HANGZHOU NUZHUO TEGNOLOGIE GROEP CO., LTD.

Uitbreiders kan drukvermindering gebruik om roterende masjiene aan te dryf. Inligting oor hoe om die potensiële voordele van die installering van 'n uitbreider te evalueer, kan hier gevind word.
Tipies in die chemiese prosesbedryf (CPI) word "'n groot hoeveelheid energie vermors in drukbeheerkleppe waar hoëdrukvloeistowwe gedepressuriseer moet word" [1]. Afhangende van verskeie tegniese en ekonomiese faktore, kan dit wenslik wees om hierdie energie om te skakel in roterende meganiese energie, wat gebruik kan word om kragopwekkers of ander roterende masjiene aan te dryf. Vir onsaampersbare vloeistowwe (vloeistowwe) word dit bereik deur 'n hidrouliese energieherwinningsturbine (HPRT; sien verwysing 1) te gebruik. Vir saampersbare vloeistowwe (gasse) is 'n ekspander 'n geskikte masjien.
Ekspanders is 'n volwasse tegnologie met baie suksesvolle toepassings soos vloeistofkatalitiese kraking (FCC), verkoeling, natuurlike gasstadkleppe, lugskeiding of uitlaatgasse. In beginsel kan enige gasstroom met verminderde druk gebruik word om 'n ekspander aan te dryf, maar "die energie-uitset is direk eweredig aan die drukverhouding, temperatuur en vloeitempo van die gasstroom" [2], sowel as tegniese en ekonomiese uitvoerbaarheid. Implementering van ekspander: Die proses hang af van hierdie en ander faktore, soos plaaslike energiepryse en die vervaardiger se beskikbaarheid van geskikte toerusting.
Alhoewel die turbo-ekspander (wat soortgelyk aan 'n turbine funksioneer) die bekendste tipe uitbreider is (Figuur 1), is daar ander tipes wat geskik is vir verskillende prosestoestande. Hierdie artikel stel die hooftipes uitbreiders en hul komponente bekend en som op hoe bedryfsbestuurders, konsultante of energie-ouditeurs in verskeie VPI-afdelings die potensiële ekonomiese en omgewingsvoordele van die installering van 'n uitbreider kan evalueer.
Daar is baie verskillende tipes weerstandsbande wat baie verskil in geometrie en funksie. Die hooftipes word in Figuur 2 getoon, en elke tipe word kortliks hieronder beskryf. Vir meer inligting, sowel as grafieke wat die bedryfstatus van elke tipe vergelyk op grond van spesifieke diameters en spesifieke snelhede, sien Hulp. 3.
Suier-turbo-ekspander. Suier- en roterende suier-turbo-ekspanders werk soos 'n omgekeerd-roterende binnebrandenjin, wat hoëdrukgas absorbeer en die gestoorde energie daarvan in rotasie-energie deur die krukas omskakel.
Sleep die turbo-ekspander. Die remturbine-ekspander bestaan ​​uit 'n konsentriese vloeikamer met emmervinne wat aan die omtrek van die roterende element geheg is. Hulle is op dieselfde manier ontwerp as waterwiele, maar die deursnit van die konsentriese kamers neem toe van inlaat na uitlaat, wat die gas toelaat om uit te sit.
Radiale turbo-ekspander. Radiale vloei-turbo-ekspanders het 'n aksiale inlaat en 'n radiale uitlaat, wat die gas toelaat om radiaal deur die turbine-waaier uit te sit. Net so sit aksiale vloei-turbines gas deur die turbinewiel uit, maar die vloeirigting bly parallel met die rotasie-as.
Hierdie artikel fokus op radiale en aksiale turbo-ekspanders, en bespreek hul verskillende subtipes, komponente en ekonomie.
'n Turbo-ekspander onttrek energie uit 'n hoëdrukgasstroom en skakel dit om in 'n aandryflas. Tipies is die las 'n kompressor of kragopwekker wat aan 'n as gekoppel is. 'n Turbo-ekspander met 'n kompressor pers vloeistof saam in ander dele van die prosesstroom wat saamgeperste vloeistof benodig, waardeur die algehele doeltreffendheid van die aanleg verhoog word deur energie te gebruik wat andersins vermors word. 'n Turbo-ekspander met 'n kragopwekkerlas skakel die energie om in elektrisiteit, wat in ander aanlegprosesse gebruik kan word of na die plaaslike netwerk terugbesorg kan word vir verkoop.
