Laiendajad saavad pöörlevate masinate juhtimiseks kasutada rõhu vähendamist. Teave selle kohta, kuidas hinnata laiendi installimise võimalikke eeliseid, leiate siit.
Tavaliselt raiskatakse keemiliste protsesside tööstuses (CPI) „suures koguses energiat rõhukontrollventiilides, kus kõrgsurvevedelikud tuleb rõhutada” [1]. Sõltuvalt erinevatest tehnilistest ja majanduslikest teguritest võib olla soovitav muuta see energia pöörlevaks mehaaniliseks energiaks, mida saab kasutada generaatorite või muude pöörlevate masinate juhtimiseks. Kokkusurumatute vedelike (vedelike) korral saavutatakse see hüdraulilise energia taastamise turbiini abil (HPRT; vt viide 1). Kokkusurutatavate vedelike (gaaside) jaoks on laiendaja sobiv masin.
Laiendajad on küps tehnoloogia, kus on palju edukaid rakendusi, näiteks vedeliku katalüütiline pragunemine (FCC), jahutamine, maagaasi linnaventiilid, õhu eraldamine või heitgaaside heitkogused. Põhimõtteliselt saab vähendatud rõhkuga gaasivoolu kasutada laiendaja juhtimiseks, kuid „energiatoodang on otseselt võrdeline rõhusuhte, gaasivoo temperatuuri ja voolukiirusega” [2], samuti tehniline ja majanduslik teostatavus. Expanderi rakendamine: protsess sõltub nendest ja muudest teguritest, näiteks kohalikud energiahinnad ja tootja kättesaadavus sobivate seadmete jaoks.
Kuigi turboetendaja (toimib sarnaselt turbiiniga) on kõige tuntum laiendaja tüüp (joonis 1), on ka teist tüüpi, mis sobivad erinevateks protsessitingimustes. Selles artiklis tutvustatakse peamisi laiendajate ja nende komponentide tüüpi ning võtab kokku, kuidas erinevate CPI divisjonide operatsioonide juhid, konsultandid või energiaaudiitorid saavad hinnata laiendaja paigaldamise võimalikke majanduslikke ja keskkonnaalaseid eeliseid.
On palju erinevat tüüpi takistusribasid, mis erinevad geomeetria ja funktsioonide poolest suuresti. Peamised tüübid on näidatud joonisel 2 ja allpool kirjeldatakse igat tüüpi lühidalt. Lisateavet, samuti graafikuid, mis võrdlevad iga tüübi töö olekut konkreetsete läbimõõtude ja konkreetsete kiiruste põhjal, vaadake abi. 3.
Kolvi turboetendaja. Kolvi- ja pöörlemisnumbid turboadrid töötavad nagu pöördmõõtmispõlemismootor, neelates kõrgsurvegaasi ja muutes selle salvestatud energia väntvõlli kaudu pöördeenergiaks.
Lohistage turbo laiendaja. Piduriturbiini laiendaja koosneb kontsentrilisest voolukambrist, mille koppimed on kinnitatud pöörleva elemendi perifeeria külge. Need on kavandatud samamoodi nagu veerattad, kuid kontsentriliste kambrite ristlõige suureneb sisselaskeavast väljalaskeavani, võimaldades gaasi laieneda.
Radiaalne turboetendaja. Radiaalse vooluturbovaldlejatel on aksiaalne sisselaskeava ja radiaalne väljund, mis võimaldab gaasil laieneda radiaalselt läbi turbiini tiiviku. Sarnaselt laiendavad aksiaalsed vooluturbiinid gaasi läbi turbiiniratta, kuid voolu suund püsib paralleelselt pöörlemis teljega.
See artikkel keskendub radiaalsetele ja aksiaalsetele turboteistritele, arutades nende erinevaid alatüüpe, komponente ja majandust.
Turboetensaator kaevandab energiat kõrgsurvega gaasivoolust ja teisendab selle ajami koormaks. Tavaliselt on koormus võlliga ühendatud kompressor või generaator. Kompressoriga turboetendaja surub suruvedelikku vajava protsessivoo teistes osades vedelikku, suurendades seeläbi taime üldist efektiivsust, kasutades muidu raisatud energiat. Generaatori koormusega turboetendaja teisendab energia elektrienergiaks, mida saab kasutada muudes taimeprotsessides või tagastada müügiks kohalikku ruudustikku.
