HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Expanders kunnen drukverlaging gebruiken om roterende machines aan te drijven. Informatie over hoe u de potentiële voordelen van het installeren van een extender kunt beoordelen, vindt u hier.
In de chemische procesindustrie (CPI) gaat doorgaans “een grote hoeveelheid energie verloren in drukregelkleppen waar vloeistoffen onder hoge druk moeten worden ontlucht” [1]. Afhankelijk van diverse technische en economische factoren kan het wenselijk zijn om deze energie om te zetten in roterende mechanische energie, die kan worden gebruikt om generatoren of andere roterende machines aan te drijven. Voor onsamendrukbare vloeistoffen (vloeistoffen) wordt dit bereikt met behulp van een hydraulische energieterugwinningsturbine (HPRT; zie referentie 1). Voor samendrukbare vloeistoffen (gassen) is een expander een geschikte machine.
Expanders zijn een volwaardige technologie met vele succesvolle toepassingen, zoals fluid catalytic cracking (FCC), koeling, aardgasafsluiters, luchtscheiding of uitlaatgasemissies. In principe kan elke gasstroom met verlaagde druk worden gebruikt om een ​​expander aan te drijven, maar “de energieopbrengst is rechtstreeks evenredig met de drukverhouding, temperatuur en stroomsnelheid van de gasstroom” [2], evenals met de technische en economische haalbaarheid. Implementatie van een expander: Het proces hangt af van deze en andere factoren, zoals de lokale energieprijzen en de beschikbaarheid van geschikte apparatuur bij de fabrikant.
Hoewel de turbo-expander (die vergelijkbaar functioneert met een turbine) het meest bekende type expander is (figuur 1), bestaan ​​er andere typen die geschikt zijn voor verschillende procesomstandigheden. Dit artikel introduceert de belangrijkste typen expanders en hun componenten en vat samen hoe operationeel managers, consultants of energieauditors in verschillende CPI-divisies de potentiële economische en milieuvoordelen van de installatie van een expander kunnen beoordelen.
Er bestaan ​​veel verschillende soorten weerstandsbanden die sterk variëren in geometrie en functie. De belangrijkste typen worden weergegeven in Figuur 2, en elk type wordt hieronder kort beschreven. Voor meer informatie, inclusief grafieken die de werkingsstatus van elk type vergelijken op basis van specifieke diameters en specifieke snelheden, zie Help. 3.
Zuigerturbo-expander. Zuiger- en roterende zuigerturbo-expanders werken als een in tegengestelde richting draaiende verbrandingsmotor, waarbij ze hogedrukgas absorberen en de opgeslagen energie via de krukas omzetten in rotatie-energie.
Sleep de turbo-expander. De remturbine-expander bestaat uit een concentrische stromingskamer met schoepen die aan de omtrek van het roterende element zijn bevestigd. Ze zijn op dezelfde manier ontworpen als waterwielen, maar de dwarsdoorsnede van de concentrische kamers neemt toe van inlaat naar uitlaat, waardoor het gas kan uitzetten.
Radiale turbo-expander. Radiale turbo-expanders hebben een axiale inlaat en een radiale uitlaat, waardoor het gas radiaal door de turbinewaaier kan expanderen. Axiale turbines expanderen het gas eveneens door het turbineblad, maar de stromingsrichting blijft parallel aan de rotatieas.
Dit artikel richt zich op radiale en axiale turbo-expanders en bespreekt hun verschillende subtypes, componenten en economische aspecten.
Een turbo-expander onttrekt energie aan een hogedrukgasstroom en zet deze om in een aandrijfkracht. Meestal is die aandrijfkracht een compressor of generator die op een as is aangesloten. Een turbo-expander met een compressor comprimeert vloeistof in andere delen van de processtroom die gecomprimeerde vloeistof vereisen, waardoor de algehele efficiëntie van de installatie wordt verhoogd door energie te gebruiken die anders verloren zou gaan. Een turbo-expander met een generator zet de energie om in elektriciteit, die kan worden gebruikt in andere processen van de installatie of teruggeleverd kan worden aan het lokale elektriciteitsnet voor verkoop.
