Pengembang boleh menggunakan pengurangan tekanan untuk memacu mesin berputar. Maklumat tentang cara menilai potensi faedah memasang pemanjang boleh didapati di sini.
Biasanya dalam industri proses kimia (CPI), "sebilangan besar tenaga terbuang dalam injap kawalan tekanan di mana cecair tekanan tinggi mesti ditekan" [1]. Bergantung kepada pelbagai faktor teknikal dan ekonomi, mungkin wajar untuk menukar tenaga ini kepada tenaga mekanikal berputar, yang boleh digunakan untuk memacu penjana atau mesin berputar lain. Untuk cecair tidak boleh mampat (cecair), ini dicapai menggunakan turbin pemulihan tenaga hidraulik (HPRT; lihat rujukan 1). Untuk cecair boleh mampat (gas), pengembang adalah mesin yang sesuai.
Pengembang ialah teknologi matang dengan banyak aplikasi yang berjaya seperti keretakan katalitik bendalir (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 pengembang, tetapi "keluaran tenaga adalah berkadar terus dengan nisbah tekanan, suhu dan kadar aliran aliran gas" [2], serta kemungkinan teknikal dan ekonomi. Pelaksanaan Expander: Proses bergantung pada faktor ini dan faktor lain, seperti harga tenaga tempatan dan ketersediaan peralatan yang sesuai oleh pengeluar.
Walaupun pengembang turbo (berfungsi serupa dengan turbin) adalah jenis pengembang yang paling terkenal (Rajah 1), terdapat jenis lain yang sesuai untuk keadaan proses yang berbeza. Artikel ini memperkenalkan jenis utama pengembang dan komponennya serta meringkaskan cara pengurus operasi, perunding atau juruaudit tenaga dalam pelbagai bahagian CPI boleh menilai potensi manfaat ekonomi dan alam sekitar untuk memasang pengembang.
Terdapat pelbagai jenis jalur rintangan yang sangat berbeza dalam geometri dan fungsi. Jenis utama ditunjukkan dalam Rajah 2, dan setiap jenis diterangkan secara ringkas di bawah. Untuk mendapatkan maklumat lanjut, serta graf yang membandingkan status pengendalian setiap jenis berdasarkan diameter dan kelajuan tertentu, lihat Bantuan. 3.
Pengembang turbo omboh. Pengembang turbo omboh dan omboh berputar beroperasi seperti enjin pembakaran dalaman yang berputar balik, menyerap gas tekanan tinggi dan menukar tenaga tersimpannya kepada tenaga putaran melalui aci engkol.
Seret pengembang turbo. Pengembang turbin brek terdiri daripada ruang aliran sepusat dengan sirip baldi dilekatkan pada pinggir elemen berputar. Mereka direka dengan cara yang sama seperti roda air, tetapi keratan rentas ruang sepusat meningkat dari salur masuk ke alur keluar, membolehkan gas mengembang.
Pengembang turbo jejari. Pengembang turbo aliran jejari mempunyai salur masuk paksi dan salur keluar jejari, membolehkan gas mengembang secara jejari melalui pendesak turbin. Begitu juga, turbin aliran paksi mengembang gas melalui roda turbin, tetapi arah aliran kekal selari dengan paksi putaran.
Artikel ini memfokuskan pada pengembang turbo jejarian dan paksi, membincangkan pelbagai subjenis, komponen dan ekonominya.
Pengembang turbo mengekstrak tenaga daripada aliran gas bertekanan tinggi dan menukarkannya kepada beban pemacu. Biasanya beban adalah pemampat atau penjana yang disambungkan ke aci. Pengembang turbo dengan pemampat memampatkan bendalir di bahagian lain aliran proses yang memerlukan bendalir termampat, dengan itu meningkatkan kecekapan keseluruhan loji dengan menggunakan tenaga yang sebaliknya terbuang. Pengembang turbo dengan beban penjana menukar tenaga kepada elektrik, yang boleh digunakan dalam proses loji lain atau dikembalikan ke grid tempatan untuk dijual.