Turboe ekspresseerija generaatoreid saab varustada kas otsese ajami võlliga turbiinirattalt generaatorile, või käigukasti kaudu, mis vähendab tõhusalt sisendkiirust turbiinirattalt generaatori ja käigu suhte kaudu. Direct Drive Turboadlerid pakuvad eeliseid tõhususe, jalajälje ja hoolduskulude osas. Käigukasti turbopenderid on raskemad ja vajavad suuremat jalajälge, määrimise lisaseadmeid ja regulaarset hooldust.
Läbivooluturboadreni saab teha radiaalsete või aksiaalsete turbiinide kujul. Radiaalse voolu laiendajad sisaldavad aksiaalset sisselaskeava ja radiaalset väljalaskeava nii, et gaasivook väljub turbiinist radiaalselt pöörlemisteelt. Aksiaalsed turbiinid võimaldavad gaasil voolata aksiaalselt piki pöörlemistelje. Aksiaalsed vooluturbiinid kaevandavad gaasi voolu sisselaskeavade vooluhulgast laiendaja rattale, laienemiskambri ristlõikepindala suureneb järk-järgult, et säilitada püsiv kiirus.
Turboe ekspresseerija generaator koosneb kolmest põhikomponendist: turbiinirattast, erilistest laagritest ja generaatorist.
Turbiiniratas. Turbiinirattad on sageli loodud spetsiaalselt aerodünaamilise efektiivsuse optimeerimiseks. Turbiini ratta konstruktsiooni mõjutavad rakendusmuutujad hõlmavad sisselaske-/väljalaskeava rõhku, sisselaske/väljalaskeava temperatuuri, mahuvoolu ja vedeliku omadusi. Kui kokkusurumissuhe on ühes etapis liiga kõrge, on vaja mitme turbiini rattaga turboetendajat. Nii radiaalseid kui ka aksiaalseid turbiinrattaid saab kujundada mitmeastmelistena, kuid aksiaalsed turbiinratastel on palju lühem aksiaalne pikkus ja seetõttu on need kompaktsemad. Mitmeastmelised radiaalsed vooluturbiinid nõuavad gaasi voolamist aksiaalsest radiaalsest ja tagasi aksiaalseks, luues kõrgema hõõrdekadu kui aksiaalsed vooluturbiinid.
laagrid. Laagri kujundus on turboetendaja tõhusaks toimimiseks kriitilise tähtsusega. Turboe ekspresseerija kujundustega seotud laagri tüübid varieeruvad väga ja võivad hõlmata õlilaagreid, vedelaid kilelaagreid, traditsioonilisi kuullaagreid ja magnetilisi laagreid. Igal meetodil on oma plussid ja puudused, nagu on näidatud tabelis 1.
Paljud turboe ekspresseerivad tootjad valivad oma ainulaadsete eeliste tõttu magnetilisi laagreid oma valiku kandmiseks. Magnetilised laagrid tagavad turboetendaja dünaamiliste komponentide hõõrdevaba toimimise, vähendades märkimisväärselt töö- ja hoolduskulusid kogu masina eluea jooksul. Need on loodud ka vastu võtma laia valiku telg- ja radiaalkoormus ning ülestõrjetingimused. Nende kõrgemad esialgsed kulud korvavad palju madalama elutsükli kulud.
Dünamo. Generaator võtab turbiini pöördeenergia ja teisendab selle elektromagnetilise generaatori abil kasulikuks elektrienergiaks (mis võib olla induktsioonigeneraator või püsiv magnetgeneraator). Induktsioonigeneraatoritel on madalam kiirus, nii et kiired turbiinirakendused vajavad käigukasti, kuid neid saab kujundada ruudustiku sagedusega, välistades vajaduse muutuva sagedusveo (VFD) järele genereeritud elektri tarnimiseks. Seevastu püsimagnetigeneraatorid võivad olla otse turbiiniga ühendatud võlli ja edastada ruudustiku võimsuse muutuva sagedusse ajami kaudu. Generaator on loodud maksimaalse võimsuse pakkumiseks, mis põhineb süsteemis saadaoleval võlli võimsusel.
