Ekspansiloj povas uzi premredukton por funkciigi rotaciantajn maŝinojn. Informoj pri kiel taksi la eblajn avantaĝojn de instalado de etendilo troveblas ĉi tie.
Tipe en la kemia prilaborindustrio (KPI), "granda kvanto da energio estas malŝparata en premkontrolaj valvoj, kie altpremaj fluidoj devas esti senpremigitaj" [1]. Depende de diversaj teknikaj kaj ekonomiaj faktoroj, povas esti dezirinde konverti ĉi tiun energion en rotacian mekanikan energion, kiu povas esti uzata por funkciigi generatorojn aŭ aliajn rotaciantajn maŝinojn. Por nekunpremeblaj fluidoj (likvaĵoj), tio estas atingita per hidraŭlika energia reakira turbino (HPRT; vidu referencon 1). Por kunpremeblaj likvaĵoj (gasoj), ekspansorilo estas taŭga maŝino.
Ekspansiloj estas matura teknologio kun multaj sukcesaj aplikoj kiel fluida kataliza krakado (FCC), fridigo, urbaj valvoj por natura gaso, aerapartigo aŭ ellasiloj. Principe, ajna gasfluo kun reduktita premo povas esti uzata por funkciigi ekspansilon, sed "la energia eligo estas rekte proporcia al la premproporcio, temperaturo kaj flukvanto de la gasfluo" [2], same kiel al teknika kaj ekonomia farebleco. Efektivigo de Ekspansilo: La procezo dependas de ĉi tiuj kaj aliaj faktoroj, kiel lokaj energiprezoj kaj la havebleco de taŭga ekipaĵo fare de la fabrikanto.
Kvankam la turbekspansoro (funkcianta simile al turbino) estas la plej konata tipo de ekspansoro (Figuro 1), ekzistas aliaj tipoj taŭgaj por malsamaj procezkondiĉoj. Ĉi tiu artikolo prezentas la ĉefajn tipojn de ekspansoroj kaj iliajn komponantojn kaj resumas kiel operaciaj administrantoj, konsultistoj aŭ energiaj revizoroj en diversaj CPI-dividoj povas taksi la eblajn ekonomiajn kaj mediajn avantaĝojn de instalado de ekspansoro.
Ekzistas multaj malsamaj tipoj de rezistancbendoj, kiuj multe varias laŭ geometrio kaj funkcio. La ĉefaj tipoj estas montritaj en Figuro 2, kaj ĉiu tipo estas mallonge priskribita sube. Por pliaj informoj, kaj ankaŭ por grafikaĵoj komparantaj la funkcian staton de ĉiu tipo surbaze de specifaj diametroj kaj specifaj rapidoj, vidu Helpon. 3.
Piŝta turbekspansoro. Piŝtaj kaj rotaciaj piŝtaj turbekspansoroj funkcias kiel invers-rotacianta eksplodmotoro, absorbante altpreman gason kaj konvertante ĝian stokitan energion en rotacian energion tra la krankoŝafto.
Trenu la turb-ekspansoron. La bremsoturbina ekspansoro konsistas el samcentra flukamero kun sitelaj naĝiloj fiksitaj al la periferio de la rotacianta elemento. Ili estas dizajnitaj same kiel akvoradoj, sed la transversa sekco de la samcentraj ĉambroj pligrandiĝas de enirejo ĝis elirejo, permesante al la gaso ekspansiiĝi.
Radiala turbekspansoro. Radialfluaj turbekspansoroj havas aksan eniron kaj radialan eliron, permesante al la gaso radiale ekspansiiĝi tra la turbina padelrado. Simile, aksfluaj turbinoj ekspansiiĝas gaso tra la turbinrado, sed la direkto de fluo restas paralela al la rotacia akso.
Ĉi tiu artikolo fokusiĝas al radialaj kaj aksaj turbekspandriloj, diskutante iliajn diversajn subtipojn, komponantojn kaj ekonomikon.
Turbekspandrilo ĉerpas energion el altprema gasfluo kaj konvertas ĝin en pelan ŝarĝon. Tipe la ŝarĝo estas kompresoro aŭ generatoro konektita al ŝafto. Turbekspandrilo kun kompresoro kunpremas fluidon en aliaj partoj de la procezfluo, kiuj postulas kunpremitan fluidon, tiel pliigante la ĝeneralan efikecon de la centralo per uzado de energio, kiu alie estus malŝparita. Turbekspandrilo kun generatora ŝarĝo konvertas la energion en elektron, kiu povas esti uzata en aliaj centralaj procezoj aŭ resendita al la loka reto por vendo.
