Expanders kunnen drukreductie gebruiken om roterende machines aan te sturen. Informatie over het evalueren van de potentiële voordelen van het installeren van een extender is hier te vinden.
Typisch in de chemische procesindustrie (CPI), "wordt een grote hoeveelheid energie verspild aan drukregelkleppen waar hoge drukvloeistoffen moeten worden gedrukt" [1]. Afhankelijk van verschillende 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 sturen. Voor niet -samendrukbare vloeistoffen (vloeistoffen) wordt dit bereikt met behulp van een turbine van hydraulische energie herstel (HPRT; zie referentie 1). Voor samendrukbare vloeistoffen (gassen) is een expander een geschikte machine.
Expanders zijn een rijpe technologie met veel succesvolle toepassingen zoals vloeistofkatalytisch kraken (FCC), koeling, aardgasstadkleppen, luchtscheiding of uitlaatemissies. In principe kan elke gasstroom met verminderde druk worden gebruikt om een expander aan te drijven, maar "de energie -output is recht evenredig met de drukverhouding, temperatuur en stroomsnelheid van de gasstroom" [2], evenals technische en economische haalbaarheid. Implementatie van de expander: het proces hangt af van deze en andere factoren, zoals lokale energieprijzen en de beschikbaarheid door de fabrikant van geschikte apparatuur.
Hoewel de TurboExpander (op dezelfde manier functioneert als een turbine) het meest bekende type expander is (figuur 1), zijn er andere typen die geschikt zijn voor verschillende procesomstandigheden. Dit artikel introduceert de belangrijkste soorten expanders en hun componenten en vat samen hoe operationeel managers, consultants of energie -auditors in verschillende CPI -divisies de potentiële economische en milieuvoordelen van het installeren van een expander kunnen evalueren.
Er zijn veel verschillende soorten resistentiebanden die sterk variëren in geometrie en functie. De hoofdtypen worden weergegeven in figuur 2 en elk type wordt hieronder kort beschreven. Voor meer informatie, evenals grafieken die de bedrijfsstatus van elk type vergelijken op basis van specifieke diameters en specifieke snelheden, zie Help. 3.
Zuiger turboexpander. Zuiger- en roterende zuiger turboexpanders werken als een omgekeerde roterende interne verbrandingsmotor, absorbeert hogedrukgas en zet zijn opgeslagen energie om in rotatie-energie door de krukas.
Sleep de turbo -expander. De remturbine -expander bestaat uit een concentrische stroomkamer met emmervinnen bevestigd aan de periferie van het roterende element. 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 uitbreiden.
Radiale turboExpander. Radiale stroom turboexpanders hebben een axiale inlaat en een radiale uitlaat, waardoor het gas radiaal door de turbine -waaier kan uitzetten. Evenzo breiden axiale stroomturbines gas uit door het turbinewiel, maar de stroomrichting blijft evenwijdig aan de rotatieas.
Dit artikel richt zich op radiale en axiale turboexpanders en besprak hun verschillende subtypen, componenten en economie.
Een TurboExpander haalt energie uit een hogedruk gasstroom en zet deze om in een aandrijfbelasting. Meestal is de belasting een compressor of generator die is aangesloten op een as. Een TurboExpander met een compressor comprimeert vloeistof in andere delen van de processtroom die gecomprimeerde vloeistof vereisen, waardoor de algehele efficiëntie van de plant wordt verhoogd door energie te gebruiken die anders wordt verspild. Een TurboExpander met een generatorbelasting zet de energie om in elektriciteit, die kan worden gebruikt in andere plantprocessen of teruggebracht naar het lokale raster te koop.
TurboExpander -generatoren kunnen worden uitgerust met een directe aandrijfas van het turbinewiel naar de generator, of via een versnellingsbak die de ingangsnelheid effectief van het turbinewiel naar de generator via een overbrengingsverhouding vermindert. Directe drive turboExpanders bieden voordelen in efficiëntie, voetafdruk en onderhoudskosten. Gearbox TurboExpanders zijn zwaarder en vereisen een grotere voetafdruk, smeerapparatuur en regelmatig onderhoud.
