Пашыральнікі могуць выкарыстоўваць зніжэнне ціску для кіравання верціцца машынамі. Інфармацыю пра тое, як ацаніць патэнцыйныя перавагі ўстаноўкі пашыральніка, можна знайсці тут.
Звычайна ў індустрыі хімічных працэсаў (ІПЦ) "Вялікая колькасць энергіі марнуе ў клапанах кантролю ціску, дзе вадкасці высокага ціску павінны быць дэпрэсіўныя" [1]. У залежнасці ад розных тэхнічных і эканамічных фактараў, можа быць пажадана пераўтварыць гэтую энергію ў паваротную механічную энергію, якую можна выкарыстоўваць для кіравання генератарамі ці іншымі верціцца машынамі. Для невырашальных вадкасцяў (вадкасцяў) гэта дасягаецца з выкарыстаннем гідраўлічнай турбіны аднаўлення энергіі (HPRT; гл. Спасылку 1). Для сціскальных вадкасцяў (газаў) пашыральнік - гэта падыходная машына.
Пашыральнікі - гэта сталая тэхналогія з многімі паспяховымі прыкладаннямі, такімі як каталітычнае парэпанне вадкасці (FCC), халадзільнік, клапаны горада прыроднага газу, аддзяленне паветра або выкіды выхлапных газаў. У прынцыпе, любы паток газу са зніжаным ціскам можа быць выкарыстаны для кіравання пашыральнікам, але "выход энергіі прама прапарцыйны суадносін ціску, тэмпературы і хуткасці патоку газу" [2], а таксама тэхнічнай і эканамічнай мэтазгоднасці. Укараненне пашырэння: працэс залежыць ад гэтых і іншых фактараў, такіх як кошты на мясцовыя энергетыкі і наяўнасць вытворцы падыходнага абсталявання.
Хоць TurboExpander (функцыянуе аналагічна турбіне) з'яўляецца найбольш вядомым тыпам пашыральніка (мал. 1), ёсць і іншыя тыпы, прыдатныя для розных умоў працэсу. У гэтым артыкуле прадстаўлены асноўныя тыпы пашыральнікаў і іх кампанентаў, а таксама абагульняе, як кіраўнікі аперацый, кансультанты і энергетычныя рэвізоры ў розных дывізіёнах ІПЦ могуць ацаніць патэнцыйныя эканамічныя і экалагічныя перавагі ўстаноўкі пашыральніка.
Існуе мноства розных тыпаў дыяпазонаў супраціву, якія моцна адрозніваюцца ў геаметрыі і функцыі. Асноўныя тыпы прыведзены на малюнку 2, і кожны тып коратка апісаны ніжэй. Для атрымання дадатковай інфармацыі, а таксама графікаў, якія параўноўваюць стан працы кожнага тыпу на аснове пэўных дыяметраў і пэўных хуткасцей, глядзіце даведку. 3.
Поршань TurboExpander. Поршневыя і паваротныя поршневыя турбаэкспандэры працуюць як рухавік унутранага згарання зваротнага, паглынаючы газ высокага ціску і пераўтвараючы сваю назапашаную энергію ў энергію кручэння праз каленчаты вал.
Перацягнуць турба -пашыральнік. Экспандэнтр тармазной турбіны складаецца з канцэнтрычнай камеры патоку з плаўнікамі вядра, прымацаванай да перыферыі верціцца элемента. Яны распрацаваны гэтак жа, як і водныя колы, але перасек канцэнтрычных камер павялічваецца ад уваходу да выхаду, што дазваляе газу пашырацца.
Радыяльны Turboexpander. Радыяльныя патокі TurboExpanders маюць восевы ўваход і прамянёвую разетку, што дазваляе газу радыяльна пашырацца праз крыльца турбіны. Сапраўды гэтак жа, восевыя патокі турбіны пашыраюць газ праз кола турбіны, але кірунак патоку застаецца паралельным восі кручэння.
У гэтым артыкуле асноўная ўвага надаецца прамянёвым і восем TurboExpanders, абмяркоўваючы розныя падтыпы, кампаненты і эканоміку.