Turbekspansorigaj generatoroj povas esti ekipitaj per aŭ rekta transmisia ŝafto de la turbinrado al la generatoro, aŭ per rapidumskatolo, kiu efike reduktas la eniran rapidon de la turbinrado al la generatoro per rapidumproporcio. Rekt-transmisiaj turbekspansorigoj ofertas avantaĝojn rilate al efikeco, spaco kaj bontenadokostoj. Rapidumskatolaj turbekspansorigoj estas pli pezaj kaj postulas pli grandan spaco, lubrikan helpekipaĵon kaj regulan bontenadon.
Trafluaj turbekspansiloj povas esti faritaj en la formo de radialaj aŭ aksaj turbinoj. Radialaj fluekspansiloj enhavas aksan eniron kaj radialan eliron tiel ke la gasfluo eliras el la turbino radiale de la rotacia akso. Aksaj turbinoj permesas al gaso flui akse laŭ la rotacia akso. Aksaj fluturbinoj ĉerpas energion el la gasfluo tra eniraj gvidaj paletoj al la ekspansila rado, kun la transversa sekca areo de la ekspansia ĉambro iom post iom pliiĝanta por konservi konstantan rapidon.
Turbekspansorgeneratoro konsistas el tri ĉefaj komponantoj: turbinrado, specialaj pendaĵoj kaj generatoro.
Turbinrado. Turbinradoj ofte estas specife desegnitaj por optimumigi aerdinamikan efikecon. Aplikaj variabloj, kiuj influas la dezajnon de la turbinrado, inkluzivas eniran/eliran premon, eniran/eliran temperaturon, volumenan fluon kaj fluidajn ecojn. Kiam la densigproporcio estas tro alta por esti reduktita en unu etapo, necesas turbekspansoro kun pluraj turbinradoj. Kaj radialaj kaj aksaj turbinradoj povas esti desegnitaj kiel plurŝtupaj, sed aksaj turbinradoj havas multe pli mallongan aksan longon kaj tial estas pli kompaktaj. Plurŝtupaj radialaj fluturbinoj postulas, ke gaso fluu de aksa al radiala kaj reen al aksa, kreante pli altajn frikcioperdojn ol aksaj fluturbinoj.
lagroj. La dezajno de lagroj estas kritika por la efika funkciado de turbekspansoro. Lagrospecoj rilataj al turbekspansoraj dezajnoj varias vaste kaj povas inkluzivi oleajn lagrojn, likvajn filmajn lagrojn, tradiciajn globlagrojn kaj magnetajn lagrojn. Ĉiu metodo havas siajn proprajn avantaĝojn kaj malavantaĝojn, kiel montrite en Tabelo 1.
Multaj fabrikantoj de turbekspandriloj elektas magnetajn pendaĵojn kiel sian "preferatan pendaĵon" pro iliaj unikaj avantaĝoj. Magnetaj pendaĵoj certigas senfrotan funkciadon de la dinamikaj komponantoj de la turbekspandrilo, signife reduktante funkciigajn kaj prizorgadajn kostojn dum la vivdaŭro de la maŝino. Ili ankaŭ estas desegnitaj por elteni vastan gamon da aksaj kaj radialaj ŝarĝoj kaj troŝarĝajn kondiĉojn. Iliaj pli altaj komencaj kostoj estas kompensitaj per multe pli malaltaj vivciklaj kostoj.
dinamo. La generatoro prenas la rotacian energion de la turbino kaj konvertas ĝin en utilan elektran energion uzante elektromagnetan generatoron (kiu povas esti indukcia generatoro aŭ permanenta magneta generatoro). Indukciaj generatoroj havas pli malaltan nominalan rapidon, do alt-rapidaj turbinaj aplikoj postulas rapidumujon, sed povas esti desegnitaj por kongrui kun la retofrekvenco, eliminante la bezonon de varia frekvenca transmisio (VFD) por provizi la generitan elektron. Permanentaj magnetaj generatoroj, aliflanke, povas esti rekte ŝafto-kuplitaj al la turbino kaj transdoni potencon al la reto per varia frekvenca transmisio. La generatoro estas desegnita por liveri maksimuman potencon bazitan sur la ŝafta potenco havebla en la sistemo.
Sigeloj. La sigelo ankaŭ estas kritika komponanto dum la dizajnado de turbekspansorsistemo. Por konservi altan efikecon kaj plenumi mediajn normojn, sistemoj devas esti sigelitaj por malhelpi eblajn procezajn gaselfluojn. Turbekspansoroj povas esti ekipitaj per dinamikaj aŭ statikaj sigeloj. Dinamikaj sigeloj, kiel labirintaj sigeloj kaj sekaj gassigeloj, provizas sigelon ĉirkaŭ rotacianta ŝafto, tipe inter la turbinrado, lagroj kaj la resto de la maŝino kie la generatoro situas. Dinamikaj sigeloj eluziĝas kun la tempo kaj postulas regulan prizorgadon kaj inspektadon por certigi, ke ili funkcias ĝuste. Kiam ĉiuj turbekspansorkomponentoj estas enhavitaj en ununura enfermaĵo, statikaj sigeloj povas esti uzataj por protekti iujn ajn konduktilojn elirantajn el la enfermaĵo, inkluzive de al la generatoro, magnetaj lagrotransmisioj aŭ sensiloj. Ĉi tiuj hermetikaj sigeloj provizas permanentan protekton kontraŭ gaselfluoj kaj ne postulas prizorgadon aŭ riparon.
El proceza vidpunkto, la ĉefa postulo por instali ekspansilon estas provizi altpreman kunpreman (ne-kondenseblan) gason al malaltprema sistemo kun sufiĉa fluo, premfalo kaj utiligo por konservi normalan funkciadon de la ekipaĵo. Funkciparametroj estas konservataj je sekura kaj efika nivelo.
Rilate al premredukta funkcio, la ekspansoro povas esti uzata por anstataŭigi la Joule-Thomson (JT) valvon, ankaŭ konatan kiel la akcelilo-valvo. Ĉar la JT-valvo moviĝas laŭ izentropia vojo kaj la ekspansoro moviĝas laŭ preskaŭ izentropia vojo, ĉi-lasta reduktas la entalpion de la gaso kaj konvertas la entalpian diferencon en ŝaftopovon, tiel produktante pli malaltan elirejan temperaturon ol la JT-valvo. Ĉi tio estas utila en kriogenaj procezoj, kie la celo estas redukti la temperaturon de la gaso.
Se ekzistas pli malalta limo por la temperaturo de la elira gaso (ekzemple, en malkunprema stacio kie la gastemperaturo devas esti konservata super frostigado, hidratado aŭ minimuma materiala dezajntemperaturo), almenaŭ unu hejtilo devas esti aldonita. Kontrolu la gastemperaturon. Kiam la antaŭvarmigilo situas kontraŭflue de la ekspansoro, iom da energio el la nutra gaso ankaŭ estas reakirita en la ekspansoro, tiel pliigante ĝian potencon. En iuj konfiguracioj kie kontrolo de la temperaturo de la elira gaso estas necesa, dua revarmigilo povas esti instalita post la ekspansoro por provizi pli rapidan kontrolon.
En Fig. 3 montras simpligitan diagramon de la ĝenerala fludiagramo de ekspansorgeneratoro kun antaŭvarmigilo uzata por anstataŭigi JT-valvon.
En aliaj procezaj konfiguracioj, la energio reakirita en la ekspansorilo povas esti transdonita rekte al la kompresoro. Ĉi tiuj maŝinoj, foje nomataj "komandantoj", kutime havas ekspansajn kaj kunpremajn stadiojn konektitajn per unu aŭ pluraj ŝaftoj, kiuj ankaŭ povas inkluzivi rapidumujon por reguligi la rapiddiferencon inter la du stadioj. Ĝi ankaŭ povas inkluzivi aldonan motoron por provizi pli da potenco al la kunprema stadio.
Jen kelkaj el la plej gravaj komponantoj, kiuj certigas la ĝustan funkciadon kaj stabilecon de la sistemo.
Pretervalvo aŭ premredukta valvo. La pretervalvo permesas daŭrigon de funkciado kiam la turbekspansoro ne funkcias (ekzemple, por bontenado aŭ krizokazo), dum la premredukta valvo estas uzata por kontinua funkciado por provizi troan gason kiam la totala fluo superas la projektitan kapaciton de la ekspansoro.
Kriz-haltiga valvo (ESD). ESD-valvoj estas uzataj por bloki la fluon de gaso en la ekspansoron en krizokazo por eviti mekanikan difekton.
Instrumentoj kaj kontroloj. Gravaj variabloj por monitori inkluzivas eniran kaj eliran premon, flukvanton, rotacian rapidon kaj potencon.
Veturado je troa rapideco. La aparato interrompas la fluon al la turbino, kaŭzante malrapidiĝon de la turbinrotoro, tiel protektante la ekipaĵon kontraŭ troaj rapidecoj pro neatenditaj procezkondiĉoj, kiuj povus difekti la ekipaĵon.