Penjana Turboexpander boleh dilengkapi sama ada aci pemacu terus dari roda turbin ke penjana, atau melalui kotak gear yang mengurangkan kelajuan input secara berkesan dari roda turbin ke penjana melalui nisbah gear. Pengembang turbo pemacu terus menawarkan kelebihan dalam kecekapan, jejak dan kos penyelenggaraan. Pengembang turbo kotak gear lebih berat dan memerlukan jejak yang lebih besar, peralatan tambahan pelinciran dan penyelenggaraan tetap.
Pengembang turbo melalui aliran boleh dibuat dalam bentuk turbin jejarian atau paksi. Pengembang aliran jejari mengandungi salur masuk paksi dan salur keluar jejari supaya aliran gas keluar dari turbin secara jejari dari paksi putaran. Turbin paksi membenarkan gas mengalir secara paksi di sepanjang paksi putaran. Turbin aliran paksi mengekstrak tenaga daripada aliran gas melalui ram pemandu masuk ke roda pengembang, dengan luas keratan rentas ruang pengembangan secara beransur-ansur meningkat untuk mengekalkan kelajuan yang tetap.
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 salur masuk/salur keluar, suhu salur masuk/salur keluar, aliran isipadu dan sifat bendalir. Apabila nisbah mampatan terlalu tinggi untuk dikurangkan dalam satu peringkat, pengembang turbo dengan berbilang roda turbin diperlukan. Kedua-dua roda turbin jejari dan paksi boleh direka bentuk sebagai roda berbilang peringkat, tetapi roda turbin paksi mempunyai panjang paksi yang lebih pendek dan oleh itu lebih padat. Turbin aliran jejari berbilang peringkat memerlukan gas untuk mengalir dari paksi ke jejari dan kembali ke paksi, mewujudkan kehilangan geseran yang lebih tinggi daripada turbin aliran paksi.
galas. Reka bentuk galas adalah penting untuk operasi cekap turboexpander. Jenis galas yang berkaitan dengan reka bentuk turboexpander berbeza-beza dan boleh termasuk galas minyak, galas filem cecair, galas bebola tradisional dan galas magnet. Setiap kaedah mempunyai kelebihan dan kekurangannya sendiri, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1.
Banyak pengeluar turboexpander memilih galas magnet sebagai "galas pilihan" mereka kerana kelebihan unik mereka. Galas magnet memastikan operasi bebas geseran komponen dinamik turboexpander, mengurangkan kos operasi dan penyelenggaraan dengan ketara sepanjang hayat mesin. Ia juga direka bentuk untuk menahan pelbagai beban paksi dan jejari serta keadaan tegasan berlebihan. Kos permulaan mereka yang lebih tinggi diimbangi oleh kos kitaran hayat yang jauh lebih rendah.
dinamo. Penjana mengambil tenaga putaran turbin dan menukarkannya kepada tenaga elektrik yang berguna menggunakan penjana elektromagnet (yang boleh menjadi penjana aruhan atau penjana magnet kekal). Penjana aruhan mempunyai kelajuan undian yang lebih rendah, jadi aplikasi turbin berkelajuan tinggi memerlukan kotak gear, tetapi boleh direka bentuk untuk memadankan frekuensi grid, menghapuskan keperluan untuk pemacu frekuensi berubah-ubah (VFD) untuk membekalkan tenaga elektrik yang dijana. Penjana magnet kekal, sebaliknya, boleh disambungkan terus ke turbin dan menghantar kuasa ke grid melalui pemacu frekuensi berubah-ubah. Penjana direka untuk menyampaikan kuasa maksimum berdasarkan kuasa aci yang terdapat dalam sistem.
anjing laut. Pengedap juga merupakan komponen penting semasa mereka bentuk sistem pengembang turbo. Untuk mengekalkan kecekapan tinggi dan memenuhi piawaian alam sekitar, sistem mesti dimeterai untuk mengelakkan kebocoran gas proses yang berpotensi. Pengembang turbo boleh dilengkapi dengan pengedap dinamik atau statik. Pengedap dinamik, seperti pengedap labirin dan pengedap gas kering, menyediakan pengedap di sekeliling aci berputar, biasanya antara roda turbin, galas dan seluruh mesin di mana penjana berada. Pengedap dinamik haus dari semasa ke semasa dan memerlukan penyelenggaraan dan pemeriksaan tetap untuk memastikan ia berfungsi dengan baik. Apabila semua komponen pengembang turbo terkandung dalam satu perumah, pengedap statik boleh digunakan untuk melindungi sebarang petunjuk yang keluar dari perumah, termasuk penjana, pemacu galas magnetik atau penderia. Pengedap kedap udara ini memberikan perlindungan kekal terhadap kebocoran gas dan tidak memerlukan penyelenggaraan atau pembaikan.