TurboExpander здабывае энергію з газавага патоку высокага ціску і пераўтварае яе ў прывадную нагрузку. Звычайна нагрузка ўяўляе сабой кампрэсар або генератар, падлучаны да вала. TurboExpander з кампрэсарам сціскае вадкасць у іншых частках патоку працэсу, якія патрабуюць сціснутай вадкасці, тым самым павялічваючы агульную эфектыўнасць расліны, выкарыстоўваючы энергію, якая ў адваротным выпадку марна марна. TurboExpander з нагрузкай генератара пераўтварае энергію ў электраэнергію, якую можна выкарыстоўваць у іншых раслінных працэсах альбо вяртацца ў мясцовую сетку на продаж.
Генератары TurboExpander могуць быць абсталяваны альбо прамой прывадным вала ад турбіннага кола да генератара, альбо праз каробку перадач, якая эфектыўна зніжае хуткасць уваходу ад турбіннага кола да генератара праз суадносіны перадачы. Прамы дыск TurboExpanders прапануе перавагі па эфектыўнасці, слядах і выдатках на тэхнічнае абслугоўванне. TurboExpanders Gearboxpanders больш цяжкія і патрабуюць большага след, дапаможнага абсталявання і рэгулярнага абслугоўвання.
Праточныя турбаэкспандэры могуць быць зроблены ў выглядзе прамянёвых або восевых турбін. Радыяльныя патокі ўтрымліваюць восевы ўваход і прамянёвую разетку такім чынам, што паток газу выходзіць з турбіны радыяльна з восі кручэння. Восевыя турбіны дазваляюць восева паступаць па восі кручэння. Восевыя патокі турбіны здабываюць энергію з патоку газу праз накіроўвалыя ўвядзенні да кола пашыральніка, прычым плошчу папярочнага перасеку ў камеры пашырэння паступова павялічваюцца, каб падтрымліваць пастаянную хуткасць.
Генератар TurboExpander складаецца з трох асноўных кампанентаў: кола турбіны, спецыяльных падшыпнікаў і генератара.
Турбіннае кола. Турбінныя колы часта распрацаваны спецыяльна для аптымізацыі аэрадынамічнай эфектыўнасці. Пераменныя прымянення, якія ўплываюць на дызайн турбінных колаў, ўключаюць ціск на ўваходзе/выхадзе, тэмпературу ўваходу/выхаду, аб'ём і ўласцівасці вадкасці. Калі каэфіцыент сціску занадта высокі, каб зніжацца на адной стадыі, патрабуецца турбаэкспандэр з некалькімі турбіннымі коламі. Як прамянёвыя, так і восевыя турбіны могуць быць распрацаваны як шматступенныя, але восевыя турбінныя колы маюць значна больш кароткую восевую даўжыню і таму больш кампактныя. Шматступеньчаты прамянёвы паток турбін патрабуе перацякання ад восевага да прамянёвага і спіны да восевага, ствараючы больш высокія страты трэння, чым у турбіны восевых патокаў.
падшыпнікі. Дызайн падшыпніка мае вырашальнае значэнне для эфектыўнай працы турбаэкспандэра. Тыпы падшыпнікаў, звязаныя з канструкцыямі TurboExpander, моцна адрозніваюцца і могуць уключаць у сябе падшыпнікі нафты, падшыпнікі для вадкасці, традыцыйныя шарыкавыя падшыпнікі і магнітныя падшыпнікі. Кожны метад мае свае перавагі і недахопы, як паказана ў табліцы 1.
Многія вытворцы TurboExpander выбіраюць магнітныя падшыпнікі як "падшыпнік выбару" з -за іх унікальных пераваг. Магнітныя падшыпнікі забяспечваюць без трэння эксплуатацыю дынамічных кампанентаў TurboExpander, значна зніжаючы выдаткі на эксплуатацыю і тэхнічнае абслугоўванне на працягу жыцця машыны. Яны таксама распрацаваны, каб супрацьстаяць шырокаму дыяпазону восевых і радыяльных нагрузак і перанапружаных умоў. Іх больш высокія першапачатковыя выдаткі кампенсуюцца значна меншымі выдаткамі на жыццёвы цыкл.