Turbo-ekspander-kragopwekkers kan toegerus word met óf 'n direkte aandryfas vanaf die turbinewiel na die kragopwekker, óf deur 'n ratkas wat die insetspoed van die turbinewiel na die kragopwekker effektief verminder deur 'n ratverhouding. Direkte aangedrewe turbo-ekspanders bied voordele in doeltreffendheid, voetspoor en onderhoudskoste. Ratkas-turbo-ekspanders is swaarder en benodig 'n groter voetspoor, smeermiddel-hulptoerusting en gereelde onderhoud.
Deurvloei-turbo-ekspanders kan in die vorm van radiale of aksiale turbines gemaak word. Radiale vloei-ekspanders bevat 'n aksiale inlaat en 'n radiale uitlaat sodat die gasvloei die turbine radiaal vanaf die rotasie-as verlaat. Aksiale turbines laat gas aksiaal langs die rotasie-as vloei. Aksiale vloei-turbines onttrek energie uit die gasvloei deur inlaat-geleiervleuels na die ekspanderwiel, met die deursnee-area van die ekspansiekamer wat geleidelik toeneem om 'n konstante spoed te handhaaf.
'n Turbo-ekspandergenerator bestaan ​​uit drie hoofkomponente: 'n turbinewiel, spesiale laers en 'n generator.
Turbinewiel. Turbinewiele word dikwels spesifiek ontwerp om aërodinamiese doeltreffendheid te optimaliseer. Toepassingsveranderlikes wat turbinewielontwerp beïnvloed, sluit in inlaat-/uitlaatdruk, inlaat-/uitlaattemperatuur, volumevloei en vloeistofeienskappe. Wanneer die kompressieverhouding te hoog is om in een stadium verminder te word, is 'n turbo-ekspander met veelvuldige turbinewiele nodig. Beide radiale en aksiale turbinewiele kan as meerstadium-turbinewiele ontwerp word, maar aksiale turbinewiele het 'n baie korter aksiale lengte en is dus meer kompak. Meerstadium radiale vloeiturbines vereis dat gas van aksiaal na radiaal en terug na aksiaal vloei, wat hoër wrywingsverliese skep as aksiale vloeiturbines.
laers. Laerontwerp is van kritieke belang vir die doeltreffende werking van 'n turbo-ekspander. Laertipes wat verband hou met turbo-ekspanderontwerpe wissel wyd en kan olielaers, vloeibare filmlaers, tradisionele kogellaers en magnetiese laers insluit. Elke metode het sy eie voordele en nadele, soos getoon in Tabel 1.
Baie turbo-ekspandervervaardigers kies magnetiese laers as hul "laers van keuse" as gevolg van hul unieke voordele. Magnetiese laers verseker wrywingvrye werking van die turbo-ekspander se dinamiese komponente, wat die bedryfs- en onderhoudskoste aansienlik verminder oor die leeftyd van die masjien. Hulle is ook ontwerp om 'n wye reeks aksiale en radiale belastings en oorspanningstoestande te weerstaan. Hul hoër aanvanklike koste word geneutraliseer deur baie laer lewensikluskoste.
dinamo. Die kragopwekker neem die rotasie-energie van die turbine en skakel dit om in bruikbare elektriese energie met behulp van 'n elektromagnetiese kragopwekker (wat 'n induksiekragopwekker of 'n permanente magneetkragopwekker kan wees). Induksiekragopwekkers het 'n laer nominale spoed, dus hoëspoed-turbinetoepassings vereis 'n ratkas, maar kan ontwerp word om by die netwerkfrekwensie te pas, wat die behoefte aan 'n veranderlike frekwensie-aandrywer (VFD) om die opgewekte elektrisiteit te lewer, uitskakel. Permanente magneetkragopwekkers, aan die ander kant, kan direk asgekoppel word aan die turbine en krag na die netwerk oordra deur 'n veranderlike frekwensie-aandrywer. Die kragopwekker is ontwerp om maksimum krag te lewer gebaseer op die askrag wat in die stelsel beskikbaar is.
