap untuk memastikan ia berfungsi dengan baik. Apabila semua komponen Turboexpander terkandung dalam satu perumahan, meterai statik boleh digunakan untuk melindungi sebarang petunjuk yang keluar dari perumahan, termasuk penjana, pemacu galas magnetik, atau sensor. Meterai kedap udara ini memberikan perlindungan kekal terhadap kebocoran gas dan tidak memerlukan penyelenggaraan atau pembaikan.
Dari sudut pandangan proses, keperluan utama untuk memasang expander adalah untuk membekalkan gas yang tinggi (tidak boleh diperhatikan) tekanan tinggi ke sistem tekanan rendah dengan aliran yang mencukupi, penurunan tekanan dan penggunaan untuk mengekalkan operasi biasa peralatan. Parameter operasi dikekalkan pada tahap yang selamat dan cekap.
Dari segi fungsi mengurangkan tekanan, expander boleh digunakan untuk menggantikan injap Joule-Thomson (JT), yang juga dikenali sebagai injap pendikit. Oleh kerana injap JT bergerak di sepanjang laluan isentropik dan pengangkut bergerak di sepanjang laluan hampir isentropik, yang terakhir mengurangkan entalpi gas dan menukarkan perbezaan entalpi ke dalam kuasa aci, dengan itu menghasilkan suhu outlet yang lebih rendah daripada injap JT. Ini berguna dalam proses kriogenik di mana matlamatnya adalah untuk mengurangkan suhu gas.
Sekiranya terdapat had yang lebih rendah pada suhu gas outlet (contohnya, di stesen penyahmampatan di mana suhu gas mesti dikekalkan di atas pembekuan, penghidratan, atau suhu reka bentuk bahan minimum), sekurang -kurangnya satu pemanas mesti ditambah. mengawal suhu gas. Apabila Preheater terletak di hulu pengangkut, beberapa tenaga dari gas suapan juga pulih di expander, dengan itu meningkatkan output kuasa. Dalam sesetengah konfigurasi di mana kawalan suhu outlet diperlukan, pemulihan kedua boleh dipasang selepas expander untuk memberikan kawalan yang lebih cepat.
Dalam Rajah Rajah 3 menunjukkan gambarajah mudah rajah aliran umum penjana expander dengan preheater yang digunakan untuk menggantikan injap JT.
Dalam konfigurasi proses lain, tenaga yang pulih dalam expander boleh dipindahkan terus ke pemampat. Mesin -mesin ini, kadang -kadang dipanggil "komander", biasanya mempunyai tahap pengembangan dan mampatan yang disambungkan oleh satu atau lebih aci, yang juga termasuk kotak gear untuk mengawal perbezaan kelajuan antara kedua -dua peringkat. Ia juga boleh termasuk motor tambahan untuk memberikan lebih banyak kuasa ke peringkat mampatan.
Berikut adalah beberapa komponen yang paling penting yang memastikan operasi dan kestabilan sistem yang betul.
Injap pintasan atau injap mengurangkan tekanan. Injap pintasan membolehkan operasi diteruskan apabila TurboExpander tidak beroperasi (contohnya, untuk penyelenggaraan atau kecemasan), manakala injap pengurangan tekanan digunakan untuk operasi berterusan untuk membekalkan gas yang berlebihan apabila jumlah aliran melebihi kapasiti reka bentuk expander.
Injap penutupan kecemasan (ESD). Injap ESD digunakan untuk menyekat aliran gas ke dalam expander dalam kecemasan untuk mengelakkan kerosakan mekanikal.
Instrumen dan kawalan. Pembolehubah penting untuk memantau termasuk tekanan masuk dan keluar, kadar aliran, kelajuan putaran, dan output kuasa.
Memandu pada kelajuan yang berlebihan. Peranti ini memotong aliran ke turbin, menyebabkan pemutar turbin melambatkan, dengan itu melindungi peralatan dari kelajuan yang berlebihan disebabkan oleh keadaan proses yang tidak dijangka yang boleh merosakkan peralatan.
Injap Keselamatan Tekanan (PSV). PSV sering dipasang selepas turboexpander untuk melindungi saluran paip dan peralatan tekanan rendah. PSV mesti direka untuk menahan kontinjensi yang paling teruk, yang biasanya termasuk kegagalan injap pintasan untuk dibuka. Sekiranya pengangkut ditambah ke stesen pengurangan tekanan yang sedia ada, pasukan reka bentuk proses mesti menentukan sama ada PSV yang sedia ada memberikan perlindungan yang mencukupi.