Дынама. Генератар прымае круцільную энергію турбіны і пераўтварае яе ў карысную электрычную энергію пры дапамозе электрамагнітнага генератара (які можа быць індукцыйным генератарам або пастаянным генератарам магніта). Індукцыйныя генератары маюць меншую хуткасць наміналу, таму прыкладанні турбіны з хуткасцю патрабуюць каробкі перадач, але могуць быць распрацаваны, каб адпавядаць частаты сеткі, ліквідуючы неабходнасць у прывадзе зменнай частоты (VFD) для забеспячэння згенераванай электраэнергіі. З іншага боку, пастаянныя генератары магніта могуць быць непасрэдна вал у спалучэнні з турбінай і перадаваць магутнасць сеткі праз прывад зменнай частоты. Генератар прызначаны для забеспячэння максімальнай магутнасці на аснове магутнасці вала, даступнай у сістэме.
Пячаткі. Ушчыльненне таксама з'яўляецца найважнейшым кампанентам пры распрацоўцы сістэмы TurboExpander. Каб падтрымліваць высокую эфектыўнасць і адпавядаць экалагічнаму стандартам, сістэмы павінны быць запячатаны, каб прадухіліць патэнцыйныя ўцечкі газу. TurboExpanders могуць быць абсталяваны дынамічнымі або статычнымі ўшчыльняльнікамі. Дынамічныя ўшчыльненні, такія як лабірынтныя ўшчыльненні і сухія газавыя ўшчыльняльнікі, забяспечваюць ушчыльненне вакол верціцца валу, як правіла, паміж колам турбін, падшыпнікамі і астатняй часткай машыны, дзе размешчаны генератар. Дынамічныя ўшчыльненні зношваюцца з цягам часу і патрабуюць рэгулярнага абслугоўвання і праверкі, каб забяспечыць іх функцыянаванне належным чынам. Калі ўсе кампаненты TurboExpander змяшчаюцца ў адным корпусе, статычныя ўшчыльняльнікі могуць быць выкарыстаны для абароны любых адвядзенняў, якія выходзяць з корпуса, у тым ліку да генератара, магнітных падшыпнікаў або датчыкаў. Гэтыя герметычныя ўшчыльненні забяспечваюць пастаянную абарону ад уцечкі газу і не патрабуюць тэхнічнага абслугоўвання і рамонту.
З пункту гледжання працэсу асноўнае патрабаванне да ўстаноўкі пашыральніка заключаецца ў паставак высокага ціску сціскальнага (несупадзенага) газу ў сістэму нізкага ціску з дастатковым патокам, падзеннем ціску і выкарыстаннем для падтрымання нармальнай працы абсталявання. Параметры працы падтрымліваюцца на бяспечным і эфектыўным узроўні.
З пункту гледжання функцыі зніжэння ціску, пашыральнік можа быць выкарыстаны для замены клапана Joule-Thomson (JT), таксама вядомы як клапан дросельнай засланкі. Паколькі клапан JT рухаецца ўздоўж изентропического шляху, і пашыральнік рухаецца па амаль ізантрапічным шляху, апошні зніжае энтальпію газу і пераўтварае розніцу энтальпіі ў магутнасць вала, ствараючы тым самым больш нізкую тэмпературу выхаду, чым клапан JT. Гэта карысна ў криогенных працэсах, дзе мэтай з'яўляецца зніжэнне тэмпературы газу.
Калі ў тэмпературы газу на выхадзе ёсць меншая мяжа (напрыклад, у станцыі дэкампрэсіі, дзе тэмпературу газу трэба падтрымліваць вышэй замярзання, гідратацыі або мінімальнай тэмпературы праектавання матэрыялу), неабходна дадаць па меншай меры адзін абагравальнік. кантраляваць тэмпературу газу. Калі разагравальнік размешчаны ў вышэйшай частцы пашыральніка, частка энергіі ад кармоў таксама аднаўляецца ў пашыральніку, што павялічвае выходную магутнасць. У некаторых канфігурацыях, дзе патрабуецца кантроль тэмпературы выхаду, пасля пашыральніка можа быць усталяваны другі разагрэвальнік, каб забяспечыць больш хуткі кантроль.