Seëls. Die seël is ook 'n kritieke komponent wanneer 'n turbo-ekspanderstelsel ontwerp word. Om hoë doeltreffendheid te handhaaf en aan omgewingstandaarde te voldoen, moet stelsels verseël word om potensiële prosesgaslekkasies te voorkom. Turbo-ekspanders kan toegerus word met dinamiese of statiese seëls. Dinamiese seëls, soos labirintseëls en droëgasseëls, bied 'n seël rondom 'n roterende as, tipies tussen die turbinewiel, laers en die res van die masjien waar die kragopwekker geleë is. Dinamiese seëls verslyt mettertyd en benodig gereelde onderhoud en inspeksie om te verseker dat hulle behoorlik funksioneer. Wanneer alle turbo-ekspanderkomponente in 'n enkele behuising is, kan statiese seëls gebruik word om enige leidings wat die behuising verlaat, te beskerm, insluitend na die kragopwekker, magnetiese laeraandrywers of sensors. Hierdie lugdigte seëls bied permanente beskerming teen gaslekkasie en benodig geen onderhoud of herstel nie.
Vanuit 'n prosesoogpunt is die primêre vereiste vir die installering van 'n ekspander om hoëdruk-saampersbare (nie-kondenseerbare) gas aan 'n laedrukstelsel te verskaf met voldoende vloei, drukval en benutting om normale werking van die toerusting te handhaaf. Bedryfsparameters word op 'n veilige en doeltreffende vlak gehandhaaf.
Wat die drukverminderingsfunksie betref, kan die ekspander gebruik word om die Joule-Thomson (JT) klep, ook bekend as die smoorklep, te vervang. Aangesien die JT klep langs 'n isentropiese pad beweeg en die ekspander langs 'n byna isentropiese pad beweeg, verminder laasgenoemde die entalpie van die gas en skakel die entalpieverskil om in askrag, waardeur 'n laer uitlaattemperatuur as die JT klep geproduseer word. Dit is nuttig in kriogeniese prosesse waar die doel is om die temperatuur van die gas te verlaag.
Indien daar 'n ondergrens op die uitlaatgastemperatuur is (byvoorbeeld in 'n dekompressiestasie waar die gastemperatuur bo vriespunt, hidrasie of minimum materiaalontwerptemperatuur gehandhaaf moet word), moet ten minste een verwarmer bygevoeg word. Beheer die gastemperatuur. Wanneer die voorverwarmer stroomop van die ekspander geleë is, word van die energie van die voedingsgas ook in die ekspander herwin, wat die kraglewering verhoog. In sommige konfigurasies waar uitlaattemperatuurbeheer benodig word, kan 'n tweede herverwarmer na die ekspander geïnstalleer word om vinniger beheer te bied.
In Fig. 3 toon Fig. 3 'n vereenvoudigde diagram van die algemene vloeidiagram van 'n uitbreidingsgenerator met voorverwarmer wat gebruik word om 'n JT-klep te vervang.
In ander proseskonfigurasies kan die energie wat in die uitbreider herwin word, direk na die kompressor oorgedra word. Hierdie masjiene, soms "bevelvoerders" genoem, het gewoonlik uitbreidings- en kompressiefases wat deur een of meer skagte verbind word, wat ook 'n ratkas kan insluit om die spoedverskil tussen die twee fases te reguleer. Dit kan ook 'n bykomende motor insluit om meer krag aan die kompressiefase te verskaf.
Hieronder is 'n paar van die belangrikste komponente wat die behoorlike werking en stabiliteit van die stelsel verseker.
Omleidingsklep of drukverminderingsklep. Die omleidingsklep laat die werking toe om voort te gaan wanneer die turbo-ekspander nie werk nie (byvoorbeeld vir onderhoud of 'n noodgeval), terwyl die drukverminderingsklep gebruik word vir deurlopende werking om oortollige gas te verskaf wanneer die totale vloei die ekspander se ontwerpkapasiteit oorskry.
Noodafsluitklep (ESD). ESD-kleppe word gebruik om die vloei van gas in die ekspander in 'n noodgeval te blokkeer om meganiese skade te voorkom.
Instrumente en beheermaatreëls. Belangrike veranderlikes om te monitor sluit in inlaat- en uitlaatdruk, vloeitempo, rotasiespoed en kraglewering.
Ry teen oormatige spoed. Die toestel sny die vloei na die turbine af, wat veroorsaak dat die turbinerotor stadiger word, en sodoende die toerusting beskerm teen oormatige snelhede as gevolg van onverwagte prosestoestande wat die toerusting kan beskadig.
Drukveiligheidsklep (PSV). PSV's word dikwels na 'n turbo-ekspander geïnstalleer om pypleidings en laedruktoerusting te beskerm. Die PSV moet ontwerp word om die ernstigste gebeurlikhede te weerstaan, wat tipies die mislukking van die omleidingsklep insluit om oop te maak. As 'n ekspander by 'n bestaande drukverminderingsstasie gevoeg word, moet die prosesontwerpspan bepaal of die bestaande PSV voldoende beskerming bied.