Dari sudut proses, keperluan utama untuk memasang pengembang adalah untuk membekalkan gas boleh mampat (tidak boleh kondensasi) tekanan tinggi kepada sistem tekanan rendah dengan aliran, penurunan tekanan dan penggunaan yang mencukupi untuk mengekalkan operasi normal peralatan. Parameter operasi dikekalkan pada tahap yang selamat dan cekap.
Dari segi fungsi mengurangkan tekanan, pengembang boleh digunakan untuk menggantikan injap Joule-Thomson (JT), juga dikenali sebagai injap pendikit. Oleh kerana injap JT bergerak di sepanjang laluan isentropik dan pengembang bergerak di sepanjang laluan yang hampir isentropik, yang kedua mengurangkan entalpi gas dan menukar perbezaan entalpi kepada kuasa aci, dengan itu menghasilkan suhu alur keluar yang lebih rendah daripada injap JT. Ini berguna dalam proses kriogenik di mana matlamatnya adalah untuk mengurangkan suhu gas.
Jika terdapat had yang lebih rendah pada suhu gas alur keluar (contohnya, dalam 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 prapemanas terletak di hulu pengembang, sebahagian daripada tenaga daripada gas suapan juga dipulihkan dalam pengembang, dengan itu meningkatkan output kuasanya. Dalam sesetengah konfigurasi yang memerlukan kawalan suhu alur keluar, pemanas semula kedua boleh dipasang selepas pengembang untuk memberikan kawalan yang lebih pantas.
Dalam Rajah. Rajah 3 menunjukkan rajah dipermudah bagi rajah aliran am penjana pengembang dengan prapemanas digunakan untuk menggantikan injap JT.
Dalam konfigurasi proses lain, tenaga yang dipulihkan dalam pengembang boleh dipindahkan terus ke pemampat. Mesin ini, kadangkala dipanggil "komander", biasanya mempunyai peringkat pengembangan dan mampatan yang disambungkan oleh satu atau lebih aci, yang mungkin juga termasuk kotak gear untuk mengawal perbezaan kelajuan antara kedua-dua peringkat. Ia juga boleh memasukkan motor tambahan untuk memberikan lebih kuasa kepada peringkat mampatan.
Di bawah adalah beberapa komponen terpenting yang memastikan operasi dan kestabilan sistem yang betul.
Injap pintasan atau injap pengurang tekanan. Injap pintasan membolehkan operasi diteruskan apabila pengembang turbo tidak beroperasi (contohnya, untuk penyelenggaraan atau kecemasan), manakala injap pengurang tekanan digunakan untuk operasi berterusan untuk membekalkan gas berlebihan apabila jumlah aliran melebihi kapasiti reka bentuk pengembang.
Injap tutup kecemasan (ESD). Injap ESD digunakan untuk menyekat aliran gas ke dalam pengembang dalam keadaan kecemasan untuk mengelakkan kerosakan mekanikal.
Instrumen dan kawalan. Pembolehubah penting untuk dipantau termasuk tekanan masuk dan keluar, kadar aliran, kelajuan putaran dan output kuasa.
Memandu pada kelajuan yang berlebihan. Peranti memotong aliran ke turbin, menyebabkan pemutar turbin menjadi perlahan, dengan itu melindungi peralatan daripada kelajuan yang berlebihan disebabkan oleh keadaan proses yang tidak dijangka yang boleh merosakkan peralatan.
Injap Keselamatan Tekanan (PSV). PSV sering dipasang selepas pengembang turbo untuk melindungi saluran paip dan peralatan tekanan rendah. PSV mesti direka bentuk untuk menahan kontingensi yang paling teruk, yang biasanya termasuk kegagalan injap pintasan untuk dibuka. Jika pengembang ditambah pada stesen pengurangan tekanan sedia ada, pasukan reka bentuk proses mesti menentukan sama ada PSV sedia ada menyediakan perlindungan yang mencukupi.
