Uitbreidings kan drukvermindering gebruik om roterende masjiene aan te dryf. Hier kan inligting oor hoe om die potensiële voordele van die installering van 'n extender te evalueer.
Tipies in die chemiese prosesbedryf (VPI), word ''n groot hoeveelheid energie vermors in drukbeheerkleppe waar hoë drukvloeistowwe onderdruk moet word' [1]. Afhangend van verskillende tegniese en ekonomiese faktore, kan dit wenslik wees om hierdie energie in roterende meganiese energie te omskep, wat gebruik kan word om kragopwekkers of ander roterende masjiene te dryf. Vir onkomprimeerbare vloeistowwe (vloeistowwe) word dit bewerkstellig met behulp van 'n hidrouliese energieherstel -turbine (HPRT; sien verwysing 1). Vir saamdrukbare vloeistowwe (gasse) is 'n uitbreier 'n geskikte masjien.
Uitbreidings is 'n volwasse tegnologie met baie suksesvolle toepassings soos vloeistofkatalitiese krake (FCC), verkoeling, kleppe in die natuurgas, lugskeiding of uitlaatgasse. In beginsel kan enige gasstroom met verminderde druk gebruik word om 'n uitbreier 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. Expander -implementering: Die proses hang af van hierdie en ander faktore, soos plaaslike energiepryse en die vervaardiger se beskikbaarheid van geskikte toerusting.
Alhoewel die turboexpander (soortgelyk aan 'n turbine) die bekendste tipe uitbreier is (Figuur 1), is daar ander soorte wat geskik is vir verskillende prosesomstandighede. Hierdie artikel stel die belangrikste soorte uitbreidings en hul komponente bekend en gee 'n opsomming van hoe bedryfsbestuurders, konsultante of energie -ouditeure in verskillende VPI -afdelings die potensiële ekonomiese en omgewingsvoordele van die installering van 'n uitbreiding kan evalueer.
Daar is baie verskillende soorte weerstandsbande wat baie verskil in meetkunde en funksie. Die hooftipes word in Figuur 2 getoon, en elke tipe word hieronder kortliks beskryf. Raadpleeg Help vir meer inligting, sowel as grafieke wat die werkstatus van elke tipe op grond van spesifieke diameters en spesifieke snelhede vergelyk. 3.
Suier turboexpander. Die suier- en roterende suier-turboxpanders werk soos 'n omgekeerde-roterende binnebrandenjin, wat hoëdrukgas absorbeer en sy gestoorde energie omskakel in rotasie-energie deur die krukas.
Sleep die Turbo Expander. Die remturbine -uitbreier bestaan uit 'n konsentriese vloeikamer met emmervinne wat aan die periferie van die roterende element vasgemaak is. Dit is op dieselfde manier as waterwiele ontwerp, maar die dwarssnit van die konsentriese kamers neem toe van inlaat tot uitlaat, waardeur die gas kan uitbrei.
Radiale turboexpander. Radiale vloei -turboxpanders het 'n aksiale inlaat en 'n radiale uitlaat, waardeur die gas radiaal deur die turbine -waaier kan uitbrei. Net so brei aksiale vloeiturbines gas deur die turbine -wiel uit, maar die rigting van die vloei bly parallel aan die rotasieas.
Hierdie artikel fokus op radiale en aksiale turboxpanders en bespreek hul verskillende subtipes, komponente en ekonomie.
'N Turboexpander haal energie uit 'n hoëdruk-gasstroom en skakel dit om in 'n dryfvrag. Die las is tipies 'n kompressor of kragopwekker wat aan 'n as gekoppel is. 'N Turboexpander met 'n kompressor kom saam in ander dele van die prosesstroom wat saamgeperste vloeistof benodig, waardeur die algehele doeltreffendheid van die plant verhoog word deur energie te gebruik wat anders vermors word. 'N Turboexpander met 'n kraglading omskakel die energie in elektrisiteit, wat in ander plantprosesse gebruik kan word of na die plaaslike netwerk terugbesorg kan word.