Plommid. Turbo eksperimentaalsüsteemi kavandamisel on pitser ka kriitiline komponent. Kõrge efektiivsuse säilitamiseks ja keskkonnastandarditele vastamiseks tuleb süsteemid pitseerida, et vältida gaasi võimalikke lekkeid. Turboadöörid saab varustada dünaamiliste või staatiliste tihenditega. Dünaamilised tihendid, näiteks labürindi tihendid ja kuivad gaasi tihendid, annavad tihendi ümber tihendi, tavaliselt turbiiniratta, laagrite ja ülejäänud masina vahel, kus generaator asub. Dünaamilised tihendid kuluvad aja jooksul ning nõuavad regulaarset hooldust ja kontrolli, et tagada nende korralik toimimine. Kui kõik turboe ekspresseerija komponendid asuvad ühes korpuses, saab staatilisi tihendeid kasutada mis tahes elamutest väljuvate juhtmete kaitsmiseks, sealhulgas generaatorisse, magnetiliste laagri draividesse või anduritele. Need õhukindlad tihendid tagavad püsiva kaitse gaasilekke eest ega vaja hooldust ega parandamist.
Protsessi seisukohast on laiendaja paigaldamise peamine nõue pakkuda kõrgsurvega kokkusurutavat (mittekasutatavat) gaasi madalrõhusüsteemi, millel on piisav voolu, rõhu langus ja kasutamine seadme normaalse töö säilitamiseks. Tööparameetreid hoitakse ohutul ja tõhusal tasemel.
Rõhu vähendamise funktsiooni osas saab laiendajat kasutada Joule-Thomsoni (JT) klapi asendamiseks, mida tuntakse ka kui gaasihoovastikku. Kuna JT -klapp liigub piki isentroopilist rada ja laiendaja liigub mööda peaaegu isentroopilist rada, vähendab viimane gaasi entalpiat ja muundab entalpia erinevuse võlli võimsuseks, tekitades sellega madalama väljundtemperatuuri kui JT -klapp. See on kasulik krüogeensetes protsessides, kus eesmärk on vähendada gaasi temperatuuri.
Kui väljalaskeava gaasi temperatuuril on madalam piir (näiteks dekompressioonijaamas, kus gaasi temperatuuri tuleb säilitada külmutamise, hüdratsiooni või materjali kujundamise minimaalse temperatuuri kohal), tuleb lisada vähemalt üks kütteseade. kontrollige gaasi temperatuuri. Kui eelsooja asub laiendajast ülesvoolu, on osa söödagaasist ka laiendajana saadud, suurendades sellega selle võimsust. Mõnes konfiguratsioonis, kus on vaja väljalaskeava temperatuurikontrolli, saab kiirema juhtimise tagamiseks paigaldada teise kordusjuhu.
Joonisel fig 3 on näidatud laiendaja generaatori üldise vooluskeemi lihtsustatud diagramm koos JT -klapi asendamiseks kasutatava eelsootoriga.
Teistes protsesside konfiguratsioonides saab laiendajast taastatud energia üle kanda otse kompressorisse. Nendel masinatel, mida mõnikord nimetatakse komandörideks, on tavaliselt laienemis- ja tihendamise etapid, mis on ühendatud ühe või mitme šahtiga, mis võib sisaldada ka käigukasti, et reguleerida kiiruse erinevust kahe etapi vahel. See võib sisaldada ka täiendavat mootorit, et pakkuda tihendamise etapile rohkem energiat.
Allpool on toodud mõned kõige olulisemad komponendid, mis tagavad süsteemi nõuetekohase töö ja stabiilsuse.
Möödavooluklapp või rõhu redutseeriv klapp. Ümbersõitventiil võimaldab tööt jätkata, kui turboetendaja ei tööta (näiteks hooldus või hädaolukord), samal ajal kui rõhu redutseerimisventiili kasutatakse pidevaks tööks liigse gaasi tarnimiseks, kui koguvoog ületab laiendaja projekteerimisvõimsuse.
Hädaolukorra seiskamisventiil (ESD). ESD -ventiile kasutatakse gaasi voolu blokeerimiseks hädaolukorras laiendajaks, et vältida mehaanilisi kahjustusi.
Instrumendid ja juhtseadised. Monitori olulised muutujad hõlmavad sisselaske- ja väljalaskeava rõhku, voolukiirust, pöörlemiskiirust ja väljundvõimsust.
Sõitmine liigsel kiirusel. Seade katkestab voolu turbiini, põhjustades turbiini rootori aeglustumist, kaitstes seeläbi seadmeid ootamatute protsessitingimuste tõttu liigsete kiiruste eest, mis võivad seadmeid kahjustada.
Rõhu ohutusventiil (PSV). PSV -d paigaldatakse sageli pärast turboetendajat, et kaitsta torustikke ja madalrõhuseadmeid. PSV peab olema kavandatud vastupidavaks kõige raskemate situatsioonide vastu, mis tavaliselt hõlmab möödavooluklapi avanemist. Kui olemasoleva rõhu vähendamise jaama lisatakse laiendaja, peab protsesside kujundamise meeskond kindlaks tegema, kas olemasolev PSV pakub piisavat kaitset.