Turbo-expandergeneratoren kunnen worden uitgerust met een directe aandrijfas van het turbineblad naar de generator, of via een versnellingsbak die de ingangssnelheid van het turbineblad effectief verlaagt door middel van een overbrengingsverhouding. Direct aangedreven turbo-expanders bieden voordelen op het gebied van efficiëntie, ruimtebeslag en onderhoudskosten. Turbo-expanders met een versnellingsbak zijn zwaarder en vereisen een groter oppervlak, extra smeerapparatuur en regelmatig onderhoud.
Doorstroomturbo-expanders kunnen worden uitgevoerd als radiale of axiale turbines. Radiale expanders hebben een axiale inlaat en een radiale uitlaat, waardoor de gasstroom de turbine radiaal van de rotatieas verlaat. Axiale turbines laten het gas axiaal langs de rotatieas stromen. Axiale turbines onttrekken energie aan de gasstroom via inlaatgeleideschoepen naar het expansiewiel, waarbij de dwarsdoorsnede van de expansiekamer geleidelijk toeneemt om een ​​constante snelheid te handhaven.
Een turbo-expandergenerator bestaat uit drie hoofdonderdelen: een turbineblad, speciale lagers en een generator.
Turbinewiel. Turbinewielen worden vaak specifiek ontworpen om de aerodynamische efficiëntie te optimaliseren. Toepassingsvariabelen die van invloed zijn op het ontwerp van het turbinewiel zijn onder andere de inlaat-/uitlaatdruk, de inlaat-/uitlaattemperatuur, het volumestroomdebiet en de vloeistofeigenschappen. Wanneer de compressieverhouding te hoog is om in één trap te worden verlaagd, is een turbo-expander met meerdere turbinewielen nodig. Zowel radiale als axiale turbinewielen kunnen als meertraps worden ontworpen, maar axiale turbinewielen hebben een veel kortere axiale lengte en zijn daardoor compacter. Meertraps radiale turbines vereisen dat gas van axiaal naar radiaal en weer terug naar axiaal stroomt, wat hogere wrijvingsverliezen veroorzaakt dan bij axiale turbines.
Lagers. Het ontwerp van de lagers is cruciaal voor de efficiënte werking van een turbo-expander. De typen lagers die relevant zijn voor het ontwerp van een turbo-expander variëren sterk en kunnen onder andere olielagers, vloeistoffilm-lagers, traditionele kogellagers en magnetische lagers omvatten. Elke methode heeft zijn eigen voor- en nadelen, zoals weergegeven in Tabel 1.
Veel fabrikanten van turbo-expanders kiezen voor magnetische lagers vanwege hun unieke voordelen. Magnetische lagers zorgen voor een wrijvingsloze werking van de dynamische componenten van de turbo-expander, waardoor de bedrijfs- en onderhoudskosten gedurende de levensduur van de machine aanzienlijk worden verlaagd. Ze zijn bovendien ontworpen om een ​​breed scala aan axiale en radiale belastingen en overbelastingen te weerstaan. De hogere aanschafkosten worden gecompenseerd door veel lagere kosten gedurende de levensduur.
Dynamo. De generator zet de rotatie-energie van de turbine om in bruikbare elektrische energie met behulp van een elektromagnetische generator (dit kan een inductiegenerator of een permanentmagneetgenerator zijn). Inductiegeneratoren hebben een lager nominaal toerental, waardoor bij turbines met een hoog toerental een versnellingsbak nodig is. Deze generatoren kunnen echter zo worden ontworpen dat ze overeenkomen met de netfrequentie, waardoor een frequentieomvormer (VFD) voor de levering van de opgewekte elektriciteit overbodig is. Permanentmagneetgeneratoren daarentegen kunnen direct aan de turbineas worden gekoppeld en leveren het vermogen via een frequentieomvormer aan het net. De generator is ontworpen om maximaal vermogen te leveren op basis van het beschikbare asvermogen in het systeem.
Afdichtingen. De afdichting is ook een cruciaal onderdeel bij het ontwerp van een turbo-expandersysteem. Om een ​​hoog rendement te behouden en te voldoen aan milieunormen, moeten systemen afgedicht zijn om potentiële lekkages van procesgas te voorkomen. Turbo-expanders kunnen worden uitgerust met dynamische of statische afdichtingen. Dynamische afdichtingen, zoals labyrintafdichtingen en droge gasafdichtingen, zorgen voor een afdichting rond een roterende as, meestal tussen het turbineblad, de lagers en de rest van de machine waar de generator zich bevindt. Dynamische afdichtingen slijten na verloop van tijd en vereisen regelmatig onderhoud en inspectie om ervoor te zorgen dat ze goed functioneren. Wanneer alle componenten van de turbo-expander in één behuizing zijn ondergebracht, kunnen statische afdichtingen worden gebruikt om alle leidingen die uit de behuizing komen te beschermen, inclusief die naar de generator, magnetische lageraandrijvingen of sensoren. Deze luchtdichte afdichtingen bieden permanente bescherming tegen gaslekkage en vereisen geen onderhoud of reparatie.