Verwarmer. Verwarmers vergoed vir die temperatuurdaling wat veroorsaak word deur die gas wat deur die turbine beweeg, dus moet die gas voorverhit word. Die hooffunksie daarvan is om die temperatuur van die stygende gasvloei te verhoog om die temperatuur van die gas wat die uitbreider verlaat bo 'n minimumwaarde te handhaaf. Nog 'n voordeel van die verhoging van die temperatuur is om die kraglewering te verhoog, asook om korrosie, kondensasie of hidrate te voorkom wat toerustingspuitstukke nadelig kan beïnvloed. In stelsels wat hitteruilers bevat (soos getoon in Figuur 3), word die gastemperatuur gewoonlik beheer deur die vloei van verhitte vloeistof in die voorverwarmer te reguleer. In sommige ontwerpe kan 'n vlamverwarmer of elektriese verwarmer gebruik word in plaas van 'n hitteruiler. Verwarmers mag reeds in 'n bestaande JT-klepstasie bestaan, en die byvoeging van 'n uitbreider vereis dalk nie die installering van bykomende verwarmers nie, maar eerder die verhoging van die vloei van verhitte vloeistof.
Smeerolie- en seëlgastelsels. Soos hierbo genoem, kan uitbreiders verskillende seëlontwerpe gebruik, wat smeermiddels en seëlgasse mag benodig. Waar van toepassing, moet die smeerolie hoë gehalte en suiwerheid handhaaf wanneer dit in kontak is met prosesgasse, en die olieviskositeitsvlak moet binne die vereiste bedryfsreeks van gesmeerde laers bly. Verseëlde gasstelsels is gewoonlik toegerus met 'n oliesmeertoestel om te verhoed dat olie uit die laerkas die uitbreidingskas binnedring. Vir spesiale toepassings van uitbreiders wat in die koolwaterstofbedryf gebruik word, word smeerolie- en seëlgastelsels tipies ontwerp volgens API 617 [5] Deel 4-spesifikasies.
Veranderlike frekwensie-aandrywing (VFD). Wanneer die generator induksie is, word 'n VFD tipies aangeskakel om die wisselstroom (WS) sein aan te pas om by die nutsfrekwensie te pas. Tipies het ontwerpe gebaseer op veranderlike frekwensie-aandrywers hoër algehele doeltreffendheid as ontwerpe wat ratkaste of ander meganiese komponente gebruik. VFD-gebaseerde stelsels kan ook 'n wyer reeks prosesveranderinge akkommodeer wat kan lei tot veranderinge in die uitbreidingsaasspoed.
Transmissie. Sommige uitbreidingsontwerpe gebruik 'n ratkas om die spoed van die uitbreiding tot die nominale spoed van die kragopwekker te verminder. Die koste van die gebruik van 'n ratkas is laer algehele doeltreffendheid en dus laer kraglewering.
Wanneer 'n versoek om kwotasie (RFQ) vir 'n uitbreider voorberei word, moet die prosesingenieur eers die bedryfstoestande bepaal, insluitend die volgende inligting:
Meganiese ingenieurs voltooi dikwels spesifikasies vir uitbreidingsgenerators en spesifikasies deur data van ander ingenieursdissiplines te gebruik. Hierdie insette kan die volgende insluit:
Die spesifikasies moet ook 'n lys van dokumente en tekeninge insluit wat deur die vervaardiger as deel van die tenderproses verskaf is, asook die omvang van die lewering, asook toepaslike toetsprosedures soos vereis deur die projek.
Die tegniese inligting wat deur die vervaardiger as deel van die tenderproses verskaf word, moet oor die algemeen die volgende elemente insluit:
Indien enige aspek van die voorstel van die oorspronklike spesifikasies verskil, moet die vervaardiger ook 'n lys van afwykings en die redes vir die afwykings verskaf.
Sodra 'n voorstel ontvang is, moet die projekontwikkelingspan die versoek om voldoening hersien en bepaal of afwykings tegnies geregverdig is.
Ander tegniese oorwegings om te oorweeg wanneer voorstelle geëvalueer word, sluit in:
Laastens moet 'n ekonomiese analise uitgevoer word. Omdat verskillende opsies tot verskillende aanvanklike koste kan lei, word dit aanbeveel dat 'n kontantvloei- of lewensikluskoste-analise uitgevoer word om die projek se langtermyn-ekonomie en opbrengs op belegging te vergelyk. Byvoorbeeld, 'n hoër aanvanklike belegging kan op die lang termyn geneutraliseer word deur verhoogde produktiwiteit of verminderde onderhoudsvereistes. Sien "Verwysings" vir instruksies oor hierdie tipe analise. 4.