TurboExpander -kragopwekkers kan toegerus wees met 'n direkte dryfas van die turbine -wiel na die kragopwekker, of deur 'n ratkas wat die insetsnelheid van die turbine -wiel tot by die kragopwekker verminder deur 'n ratverhouding. Direkte aandrywing Turboxpanders bied voordele in doeltreffendheid, voetspoor en onderhoudskoste. Turboxpanders met ratkas is swaarder en benodig 'n groter voetspoor, smeringshulptoerusting en gereelde onderhoud.
Vloei-turboxpanders kan in die vorm van radiale of aksiale turbines gemaak word. Radiale vloei -uitbreidings bevat 'n aksiale inlaat en 'n radiale uitlaat sodat die gasvloei die turbine radiaal vanaf die rotasieas uit die weg kom. Axiale turbines laat gas aksiaal langs die rotasieas vloei. Axiale vloei-turbines haal energie uit die gasvloei deur inlaatgids-waens na die uitbreidingswiel, met die dwarssnitarea van die uitbreidingskamer geleidelik om 'n konstante snelheid te handhaaf.
'N Turboexpander -generator bestaan uit drie hoofkomponente: 'n turbinewiel, spesiale laers en 'n kragopwekker.
Turbine Wheel. Turbine -wiele word dikwels spesifiek ontwerp om aërodinamiese doeltreffendheid te optimaliseer. Toepassingsveranderlikes wat die ontwerp van die turbine -wiel beïnvloed, sluit inlaat-/uitlaatdruk, inlaat-/uitlaat temperatuur, volume vloei en vloeistof -eienskappe in. As die kompressieverhouding te hoog is om in een stadium te verminder, is 'n turboexpander met veelvuldige turbinewiele nodig. Beide radiale en aksiale turbinewiele kan as meervoudige fase ontwerp word, maar aksiale turbinewiele het 'n baie korter aksiale lengte en is dus meer kompak. Multistage radiale vloeiturbines benodig gas om van aksiale na radiaal en terug na aksiale te vloei, wat hoër wrywingverliese skep as aksiale vloeiturbines.
laers. Die ontwerp van die dra is van kritieke belang vir die doeltreffende werking van 'n turboexpander. Laerstipes wat verband hou met turboexpander -ontwerpe verskil baie en kan olie -laers, vloeibare filmlaers, tradisionele kogellagers en magnetiese laers insluit. Elke metode het sy eie voor- en nadele, soos aangetoon in Tabel 1.
Baie vervaardigers van TurboExpander kies magnetiese laers as hul 'dra van keuse' vanweë hul unieke voordele. Magnetiese laers verseker wrywingvrye werking van die dinamiese komponente van die turboxpander, wat die bedryfs- en onderhoudskoste gedurende die leeftyd van die masjien aansienlik verminder. Dit is ook ontwerp om 'n wye verskeidenheid aksiale en radiale vragte en buitelandse toestande te weerstaan. Hul hoër aanvangskoste word teengewerk deur baie laer lewensikluskoste.
Dynamo. Die kragopwekker neem die rotasie -energie van die turbine en skakel dit om in nuttige elektriese energie met behulp van 'n elektromagnetiese kragopwekker (wat 'n induksie -generator of 'n permanente magneetgenerator kan wees). Induksie -kragopwekkers het 'n laer beoordelingsnelheid, dus benodig u turbine -toepassings 'n ratkas, maar kan ontwerp word om by die roosterfrekwensie te pas, wat die behoefte aan 'n veranderlike frekwensie -aandrywing (VFD) uitskakel om die opgewekte elektrisiteit te voorsien. Permanente magneetopwekkers, daarenteen, kan direk as aan die turbine gekoppel word en krag na die rooster oordra deur 'n veranderlike frekwensie -aandrywing. Die kragopwekker is ontwerp om maksimum krag te lewer op grond van die askrag wat in die stelsel beskikbaar is.