Door stroomturboexpanders kan worden gemaakt in de vorm van radiale of axiale turbines. Radiale stroomuitzetters bevatten een axiale inlaat en een radiale uitlaat zodat de gasstroom de turbine radiaal uit de rotatieas verlaat. Axiale turbines laten gas axiaal langs de rotatieas stromen. Axiale stroomturbines extraheren energie uit de gasstroom door inlaatgeleiderschoepen naar het expanderwiel, waarbij het dwarsdoorsnedegebied van de expansiekamer geleidelijk toeneemt om een constante snelheid te behouden.
Een TurboExpander -generator bestaat uit drie hoofdcomponenten: een turbinewiel, speciale lagers en een generator.
Turbinewiel. Turbinewielen zijn vaak specifiek ontworpen om aerodynamische efficiëntie te optimaliseren. Toepassingsvariabelen die het ontwerp van het turbinewiel beïnvloeden, omvatten inlaat/uitlaatdruk, inlaat/uitlaattemperatuur, volumestroom en vloeistofeigenschappen. Wanneer de compressieverhouding te hoog is om in één fase te worden verminderd, is een TurboExpander met meerdere turbinewielen vereist. Zowel radiale als axiale turbinewielen kunnen worden ontworpen als multi-fase, maar axiale turbinewielen hebben een veel kortere axiale lengte en zijn daarom compacter. Multistage radiale stroomturbines vereisen dat gas van axiale naar radiale en terug naar axiale stroomt, waardoor hogere wrijvingsverliezen ontstaan dan axiale stroomturbines.
lagers. Lagerontwerp is van cruciaal belang voor de efficiënte werking van een TurboExpander. Lagertypen gerelateerd aan TurboExpander -ontwerpen variëren sterk en kunnen olieteringen, vloeibare filmlagers, traditionele kogellagers en magnetische lagers omvatten. Elke methode heeft zijn eigen voor- en nadelen, zoals weergegeven in tabel 1.
Veel fabrikanten van TurboExpander selecteren magnetische lagers als hun "keuze van keuze" vanwege hun unieke voordelen. Magnetische lagers zorgen voor wrijvingsvrije werking van de dynamische componenten van de TurboExpander, waardoor de werk- en onderhoudskosten in de looptijd van de machine aanzienlijk worden verlaagd. Ze zijn ook ontworpen om een breed scala aan axiale en radiale belastingen en overstressomstandigheden te weerstaan. Hun hogere initiële kosten worden gecompenseerd door veel lagere levenscycluskosten.
dynamo. De generator neemt de rotatie -energie van de turbine en zet deze om in nuttige elektrische energie met behulp van een elektromagnetische generator (die een inductiegenerator of een permanente magneetgenerator kan zijn). Inductiegeneratoren hebben een lagere nominale snelheid, dus turbinetoepassingen met hoge snelheid vereisen een versnellingsbak, maar kunnen worden ontworpen om overeen te komen met de roosterfrequentie, waardoor de behoefte aan een variabele frequentiedrijf (VFD) wordt geëlimineerd om de gegenereerde elektriciteit te leveren. Permanente magneetgeneratoren daarentegen kunnen direct een as zijn gekoppeld aan de turbine en het vermogen door een variabele frequentieaandrijving naar het rooster verzenden. De generator is ontworpen om maximaal vermogen te leveren op basis van het asvermogen dat beschikbaar is in het systeem.
Zeehonden. De afdichting is ook een kritieke component bij het ontwerpen van een TurboExpander -systeem. Om een hoge efficiëntie te behouden en te voldoen aan de milieunormen, moeten systemen worden verzegeld om potentiële procesgaslekken te voorkomen. TurboExpanders 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 turbinewiel, lagers en de rest van de machine waar de generator zich bevindt. Dynamische afdichtingen verslijten na verloop van tijd en vereisen regelmatig onderhoud en inspectie om ervoor te zorgen dat ze goed functioneren. Wanneer alle TurboExpander -componenten in een enkele behuizing zijn opgenomen, kunnen statische afdichtingen worden gebruikt om eventuele leads te beschermen die de behuizing verlaten, inclusief naar de generator, magnetische lageraandrijvingen of sensoren. Deze luchtdichte afdichtingen bieden permanente bescherming tegen gaslekkage en vereisen geen onderhoud of reparatie.
Vanuit een procesoogpunt is de primaire vereiste voor het installeren van een expander het leveren van hogedruk samendrukbaar (niet-condenseerbaar) gas aan een lagedruksysteem met voldoende stroom, drukval en gebruik om de normale werking van de apparatuur te handhaven. Bedrijfsparameters worden op een veilig en efficiënt niveau gehandhaafd.
In termen van drukverminderingfunctie kan de expander worden gebruikt om de Joule-Thomson (JT) -klep te vervangen, ook bekend als de gasklep. Omdat de JT -klep langs een isentropisch pad beweegt en de expander zich langs een bijna isentropisch pad beweegt, vermindert de laatste de enthalpie van het gas en zet het enthalpie -verschil om in asvermogen, waardoor een lagere uitlaattemperatuur wordt geproduceerd dan de JT -klep. Dit is nuttig in cryogene processen waarbij het doel is om de temperatuur van het gas te verlagen.
Als er een ondergrens is op de uitlaatgastemperatuur (bijvoorbeeld in een decompressiestation waar de gastemperatuur moet worden gehandhaafd boven het vriespunt, de hydratatie of de ontwerptemperatuur van het minimale materiaal), moet er ten minste één kachel worden toegevoegd. regelt de gastemperatuur. Wanneer de voorverwarming zich stroomopwaarts van de expander bevindt, wordt een deel van de energie uit het voedergas ook teruggewonnen in de expander, waardoor het vermogen van het vermogen wordt verhoogd. In sommige configuraties waar de uitlaattemperatuurregeling vereist is, kan een tweede herverheater worden geïnstalleerd na de uitbreiding om snellere controle te bieden.
In Fig. Figuur 3 toont een vereenvoudigd diagram van het algemene stroomdiagram van een expandergenerator door voorverwarming die wordt gebruikt om een JT -klep te vervangen.
In andere procesconfiguraties kan de in de expander herstelde energie rechtstreeks naar de compressor worden overgebracht. Deze machines, soms 'commandanten' genoemd, hebben meestal uitbreiding en compressiefasen verbonden door een of meer assen, die ook een versnellingsbak kunnen bevatten om het snelheidsverschil tussen de twee fasen te reguleren. Het kan ook een extra motor bevatten om meer stroom te leveren aan de compressiefase.
Hieronder staan enkele van de belangrijkste componenten die zorgen voor een goede werking en stabiliteit van het systeem.
Bypass -klep of drukvermindering. De bypass -klep maakt het mogelijk om door te gaan wanneer de TurboExpander niet werkt (bijvoorbeeld voor onderhoud of een noodsituatie), terwijl de drukverminderingsklep wordt gebruikt voor continue werking om overtollig gas te leveren wanneer de totale stroom de ontwerpcapaciteit van de expander overschrijdt.
Emergency Shutdown Valve (ESD). ESD -kleppen worden gebruikt om de gasstroom in een noodgeval in de expander te blokkeren om mechanische schade te voorkomen.
Instrumenten en bedieningselementen. Belangrijke variabelen om te monitoren zijn inlaat- en uitlaatdruk, stroomsnelheid, rotatiesnelheid en uitgangsvermogen.
Rijden op overmatige snelheid. Het apparaat snijdt de stroom naar de turbine af, waardoor de turbine -rotor vertraagt, waardoor de apparatuur wordt beschermd tegen overmatige snelheden vanwege onverwachte procesomstandigheden die de apparatuur kunnen beschadigen.
Drukveiligheidsklep (PSV). PSV's worden vaak geïnstalleerd na een TurboExpander om pijpleidingen en lage drukapparatuur te beschermen. De PSV moet worden ontworpen om de meest ernstige onvoorziene gebeurtenissen te weerstaan, die meestal het falen van de bypass -klep omvatten om te openen. Als een expander wordt toegevoegd aan een bestaand drukreductiestation, moet het procesontwerpteam bepalen of de bestaande PSV voldoende bescherming biedt.
Verwarming. Verwarmers compenseren de temperatuurdaling veroorzaakt door het gas dat door de turbine gaat, dus het gas moet worden voorverwarmd. De belangrijkste functie is om de temperatuur van de stijgende gasstroom te verhogen om de temperatuur van het gas te handhaven dat de expander boven een minimumwaarde blijft. Een ander voordeel van het verhogen van de temperatuur is om het vermogen te verhogen en corrosie, condensatie of hydraten te voorkomen die de apparatuurmondstukken negatief kunnen beïnvloeden. In systemen die warmtewisselaars bevatten (zoals weergegeven in figuur 3), wordt de gastemperatuur meestal geregeld door de stroom van verwarmde vloeistof in de voorverwarmer te reguleren. In sommige ontwerpen kan een vlamverwarming of elektrische verwarming worden gebruikt in plaats van een warmtewisselaar. Verwarmers kunnen al bestaan in een bestaand JT -klepstation en het toevoegen van een expander hoeft mogelijk geen extra kachels te installeren, maar eerder de stroom van verwarmde vloeistof vergroten.
Smeerolie en afdichtgassystemen. Zoals hierboven vermeld, kunnen expanders verschillende afdichtingsontwerpen gebruiken, waarvoor smeermiddelen en afdichtgassen nodig kunnen zijn. Waar van toepassing moet de smeerolie hoge kwaliteit en zuiverheid behouden wanneer in contact met procesgassen, en het olieviscositeitsniveau moet binnen het vereiste werkbereik van gesmeerde lagers blijven. Afgedicht gassystemen zijn meestal uitgerust met een oliemeringsapparaat om te voorkomen dat olie van de lagerkast de uitbreidingsdoos binnengaat. Voor speciale toepassingen van companders die worden gebruikt in de koolwaterstofindustrie, zijn smeerolie- en afdichtingsgassystemen meestal ontworpen voor API 617 [5] Deel 4 -specificaties.
Variabele frequentiedrijf (VFD). Wanneer de generator inductie is, wordt een VFD meestal ingeschakeld om het wisselstroomsignaal (AC) -signaal aan te passen aan de frequentie van de hulpprogramma's. Typisch hebben ontwerpen op basis van variabele frequentiedrives een hogere algehele efficiëntie dan ontwerpen die versnellingsbakken of andere mechanische componenten gebruiken. Op VFD gebaseerde systemen kunnen ook een breder scala aan proceswijzigingen huisvesten die kunnen leiden tot veranderingen in de snelheid van de uitbreiding.
Overdragen. Sommige expanderontwerpen gebruiken een versnellingsbak om de snelheid van de uitbreiding te verminderen naar de nominale snelheid van de generator. De kosten voor het gebruik van een versnellingsbak zijn een lagere totale efficiëntie en dus een lager vermogen.
Bij het opstellen van een aanvraag voor offerte (RFQ) voor een uitbreiding, moet de procesingenieur eerst de bedrijfsomstandigheden bepalen, inclusief de volgende informatie:
Mechanische ingenieurs voltooien vaak expandergeneratorspecificaties en specificaties met behulp van gegevens van andere technische disciplines. Deze ingangen kunnen het volgende omvatten:
De specificaties moeten ook een lijst met documenten en tekeningen bevatten die door de fabrikant worden verstrekt als onderdeel van het aanbestedingsproces en de omvang van de levering, evenals toepasselijke testprocedures zoals vereist door het project.
De technische informatie die door de fabrikant wordt verstrekt als onderdeel van het aanbestedingsproces, moet in het algemeen de volgende elementen bevatten:
Als een aspect van het voorstel verschilt van de oorspronkelijke specificaties, moet de fabrikant ook een lijst met afwijkingen en de redenen voor de afwijkingen bieden.
Zodra een voorstel is ontvangen, moet het projectontwikkelingsteam het verzoek om naleving herzien en bepalen of varianties technisch gerechtvaardigd zijn.
Andere technische overwegingen om te overwegen bij het evalueren van voorstellen zijn onder meer:
Ten slotte moet een economische analyse worden uitgevoerd. Omdat verschillende opties kunnen leiden tot verschillende initiële kosten, wordt aanbevolen dat een cashflow of levenscycluskostenanalyse wordt uitgevoerd om de langdurige economie en het rendement op de investering van het project te vergelijken. Een hogere initiële investering kan bijvoorbeeld op de lange termijn worden gecompenseerd door verhoogde productiviteit of verminderde onderhoudsvereisten. Zie "Referenties" voor instructies over dit type analyse. 4.
Alle TurboExpander-Generator-toepassingen vereisen een initiële totale potentiële vermogensberekening om de totale hoeveelheid beschikbare energie te bepalen die in een bepaalde toepassing kan worden teruggewonnen. Voor een TurboExpander -generator wordt het vermogenspotentieel berekend als een isentropisch (constant entropie) proces. Dit is de ideale thermodynamische situatie om een omkeerbaar adiabatisch proces zonder wrijving te overwegen, maar het is het juiste proces om het werkelijke energiepotentieel te schatten.
Isentropische potentiële energie (IPP) wordt berekend door het specifieke enthalpieverschil te vermenigvuldigen bij de inlaat en uitlaat van de TurboExpander en het resultaat te vermenigvuldigen met de massastroomsnelheid. Deze potentiële energie zal worden uitgedrukt als een isentropische hoeveelheid (vergelijking (1)):
IPP = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Waar h (i, e) de specifieke enthalpie is, rekening houdt met de isentropische uitlaattemperatuur en ṁ is de massastroomsnelheid.
Hoewel isentropische potentiële energie kan worden gebruikt om potentiële energie te schatten, omvatten alle echte systemen wrijving, warmte en andere bijbehorende energieverliezen. Dus bij het berekenen van het werkelijke vermogenspotentieel moet rekening worden gehouden met de volgende aanvullende invoergegevens:
In de meeste TurboExpander -toepassingen is de temperatuur beperkt tot een minimum om ongewenste problemen zoals eerder genoemde pijpbevriezing te voorkomen. Waar aardgas stroomt, zijn hydraten bijna altijd aanwezig, wat betekent dat de pijpleiding stroomafwaarts van een TurboExpander of gasklep intern en extern zal bevriezen als de uitlaattemperatuur onder 0 ° C daalt. IJsvorming kan leiden tot stroombeperking en uiteindelijk het systeem afsluiten om te ontdooien. De "gewenste" uitlaattemperatuur wordt dus gebruikt om een realistischer potentieel vermogensscenario te berekenen. Voor gassen zoals waterstof is de temperatuurlimiet echter veel lager omdat waterstof niet van gas naar vloeistof verandert totdat deze cryogene temperatuur bereikt (-253 ° C). Gebruik deze gewenste uitlaattemperatuur om de specifieke enthalpie te berekenen.
De efficiëntie van het TurboExpander -systeem moet ook worden overwogen. Afhankelijk van de gebruikte technologie kan systeemefficiëntie aanzienlijk variëren. Een TurboExpander die bijvoorbeeld een reductie -versnelling gebruikt om rotatie -energie van de turbine naar de generator over te dragen, zal grotere wrijvingsverliezen ervaren dan een systeem dat directe aandrijving van de turbine naar de generator gebruikt. De algehele efficiëntie van een TurboExpander -systeem wordt uitgedrukt als een percentage en wordt in aanmerking genomen bij het beoordelen van het werkelijke machtspotentieel van de TurboExpander. Het werkelijke vermogenspotentieel (PP) wordt als volgt berekend:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Laten we eens kijken naar de toepassing van aardgasdrukverlichting. ABC werkt en onderhoudt een drukverminderingstation dat aardgas van de hoofdpijpleiding transporteert en verdeelt aan lokale gemeenten. Op dit station is de inlaatdruk van de gas 40 bar en is de uitlaatdruk 8 bar. De voorverwarmde inlaatgastemperatuur is 35 ° C, die het gas voorverwarmt om het bevriezen van de pijpleiding te voorkomen. Daarom moet de uitlaatgastemperatuur worden geregeld zodat deze niet onder 0 ° C daalt. In dit voorbeeld zullen we 5 ° C gebruiken als de minimale uitlaattemperatuur om de veiligheidsfactor te verhogen. Het genormaliseerde volumetrische gasdebiet is 50.000 nm3/u. Om het vermogenspotentieel te berekenen, gaan we ervan uit dat alle gas door de turbo -expander stroomt en het maximale uitgangsvermogen berekenen. Schat het totale vermogensuitgangspotentieel met behulp van de volgende berekening:
Posttijd: mei-25-2024