Alle turbo-ekspander-generator toepassings vereis 'n aanvanklike totale potensiële kragberekening om die totale hoeveelheid beskikbare energie te bepaal wat in 'n spesifieke toepassing herwin kan word. Vir 'n turbo-ekspander-generator word die kragpotensiaal bereken as 'n isentropiese (konstante entropie) proses. Dit is die ideale termodinamiese situasie om 'n omkeerbare adiabatiese proses sonder wrywing te oorweeg, maar dit is die korrekte proses om die werklike energiepotensiaal te skat.
Isentropiese potensiële energie (IPP) word bereken deur die spesifieke entalpieverskil by die inlaat en uitlaat van die turbo-ekspander te vermenigvuldig en die resultaat met die massavloeitempo te vermenigvuldig. Hierdie potensiële energie sal uitgedruk word as 'n isentropiese hoeveelheid (Vergelyking (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
waar h(i,e) die spesifieke entalpie is met inagneming van die isentropiese uitlaattemperatuur en ṁ die massavloeitempo is.
Alhoewel isentropiese potensiële energie gebruik kan word om potensiële energie te skat, behels alle werklike stelsels wrywing, hitte en ander bykomende energieverliese. Dus, wanneer die werklike kragpotensiaal bereken word, moet die volgende bykomende invoerdata in ag geneem word:
In die meeste turbo-ekspander toepassings word die temperatuur tot 'n minimum beperk om ongewenste probleme soos pypvries wat vroeër genoem is, te voorkom. Waar natuurlike gas vloei, is hidrate amper altyd teenwoordig, wat beteken dat die pyplyn stroomaf van 'n turbo-ekspander of smoorklep intern en ekstern sal vries as die uitlaattemperatuur onder 0°C daal. Ysvorming kan lei tot vloeibeperking en uiteindelik die stelsel afskakel om te ontdooi. Dus word die "gewenste" uitlaattemperatuur gebruik om 'n meer realistiese potensiële kragscenario te bereken. Vir gasse soos waterstof is die temperatuurlimiet egter baie laer omdat waterstof nie van gas na vloeistof verander totdat dit kriogeniese temperatuur (-253°C) bereik nie. Gebruik hierdie verlangde uitlaattemperatuur om die spesifieke entalpie te bereken.
Die doeltreffendheid van die turbo-ekspanderstelsel moet ook in ag geneem word. Afhangende van die tegnologie wat gebruik word, kan stelseldoeltreffendheid aansienlik wissel. Byvoorbeeld, 'n turbo-ekspander wat 'n reduksierat gebruik om rotasie-energie van die turbine na die kragopwekker oor te dra, sal groter wrywingsverliese ervaar as 'n stelsel wat direkte aandrywing van die turbine na die kragopwekker gebruik. Die algehele doeltreffendheid van 'n turbo-ekspanderstelsel word as 'n persentasie uitgedruk en word in ag geneem wanneer die werklike kragpotensiaal van die turbo-ekspander beoordeel word. Die werklike kragpotensiaal (PP) word soos volg bereken:
PP = (hinlet – heksie) × ṁ x ṅ (2)
Kom ons kyk na die toepassing van aardgasdrukverligting. ABC bedryf en onderhou 'n drukverminderingsstasie wat aardgas vanaf die hoofpyplyn vervoer en dit na plaaslike munisipaliteite versprei. By hierdie stasie is die gasinlaatdruk 40 bar en die uitlaatdruk 8 bar. Die voorverhitte inlaatgastemperatuur is 35°C, wat die gas voorverhit om te verhoed dat die pyplyn vries. Daarom moet die uitlaatgastemperatuur beheer word sodat dit nie onder 0°C daal nie. In hierdie voorbeeld sal ons 5°C as die minimum uitlaattemperatuur gebruik om die veiligheidsfaktor te verhoog. Die genormaliseerde volumetriese gasvloeitempo is 50 000 Nm3/h. Om die kragpotensiaal te bereken, sal ons aanvaar dat alle gas deur die turbo-ekspander vloei en die maksimum kraglewering bereken. Skat die totale kragleweringspotensiaal met behulp van die volgende berekening: