Laiendajad saavad pöörlevate masinate käitamiseks kasutada rõhu alandamist. Teavet laiendaja paigaldamise võimalike eeliste hindamise kohta leiate siit.
Keemiatööstuses (CPI) on tüüpiline, et „suur hulk energiat läheb raisku rõhureguleerimisventiilides, kus kõrgsurvevedelikke tuleb rõhu alt vabastada“ [1]. Sõltuvalt erinevatest tehnilistest ja majanduslikest teguritest võib olla soovitav muuta see energia pöörlevaks mehaaniliseks energiaks, mida saab kasutada generaatorite või muude pöörlevate masinate käitamiseks. Kokkusurumatute vedelike (vedelike) puhul saavutatakse see hüdraulilise energia taaskasutusturbiini (HPRT; vt viide 1) abil. Kokkusurutavate vedelike (gaaside) puhul on sobiv masin paisuti.
Paisumisseadmed on küps tehnoloogia, millel on palju edukaid rakendusi, näiteks fluidkatalüütiline krakkimine (FCC), jahutamine, maagaasi linnaventiilid, õhu eraldamine või heitgaaside heitkogused. Põhimõtteliselt saab paisumisseadme ajamiseks kasutada mis tahes vähendatud rõhuga gaasivoogu, kuid „energia väljund on otseselt proportsionaalne gaasivoo rõhusuhte, temperatuuri ja voolukiirusega” [2], samuti tehnilise ja majandusliku teostatavusega. Paisumisseadme rakendamine: protsess sõltub nendest ja muudest teguritest, nagu kohalikud energiahinnad ja tootja sobivate seadmete kättesaadavus.
Kuigi turboekspander (mis toimib sarnaselt turbiiniga) on kõige tuntum ekspanderi tüüp (joonis 1), on ka teisi tüüpe, mis sobivad erinevate protsessitingimuste jaoks. See artikkel tutvustab ekspandrite peamisi tüüpe ja nende komponente ning võtab kokku, kuidas tegevjuhid, konsultandid või energiaaudiitorid erinevates tarbijahinnaindeksi osakondades saavad hinnata ekspanderi paigaldamise potentsiaalset majanduslikku ja keskkonnaalast kasu.
Takistusrihmasid on mitut tüüpi, mis erinevad oluliselt geomeetria ja funktsiooni poolest. Peamised tüübid on näidatud joonisel 2 ja iga tüüpi on allpool lühidalt kirjeldatud. Lisateabe saamiseks ja graafikute jaoks, mis võrdlevad iga tüübi tööolekut konkreetsete läbimõõtude ja kiiruste põhjal, vaadake abi. 3.
Kolbturboekspander. Kolb- ja pöördkolbturboekspanderid töötavad nagu vastassuunas pöörlev sisepõlemismootor, neelates kõrgsurvegaasi ja muutes selle salvestatud energia väntvõlli kaudu pöörlemisenergiaks.
Lohistage turboekspanderit. Pidurturbiiniekspander koosneb kontsentrilisest voolukambrist, mille pöörleva elemendi perimeetri külge on kinnitatud ämbriribid. Need on konstrueeritud samamoodi nagu vesirattad, kuid kontsentriliste kambrite ristlõige suureneb sisselaskest väljalaskeni, võimaldades gaasil paisuda.
Radiaalne turbopekspander. Radiaalvoolu turbopekspandritel on aksiaalne sisselaskeava ja radiaalne väljundava, mis võimaldavad gaasil turbiini tiiviku kaudu radiaalselt paisuda. Samamoodi paisutavad aksiaalvooluturbiinid gaasi läbi turbiiniratta, kuid voolu suund jääb pöörlemisteljega paralleelseks.
See artikkel keskendub radiaalsetele ja aksiaalsetele turboekspanderitele, käsitledes nende erinevaid alatüüpe, komponente ja majanduslikku külge.
Turboekspander ammutab kõrgsurvegaasivoolust energiat ja muundab selle ajamikoormuseks. Tavaliselt on koormuseks võlliga ühendatud kompressor või generaator. Kompressoriga turbokspander surub kokku vedeliku protsessivoo teistes osades, mis vajavad suruvedelikku, suurendades seeläbi tehase üldist efektiivsust, kasutades energiat, mis muidu raisku läheks. Generaatori koormusega turbokspander muundab energia elektriks, mida saab kasutada teistes tehaseprotsessides või suunata kohalikku võrku müügiks.