Seëls. Die seël is ook 'n kritieke komponent by die ontwerp van 'n turboexpander -stelsel. Om hoë doeltreffendheid te handhaaf en aan die omgewingstandaarde te voldoen, moet stelsels verseël word om moontlike prosesgaslekkasies te voorkom. Turboxpanders kan toegerus wees met dinamiese of statiese seëls. Dinamiese seëls, soos labirint -seëls en droë gasseëls, bied 'n seël om 'n roterende as, gewoonlik tussen die turbine -wiel, laers en die res van die masjien waar die kragopwekker geleë is. Dinamiese seëls dra mettertyd uit en benodig gereelde onderhoud en inspeksie om te verseker dat dit behoorlik funksioneer. As alle turboexpander -komponente in 'n enkele behuising vervat is, kan statiese seëls gebruik word om enige leidrade wat die behuising verlaat, te beskerm, insluitend na die kragopwekker, magnetiese draritte 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 uitbreider om saamdrukbare (nie-kondenseerbare) gas met 'n hoë druk aan 'n lae-drukstelsel te voorsien met voldoende vloei, drukval en gebruik om die normale werking van die toerusting te handhaaf. Bedryfsparameters word op 'n veilige en doeltreffende vlak gehandhaaf.
Wat die drukverminderingsfunksie betref, kan die uitbreier gebruik word om die Joule-Thomson (JT) klep, ook bekend as die gasklep, te vervang. Aangesien die JT -klep langs 'n isentropiese paadjie beweeg en die uitbreier langs 'n byna isentropiese paadjie beweeg, verminder laasgenoemde die entalpie van die gas en skakel die entalpieverskil in die askrag en lewer sodoende 'n laer uitlaat temperatuur as die JT -klep. Dit is nuttig in kryogene prosesse waar die doel is om die temperatuur van die gas te verlaag.
As daar 'n laer limiet op die uitlaatgastemperatuur is (byvoorbeeld in 'n dekompressie -stasie waar die gastemperatuur bo vriespunt, hidrasie of minimum materiaalontwerptemperatuur gehou moet word), moet ten minste een verwarmer bygevoeg word. beheer die gastemperatuur. As die voorverwarmer stroomop van die uitbreiding geleë is, word sommige van die energie van die voergas ook in die uitbreier verhaal, waardeur sy kraglewering verhoog word. In sommige konfigurasies waar die temperatuurbeheer van die uitlaat benodig word, kan 'n tweede rehater na die uitbreier geïnstalleer word om vinniger beheer te gee.
In Figuur 3 toon Figuur 3 'n vereenvoudigde diagram van die algemene vloeidiagram van 'n uitbreidergenerator met 'n voorverwarmer wat gebruik word om 'n JT -klep te vervang.
In ander proseskonfigurasies kan die energie wat in die uitbreier verhaal word, direk na die kompressor oorgedra word. Hierdie masjiene, soms 'bevelvoerders' genoem, het gewoonlik uitbreidings- en kompressie -stadiums wat deur een of meer asse gekoppel is, wat ook 'n ratkas kan insluit om die snelheidsverskil tussen die twee fases te reguleer. Dit kan ook 'n addisionele motor insluit om meer krag aan die kompressiefase te bied.
Hieronder is enkele van die belangrikste komponente wat die regte werking en stabiliteit van die stelsel verseker.
Omseilklep of drukverminderende klep. Die omseilklep laat die werking toe om voort te gaan wanneer die turboexpander nie werk nie (byvoorbeeld vir onderhoud of 'n noodgeval), terwyl die drukverminderende klep gebruik word vir voortdurende werking om oortollige gas te lewer wanneer die totale vloei die ontwerpvermoë van die Expander oorskry.
Nood -afsluitklep (ESD). ESD -kleppe word in 'n noodgeval gebruik om die vloei van gas na die uitbreier te blokkeer om meganiese skade te voorkom.
Instrumente en kontroles. Belangrike veranderlikes om te monitor, sluit inlaat- en uitlaatdruk, vloeitempo, rotasiesnelheid en kraglewering in.
Ry met oormatige spoed. Die toestel sny die vloei na die turbine af, wat veroorsaak dat die turbine -rotor vertraag en sodoende die toerusting teen buitensporige snelhede beskerm as gevolg van onverwagte prosesomstandighede wat die toerusting kan beskadig.