Prema Sekurvalvo (PSV). PSV-oj ofte estas instalitaj post turbekspansoro por protekti duktojn kaj malaltpreman ekipaĵon. La PSV devas esti desegnita por elteni la plej severajn eventualaĵojn, kiuj tipe inkluzivas malsukceson malfermi la preteriran valvon. Se ekspansoro estas aldonita al ekzistanta premredukta stacio, la procezdezajna teamo devas determini ĉu la ekzistanta PSV provizas adekvatan protekton.
Hejtilo. Hejtiloj kompensas la temperaturfalon kaŭzitan de la gaso pasanta tra la turbino, do la gaso devas esti antaŭvarmigita. Ĝia ĉefa funkcio estas pliigi la temperaturon de la altiĝanta gasfluo por konservi la temperaturon de la gaso eliranta el la ekspansoro super minimuma valoro. Alia avantaĝo de altigo de la temperaturo estas pliigi la potencon kaj ankaŭ malhelpi korodon, kondensiĝon aŭ hidratojn, kiuj povus negative influi ekipaĵajn ajutojn. En sistemoj enhavantaj varmointerŝanĝilojn (kiel montrite en Figuro 3), la gastemperaturo kutime estas kontrolata per reguligo de la fluo de varmigita likvaĵo en la antaŭvarmigilon. En iuj dezajnoj, flamohejtilo aŭ elektra hejtilo povas esti uzataj anstataŭ varmointerŝanĝilo. Hejtiloj eble jam ekzistas en ekzistanta JT-valvostacio, kaj aldoni ekspansoro eble ne postulas instali pliajn hejtilojn, sed prefere pliigi la fluon de varmigita fluido.
Sistemoj por lubrika oleo kaj sigela gaso. Kiel menciite supre, ekspansiloj povas uzi malsamajn sigelajn dezajnojn, kiuj povas postuli lubrikaĵojn kaj sigelajn gasojn. Kie aplikeble, la lubrika oleo devas konservi altan kvaliton kaj purecon kiam ĝi kontaktas kun procezaj gasoj, kaj la nivelo de la oleoviskozeco devas resti ene de la postulata funkcia intervalo de lubrikitaj lagroj. Sistemoj por sigela gaso kutime estas ekipitaj per olea lubrika aparato por malhelpi, ke oleo el la lagroskatolo eniru la ekspansian skatolon. Por specialaj aplikoj de kompansiloj uzataj en la hidrokarbona industrio, sistemoj por lubrika oleo kaj sigela gaso estas tipe desegnitaj laŭ la specifoj de API 617 [5] Parto 4.
Varia frekvenca transmisio (VFD). Kiam la generatoro estas indukta, VFD estas tipe ŝaltita por ĝustigi la alternan kurenton (AC) por kongrui kun la serva frekvenco. Tipe, dezajnoj bazitaj sur varia frekvencaj transmisioj havas pli altan totalan efikecon ol dezajnoj kiuj uzas rapidumujojn aŭ aliajn mekanikajn komponentojn. VFD-bazitaj sistemoj ankaŭ povas akomodi pli vastan gamon da procezŝanĝoj kiuj povas rezultigi ŝanĝojn en la rapido de la ekspansorŝafto.
Transmisio. Kelkaj ekspansoraj dezajnoj uzas rapidumujon por redukti la rapidon de la ekspansor al la nominala rapido de la generatoro. La kosto de uzado de rapidumujo estas pli malalta totala efikeco kaj tial pli malalta povumo.
Kiam la prilaborado de peto pri oferto (RFQ) por ekspansoro, la procezinĝeniero devas unue determini la funkciajn kondiĉojn, inkluzive de la jenaj informoj:
Mekanikaj inĝenieroj ofte kompletigas specifojn de ekspansoraj generatoroj kaj specifojn uzante datumojn el aliaj inĝenieraj disciplinoj. Ĉi tiuj enigaĵoj povas inkluzivi la jenajn:
La specifoj devas ankaŭ inkluzivi liston de dokumentoj kaj desegnaĵoj provizitaj de la fabrikanto kiel parto de la ofertoprocezo kaj la amplekson de la liverado, same kiel aplikeblajn testajn procedurojn laŭ la postuloj de la projekto.
La teknikaj informoj provizitaj de la fabrikanto kiel parto de la oferto ĝenerale inkluzivu la jenajn elementojn:
Se iu ajn aspekto de la propono diferencas de la originalaj specifoj, la fabrikanto devas ankaŭ provizi liston de devioj kaj la kialojn de la devioj.
Post kiam propono estas ricevita, la projekt-evoluiga teamo devas revizii la peton por konformeco kaj determini ĉu la variancoj estas teknike pravigitaj.