На мал. На малюнку 3 паказана спрошчаная схема агульнай дыяграмы патоку генератара пашыральніка з папярэдняй нагрэвам, які выкарыстоўваецца для замены клапана JT.
У іншых канфігурацыях працэсу энергія, адноўленая ў пашыральніку, можа перадавацца непасрэдна ў кампрэсар. Гэтыя машыны, якія часам называюць "камандзірамі", звычайна маюць этапы пашырэння і сціску, падлучаных адным або некалькімі валамі, што таксама можа ўключаць у сябе каробку перадач для рэгулявання розніцы хуткасці паміж двума этапамі. Ён таксама можа ўключаць дадатковы рухавік, каб забяспечыць вялікую магутнасць на стадыю сціску.
Ніжэй прыведзены некаторыя з найважнейшых кампанентаў, якія забяспечваюць належную працу і стабільнасць сістэмы.
Абыход клапана або ціску, які зніжае клапан. Байпальны клапан дазваляе працягваць працу, калі TurboExpander не працуе (напрыклад, для тэхнічнага абслугоўвання або экстранай сітуацыі), у той час як для бесперапыннай працы выкарыстоўваецца клапан, які зніжае ціск, выкарыстоўваецца для забеспячэння залішняга газу, калі агульны паток перавышае праектную ёмістасць пашыральніка.
Аварыйны клапан адключэння (ESD). Клапаны ESD выкарыстоўваюцца для блакавання патоку газу ў пашыральнік у надзвычайных сітуацыях, каб пазбегнуць механічных пашкоджанняў.
Інструменты і элементы кіравання. Важныя зменныя для маніторынгу ўключаюць ціск на ўваходзе і выхадзе, хуткасць патоку, хуткасць кручэння і магутнасць.
Ездзіць з празмернай хуткасцю. Прылада адключае паток да турбіны, у выніку чаго ротар турбіны запавольваецца, тым самым абараняючы абсталяванне ад залішняй хуткасці з -за нечаканых умоў працэсу, якія могуць пашкодзіць абсталяванне.
Клапан бяспекі ціску (PSV). PSV часта ўсталёўваюцца пасля турбаэкспандэра для абароны трубаправодаў і абсталявання нізкага ціску. PSV павінен быць распрацаваны, каб супрацьстаяць самым сур'ёзным непрадбачаным непрадбачаным, што звычайна ўключае адмову ад адкрыцця байпаснага клапана. Калі пашыральнік дадаецца да існуючай станцыі па зніжэнні ціску, каманда па распрацоўцы працэсаў павінна вызначыць, ці забяспечвае існуючы PSV належную абарону.
Награвальнік. Награвальнікі кампенсуюць падзенне тэмпературы, выкліканае газам, які праходзіць праз турбіну, таму газ павінен быць разагрэты. Асноўная яго функцыя заключаецца ў павышэнні тэмпературы росту патоку газу, каб падтрымліваць тэмпературу газу, пакідаючы пашыральніка вышэй за мінімальнае значэнне. Яшчэ адна перавага павышэння тэмпературы - павышэнне магутнасці, а таксама прадухіленне карозіі, кандэнсацыі або гідратаў, якія могуць негатыўна паўплываць на асадкі на абсталяванне. У сістэмах, якія змяшчаюць цеплаабменнікі (як паказана на малюнку 3), тэмпература газу звычайна кантралюецца шляхам рэгулявання патоку нагрэтай вадкасці ў разагравальнік. У некаторых канструкцыях замест цеплаабменніка можна выкарыстоўваць ацяпляльнік полымя або электрычны абагравальнік. Награвальнікі ўжо могуць існаваць на існуючай станцыі клапана JT, і даданне пашыральніка можа не спатрэбіцца ўсталёўваць дадатковыя абагравальнікі, а хутчэй павялічыць паток нагрэтай вадкасці.