Drukveiligheidsklep (PSV). PSV's word gereeld na 'n turboexpander geïnstalleer om pypleidings en laedruk -toerusting te beskerm. Die PSV moet ontwerp word om die ernstigste gebeurlikhede te weerstaan, wat tipies die mislukking van die omseilklep insluit om oop te maak. As 'n uitbreier by 'n bestaande drukverminderingstasie gevoeg word, moet die prosesontwerpspan bepaal of die bestaande PSV voldoende beskerming bied.
Verwarmer. Verwarmers vergoed vir die temperatuurval wat veroorsaak word deur die gas wat deur die turbine beweeg, sodat die gas voorverhit moet word. Die belangrikste funksie daarvan is om die temperatuur van die stygende gasvloei te verhoog om die temperatuur van die gas te handhaaf wat die uitbreiding bo 'n minimum waarde verlaat. 'N Verdere voordeel van die verhoging van die temperatuur is om die kraglewering te verhoog en om korrosie, kondensasie of hidrate te voorkom wat die spuitpunte van toerusting nadelig kan beïnvloed. In stelsels wat warmtewisselaars 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 warmtewisselaar. Verwarmers bestaan moontlik al in 'n bestaande JT -klepstasie, en om 'n uitbreier by te voeg, hoef moontlik nie ekstra verwarmers te installeer nie, maar eerder die vloei van verhitte vloeistof te verhoog.
Smeer olie en seëlgasstelsels. Soos hierbo genoem, kan uitbreidings verskillende seëlontwerpe gebruik, wat smeermiddels en verseëlinggasse kan benodig. Waar van toepassing, moet die smeerolie hoë gehalte en suiwerheid handhaaf as dit in kontak is met prosesgasse, en die olieviskositeitsvlak moet binne die vereiste werkingsreeks van gesmeerde laers bly. Verseëlde gasstelsels is gewoonlik toegerus met 'n olie -smeringstoestel om te voorkom dat olie uit die draboks die uitbreidingskas binnedring. Vir spesiale toepassings van kompanderings wat in die koolwaterstofbedryf gebruik word, is smeerolie- en seëlgasstelsels tipies ontwerp vir API 617 [5] Deel 4 -spesifikasies.
Veranderlike frekwensie -aandrywing (VFD). As die kragopwekker induksie is, word 'n VFD tipies aangeskakel om die wisselstroom (AC) sein aan te pas om by die nutsfrekwensie te pas. Tipies het ontwerpe gebaseer op veranderlike frekwensie -aandrywers 'n hoër algehele doeltreffendheid as ontwerpe wat ratkaste of ander meganiese komponente gebruik. VFD-gebaseerde stelsels kan ook 'n groter verskeidenheid prosesveranderings akkommodeer wat kan lei tot veranderinge in die snelheid van die uitbreid.
Oordrag. Sommige Expander -ontwerpe gebruik 'n ratkas om die snelheid van die uitbreid na die nominale snelheid van die kragopwekker te verminder. Die koste van die gebruik van 'n ratkas is 'n laer algehele doeltreffendheid en laer kraglewering.
By die voorbereiding van 'n versoek om kwotasie (RFQ) vir 'n uitbreider, moet die prosesingenieur eers die bedryfsvoorwaardes bepaal, insluitend die volgende inligting:
Meganiese ingenieurs voltooi dikwels die spesifikasies en spesifikasies van uitbreidingsgenerator met behulp van data van ander ingenieursdissiplines. Hierdie insette kan die volgende insluit:
Die spesifikasies moet ook 'n lys met dokumente en tekeninge wat deur die vervaardiger verskaf word, bevat as deel van die tenderproses en die omvang van die aanbod, sowel as toepaslike toetsprosedures soos deur die projek vereis.
Die tegniese inligting wat die vervaardiger as deel van die tenderproses verskaf, moet oor die algemeen die volgende elemente insluit:
As enige aspek van die voorstel verskil van die oorspronklike spesifikasies, 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 nakoming hersien en bepaal of afwykings tegnies geregverdig is.