Vanuit procesoogpunt is de belangrijkste vereiste voor de installatie van een expander het toevoeren van hogedruk, samendrukbaar (niet-condenseerbaar) gas aan een lagedruksysteem met voldoende debiet, drukval en benutting om de normale werking van de apparatuur te garanderen. De operationele parameters worden op een veilig en efficiënt niveau gehouden.
Wat de drukverlagende functie betreft, kan de expander de Joule-Thomson (JT)-klep, ook wel smoorklep genoemd, vervangen. Omdat de JT-klep langs een isentropisch pad beweegt en de expander langs een nagenoeg isentropisch pad, verlaagt de expander de enthalpie van het gas en zet het enthalpieverschil om in asvermogen, waardoor een lagere uitlaattemperatuur wordt bereikt dan met de JT-klep. Dit is nuttig bij cryogene processen waarbij het doel is de temperatuur van het gas te verlagen.
Als er een ondergrens is voor de uitlaatgastemperatuur (bijvoorbeeld in een decompressiestation waar de gastemperatuur boven het vriespunt, de hydratatietemperatuur of de minimale materiaaltemperatuur moet worden gehouden), moet er ten minste één voorverwarmer worden toegevoegd om de gastemperatuur te regelen. Wanneer de voorverwarmer zich vóór de expander bevindt, wordt een deel van de energie uit het voedingsgas ook in de expander teruggewonnen, waardoor het vermogen ervan toeneemt. In sommige configuraties waar regeling van de uitlaattemperatuur vereist is, kan een tweede naverwarmer na de expander worden geïnstalleerd voor een snellere regeling.
Figuur 3 toont een vereenvoudigd schema van het algemene stroomschema van een expandergenerator met voorverwarmer, gebruikt ter vervanging van een JT-klep.
In andere procesconfiguraties kan de in de expander teruggewonnen energie direct naar de compressor worden overgebracht. Deze machines, soms "commanders" genoemd, hebben meestal expansie- en compressietrappen die met elkaar verbonden zijn door een of meer assen. Deze kunnen ook een tandwielkast bevatten om het snelheidsverschil tussen de twee trappen te regelen. Daarnaast kan er een extra motor aanwezig zijn om de compressietrap van meer vermogen te voorzien.
Hieronder staan ​​enkele van de belangrijkste onderdelen die de goede werking en stabiliteit van het systeem garanderen.
Omleidingsklep of drukreduceerklep. De omleidingsklep maakt het mogelijk om de werking voort te zetten wanneer de turbo-expander niet in bedrijf is (bijvoorbeeld voor onderhoud of in geval van nood), terwijl de drukreduceerklep wordt gebruikt voor continue werking om overtollig gas toe te voeren wanneer de totale doorstroming de ontwerpcapaciteit van de expander overschrijdt.
Noodafsluitklep (ESD). ESD-kleppen worden gebruikt om in geval van nood de gastoevoer naar de expander te blokkeren en zo mechanische schade te voorkomen.
Instrumenten en bedieningselementen. Belangrijke variabelen om te bewaken zijn onder andere de inlaat- en uitlaatdruk, het debiet, het toerental en het uitgangsvermogen.
Rijden met overmatige snelheid. Het apparaat onderbreekt de toevoer naar de turbine, waardoor de turbinerotor vertraagt. Dit beschermt de apparatuur tegen overmatige snelheden als gevolg van onverwachte procesomstandigheden die de apparatuur zouden kunnen beschadigen.
Overdrukbeveiligingsklep (PSV). PSV's worden vaak na een turbo-expander geïnstalleerd om pijpleidingen en lagedrukapparatuur te beschermen. De PSV moet zodanig ontworpen zijn dat deze de meest extreme omstandigheden kan weerstaan, waaronder het niet openen van de bypassklep. Als een expander wordt toegevoegd aan een bestaand drukverlagingsstation, moet het procesontwerpteam bepalen of de bestaande PSV voldoende bescherming biedt.