Pemanas. Pemanas mengimbangi penurunan suhu yang disebabkan oleh gas yang melalui turbin, jadi gas mesti dipanaskan terlebih dahulu. Fungsi utamanya adalah untuk meningkatkan suhu aliran gas yang semakin meningkat untuk mengekalkan suhu gas meninggalkan pengembang melebihi nilai minimum. Satu lagi faedah menaikkan suhu adalah untuk meningkatkan output kuasa serta mengelakkan 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 prapemanas. Dalam sesetengah reka bentuk, pemanas api atau pemanas elektrik boleh digunakan dan bukannya penukar haba. Pemanas mungkin sudah wujud di stesen injap JT sedia ada, dan menambah pengembang mungkin tidak memerlukan pemasangan pemanas tambahan, sebaliknya meningkatkan aliran bendalir yang dipanaskan.
Sistem minyak pelincir dan gas pengedap. Seperti yang dinyatakan di atas, pengembang boleh menggunakan reka bentuk pengedap yang berbeza, yang mungkin memerlukan pelincir dan gas pengedap. Di mana berkenaan, minyak pelincir mesti mengekalkan kualiti dan ketulenan yang tinggi apabila bersentuhan dengan gas proses, dan tahap kelikatan minyak mesti kekal dalam julat operasi galas pelincir yang diperlukan. Sistem gas tertutup biasanya dilengkapi dengan alat pelinciran minyak untuk menghalang minyak dari kotak galas daripada memasuki kotak pengembangan. Untuk aplikasi khas compander yang digunakan dalam industri hidrokarbon, minyak pelincir dan sistem gas pengedap biasanya direka untuk spesifikasi API 617 [5] Bahagian 4.
Pemacu frekuensi boleh ubah (VFD). Apabila penjana aruhan, VFD biasanya dihidupkan untuk melaraskan isyarat arus ulang alik (AC) agar sepadan dengan frekuensi utiliti. Biasanya, reka bentuk berdasarkan pemacu frekuensi berubah mempunyai kecekapan keseluruhan yang lebih tinggi daripada reka bentuk yang menggunakan kotak gear atau komponen mekanikal lain. Sistem berasaskan VFD juga boleh menampung pelbagai perubahan proses yang lebih luas yang boleh mengakibatkan perubahan dalam kelajuan aci pengembang.
Penularan. Sesetengah reka bentuk pengembang menggunakan kotak gear untuk mengurangkan kelajuan pengembang kepada kelajuan terkadar penjana. Kos menggunakan kotak gear adalah kecekapan keseluruhan yang lebih rendah dan oleh itu output kuasa yang lebih rendah.
Apabila menyediakan permintaan untuk sebut harga (RFQ) untuk pengembang, jurutera proses mesti terlebih dahulu menentukan keadaan operasi, termasuk maklumat berikut:
Jurutera mekanikal sering melengkapkan spesifikasi dan spesifikasi penjana pengembang menggunakan data daripada 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 pembekalan, serta prosedur ujian yang terpakai seperti yang diperlukan oleh projek.
Maklumat teknikal yang diberikan oleh pengilang sebagai sebahagian daripada proses tender secara amnya hendaklah mengandungi unsur-unsur berikut:
Jika mana-mana aspek cadangan berbeza daripada spesifikasi asal, pengilang juga mesti menyediakan senarai penyelewengan dan sebab penyelewengan.
Sebaik sahaja cadangan diterima, pasukan pembangunan projek mesti menyemak permintaan untuk pematuhan dan menentukan sama ada perbezaan adalah wajar secara teknikal.
Pertimbangan teknikal lain yang perlu dipertimbangkan semasa menilai cadangan termasuk:
Akhir sekali, analisis ekonomi perlu dijalankan. Oleh kerana pilihan yang berbeza mungkin menyebabkan kos permulaan yang berbeza, adalah disyorkan agar 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 mengurangkan keperluan penyelenggaraan. Lihat "Rujukan" untuk arahan tentang jenis analisis ini. 4.