Pemanas. Pemanas mengimbangi penurunan suhu yang disebabkan oleh gas yang melalui turbin, jadi gas mesti dipanaskan. Fungsi utamanya adalah untuk meningkatkan suhu aliran gas yang semakin meningkat untuk mengekalkan suhu gas yang meninggalkan expander melebihi nilai minimum. Manfaat lain untuk meningkatkan suhu adalah untuk meningkatkan output kuasa serta mencegah kakisan, pemeluwapan, atau hidrat yang boleh menjejaskan muncung peralatan. Dalam sistem yang mengandungi penukar haba (seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3), suhu gas biasanya dikawal dengan mengawal aliran cecair yang dipanaskan ke dalam preheater. Dalam sesetengah reka bentuk, pemanas api atau pemanas elektrik boleh digunakan dan bukan penukar haba. Pemanas mungkin sudah wujud di stesen injap JT yang sedia ada, dan menambah pengeksport mungkin tidak memerlukan memasang pemanas tambahan, tetapi meningkatkan aliran cecair yang dipanaskan.
Sistem minyak dan meterai pelincir. Seperti yang dinyatakan di atas, pengusaha boleh menggunakan reka bentuk meterai yang berbeza, yang mungkin memerlukan pelincir dan gas pengedap. Di mana berkenaan, minyak pelincir mesti mengekalkan kualiti dan kesucian yang tinggi apabila bersentuhan dengan gas proses, dan tahap kelikatan minyak mesti kekal dalam pelbagai operasi beroperasi yang diperlukan. Sistem gas yang dimeteraikan biasanya dilengkapi dengan peranti pelinciran minyak untuk mengelakkan minyak dari kotak galas daripada memasuki kotak pengembangan. Untuk aplikasi khas pengkomputeran yang digunakan dalam industri hidrokarbon, minyak minyak dan sistem gas pelincir biasanya direka untuk spesifikasi API 617 [5] Bahagian 4.
Pemacu Kekerapan Variabel (VFD). Apabila penjana adalah induksi, VFD biasanya dihidupkan untuk menyesuaikan isyarat arus (AC) untuk menyesuaikan kekerapan utiliti. Biasanya, reka bentuk berdasarkan pemacu kekerapan berubah mempunyai kecekapan keseluruhan yang lebih tinggi daripada reka bentuk yang menggunakan kotak gear atau komponen mekanikal yang lain. Sistem berasaskan VFD juga boleh menampung pelbagai perubahan proses yang boleh menyebabkan perubahan dalam kelajuan aci expander.
Penularan. Sesetengah reka bentuk expander menggunakan kotak gear untuk mengurangkan kelajuan expander kepada kelajuan yang diberi nilai penjana. Kos menggunakan kotak gear adalah kecekapan keseluruhan yang lebih rendah dan oleh itu output kuasa yang lebih rendah.
Semasa menyediakan permintaan untuk petikan (RFQ) untuk pengeksploitasi, jurutera proses mesti terlebih dahulu menentukan keadaan operasi, termasuk maklumat berikut:
Jurutera mekanikal sering melengkapkan spesifikasi dan spesifikasi penjana expander menggunakan data dari disiplin kejuruteraan lain. Input ini mungkin termasuk yang berikut:
Spesifikasi juga mesti termasuk senarai dokumen dan lukisan yang disediakan oleh pengilang sebagai sebahagian daripada proses tender dan skop bekalan, serta prosedur ujian yang berkenaan seperti yang dikehendaki oleh projek.
Maklumat teknikal yang disediakan oleh pengilang sebagai sebahagian daripada proses tender secara amnya termasuk unsur -unsur berikut:
Jika sebarang aspek cadangan berbeza daripada spesifikasi asal, pengilang juga mesti memberikan senarai penyimpangan dan sebab -sebab penyimpangan.
Sebaik sahaja cadangan diterima, pasukan pembangunan projek mesti mengkaji semula permintaan pematuhan dan menentukan sama ada variasi secara teknikal dibenarkan.
Pertimbangan teknikal lain yang perlu dipertimbangkan semasa menilai cadangan termasuk:
Akhirnya, analisis ekonomi perlu dijalankan. Oleh kerana pilihan yang berbeza mungkin mengakibatkan kos awal yang berbeza, disyorkan bahawa aliran tunai atau analisis kos kitaran hayat dilakukan untuk membandingkan ekonomi jangka panjang projek dan pulangan pelaburan. Sebagai contoh, pelaburan awal yang lebih tinggi mungkin diimbangi dalam jangka panjang dengan peningkatan produktiviti atau keperluan penyelenggaraan yang dikurangkan. Lihat "Rujukan" untuk arahan mengenai analisis jenis ini. 4.