Змазванне алею і ўшчыльняльныя газавыя сістэмы. Як ужо згадвалася вышэй, пашыральнікі могуць выкарыстоўваць розныя канструкцыі ўшчыльненняў, якія могуць запатрабаваць змазкі і герметычных газаў. У выпадку, калі гэта дастасавальна, змазачнае алей павінна падтрымліваць высокую якасць і чысціню пры кантакце з газамі працэсу, і ўзровень глейкасці алею павінен заставацца ў неабходным працоўным дыяпазоне змазаных падшыпнікаў. Сістэмы запячатаных газавых сістэм звычайна абсталяваны прыборам змазкі алеем, каб прадухіліць уезд у падшыпнік ад падшыпніка. Для спецыяльных прыкладанняў кампандэраў, якія выкарыстоўваюцца ў вуглевадароднай прамысловасці, сістэмы алею і ўшчыльнення, як правіла, прызначаны для API 617 [5] Частка 4.
Прывад зменнай частоты (VFD). Калі генератар з'яўляецца індукцыяй, звычайна ўключаецца VFD для рэгулявання сігналу чаргавання току (AC), каб адпавядаць частаце карыснасці. Звычайна канструкцыі, заснаваныя на дысках зменнай частоты, маюць больш высокую агульную эфектыўнасць, чым канструкцыі, якія выкарыстоўваюць каробкі перадач або іншыя механічныя кампаненты. Сістэмы на аснове VFD таксама могуць утрымліваць больш шырокі спектр змяненняў працэсаў, якія могуць прывесці да змены хуткасці пашыральніка вала.
Перадача. Некаторыя канструкцыі пашыральнікаў выкарыстоўваюць каробку перадач, каб знізіць хуткасць пашыральніка да намінальнай хуткасці генератара. Кошт выкарыстання каробкі перадач меншая агульная эфектыўнасць і, такім чынам, меншая магутнасць.
Пры падрыхтоўцы запыту на прапанову (RFQ) для пашыральніка, інжынер -працэс павінен спачатку вызначыць умовы працы, уключаючы наступную інфармацыю:
Механічныя інжынеры часта завяршаюць тэхнічныя характарыстыкі і тэхнічныя характарыстыкі пашыральніка з выкарыстаннем дадзеных іншых інжынерных дысцыплін. Гэтыя ўваходы могуць ўключаць у сябе наступнае:
Тэхнічныя характарыстыкі таксама павінны ўключаць у сябе спіс дакументаў і чарцяжоў, прадстаўленых вытворцам у рамках працэсу тэндэру і сферы паставак, а таксама прыдатныя працэдуры тэставання, як таго патрабуе праект.
Тэхнічная інфармацыя, прадстаўленая вытворцам у рамках працэсу тэндэру, звычайна павінна ўключаць у сябе наступныя элементы:
Калі які -небудзь аспект прапановы адрозніваецца ад зыходных характарыстык, вытворца таксама павінен прадставіць спіс адхіленняў і прычын адхіленняў.
Пасля атрымання прапановы каманда па распрацоўцы праектаў павінна перагледзець запыт на выкананне патрабаванняў і вызначыць, ці з'яўляюцца адхіленні тэхнічна апраўданымі.
Іншыя тэхнічныя меркаванні, якія трэба ўлічваць пры ацэнцы прапаноў, ўключаюць:
Нарэшце, неабходна правесці эканамічны аналіз. Паколькі розныя варыянты могуць прывесці да розных першапачатковых выдаткаў, рэкамендуецца правесці грашовы паток або аналіз выдаткаў на жыццёвы цыкл для параўнання доўгатэрміновай эканомікі праекта і вяртання інвестыцый. Напрыклад, больш высокія першапачатковыя інвестыцыі могуць быць кампенсаваны ў доўгатэрміновай перспектыве за кошт павышэння прадукцыйнасці або зніжэння патрабаванняў да тэхнічнага абслугоўвання. Гл. "Спасылкі" для інструкцый па гэтым відзе аналізу. 4.
Усе прыкладанні для генератара TurboExpander патрабуюць першапачатковага агульнага вылічэння магутнасці, каб вызначыць агульную колькасць наяўнай энергіі, якую можна аднавіць у пэўным дадатку. Для генератара TurboExpander патэнцыял магутнасці разлічваецца як ізаэнтрапны (пастаянны энтрапія). Гэта ідэальная тэрмадынамічная сітуацыя для разгляду зварачальнага адыабатычнага працэсу без трэння, але гэта правільны працэс ацэнкі рэальнага энергетычнага патэнцыялу.