Semua aplikasi penjana turboexpander memerlukan pengiraan jumlah kuasa potensi awal untuk menentukan jumlah tenaga tersedia yang boleh dipulihkan dalam aplikasi tertentu. Untuk penjana turboexpander, potensi kuasa dikira sebagai proses isentropik (entropi malar). Ini ialah keadaan termodinamik yang ideal untuk mempertimbangkan proses adiabatik boleh balik tanpa geseran, tetapi ia adalah proses yang betul untuk menganggar potensi tenaga sebenar.
Tenaga keupayaan isentropik (IPP) dikira dengan mendarabkan beza entalpi tertentu pada salur masuk dan keluar pengembang turbo dan mendarabkan hasilnya dengan kadar aliran jisim. Tenaga keupayaan ini akan dinyatakan sebagai kuantiti isentropik (Persamaan (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
di mana h(i,e) ialah entalpi khusus dengan mengambil kira suhu keluar isentropik dan ṁ ialah kadar aliran jisim.
Walaupun tenaga potensi isentropik boleh digunakan untuk menganggar tenaga keupayaan, semua sistem sebenar melibatkan geseran, haba, dan kehilangan tenaga sampingan yang lain. Oleh itu, apabila mengira potensi kuasa sebenar, data input tambahan berikut harus diambil kira:
Dalam kebanyakan aplikasi turboexpander, suhu dihadkan kepada minimum untuk mengelakkan masalah yang tidak diingini seperti pembekuan paip yang dinyatakan sebelum ini. Di mana gas asli mengalir, hidrat hampir selalu ada, bermakna saluran paip di hilir pengembang turbo atau injap pendikit akan membeku secara dalaman dan luaran jika suhu alur keluar turun di bawah 0°C. Pembentukan ais boleh mengakibatkan sekatan aliran dan akhirnya menutup sistem untuk mencair beku. Oleh itu, suhu alur keluar "yang dikehendaki" digunakan untuk mengira senario kuasa potensi yang lebih realistik. Walau bagaimanapun, bagi gas seperti hidrogen, had suhu adalah jauh lebih rendah kerana hidrogen tidak berubah daripada gas kepada cecair sehingga mencapai suhu kriogenik (-253°C). Gunakan suhu alur keluar yang diingini ini untuk mengira entalpi tertentu.
Kecekapan sistem turboexpander juga mesti dipertimbangkan. Bergantung pada teknologi yang digunakan, kecekapan sistem boleh berbeza dengan ketara. Sebagai contoh, pengembang turbo yang menggunakan gear pengurangan untuk memindahkan tenaga putaran dari turbin ke penjana akan mengalami kehilangan geseran yang lebih besar daripada sistem yang menggunakan pacuan terus dari turbin ke penjana. Kecekapan keseluruhan sistem turboexpander dinyatakan sebagai peratusan dan diambil kira semasa menilai potensi kuasa sebenar turboexpander. Potensi kuasa sebenar (PP) dikira seperti berikut:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Mari kita lihat aplikasi pelepasan tekanan gas asli. ABC mengendalikan dan menyelenggara stesen pengurangan tekanan yang mengangkut gas asli dari saluran paip utama dan mengedarkannya ke majlis perbandaran tempatan. Di stesen ini, tekanan masuk gas ialah 40 bar dan tekanan keluar ialah 8 bar. Suhu gas masuk yang dipanaskan ialah 35°C, yang memanaskan gas untuk mengelakkan pembekuan saluran paip. Oleh itu, suhu gas keluar mesti dikawal supaya ia tidak jatuh di bawah 0°C. Dalam contoh ini kita akan menggunakan 5°C sebagai suhu alur keluar minimum untuk meningkatkan faktor keselamatan. Kadar aliran gas isipadu ternormal ialah 50,000 Nm3/j. Untuk mengira potensi kuasa, kami akan mengandaikan bahawa semua gas mengalir melalui pengembang turbo dan mengira output kuasa maksimum. Anggarkan jumlah potensi keluaran kuasa menggunakan pengiraan berikut:
Masa siaran: Mei-25-2024