Kütteseade. Küttekehad kompenseerivad turbiini läbiva gaasi põhjustatud temperatuuri langust, nii et gaas tuleb eelsoojendada. Selle peamine funktsioon on suurendada tõusva gaasi voolu temperatuuri, et säilitada gaasi temperatuur, jättes laiendaja minimaalse väärtuse üle. Temperatuuri tõstmise teine eelis on nii võimsuse suurendamine kui ka korrosiooni, kondenseerumise või hüdraatide ärahoidmine, mis võib kahjulikult mõjutada seadme pihustit. Soojusvahendeid sisaldavates süsteemides (nagu näidatud joonisel 3) kontrollitakse gaasi temperatuuri tavaliselt kuumutatud vedeliku voolu reguleerimisega eeljuhtumisse. Mõnes kujunduses saab soojusvaheti asemel kasutada leegisoojendit või elektrikütteseadet. Küttekehad võivad juba olemasolevas JT -klapijaamas eksisteerida ja laiendaja lisamine ei pruugi vajada täiendavate kütteseadmete paigaldamist, vaid pigem kuumutatud vedeliku voo suurendamist.
Õli ja tihendi gaasisüsteemid. Nagu eespool mainitud, saavad laiendajad kasutada erinevaid tihendi kujundusi, mis võivad vajada määrdeaineid ja tihendusgaase. Vajaduse korral peab määrdeõli säilitama protsessigaaside kokkupuutel kõrge kvaliteedi ja puhtuse ning õli viskoossuse tase peab jääma määritud laagrite nõutavasse töövahemikku. Pitseeritud gaasisüsteemid on tavaliselt varustatud õli määrdeseadmega, et vältida õli kastist paisukasti sisenemist. Süsivesinike tööstuses kasutatavate komponentide spetsiaalsete rakenduste jaoks on määrdeõli ja tihendigaaside süsteemid tavaliselt kavandatud API 617 [5] 4. osa spetsifikatsioonidele.
Muutuva sagedusaja (VFD). Kui generaator on induktsioon, lülitatakse VFD tavaliselt sisse, et reguleerida vahelduvvoolu (AC) signaali, et see vastaks utiliidi sagedusele. Tavaliselt on muutuva sagedusega draividel põhinevatel kujundustel suurem üldine efektiivsus kui käigukastide või muude mehaaniliste komponentide kasutamisel. VFD-põhised süsteemid võivad mahutada ka laiemaid protsessimuudatusi, mis võivad põhjustada muutusi laiendaja võlli kiiruses.
Edasikandumine. Mõni laiendaja kujundus kasutab käigukasti, et vähendada laiendaja kiirust generaatori nimikiiruseni. Käigukasti kasutamise kulud on üldise efektiivsuse madalam ja seetõttu madalam väljundvõimsus.
Pakkuja jaoks pakkumistaotluse (RFQ) koostamisel peab protsessiinsener kõigepealt kindlaks määrama töötingimused, sealhulgas järgmine teave:
Mehaanikainsenerid lõpetavad sageli laiendajate generaatori spetsifikatsioonid ja spetsifikatsioonid, kasutades teiste tehniliste erialade andmeid. Need sisendid võivad sisaldada järgmist:
Spetsifikatsioonid peavad sisaldama ka tootja pakutavate dokumentide ja jooniste loendit pakkumismenetluse osana ja tarnimise ulatust, samuti rakendatavaid testiprotseduure, nagu projekt nõuab.
Tootja esitatud tehniline teave pakkumismenetluse osana peaks üldiselt sisaldama järgmisi elemente:
Kui ettepaneku mõni aspekt erineb algsest spetsifikatsioonist, peab tootja esitama ka kõrvalekalde loendi ja kõrvalekalde põhjuste.
Kui ettepanek on laekunud, peab projekti arendamise meeskond üle vaatama vastavuse taotluse ja otsustama, kas erinevused on tehniliselt õigustatud.
Muud tehnilised kaalutlused, mida ettepanekute hindamisel arvestada, hõlmavad järgmist:
Lõpuks tuleb läbi viia majandusanalüüs. Kuna erinevad võimalused võivad põhjustada erinevaid algkulusid, on soovitatav projekti pikaajalise majanduse ja investeeringutasuvuse võrdlemiseks teha rahavoo või elutsükli kulude analüüs. Näiteks võib pikas perspektiivis korvata suuremat alginvesteeringut suurenenud tootlikkuse või vähendatud hooldusnõude tõttu. Seda tüüpi analüüsi juhiseid leiate „Viited”. 4.