Ісентрапная патэнцыяльная энергія (IPP) разлічваецца шляхам памнажэння пэўнай розніцы энтальпіі на ўваходзе і выхадзе турбоэкспандэра і памнажаючы вынік на масавы паток. Гэтая патэнцыяльная энергія будзе выражана ў выглядзе изентрапнай колькасці (ураўненне (1)):
Ipp = (Hinlet - H (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Там, дзе h (i, e) з'яўляецца спецыфічнай энтальпіяй з улікам тэмпературы isentropic выхаду, а ṁ - масавы расход.
Хоць для ацэнкі патэнцыяльнай энергіі можа быць выкарыстана ісентрапная патэнцыяльная энергія, усе рэальныя сістэмы прадугледжваюць трэнне, цяпло і іншыя страты дапаможнай энергіі. Такім чынам, пры падліку фактычнага патэнцыялу магутнасці варта ўлічваць наступныя дадатковыя дадзеныя:
У большасці прыкладанняў TurboExpander тэмпература абмяжоўваецца мінімальнай, каб прадухіліць непажаданыя праблемы, такія як замарожванне труб, згаданыя раней. Там, дзе паток прыроднага газу, гідраты амаль заўсёды прысутнічаюць, гэта значыць, што трубаправод уніз ад турбаэкспандэра або дросельнай засланкі будзе замерзнуць унутрана і звонку, калі тэмпература выхаду апусціцца ніжэй за 0 ° С. Фарміраванне лёду можа прывесці да абмежавання патоку і ў канчатковым выніку закрыць сістэму для размарожвання. Такім чынам, "жаданая" тэмпература выхаду выкарыстоўваецца для вылічэння больш рэалістычнага сцэнарыя магутнасці. Аднак для такіх газаў, як вадарод, тэмпературная мяжа значна ніжэй, таму што вадарод не мяняецца ад газу да вадкасці, пакуль не дасягне криогенной тэмпературы (-253 ° С). Выкарыстоўвайце гэтую жаданую тэмпературу выхаду, каб разлічыць пэўную энтальпію.
Таксама неабходна ўлічваць эфектыўнасць сістэмы TurboExpander. У залежнасці ад выкарыстанай тэхналогіі эфектыўнасць сістэмы можа значна адрознівацца. Напрыклад, TurboExpander, які выкарыстоўвае рэдукцыю для перадачы круцільнай энергіі з турбіны на генератар, будзе адчуваць вялікія страты трэння, чым сістэма, якая выкарыстоўвае прамую дыск ад турбіны да генератара. Агульная эфектыўнасць сістэмы TurboExpander выражаецца ў працэнтах і ўлічваецца пры ацэнцы рэальнага патэнцыялу магутнасці TurboExpander. Фактычны патэнцыял магутнасці (PP) разлічваецца наступным чынам:
Pp = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Давайце разгледзім прымяненне ціску прыроднага газу. ABC працуе і падтрымлівае станцыю зніжэння ціску, якая перавозіць прыродны газ з асноўнага трубаправода і распаўсюджвае яе мясцовым муніцыпалітэтам. На гэтай станцыі ціск на ўваходзе газу складае 40 бар, а ціск на выхадзе - 8 бар. Разагрэтая тэмпература ўваходнага газу складае 35 ° С, што разагрэе газ, каб прадухіліць замярзанне трубаправода. Такім чынам, тэмпературу газу на выхадзе павінны кантраляваць, каб яна не апусцілася ніжэй за 0 ° С. У гэтым прыкладзе мы будзем выкарыстоўваць 5 ° С у якасці мінімальнай тэмпературы выхаду для павышэння каэфіцыента бяспекі. Нармалізаваны аб'ёмны расход газу складае 50 000 нм3/гадзіну. Каб разлічыць патэнцыял магутнасці, мы мяркуем, што ўсе газавыя працякаюць праз пашыральнік турба і вылічыце максімальную магутнасць. Ацаніце агульны патэнцыял вываду магутнасці, выкарыстоўваючы наступны разлік:
Час паведамлення: мая 25-2024