Semua aplikasi penjana turboexpander memerlukan pengiraan kuasa potensi awal untuk menentukan jumlah tenaga yang ada yang boleh dipulihkan dalam aplikasi tertentu. Untuk penjana turboexpander, potensi kuasa dikira sebagai proses isentropik (entropi berterusan). Ini adalah keadaan termodinamik yang ideal untuk mempertimbangkan proses adiabatik yang boleh diterbalikkan tanpa geseran, tetapi ia adalah proses yang betul untuk menganggarkan potensi tenaga sebenar.
Tenaga potensi isentropik (IPP) dikira dengan mengalikan perbezaan entalpi tertentu di salur masuk dan keluar dari turboexpander dan mengalikan hasil dengan kadar aliran massa. Tenaga berpotensi ini akan dinyatakan sebagai kuantiti isentropik (Persamaan (1)):
IPP = (Hinlet - H (i, E)) × ṁ x ŋ (1)
di mana H (i, e) adalah entalpi khusus yang mengambil kira suhu outlet isentropik dan ṁ adalah kadar aliran jisim.
Walaupun tenaga berpotensi isentropik boleh digunakan untuk menganggarkan tenaga yang berpotensi, semua sistem sebenar melibatkan geseran, haba, dan kehilangan tenaga sampingan yang lain. Oleh itu, apabila mengira potensi kuasa sebenar, data input tambahan berikut perlu diambil kira:
Dalam kebanyakan aplikasi Turboexpander, suhu terhad kepada minimum untuk mengelakkan masalah yang tidak diingini seperti pembekuan paip yang disebutkan sebelumnya. Di mana gas asli mengalir, hidrat hampir selalu hadir, yang bermaksud bahawa saluran paip hiliran dari turboexpander atau injap pendikit akan membekukan secara dalaman dan luaran jika suhu outlet jatuh di bawah 0 ° C. Pembentukan ais boleh mengakibatkan sekatan aliran dan akhirnya menutup sistem untuk mencairkan. Oleh itu, suhu outlet "yang dikehendaki" digunakan untuk mengira senario kuasa berpotensi yang lebih realistik. Walau bagaimanapun, untuk gas seperti hidrogen, had suhu jauh lebih rendah kerana hidrogen tidak berubah dari gas ke cecair sehingga mencapai suhu kriogenik (-253 ° C). Gunakan suhu outlet yang dikehendaki ini untuk mengira entalpi tertentu.
Kecekapan sistem turboexpander juga mesti dipertimbangkan. Bergantung pada teknologi yang digunakan, kecekapan sistem boleh berbeza -beza dengan ketara. Sebagai contoh, turboexpander yang menggunakan gear pengurangan untuk memindahkan tenaga putaran dari turbin ke penjana akan mengalami kerugian geseran yang lebih besar daripada sistem yang menggunakan pemacu langsung dari turbin ke penjana. Kecekapan keseluruhan sistem turboexpander dinyatakan sebagai peratusan dan diambil kira apabila menilai potensi kuasa sebenar Turboexpander. Potensi Kuasa Sebenar (PP) dikira seperti berikut:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Mari kita lihat penggunaan pelepasan tekanan gas asli. ABC mengendalikan dan mengekalkan stesen pengurangan tekanan yang mengangkut gas asli dari saluran paip utama dan mengedarkannya ke majlis perbandaran tempatan. Di stesen ini, tekanan masuk gas adalah 40 bar dan tekanan keluar adalah 8 bar. Suhu gas masuk yang dipanaskan adalah 35 ° C, yang memanaskan gas untuk mencegah pembekuan saluran paip. Oleh itu, suhu gas outlet mesti dikawal supaya ia tidak jatuh di bawah 0 ° C. Dalam contoh ini kita akan menggunakan 5 ° C sebagai suhu outlet minimum untuk meningkatkan faktor keselamatan. Kadar aliran gas volumetrik yang dinormalisasi ialah 50,000 nm3/h. Untuk mengira potensi kuasa, kami akan mengandaikan bahawa semua gas mengalir melalui Expander Turbo dan mengira output kuasa maksimum. Anggarkan jumlah potensi output kuasa menggunakan pengiraan berikut:
Masa Post: Mei-25-2024