Kõik turboetendaja generaatori rakendused nõuavad esialgset potentsiaalse võimsuse arvutamist, et teha kindlaks olemasoleva energia kogusumma, mida saab konkreetses rakenduses taastada. Turboe eksperimendi generaatori jaoks arvutatakse võimsuse potentsiaal isentroopilise (pideva entroopia) protsessina. See on ideaalne termodünaamiline olukord pöörduva adiabaatilise protsessi kaalumiseks ilma hõõrdumiseta, kuid see on õige protsess tegeliku energiapotentsiaali hindamiseks.
Isentroopiline potentsiaalne energia (IPP) arvutatakse, korrutades spetsiifilise entalpia erinevuse turboetendaja sisse- ja väljalaskeavas ning korrutades tulemuse massivoolukiirusega. Seda potentsiaalset energiat väljendatakse isentroopse kogusena (võrrand (1)):
IPP = (Hinlet - H (I, E)) × ṁ x ŋ (1)
kus h (i, e) on konkreetne entalpia, mis võtab arvesse isentroopilise väljalaskeava temperatuuri ja ṁ on massivoolukiirus.
Ehkki potentsiaalse energia hindamiseks saab kasutada potentsiaalset potentsiaalset energiat, hõlmavad kõik reaalsed süsteemid hõõrdumist, soojust ja muid abistavaid energiakadusid. Seega tuleks tegeliku võimsuse potentsiaali arvutamisel arvesse võtta järgmisi täiendavaid sisendandmeid:
Enamikus turboe ekspresseerimisrakendustes piirdub temperatuur minimaalsega, et vältida soovimatuid probleeme, näiteks varem mainitud toru külmutamine. Kui maagaasi voolab, on hüdraadid peaaegu alati olemas, mis tähendab, et turboetendaja või drosselklapist allavoolu allavoolu külmub sisemiselt ja väliselt, kui väljalaskeava temperatuur langeb alla 0 ° C. Jää moodustumine võib põhjustada voolupiirangu ja lõpuks süsteemi sulatamiseks sulgeda. Seega kasutatakse soovitud väljalaskeava temperatuuri realistlikuma potentsiaalse energiastsenaariumi arvutamiseks. Kuid selliste gaaside, näiteks vesiniku puhul on temperatuuri piir palju madalam, kuna vesinik ei muutu gaasist vedelikuks, kuni see jõuab krüogeense temperatuurini (-253 ° C). Kasutage seda soovitud väljalaskeava temperatuuri konkreetse entalpia arvutamiseks.
Samuti tuleb kaaluda turboetensaatori süsteemi tõhusust. Sõltuvalt kasutatud tehnoloogiast võib süsteemi tõhusus märkimisväärselt erineda. Näiteks turbiidil kasutatav turboetendaja, kes kasutab turbiinist generaatorisse pöördeenergia ülekandmiseks redutseerimisvahendit, on suurem hõõrdekaotus kui süsteem, mis kasutab otsest draivi turbiinist generaatorisse. Turboe ekspresseerimissüsteemi üldist efektiivsust väljendatakse protsendina ja seda võetakse arvesse turboetendaja tegeliku võimsuse potentsiaali hindamisel. Tegelik võimsuspotentsiaal (PP) arvutatakse järgmiselt:
PP = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Vaatame maagaasi rõhu leevendamise rakendamist. ABC opereerib ja haldab rõhu vähendamise jaama, mis transpordib maagaasi põhitorustikust ja jaotab selle kohalikele omavalitsustele. Selles jaamas on gaasi sisselaskeava rõhk 40 baari ja väljalaskeava rõhk on 8 baari. Eeltooitud sisselaskegaasi temperatuur on 35 ° C, mis eelsoojendab gaasi torujuhtme külmumise vältimiseks. Seetõttu tuleb väljalaskeava gaasi temperatuuri kontrollida nii, et see ei langeks alla 0 ° C. Selles näites kasutame ohutusteguri suurendamiseks minimaalse väljalaskeava temperatuurina 5 ° C. Normaliseeritud mahulise gaasi voolukiirus on 50 000 nm3/h. Võimsuse potentsiaali arvutamiseks eeldame, et kogu gaas voolab läbi turbo laiendaja ja arvutame maksimaalse väljundvõimsuse. Hinnake koguvõimsuse potentsiaali järgmise arvutuse abil:
Postiaeg: 25. mai