Aliaj teknikaj konsideroj por konsideri dum taksado de proponoj inkluzivas:
Fine, necesas fari ekonomian analizon. Ĉar malsamaj opcioj povas rezultigi malsamajn komencajn kostojn, oni rekomendas fari analizon de la spezfluo aŭ vivcikla kosto por kompari la longdaŭran ekonomikon de la projekto kaj la rendimenton de la investo. Ekzemple, pli alta komenca investo povas esti kompensita longtempe per pliigita produktiveco aŭ reduktitaj bezonoj pri bontenado. Vidu "Referencoj" por instrukcioj pri ĉi tiu speco de analizo. 4.
Ĉiuj aplikoj de turbekspansor-generatoro postulas komencan kalkulon de la totala potenciala potenco por determini la tutan kvanton de havebla energio, kiu povas esti reakirita en specifa apliko. Por turbekspansor-generatoro, la potencopotencialo estas kalkulata kiel izentropika (konstanta entropio) procezo. Ĉi tio estas la ideala termodinamika situacio por konsideri reigeblan adiabatan procezon sen frotado, sed ĝi estas la ĝusta procezo por taksi la faktan energian potencialon.
Izentropika potenciala energio (IPP) estas kalkulata per multipliko de la specifa entalpia diferenco ĉe la enirejo kaj elirejo de la turbekspansoro kaj multipliko de la rezulto per la masa flukvanto. Ĉi tiu potenciala energio estos esprimita kiel izentropika kvanto (Ekvacio (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
kie h(i,e) estas la specifa entalpio konsiderante la izentropikan elirejan temperaturon kaj ṁ estas la masa flukvanto.
Kvankam izentropika potenciala energio povas esti uzata por taksi potencialan energion, ĉiuj realaj sistemoj implikas frikcion, varmon kaj aliajn helpajn energiperdojn. Tial, kalkulante la faktan potencan potencialon, oni konsideru la jenajn aldonajn enigajn datumojn:
En plej multaj aplikoj de turbekspansoroj, la temperaturo estas limigita al minimumo por eviti nedeziratajn problemojn kiel ekzemple frostiĝo de tuboj menciita antaŭe. Kie fluas tergaso, hidratoj preskaŭ ĉiam ĉeestas, kio signifas, ke la dukto laŭflue de turbekspansoro aŭ akcelilo-valvo frostiĝos interne kaj ekstere se la elireja temperaturo falas sub 0 °C. Glaciiĝo povas rezultigi flulimigon kaj finfine haltigi la sistemon por degeli. Tiel, la "dezirata" elireja temperaturo estas uzata por kalkuli pli realisman eblan potencan scenaron. Tamen, por gasoj kiel hidrogeno, la temperaturlimo estas multe pli malalta ĉar hidrogeno ne ŝanĝiĝas de gaso al likvaĵo ĝis ĝi atingas kriogenan temperaturon (-253 °C). Uzu ĉi tiun deziratan elirejan temperaturon por kalkuli la specifan entalpion.
La efikeco de la turbekspansorsistemo ankaŭ devas esti konsiderata. Depende de la uzata teknologio, la sistemefikeco povas varii signife. Ekzemple, turbekspansor, kiu uzas reduktilon por transdoni rotacian energion de la turbino al la generatoro, spertos pli grandajn frikcioperdojn ol sistemo, kiu uzas rektan transmision de la turbino al la generatoro. La totala efikeco de turbekspansorsistemo estas esprimita kiel procento kaj estas konsiderata dum taksado de la fakta potencpotencialo de la turbekspansor. La fakta potencpotencialo (PP) estas kalkulata jene:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Ni rigardu la aplikon de tergasa premredukto. ABC funkciigas kaj prizorgas premreduktan stacion, kiu transportas tergason de la ĉefa dukto kaj distribuas ĝin al lokaj municipoj. Ĉe ĉi tiu stacio, la gasa enira premo estas 40 baroj kaj la elira premo estas 8 baroj. La antaŭvarmigita enira gastemperaturo estas 35 °C, kio antaŭvarmigas la gason por malhelpi la duktofroston. Tial, la elira gastemperaturo devas esti kontrolita tiel, ke ĝi ne falu sub 0 °C. En ĉi tiu ekzemplo ni uzos 5 °C kiel la minimuman eliran temperaturon por pliigi la sekurecfaktoron. La normigita volumetra gasflukvanto estas 50 000 Nm3/h. Por kalkuli la potencan potencialon, ni supozos, ke ĉiu gaso fluas tra la turb-ekspansoro kaj kalkulos la maksimuman potencan eliron. Taksu la totalan potencan eliran potencialon uzante la jenan kalkulon:
Afiŝtempo: 25-a de majo 2024