Verwarmer. Verwarmers compenseren de temperatuurdaling die optreedt wanneer het gas door de turbine stroomt, waardoor het gas voorverwarmd moet worden. De belangrijkste functie is het verhogen van de temperatuur van de stijgende gasstroom om de temperatuur van het gas dat de expander verlaat boven een minimumwaarde te houden. Een ander voordeel van het verhogen van de temperatuur is het verhogen van het vermogen en het voorkomen van corrosie, condensatie of hydraten die de nozzles van de apparatuur nadelig kunnen beïnvloeden. In systemen met warmtewisselaars (zoals weergegeven in figuur 3) wordt de gastemperatuur meestal geregeld door de stroom verwarmde vloeistof naar de voorverwarmer te regelen. In sommige ontwerpen kan een vlamverwarmer of elektrische verwarmer worden gebruikt in plaats van een warmtewisselaar. Verwarmers kunnen al aanwezig zijn in een bestaand JT-ventielstation, en het toevoegen van een expander vereist mogelijk geen installatie van extra verwarmers, maar eerder een verhoging van de stroom verwarmde vloeistof.
Smeerolie- en afdichtingsgassystemen. Zoals hierboven vermeld, kunnen expanders verschillende afdichtingsontwerpen gebruiken, waarvoor smeermiddelen en afdichtingsgassen nodig kunnen zijn. Indien van toepassing, moet de smeerolie een hoge kwaliteit en zuiverheid behouden bij contact met procesgassen, en moet de viscositeit van de olie binnen het vereiste werkingsbereik van de gesmeerde lagers blijven. Afgedichte gassystemen zijn meestal uitgerust met een oliesmeerinrichting om te voorkomen dat olie uit de lagerkast in de expansiekast terechtkomt. Voor speciale toepassingen van companders die in de koolwaterstofindustrie worden gebruikt, worden smeerolie- en afdichtingsgassystemen doorgaans ontworpen volgens de API 617 [5] Deel 4-specificaties.
Frequentieomvormer (VFD). Bij een inductiegenerator wordt doorgaans een VFD ingeschakeld om het wisselstroomsignaal (AC) aan te passen aan de netfrequentie. Ontwerpen met frequentieomvormers hebben doorgaans een hoger rendement dan ontwerpen met tandwielkasten of andere mechanische componenten. VFD-systemen kunnen bovendien een breder scala aan proceswijzigingen opvangen die kunnen leiden tot veranderingen in de assnelheid van de expander.
Transmissie. Sommige expanderontwerpen gebruiken een versnellingsbak om de snelheid van de expander te verlagen tot de nominale snelheid van de generator. Het nadeel van een versnellingsbak is een lager algeheel rendement en daardoor een lager vermogen.
Bij het opstellen van een offerteaanvraag (RFQ) voor een expander moet de procesingenieur eerst de bedrijfsomstandigheden bepalen, inclusief de volgende informatie:
Werktuigbouwkundigen stellen specificaties voor expansiegeneratoren vaak op met behulp van gegevens uit andere technische disciplines. Deze input kan onder andere het volgende omvatten:
De specificaties moeten tevens een lijst bevatten van documenten en tekeningen die door de fabrikant zijn verstrekt als onderdeel van de aanbestedingsprocedure en de leveringsomvang, evenals de van toepassing zijnde testprocedures zoals vereist door het project.
De technische informatie die de fabrikant in het kader van de aanbestedingsprocedure verstrekt, moet over het algemeen de volgende elementen bevatten:
Indien enig aspect van het voorstel afwijkt van de oorspronkelijke specificaties, dient de fabrikant tevens een lijst met afwijkingen en de redenen daarvoor te verstrekken.
Zodra een voorstel is ontvangen, moet het projectontwikkelingsteam het verzoek op naleving beoordelen en vaststellen of afwijkingen technisch gerechtvaardigd zijn.
Bij de beoordeling van voorstellen moet rekening worden gehouden met andere technische aspecten, waaronder:
Ten slotte moet er een economische analyse worden uitgevoerd. Omdat verschillende opties tot verschillende initiële kosten kunnen leiden, is het raadzaam een ​​kasstroomanalyse of een levenscycluskostenanalyse uit te voeren om de economische aspecten en het rendement op de investering van het project op de lange termijn te vergelijken. Een hogere initiële investering kan bijvoorbeeld op de lange termijn worden gecompenseerd door een hogere productiviteit of lagere onderhoudskosten. Zie "Referenties" voor instructies over dit type analyse. 4.
Alle toepassingen van turbo-expandergeneratoren vereisen een initiële berekening van het totale potentiële vermogen om de totale hoeveelheid beschikbare energie te bepalen die in een specifieke toepassing kan worden teruggewonnen. Voor een turbo-expandergenerator wordt het vermogenspotentieel berekend als een isentropisch (constante entropie) proces. Dit is de ideale thermodynamische situatie voor een omkeerbaar adiabatisch proces zonder wrijving, maar het is wel de correcte methode om het werkelijke energiepotentieel te schatten.
De isentropische potentiële energie (IPP) wordt berekend door het specifieke enthalpieverschil bij de inlaat en uitlaat van de turbo-expander te vermenigvuldigen met het massadebiet. Deze potentiële energie wordt uitgedrukt als een isentropische grootheid (vergelijking (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
waarbij h(i,e) de specifieke enthalpie is, rekening houdend met de isentropische uitlaattemperatuur, en ṁ de massastroom is.
Hoewel isentropische potentiële energie kan worden gebruikt om de potentiële energie te schatten, zijn er in alle reële systemen wrijving, warmte en andere bijkomende energieverliezen. Daarom moet bij het berekenen van het werkelijke vermogenspotentieel rekening worden gehouden met de volgende aanvullende gegevens:
Bij de meeste turbo-expandertoepassingen wordt de temperatuur tot een minimum beperkt om ongewenste problemen zoals het bevriezen van leidingen, zoals eerder vermeld, te voorkomen. Waar aardgas stroomt, zijn hydraten vrijwel altijd aanwezig, wat betekent dat de pijpleiding stroomafwaarts van een turbo-expander of smoorklep intern en extern zal bevriezen als de uitlaattemperatuur onder 0 °C daalt. IJsafzetting kan leiden tot een beperking van de doorstroming en uiteindelijk tot het stilleggen van het systeem om te ontdooien. Daarom wordt de "gewenste" uitlaattemperatuur gebruikt om een ​​realistischer scenario voor het potentiële vermogen te berekenen. Voor gassen zoals waterstof ligt de temperatuurlimiet echter veel lager, omdat waterstof pas van gas naar vloeistof overgaat bij cryogene temperaturen (-253 °C). Gebruik deze gewenste uitlaattemperatuur om de specifieke enthalpie te berekenen.
Ook de efficiëntie van het turbo-expandersysteem moet in overweging worden genomen. Afhankelijk van de gebruikte technologie kan de systeemefficiëntie aanzienlijk variëren. Een turbo-expander die bijvoorbeeld een reductieaandrijving gebruikt om rotatie-energie van de turbine naar de generator over te brengen, zal grotere wrijvingsverliezen ondervinden dan een systeem dat gebruikmaakt van directe aandrijving van de turbine naar de generator. De algehele efficiëntie van een turbo-expandersysteem wordt uitgedrukt als een percentage en wordt meegenomen bij de beoordeling van het werkelijke vermogenspotentieel van de turbo-expander. Het werkelijke vermogenspotentieel (PP) wordt als volgt berekend:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Laten we eens kijken naar de toepassing van drukontlasting voor aardgas. ABC beheert en onderhoudt een drukverlagingsstation dat aardgas vanuit de hoofdleiding transporteert en distribueert naar lokale gemeenten. Bij dit station is de gasinlaatdruk 40 bar en de uitlaatdruk 8 bar. De voorverwarmde gastemperatuur aan de inlaat is 35 °C, wat het gas voorverwarmt om bevriezing van de leiding te voorkomen. Daarom moet de uitlaatgastemperatuur worden geregeld zodat deze niet onder 0 °C komt. In dit voorbeeld gebruiken we 5 °C als minimale uitlaattemperatuur om de veiligheidsfactor te verhogen. Het genormaliseerde volumetrische gasdebiet is 50.000 Nm³/h. Om het potentiële vermogen te berekenen, gaan we ervan uit dat al het gas door de turbo-expander stroomt en berekenen we het maximale vermogen. Schat het totale potentiële vermogen met behulp van de volgende berekening: