Expanders kunnen drukverlaging gebruiken om roterende machines aan te drijven. Informatie over het evalueren van de potentiële voordelen van het installeren van een extender vindt u hier.
In de chemische procesindustrie (CPI) gaat doorgaans "een grote hoeveelheid energie verloren in drukregelkleppen waar hogedrukvloeistoffen van druk moeten worden ontdaan" [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 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 volwassen technologie met veel succesvolle toepassingen, zoals vloeistofkatalytisch kraken (FCC), koeltechniek, stadskleppen voor aardgas, luchtafscheiding of uitlaatgassen. In principe kan elke gasstroom met verlaagde druk worden gebruikt om een expander aan te drijven, maar "de energieopbrengst is recht evenredig met de drukverhouding, temperatuur en stroomsnelheid van de gasstroom" [2], evenals met de technische en economische haalbaarheid. Implementatie van de expander: Het proces is afhankelijk van deze en andere factoren, zoals de lokale energieprijzen en de beschikbaarheid van geschikte apparatuur bij de fabrikant.
Hoewel de turbo-expander (die op een vergelijkbare manier functioneert als een turbine) het bekendste type expander is (Figuur 1), zijn 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-afdelingen de potentiële economische en milieuvoordelen van de installatie van een expander kunnen evalueren.
Er zijn veel verschillende soorten weerstandsbanden, die sterk variëren in geometrie en functie. De belangrijkste soorten worden weergegeven in Figuur 2, en elk type wordt hieronder kort beschreven. Raadpleeg de Help voor meer informatie en grafieken die de werkingsstatus van elk type vergelijken op basis van specifieke diameters en snelheden. 3.
Zuiger-turbo-expander. Zuiger- en roterende zuiger-turbo-expanders werken als een omgekeerde verbrandingsmotor, waarbij ze gas onder hoge druk absorberen en de opgeslagen energie via de krukas omzetten in rotatie-energie.
Versleep de turbo-expander. De remturbine-expander bestaat uit een concentrische stromingskamer met vinnen die aan de omtrek van het roterende element zijn bevestigd. Ze zijn op dezelfde manier ontworpen als waterraderen, maar de doorsnede van de concentrische kamers neemt toe van inlaat tot uitlaat, waardoor het gas kan expanderen.
Radiale turbo-expander. Radiale turbo-expanders hebben een axiale inlaat en een radiale uitlaat, waardoor het gas radiaal door de turbinewaaier kan expanderen. Op vergelijkbare wijze expanderen axiale turbines het gas door het turbinewiel, maar de stromingsrichting blijft parallel aan de rotatieas.
In dit artikel ligt de nadruk op radiale en axiale turbo-expanders, waarbij de verschillende subtypen, componenten en economische aspecten ervan worden besproken.
Een turbo-expander onttrekt energie aan een gasstroom onder hoge druk en zet deze om in een aandrijfbelasting. Deze belasting bestaat doorgaans uit een compressor of generator die is aangesloten op een as. Een turbo-expander met compressor comprimeert vloeistof in andere delen van de processtroom die gecomprimeerde vloeistof nodig hebben, waardoor de algehele efficiëntie van de installatie wordt verhoogd door energie te gebruiken die anders verloren zou gaan. Een turbo-expander met generatorbelasting zet de energie om in elektriciteit, die kan worden gebruikt in andere processen in de installatie of kan worden teruggeleverd aan het lokale net voor verkoop.
Turbo-expandergeneratoren kunnen worden uitgerust met een directe aandrijfas van het turbinewiel naar de generator, of met een tandwielkast die de ingaande snelheid van het turbinewiel naar de generator effectief verlaagt via een overbrengingsverhouding. Turbo-expanders met directe aandrijving bieden voordelen op het gebied van efficiëntie, ruimtebeslag en onderhoudskosten. Turbo-expanders met tandwielkasten zijn zwaarder en vereisen een groter ruimtebeslag, smering en regelmatig onderhoud.
Doorstroomturbo-expanders kunnen worden gemaakt in de vorm van radiale of axiale turbines. Radiale expansieturbines hebben een axiale inlaat en een radiale uitlaat, zodat de gasstroom de turbine radiaal vanuit de rotatieas verlaat. Axiale turbines laten gas axiaal langs de rotatieas stromen. Axiale turbines onttrekken energie aan de gasstroom via inlaatgeleideschoepen aan het expansiewiel, waarbij de dwarsdoorsnede van de expansiekamer geleidelijk toeneemt om een constante snelheid te handhaven.