Turboekspandergeneraatorid võivad olla varustatud kas otseülekandega turbiinirattalt generaatorile või käigukastiga, mis vähendab ülekandearvu abil tõhusalt sisendkiirust turbiinirattalt generaatorile. Otseülekandega turbokekspanderid pakuvad eeliseid efektiivsuse, jalajälje ja hoolduskulude osas. Käigukastiga turbokekspanderid on raskemad ja vajavad suuremat jalajälge, määrimis- ja abiseadmeid ning regulaarset hooldust.
Läbivooluturboekspanderid võivad olla radiaalsed või aksiaalsed turbiinid. Radiaalsed ekspanderid sisaldavad aksiaalset sisselaskeava ja radiaalset väljundava, nii et gaasivool väljub turbiinist radiaalselt pöörlemisteljest. Aksiaalsed turbiinid võimaldavad gaasil voolata aksiaalselt piki pöörlemistelge. Aksiaalsed turbiinid ammutavad gaasivoolust energiat sisselaskeava juhtlabade kaudu ekspanderrattale, kusjuures paisukambri ristlõikepindala suureneb järk-järgult, et säilitada konstantset kiirust.
Turboekspandergeneraator koosneb kolmest põhikomponendist: turbiinirattast, spetsiaalsetest laagritest ja generaatorist.
Turbiiniratas. Turbiinirattad on sageli spetsiaalselt konstrueeritud aerodünaamilise efektiivsuse optimeerimiseks. Rakendusmuutujate hulka, mis mõjutavad turbiiniratta konstruktsiooni, kuuluvad sisse-/väljalaskerõhk, sisse-/väljalasketemperatuur, mahuvool ja vedeliku omadused. Kui surveaste on ühes etapis vähendamiseks liiga kõrge, on vaja mitme turbiinirattaga turbopenderit. Nii radiaalseid kui ka aksiaalseid turbiinirattaid saab konstrueerida mitmeastmelistena, kuid aksiaalsetel turbiiniratastel on palju lühem aksiaalne pikkus ja seetõttu on need kompaktsemad. Mitmeastmelised radiaalvooluturbiinid vajavad gaasi voolamist aksiaalselt radiaalsele ja tagasi aksiaalsele, tekitades suuremaid hõõrdekaod kui aksiaalvooluturbiinid.
laagrid. Laagri konstruktsioon on turboekspanderi tõhusa töö jaoks kriitilise tähtsusega. Turboekspanderi konstruktsioonidega seotud laagritüübid on väga erinevad ja võivad hõlmata õlilaagreid, vedelkile laagreid, traditsioonilisi kuullaagreid ja magnetlaagreid. Igal meetodil on oma eelised ja puudused, nagu on näidatud tabelis 1.
Paljud turbokondensaatorite tootjad valivad magnetlaagrid oma ainulaadsete eeliste tõttu oma eelistatud laagriteks. Magnetlaagrid tagavad turbokondensaatori dünaamiliste komponentide hõõrdevaba töö, vähendades oluliselt masina eluea jooksul tekkivaid käitus- ja hoolduskulusid. Need on konstrueeritud ka taluma laia valikut aksiaalseid ja radiaalseid koormusi ning ülekoormustingimusi. Nende kõrgemaid algkulusid kompenseerivad palju madalamad elutsükli kulud.
dünamo. Generaator võtab turbiini pöörlemisenergia ja muundab selle kasulikuks elektrienergiaks elektromagnetilise generaatori (mis võib olla induktsioongeneraator või püsimagnetgeneraator) abil. Induktsioongeneraatoritel on madalam nimikiirus, seega vajavad kiired turbiinirakendused käigukasti, kuid neid saab konstrueerida nii, et need vastaksid võrgu sagedusele, välistades vajaduse muutuva sagedusega ajami (VFD) järele toodetud elektrienergia tarnimiseks. Püsimagnetiga generaatorid seevastu võivad olla otse turbiiniga võlliga ühendatud ja edastada energiat võrku muutuva sagedusega ajami kaudu. Generaator on konstrueeritud andma maksimaalset võimsust süsteemis saadaoleva võlli võimsuse põhjal.
Tihendid. Tihend on turboekspandersüsteemi projekteerimisel samuti kriitilise tähtsusega komponent. Kõrge efektiivsuse säilitamiseks ja keskkonnastandardite täitmiseks tuleb süsteemid tihendada, et vältida võimalikke protsessigaaside lekkeid. Turboekspanderid võivad olla varustatud dünaamiliste või staatiliste tihenditega. Dünaamilised tihendid, näiteks labürinttihendid ja kuivgaasitihendid, pakuvad tihendit pöörleva võlli ümber, tavaliselt turbiiniratta, laagrite ja ülejäänud masina vahel, kus asub generaator. Dünaamilised tihendid kuluvad aja jooksul ja vajavad regulaarset hooldust ja kontrolli, et tagada nende nõuetekohane toimimine. Kui kõik turboekspanderi komponendid on ühes korpuses, saab staatilisi tihendeid kasutada korpusest väljuvate juhtmete, sealhulgas generaatori, magnetlaagrite ajamite või andurite juhtmete kaitsmiseks. Need õhukindlad tihendid pakuvad püsivat kaitset gaasilekete eest ega vaja hooldust ega remonti.
Protsessi seisukohast on paisumisseadme paigaldamise peamine nõue varustada madalrõhusüsteemi kõrgsurve kokkusurutava (mittekondenseeruva) gaasiga, mille vool, rõhulang ja kasutamine on piisavad seadme normaalse töö säilitamiseks. Tööparameetreid hoitakse ohutul ja tõhusal tasemel.
Rõhu vähendamise funktsiooni osas saab ekspanderit kasutada Joule-Thomsoni (JT) klapi, tuntud ka kui drosselklapp, asendamiseks. Kuna JT klapp liigub mööda isentroopilist rada ja ekspander liigub mööda peaaegu isentroopilist rada, vähendab viimane gaasi entalpiat ja muundab entalpia erinevuse võllivõimsuseks, tekitades seeläbi madalama väljundtemperatuuri kui JT klapp. See on kasulik krüogeensetes protsessides, kus eesmärk on gaasi temperatuuri alandamine.
Kui väljundgaasi temperatuuril on alumine piir (näiteks dekompressioonijaamas, kus gaasi temperatuuri tuleb hoida üle külmumispunkti, hüdratsioonipunkti või materjali minimaalse projekteerimistemperatuuri), tuleb lisada vähemalt üks kütteseade. Gaasi temperatuuri reguleerimiseks. Kui eelsoojendi asub paisutist ülesvoolu, taaskasutatakse paisutisse ka osa toitegaasi energiast, suurendades seeläbi selle võimsust. Mõnes konfiguratsioonis, kus on vaja väljundtemperatuuri reguleerida, saab paisuti järele paigaldada teise järelsoojendi, et tagada kiirem reguleerimine.
Joonisel fig. 3 on kujutatud JT-klapi asendamiseks kasutatava eelsoojendiga paisumisgeneraatori üldise vooskeemi lihtsustatud diagramm.
Teistes protsessikonfiguratsioonides saab paisumisseadmes taaskasutatud energia otse kompressorisse üle kanda. Nendel masinatel, mida mõnikord nimetatakse ka "kommutaatoriteks", on tavaliselt paisumis- ja kokkusurumisastmed, mis on ühendatud ühe või mitme võlliga, mis võib sisaldada ka käigukasti kahe astme kiiruse erinevuse reguleerimiseks. See võib sisaldada ka lisamootorit, et pakkuda kokkusurumisastmele rohkem võimsust.
Allpool on loetletud mõned kõige olulisemad komponendid, mis tagavad süsteemi nõuetekohase toimimise ja stabiilsuse.
Möödavooluklapp või rõhureduktsiooniklapp. Möödavooluklapp võimaldab tööd jätkata, kui turboekspander ei tööta (näiteks hoolduse või hädaolukorra korral), samas kui rõhureduktsiooniklappi kasutatakse pidevaks tööks liigse gaasi tarnimiseks, kui koguvool ületab ekspanderi projekteeritud võimsust.
Avariiväljalülitusventiil (ESD). ESD-ventiile kasutatakse gaasivoolu blokeerimiseks paisumisseadmesse hädaolukorras, et vältida mehaanilisi kahjustusi.
Mõõteriistad ja juhtseadised. Oluliste jälgitavate muutujate hulka kuuluvad sisse- ja väljalaskerõhk, voolukiirus, pöörlemiskiirus ja väljundvõimsus.
Liiga suurel kiirusel sõitmine. Seade katkestab voolu turbiini, põhjustades turbiini rootori aeglustumist, kaitstes seeläbi seadet ootamatute protsessitingimuste tõttu tekkivate liigsete kiiruste eest, mis võivad seadet kahjustada.
Rõhukaitseklapp (PSV). PSV-sid paigaldatakse sageli pärast turboekspanderit, et kaitsta torustikke ja madalrõhuseadmeid. PSV peab olema konstrueeritud nii, et see taluks kõige raskemaid ettenägematuid olukordi, mis tavaliselt hõlmavad möödaviiguklapi avanemise ebaõnnestumist. Kui olemasolevale rõhureduktsioonijaamale lisatakse ekspander, peab protsessi projekteerimismeeskond kindlaks tegema, kas olemasolev PSV pakub piisavat kaitset.
Kütteseade. Kütteseadmed kompenseerivad turbiini läbiva gaasi põhjustatud temperatuurilangust, seega tuleb gaasi eelsoojendada. Nende peamine ülesanne on tõsta tõusva gaasivoolu temperatuuri, et hoida paisumisseadmest väljuva gaasi temperatuur minimaalsest väärtusest kõrgemal. Temperatuuri tõstmise teine eelis on võimsuse suurendamine ning korrosiooni, kondenseerumise või hüdraatide vältimine, mis võivad seadmete düüse kahjustada. Soojusvaheteid sisaldavates süsteemides (nagu on näidatud joonisel 3) reguleeritakse gaasi temperatuuri tavaliselt kuumutatud vedeliku voolu reguleerimisega eelsoojendisse. Mõnes konstruktsioonis saab soojusvaheti asemel kasutada leegikütteseadet või elektrikütteseadet. Kütteseadmed võivad juba olemasolevas JT-klapijaamas olemas olla ja paisumisseadme lisamine ei pruugi nõuda täiendavate kütteseadmete paigaldamist, vaid pigem kuumutatud vedeliku voolu suurendamist.
Määrdeõli ja tihendusgaasi süsteemid. Nagu eespool mainitud, võivad paisumisseadmed kasutada erinevaid tihendite konstruktsioone, mis võivad vajada määrdeaineid ja tihendusgaase. Vajaduse korral peab määrdeõli kokkupuutel protsessigaasidega säilitama kõrge kvaliteedi ja puhtuse ning õli viskoossuse tase peab jääma määritavate laagrite nõutavasse töövahemikku. Suletud gaasisüsteemid on tavaliselt varustatud õlimäärimisseadmega, et vältida õli sattumist laagrikarbist paisumiskarpi. Süsivesinike tööstuses kasutatavate kompanderite spetsiaalsete rakenduste jaoks on määrdeõli ja tihendusgaasi süsteemid tavaliselt projekteeritud vastavalt API 617 [5] 4. osa spetsifikatsioonidele.
Muutuva sagedusega ajam (VFD). Kui generaator on induktsioongeneraator, lülitatakse VFD tavaliselt sisse, et reguleerida vahelduvvoolu (AC) signaali vastavalt võrgu sagedusele. Tavaliselt on muutuva sagedusega ajamitel põhinevatel konstruktsioonidel suurem üldine efektiivsus kui käigukastidel või muudel mehaanilistel komponentidel põhinevatel konstruktsioonidel. VFD-põhised süsteemid suudavad mahutada ka laiemat valikut protsessimuudatusi, mis võivad põhjustada muutusi paisumisvõlli kiiruses.
Käigukast. Mõned ekspanderi konstruktsioonid kasutavad käigukasti, et vähendada ekspanderi kiirust generaatori nimikiiruseni. Käigukasti kasutamise maksumus seisneb madalamas üldises efektiivsuses ja seega ka madalamas võimsuses.
Paisumismasina hinnapakkumise taotluse (RFQ) koostamisel peab protsessiinsener kõigepealt kindlaks määrama töötingimused, sealhulgas järgmise teabe:
Masinaehitusinsenerid koostavad sageli paisugeneraatori spetsifikatsioone ja spetsifikatsioone, kasutades andmeid teistest inseneridistsipliinidest. Need sisendid võivad hõlmata järgmist:
Spetsifikatsioonid peavad sisaldama ka tootja poolt pakkumismenetluse osana esitatud dokumentide ja jooniste loetelu ning tarneulatust, samuti projektis nõutavaid kohaldatavaid katsemenetlusi.
Tootja poolt pakkumismenetluse osana esitatav tehniline teave peaks üldiselt sisaldama järgmisi elemente:
Kui ettepaneku mõni aspekt erineb algsetest spetsifikatsioonidest, peab tootja esitama ka kõrvalekallete loetelu ja kõrvalekallete põhjused.
Kui ettepanek on laekunud, peab projekti arendusmeeskond vastavustaotluse üle vaatama ja kindlaks tegema, kas kõrvalekalded on tehniliselt põhjendatud.
Muud tehnilised kaalutlused, mida ettepanekute hindamisel arvesse võtta, on järgmised:
Lõpuks tuleb läbi viia majandusanalüüs. Kuna erinevad valikud võivad kaasa tuua erinevad algkulud, on soovitatav läbi viia rahavoogude või elutsükli kulude analüüs, et võrrelda projekti pikaajalist majanduslikku tasuvust ja investeeringutasuvust. Näiteks võib suurema alginvesteeringu pikas perspektiivis kompenseerida suurenenud tootlikkus või vähenenud hooldusvajadus. Seda tüüpi analüüsi juhiste saamiseks vaadake jaotist „Viited”. 4.
Kõik turboekspander-generaatori rakendused nõuavad esialgset kogupotentsiaalse võimsuse arvutust, et määrata kindlaks konkreetses rakenduses taaskasutatava energia koguhulk. Turboekspander-generaatori puhul arvutatakse võimsuspotentsiaal isentroopilise (konstantse entroopia) protsessina. See on ideaalne termodünaamiline olukord pöörduva adiabaatilise protsessi käsitlemiseks ilma hõõrdumiseta, kuid see on õige protsess tegeliku energiapotentsiaali hindamiseks.
Isentroopiline potentsiaalne energia (IPP) arvutatakse turboekspanderi sisse- ja väljalaskeava juures oleva spetsiifilise entalpia erinevuse korrutamisel massivoolukiirusega. Seda potentsiaalset energiat väljendatakse isentroopilise suurusena (võrrand (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
kus h(i,e) on erientalpia, mis arvestab isentroopilist väljundtemperatuuri, ja ṁ on massivoolukiirus.
Kuigi isentroopilist potentsiaalset energiat saab kasutada potentsiaalse energia hindamiseks, kaasnevad kõigi reaalsete süsteemidega hõõrdumine, soojus ja muud kõrvalenergia kaod. Seega tuleks tegeliku võimsuspotentsiaali arvutamisel arvesse võtta järgmisi täiendavaid sisendandmeid:
Enamikus turbopaisumisseadmetes piiratakse temperatuur miinimumini, et vältida soovimatuid probleeme, näiteks torude külmumist, mida varem mainiti. Kohtades, kus voolab maagaas, on peaaegu alati hüdraate, mis tähendab, et turbopaisumisseadmest või drosselklapist allavoolu jäätub torujuhe nii sisemiselt kui ka väliselt, kui väljundtemperatuur langeb alla 0 °C. Jää teke võib põhjustada voolu piiramist ja lõpuks süsteemi sulatamiseks seiskamist. Seega kasutatakse soovitud väljundtemperatuuri realistlikuma potentsiaalse energiastsenaariumi arvutamiseks. Gaaside, näiteks vesiniku puhul on temperatuuripiirang aga palju madalam, kuna vesinik ei muutu gaasist vedelaks enne, kui see saavutab krüogeense temperatuuri (-253 °C). Kasutage seda soovitud väljundtemperatuuri erientalpia arvutamiseks.
Samuti tuleb arvestada turbopaisumissüsteemi efektiivsusega. Sõltuvalt kasutatavast tehnoloogiast võib süsteemi efektiivsus oluliselt erineda. Näiteks turbopaisumissüsteemil, mis kasutab pöörlemisenergia ülekandmiseks turbiinist generaatorisse reduktorit, on suuremad hõõrdekaod kui süsteemil, mis kasutab otseülekannet turbiinist generaatorisse. Turboaisumissüsteemi üldist efektiivsust väljendatakse protsendina ja seda võetakse arvesse turbopaisumissüsteemi tegeliku võimsuspotentsiaali hindamisel. Tegelik võimsuspotentsiaal (PP) arvutatakse järgmiselt:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Vaatleme maagaasi rõhu alandamise rakendust. ABC käitab ja hooldab rõhureduktsioonijaama, mis transpordib maagaasi peamisest torujuhtmest ja jaotab seda kohalikele omavalitsustele. Selles jaamas on gaasi sisselaskerõhk 40 baari ja väljundrõhk 8 baari. Eelsoojendatud sisselaskegaasi temperatuur on 35 °C, mis eelsoojendab gaasi, et vältida torujuhtme külmumist. Seetõttu tuleb väljundgaasi temperatuuri reguleerida nii, et see ei langeks alla 0 °C. Selles näites kasutame ohutusteguri suurendamiseks minimaalse väljundtemperatuurina 5 °C. Normaliseeritud gaasi mahuline voolukiirus on 50 000 Nm3/h. Võimsuspotentsiaali arvutamiseks eeldame, et kogu gaas voolab läbi turboekspanderi ja arvutame maksimaalse väljundvõimsuse. Hinnake koguvõimsuspotentsiaali järgmise arvutuse abil:
Postituse aeg: 25. mai 2024