Ander tegniese oorwegings wat u moet oorweeg by die evaluering van voorstelle, sluit in:
Laastens moet 'n ekonomiese ontleding uitgevoer word. Aangesien verskillende opsies verskillende aanvanklike koste kan tot gevolg hê, word dit aanbeveel dat 'n kontantvloei of lewensiklus-koste-analise uitgevoer word om die projek se langtermynekonomie en opbrengs op belegging te vergelyk. Byvoorbeeld, 'n hoër aanvanklike belegging kan op lang termyn teengewerk word deur verhoogde produktiwiteit of verminderde onderhoudsvereistes. Raadpleeg “Verwysings” vir instruksies oor hierdie tipe analise. 4.
Alle TurboExpander-generator-toepassings benodig 'n aanvanklike totale potensiële kragberekening om die totale hoeveelheid beskikbare energie te bepaal wat in 'n spesifieke toepassing verhaal kan word. Vir 'n turboexpander -kragopwekker 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 regte proses om die werklike energiepotensiaal te skat.
Isentropiese potensiële energie (IPP) word bereken deur die spesifieke entalpieverskil by die inlaat en uitlaat van die turboxpander te vermenigvuldig en die resultaat te vermenigvuldig met die massavloeitempo. 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 uitlaat temperatuur 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 aanvullende energieverliese. Dus, wanneer die werklike drywingspotensiaal bereken word, moet die volgende addisionele insetdata in ag geneem word:
In die meeste Turboexpander -toepassings is die temperatuur beperk tot 'n minimum om ongewenste probleme te voorkom, soos pypvriesing wat vroeër genoem is. Waar aardgas vloei, is hidrate byna altyd aanwesig, wat beteken dat die pypleiding stroomaf van 'n turboexpander of gasklep intern en ekstern sal vries as die uitlaat temperatuur onder 0 ° C daal. Ysvorming kan vloeibeperking tot gevolg hê en uiteindelik die stelsel om te ontdooi, afsluit. Dus word die 'gewenste' uitlaat temperatuur 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 kryogene temperatuur bereik nie (-253 ° C). Gebruik hierdie gewenste uitlaat temperatuur om die spesifieke entalpie te bereken.
Die doeltreffendheid van die TurboExpander -stelsel moet ook oorweeg word. Afhangend van die tegnologie wat gebruik word, kan die doeltreffendheid van die stelsel aansienlik verskil. Byvoorbeeld, 'n turboexpander wat 'n reduksie -toerusting gebruik om rotasie -energie van die turbine na die kragopwekker oor te dra, sal groter wrywingverliese ervaar as 'n stelsel wat direkte dryf van die turbine na die kragopwekker gebruik. Die algehele doeltreffendheid van 'n turboexpander -stelsel word as 'n persentasie uitgedruk en word in ag geneem by die beoordeling van die werklike kragpotensiaal van die turboexpander. Die werklike kragpotensiaal (PP) word soos volg bereken:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Kom ons kyk na die toepassing van die verligting van aardgas. ABC bedryf en onderhou 'n drukverminderingsstasie wat aardgas vanaf die hoofpyplyn vervoer en dit aan plaaslike munisipaliteite versprei. By hierdie stasie is die druk van die gasinlaat 40 bar en die uitlaatdruk is 8 bar. Die voorverhitte inlaatgastemperatuur is 35 ° C, wat die gas voorverhit om pypleiding te vries. Daarom moet die uitlaatgastemperatuur beheer word sodat dit nie onder 0 ° C val nie. In hierdie voorbeeld gebruik ons 5 ° C as die minimum uitlaat temperatuur om die veiligheidsfaktor te verhoog. Die genormaliseerde volumetriese gasvloeitempo is 50.000 nm3/h. Om die drywingspotensiaal te bereken, sal ons aanvaar dat alle gas deur die Turbo -uitbreier vloei en die maksimum kraglewering bereken. Skat die totale kragleweringpotensiaal met behulp van die volgende berekening:
Postyd: Mei-25-2024