Een turbo-expandergenerator bestaat uit drie hoofdonderdelen: een turbinewiel, speciale lagers en een generator.
Turbinewiel. Turbinewielen worden vaak specifiek ontworpen om de aerodynamische efficiëntie te optimaliseren. Toepassingsvariabelen die het ontwerp van turbinewielen beïnvloeden, zijn onder andere inlaat-/uitlaatdruk, inlaat-/uitlaattemperatuur, volumestroom en vloeistofeigenschappen. Wanneer de compressieverhouding te hoog is om in één fase te worden verlaagd, is een turbo-expander met meerdere turbinewielen vereist. Zowel radiale als axiale turbinewielen kunnen als meertraps turbinewielen worden ontworpen, maar axiale turbinewielen hebben een veel kortere axiale lengte en zijn daardoor compacter. Meertraps radiale turbines vereisen een gasstroom van axiaal naar radiaal en terug naar axiaal, waardoor er hogere wrijvingsverliezen ontstaan dan bij axiale turbines.
Lagers. Het lagerontwerp is cruciaal voor de efficiënte werking van een turbo-expander. De lagertypen die verband houden met turbo-expanderontwerpen variëren sterk en kunnen olielagers, vloeistoffilmlagers, 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 wrijvingsvrije 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 bestand te zijn tegen een breed scala aan axiale en radiale belastingen en overbelastingen. De hogere initiële kosten worden gecompenseerd door veel lagere levenscycluskosten.
Dynamo. De generator neemt de rotatie-energie van de turbine op en zet deze om in bruikbare elektrische energie met behulp van een elektromagnetische generator (dit kan een inductiegenerator of een permanente magneetgenerator zijn). Inductiegeneratoren hebben een lager nominaal toerental, waardoor toepassingen met hoge snelheidsturbines een tandwielkast vereisen. Ze kunnen echter worden ontworpen om de netfrequentie aan te passen, waardoor een frequentieregelaar (VFD) voor de opgewekte elektriciteit niet nodig is. Permanente magneetgeneratoren daarentegen kunnen direct aan de turbine worden gekoppeld en via een frequentieregelaar (VFD) stroom naar het net overbrengen. 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 ontwerpen van een turbo-expandersysteem. Om een hoge efficiëntie te behouden en te voldoen aan milieunormen, moeten systemen worden afgedicht om mogelijke procesgaslekken 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 turbinewiel, 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 zich in één behuizing bevinden, kunnen statische afdichtingen worden gebruikt om alle kabels die de behuizing verlaten, te beschermen, inclusief die naar de generator, magnetische lageraandrijvingen of sensoren. Deze luchtdichte afdichtingen bieden permanente bescherming tegen gaslekken en vereisen geen onderhoud of reparatie.
Vanuit procesperspectief is de primaire vereiste voor de installatie van een expander het leveren van samendrukbaar (niet-condenseerbaar) gas onder hoge druk aan een lagedruksysteem met voldoende flow, drukval en benutting om de normale werking van de apparatuur te handhaven. De bedrijfsparameters worden op een veilig en efficiënt niveau gehouden.
Wat betreft de drukverlagende functie kan de expander worden gebruikt ter vervanging van de Joule-Thomson (JT)-klep, ook wel bekend als de gasklep. Omdat de JT-klep een isentropische baan volgt en de expander een bijna isentropische baan, verlaagt laatstgenoemde de enthalpie van het gas en zet het enthalpieverschil om in asvermogen, wat resulteert in een lagere uitlaattemperatuur dan de JT-klep. Dit is nuttig in 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 materiaalontwerptemperatuur moet worden gehouden), moet er ten minste één verwarmer worden toegevoegd om de gastemperatuur te regelen. Wanneer de voorverwarmer zich stroomopwaarts van de expander bevindt, wordt een deel van de energie uit het toevoergas ook teruggewonnen in de expander, waardoor het vermogen wordt verhoogd. In sommige configuraties waar temperatuurregeling van de uitlaat vereist is, kan een tweede naverwarmer na de expander worden geïnstalleerd voor een snellere regeling.
In figuur 3 is een vereenvoudigd diagram te zien van het algemene stroomdiagram van een expandergenerator met voorverwarmer, die wordt gebruikt ter vervanging van een JT-klep.
In andere procesconfiguraties kan de in de expander teruggewonnen energie rechtstreeks naar de compressor worden overgebracht. Deze machines, soms ook wel "commanders" genoemd, hebben meestal expansie- en compressietrappen die met elkaar verbonden zijn door een of meer assen, die ook een tandwielkast kunnen bevatten om het snelheidsverschil tussen de twee trappen te regelen. Er kan ook een extra motor worden toegevoegd om de compressietrap van meer vermogen te voorzien.
Hieronder staan enkele van de belangrijkste onderdelen die zorgen voor een goede werking en stabiliteit van het systeem.
Bypassklep of drukreduceerventiel. De bypassklep zorgt ervoor dat de werking kan doorgaan wanneer de turbo-expander niet in werking is (bijvoorbeeld voor onderhoud of een noodgeval), terwijl het drukreduceerventiel wordt gebruikt voor continue werking om overtollig gas te leveren wanneer de totale gasstroom de ontwerpcapaciteit van de expander overschrijdt.
Noodstopventiel (ESD). ESD-kleppen worden gebruikt om in noodgevallen de gasstroom naar de expander te blokkeren om mechanische schade te voorkomen.
Instrumenten en bedieningselementen. Belangrijke variabelen om te bewaken zijn onder andere de in- en uitlaatdruk, debiet, rotatiesnelheid en vermogen.
Rijden met een te hoge snelheid. Het apparaat onderbreekt de stroom naar de turbine, waardoor de rotor van de turbine vertraagt. Dit beschermt de apparatuur tegen te hoge snelheden als gevolg van onverwachte procesomstandigheden die de apparatuur zouden kunnen beschadigen.
Drukveiligheidsventiel (PSV). PSV's worden vaak na een turbo-expander geïnstalleerd om pijpleidingen en lagedrukapparatuur te beschermen. Het PSV moet bestand zijn tegen de zwaarste omstandigheden, waaronder doorgaans het niet openen van de bypassklep. Als een expander wordt toegevoegd aan een bestaand drukreduceerstation, moet het procesontwerpteam bepalen of het bestaande PSV voldoende bescherming biedt.
Verwarmer. Verwarmers compenseren de temperatuurdaling die wordt veroorzaakt door het gas dat door de turbine stroomt, waardoor het gas moet worden voorverwarmd. 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 uitgangsvermogen en het voorkomen van corrosie, condensatie of hydraten die de nozzles van de apparatuur negatief zouden 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-klepstation, 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. Waar 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 bedrijfsbereik van gesmeerde lagers blijven. Afgedichte gassystemen zijn meestal uitgerust met een oliesmeerapparaat om te voorkomen dat olie uit de lagerkast in de expansiekast terechtkomt. Voor speciale toepassingen van companders die in de koolwaterstofindustrie worden gebruikt, zijn smeerolie- en afdichtingsgassystemen doorgaans ontworpen volgens de specificaties van API 617 [5] Deel 4.
Frequentieregelaar (VFD). Wanneer de generator inductief is, wordt doorgaans een VFD ingeschakeld om het wisselstroomsignaal (AC) aan te passen aan de netfrequentie. Ontwerpen gebaseerd op frequentieregelaars hebben doorgaans een hogere algehele efficiëntie dan ontwerpen die gebruikmaken van tandwielkasten of andere mechanische componenten. VFD-gebaseerde systemen kunnen ook een breder scala aan procesveranderingen verwerken die kunnen leiden tot veranderingen in de snelheid van de expanderas.
Transmissie. Sommige expanderontwerpen gebruiken een tandwielkast om de snelheid van de expander te verlagen tot de nominale snelheid van de generator. De kosten van het gebruik van een tandwielkast zijn een lager totaalrendement en dus een lager vermogen.
Bij het voorbereiden van een offerteaanvraag (RFQ) voor een expander moet de procestechnicus eerst de bedrijfsomstandigheden bepalen, waaronder de volgende informatie:
Werktuigbouwkundigen maken vaak specificaties voor expandergeneratoren en specificaties met behulp van gegevens uit andere technische disciplines. Deze input kan het volgende omvatten:
Tot de specificaties behoren tevens een lijst met documenten en tekeningen die de fabrikant in het kader van de aanbestedingsprocedure heeft verstrekt, alsmede de leveringsomvang en de toepasselijke testprocedures die voor het project vereist zijn.
De technische informatie die de fabrikant verstrekt als onderdeel van het aanbestedingsproces, moet over het algemeen de volgende elementen bevatten:
Indien enig aspect van het voorstel afwijkt van de oorspronkelijke specificaties, moet de fabrikant ook een lijst met de afwijkingen en de redenen daarvoor verstrekken.
Zodra een voorstel is ontvangen, moet het projectontwikkelingsteam het verzoek beoordelen op naleving en bepalen of afwijkingen technisch gerechtvaardigd zijn.
Andere technische overwegingen waarmee u rekening moet houden 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, is het raadzaam een cashflow- of levenscycluskostenanalyse uit te voeren om de economische voordelen en het rendement op de investering van het project op lange termijn te vergelijken. Een hogere initiële investering kan bijvoorbeeld op de lange termijn worden gecompenseerd door een hogere productiviteit of minder onderhoud. Zie 'Referenties' voor instructies over dit type analyse. 4.
Alle turbo-expander-generatortoepassingen 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-expander-generator wordt het vermogenspotentiaal berekend als een isentropisch proces (constante entropie). Dit is de ideale thermodynamische situatie voor een reversibel adiabatisch proces zonder wrijving, maar het is het juiste proces om het werkelijke energiepotentieel te schatten.
Isentropische potentiële energie (IPP) wordt berekend door het specifieke enthalpieverschil bij de in- en uitlaat van de turbo-expander te vermenigvuldigen met de uitkomst en de massastroom. 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 gebruikt kan worden om potentiële energie te schatten, gaan alle reële systemen gepaard met wrijving, warmte en andere bijkomende energieverliezen. Daarom moeten bij het berekenen van het werkelijke vermogenspotentiaal de volgende aanvullende invoergegevens in aanmerking worden genomen:
In de meeste turbo-expandertoepassingen wordt de temperatuur tot een minimum beperkt om ongewenste problemen zoals het eerder genoemde bevriezen van leidingen te voorkomen. Waar aardgas stroomt, zijn bijna altijd hydraten aanwezig, wat betekent dat de leiding stroomafwaarts van een turbo-expander of smoorklep zowel inwendig als uitwendig zal bevriezen als de uitlaattemperatuur onder 0 °C daalt. IJsvorming kan leiden tot een stroombeperking en uiteindelijk tot het uitschakelen van het systeem om te ontdooien. Daarom wordt de "gewenste" uitlaattemperatuur gebruikt om een realistischer potentieel vermogensscenario te berekenen. Voor gassen zoals waterstof ligt de temperatuurlimiet echter veel lager, omdat waterstof pas van gas in vloeistof verandert wanneer het een cryogene temperatuur (-253 °C) bereikt. Gebruik deze gewenste uitlaattemperatuur om de specifieke enthalpie te berekenen.
De efficiëntie van het turbo-expandersysteem moet ook in overweging worden genomen. Afhankelijk van de gebruikte technologie kan de efficiëntie van het systeem aanzienlijk variëren. Een turbo-expander die bijvoorbeeld een reductietandwiel gebruikt om rotatie-energie van de turbine naar de generator over te brengen, zal grotere wrijvingsverliezen ervaren dan een systeem dat directe aandrijving van de turbine naar de generator gebruikt. De totale 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 drukverlaging voor aardgas. ABC exploiteert en onderhoudt een drukverlagingsstation dat aardgas transporteert van de hoofdleiding naar lokale gemeenten. In dit station is de gasinlaatdruk 40 bar en de uitlaatdruk 8 bar. De voorverwarmde inlaatgastemperatuur is 35 °C, wat het gas voorverwarmt om bevriezing van de leiding te voorkomen. Daarom moet de uitlaatgastemperatuur zo worden geregeld dat deze niet onder 0 °C daalt. 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:
Geplaatst op: 25 mei 2024