Дэтандэры могуць выкарыстоўваць зніжэнне ціску для прывада круцільных машын. Інфармацыю аб тым, як ацаніць патэнцыйныя перавагі ўстаноўкі падаўжальніка, можна знайсці тут.
Як правіла, у хімічнай прамысловасці (ХП) «вялікая колькасць энергіі марнуецца ў рэгулявальных клапанах ціску, дзе неабходна скінуць ціск у вадкасцях пад высокім ціскам» [1]. У залежнасці ад розных тэхнічных і эканамічных фактараў можа быць пажадана пераўтварыць гэтую энергію ў механічную энергію кручэння, якую можна выкарыстоўваць для прывада генератараў або іншых круцільных машын. Для несціскальных вадкасцей (вадкасцяў) гэта дасягаецца з дапамогай гідраўлічнай турбіны з рэкуперацыяй энергіі (ГРЭЭ; гл. спасылку 1). Для сціскальных вадкасцей (газаў) падыходзіць дэтандэр.
Дэтандеры — гэта сталая тэхналогія з мноствам паспяховых ужыванняў, такіх як флюід-каталітычны крэкінг (FCC), халадзільнае абсталяванне, гарадскія клапаны для прыроднага газу, падзел паветра або выкіды выхлапных газаў. У прынцыпе, любы газавы паток са зніжаным ціскам можа быць выкарыстаны для прывада дэтандера, але «выпрацоўваемая энергія прама прапарцыйная суадносінам ціскаў, тэмпературы і хуткасці патоку газу» [2], а таксама тэхнічнай і эканамічнай мэтазгоднасці. Укараненне дэтандера: працэс залежыць ад гэтых і іншых фактараў, такіх як мясцовыя цэны на энерганосьбіты і наяўнасць у вытворцы адпаведнага абсталявання.
Нягледзячы на тое, што турбадэтандер (які функцыянуе падобна турбіне) з'яўляецца найбольш вядомым тыпам дэтандера (малюнак 1), існуюць і іншыя тыпы, прыдатныя для розных умоў працэсу. У гэтым артыкуле прадстаўлены асноўныя тыпы дэтандераў і іх кампаненты, а таксама коратка апісана, як кіраўнікі аперацый, кансультанты або энергетычныя аўдытары ў розных падраздзяленнях CPI могуць ацаніць патэнцыйныя эканамічныя і экалагічныя выгады ад усталёўкі дэтандера.
Існуе мноства розных тыпаў стужак супраціву, якія значна адрозніваюцца па геаметрыі і функцыянальнасці. Асноўныя тыпы паказаны на малюнку 2, і кожны тып коратка апісаны ніжэй. Для атрымання дадатковай інфармацыі, а таксама графікаў, якія параўноўваюць працоўны стан кожнага тыпу ў залежнасці ад канкрэтных дыяметраў і канкрэтных хуткасцей, глядзіце Даведку. 3.
Поршневы турбадэтандер. Поршневыя і ратацыйныя поршневыя турбадэтандеры працуюць як рухавік унутранага згарання з рэверсным кручэннем, паглынаючы газ пад высокім ціскам і пераўтвараючы яго назапашаную энергію ў энергію кручэння праз каленчаты вал.
Перацягніце турбадэтандер. Дэтандер тармазной турбіны складаецца з канцэнтрычнай камеры пратоку з каўшавымі рэбрамі, прымацаванымі да перыферыі круцільнага элемента. Яны сканструяваны гэтак жа, як і вадзяныя колы, але папярочны сячэнне канцэнтрычных камер павялічваецца ад уваходу да выхаду, што дазваляе газу пашырацца.
Радыяльны турбадэтандер. Радыяльныя турбадэтандеры маюць восевы ўваход і радыяльны выхад, што дазваляе газу радыяльна пашырацца праз крыльчатку турбіны. Падобным чынам, восевыя турбіны пашыраюць газ праз турбіннае кола, але кірунак патоку застаецца паралельным восі кручэння.
Гэты артыкул прысвечаны радыяльным і восевым турбадэтандерам, абмяркоўваючы іх розныя падтыпы, кампаненты і эканамічныя характарыстыкі.
Турбадэтандер здабывае энергію з газавага патоку высокага ціску і пераўтварае яе ў прывадную нагрузку. Звычайна нагрузкай з'яўляецца кампрэсар або генератар, падлучаны да вала. Турбадэтандер з кампрэсарам сціскае вадкасць у іншых частках тэхналагічнага патоку, якія патрабуюць сціснутай вадкасці, тым самым павялічваючы агульную эфектыўнасць устаноўкі, выкарыстоўваючы энергію, якая ў адваротным выпадку марнуецца. Турбадэтандер з генератарнай нагрузкай пераўтварае энергію ў электрычнасць, якую можна выкарыстоўваць у іншых працэсах устаноўкі або вярнуць у мясцовую сетку для продажу.
Турбадэтандерныя генератары могуць быць абсталяваны альбо прамым прывадным валам ад турбіннага кола да генератара, альбо рэдуктарам, які эфектыўна зніжае ўваходную хуткасць ад турбіннага кола да генератара праз перадаткавае стаўленне. Турбадэтандеры з прамым прывадам прапануюць перавагі ў эфектыўнасці, займаемай плошчы і выдатках на абслугоўванне. Турбадэтандеры з рэдуктарам цяжэйшыя і патрабуюць большай займанай плошчы, дапаможнага абсталявання для змазкі і рэгулярнага тэхнічнага абслугоўвання.
Праточныя турбадэтандеры могуць быць выкананы ў выглядзе радыяльных або восевых турбін. Радыяльныя дэтандеры маюць восевы ўваход і радыяльны выхад, так што газавы паток выходзіць з турбіны радыяльна ад восі кручэння. Восевыя турбіны дазваляюць газу цячы восева ўздоўж восі кручэння. Восевыя турбіны здабываюць энергію з газавага патоку праз накіроўвальныя лапаткі на ўваходзе да кола дэтандера, прычым плошча папярочнага сячэння камеры пашырэння паступова павялічваецца для падтрымання пастаяннай хуткасці.
Турбадэтандерны генератар складаецца з трох асноўных кампанентаў: турбіннага кола, спецыяльных падшыпнікаў і генератара.
Турбіннае кола. Турбінныя колы часта распрацоўваюцца спецыяльна для аптымізацыі аэрадынамічнай эфектыўнасці. Зменныя прымянення, якія ўплываюць на канструкцыю турбіннага кола, ўключаюць ціск на ўваходзе/выхадзе, тэмпературу на ўваходзе/выхадзе, аб'ёмны расход і ўласцівасці вадкасці. Калі ступень сціску занадта высокая, каб яе можна было знізіць за адну прыступку, патрабуецца турбадэтандер з некалькімі турбіннымі коламі. Як радыяльныя, так і восевыя турбінныя колы могуць быць распрацаваны як шматступенчатыя, але восевыя турбінныя колы маюць значна меншую восевую даўжыню і таму больш кампактныя. Шматступенчатым радыяльным турбінам патрабуецца перацяканне газу ад восевага да радыяльнага і назад да восевага, што стварае большыя страты на трэнне, чым восевым турбінам.
падшыпнікі. Канструкцыя падшыпнікаў мае вырашальнае значэнне для эфектыўнай працы турбадэтандера. Тыпы падшыпнікаў, звязаныя з канструкцыямі турбадэтандера, моцна адрозніваюцца і могуць уключаць алейныя падшыпнікі, падшыпнікі з вадкаснай плёнкай, традыцыйныя шарыкападшыпнікі і магнітныя падшыпнікі. Кожны метад мае свае перавагі і недахопы, як паказана ў табліцы 1.
Многія вытворцы турбадэтандераў выбіраюць магнітныя падшыпнікі ў якасці сваіх «падшыпнікаў выбару» з-за іх унікальных пераваг. Магнітныя падшыпнікі забяспечваюць бестрэнную працу дынамічных кампанентаў турбадэтандера, значна зніжаючы эксплуатацыйныя выдаткі і выдаткі на абслугоўванне на працягу тэрміну службы машыны. Яны таксама прызначаны для вытрымкі шырокага дыяпазону восевых і радыяльных нагрузак і ўмоў перанапружання. Іх больш высокія пачатковыя выдаткі кампенсуюцца значна меншымі выдаткамі на працягу ўсяго тэрміну службы.
дынама. Генератар атрымлівае энергію кручэння турбіны і пераўтварае яе ў карысную электрычную энергію з дапамогай электрамагнітнага генератара (які можа быць індукцыйным генератарам або генератарам з пастаяннымі магнітамі). Індукцыйныя генератары маюць меншую намінальную хуткасць, таму для прымянення высакахуткасных турбін патрабуецца рэдуктар, але яны могуць быць распрацаваны ў адпаведнасці з частатой сеткі, што выключае неабходнасць у прывадзе са зменнай частатой (ЧРП) для падачы выпрацоўваемай электраэнергіі. Генератары з пастаяннымі магнітамі, з іншага боку, могуць быць непасрэдна злучаны з валам турбіны і перадаваць энергію ў сетку праз прывад са зменнай частатой. Генератар прызначаны для забеспячэння максімальнай магутнасці ў залежнасці ад магутнасці на вале, даступнай у сістэме.
Ушчыльненні. Ушчыльненне таксама з'яўляецца найважнейшым кампанентам пры праектаванні сістэмы турбадэтандера. Каб падтрымліваць высокую эфектыўнасць і адпавядаць экалагічным стандартам, сістэмы павінны быць герметычнымі, каб прадухіліць патэнцыйныя ўцечкі тэхналагічнага газу. Турбадэтандеры могуць быць абсталяваны дынамічнымі або статычнымі ўшчыльненнямі. Дынамічныя ўшчыльненні, такія як лабірынтныя ўшчыльненні і сухія газавыя ўшчыльненні, забяспечваюць ушчыльненне вакол круцільнага вала, звычайна паміж турбінным колам, падшыпнікамі і астатняй часткай машыны, дзе размешчаны генератар. Дынамічныя ўшчыльненні зношваюцца з часам і патрабуюць рэгулярнага тэхнічнага абслугоўвання і праверкі для забеспячэння іх належнай працы. Калі ўсе кампаненты турбадэтандера знаходзяцца ў адным корпусе, статычныя ўшчыльненні могуць выкарыстоўвацца для абароны любых правадоў, якія выходзяць з корпуса, у тым ліку да генератара, прывадаў магнітных падшыпнікаў або датчыкаў. Гэтыя герметычныя ўшчыльненні забяспечваюць пастаянную абарону ад уцечкі газу і не патрабуюць тэхнічнага абслугоўвання або рамонту.
З пункту гледжання працэсу, асноўнай патрабаваннем да ўстаноўкі дэтандэра з'яўляецца падача сціскальнага (некандэнсуемага) газу пад высокім ціскам у сістэму нізкага ціску з дастатковым патокам, падзеннем ціску і выкарыстаннем для падтрымання нармальнай працы абсталявання. Рабочыя параметры падтрымліваюцца на бяспечным і эфектыўным узроўні.
Што да функцыі зніжэння ціску, дэтандэр можа выкарыстоўвацца для замены клапана Джоўля-Томсана (ДТ), таксама вядомага як дросельны клапан. Паколькі клапан ДТ рухаецца па ізаэнтропічнай траекторыі, а дэтандэр — па амаль ізаэнтропічнай траекторыі, апошні памяншае энтальпію газу і пераўтварае розніцу энтальпіі ў магутнасць на вале, тым самым ствараючы больш нізкую тэмпературу на выхадзе, чым клапан ДТ. Гэта карысна ў крыягенных працэсах, дзе мэтай з'яўляецца зніжэнне тэмпературы газу.
Калі існуе ніжняя мяжа тэмпературы газу на выхадзе (напрыклад, на дэкампрэсійнай станцыі, дзе тэмпература газу павінна падтрымлівацца вышэй за тэмпературу замярзання, гідратацыі або мінімальную разліковую тэмпературу матэрыялу), неабходна дадаць хаця б адзін награвальнік. Кантралюйце тэмпературу газу. Калі падагравальнік размешчаны перад дэтандэрам, частка энергіі з падатнага газу таксама рэкуперуецца ў дэтандэры, тым самым павялічваючы яго выходную магутнасць. У некаторых канфігурацыях, дзе патрабуецца кантроль тэмпературы на выхадзе, пасля дэтандэра можна ўсталяваць другі падагравальнік для забеспячэння больш хуткага кантролю.
На мал. 3 паказана спрошчаная дыяграма агульнай блок-схемы генератара-дэтандера з папярэднім падагравальнікам, які выкарыстоўваецца для замены клапана JT.
У іншых канфігурацыях працэсу энергія, якая рэкуперуецца ў дэтандэры, можа перадавацца непасрэдна кампрэсару. Гэтыя машыны, якія часам называюць «камандзірамі», звычайна маюць ступені пашырэння і сціскання, злучаныя адным або некалькімі валамі, якія таксама могуць уключаць рэдуктар для рэгулявання розніцы хуткасцей паміж двума ступенямі. Ён таксама можа ўключаць дадатковы рухавік для павышэння магутнасці ступені сціскання.
Ніжэй прыведзены некаторыя з найважнейшых кампанентаў, якія забяспечваюць належную працу і стабільнасць сістэмы.
Байпасны клапан або рэдукцыйны клапан. Байпасны клапан дазваляе працягваць працу, калі турбадэтандер не працуе (напрыклад, для тэхнічнага абслугоўвання або ў надзвычайнай сітуацыі), у той час як рэдукцыйны клапан выкарыстоўваецца для бесперапыннай падачы лішку газу, калі агульны паток перавышае разліковую магутнасць дэтандэра.
Аварыйны адключальны клапан (ASD). Клапаны ESD выкарыстоўваюцца для блакавання патоку газу ў дэтандэр у надзвычайнай сітуацыі, каб пазбегнуць механічных пашкоджанняў.
Прыборы і элементы кіравання. Важныя зменныя, якія трэба кантраляваць, уключаюць ціск на ўваходзе і выхадзе, хуткасць патоку, хуткасць кручэння і выходную магутнасць.
Рух з празмернай хуткасцю. Прылада перакрывае паток да турбіны, што прыводзіць да запаволення ротара турбіны, тым самым абараняючы абсталяванне ад празмерных хуткасцей з-за нечаканых умоў працэсу, якія могуць пашкодзіць яго.
Засцерагальны клапан ціску (ЗКЦ). ЗКЦ часта ўсталёўваюцца пасля турбадэтандера для абароны трубаправодаў і абсталявання нізкага ціску. ЗКЦ павінен быць распрацаваны такім чынам, каб вытрымліваць самыя сур'ёзныя непрадбачаныя абставіны, якія звычайна ўключаюць адмову адкрыцця байпаснага клапана. Калі да існуючай станцыі рэдукцыі ціску дадаецца дэтандер, каманда праектавання працэсу павінна вызначыць, ці забяспечвае існуючы ЗКЦ належную абарону.
Награвальнік. Награвальнікі кампенсуюць падзенне тэмпературы, выкліканае праходжаннем газу праз турбіну, таму газ неабходна папярэдне нагрэць. Яго асноўная функцыя — павышэнне тэмпературы ўзыходзячага газавага патоку, каб падтрымліваць тэмпературу газу, які выходзіць з дэтандэра, вышэй за мінімальнае значэнне. Яшчэ адна перавага павышэння тэмпературы — павелічэнне выходнай магутнасці, а таксама прадухіленне карозіі, кандэнсацыі або гідратаў, якія могуць негатыўна паўплываць на сопла абсталявання. У сістэмах, якія змяшчаюць цеплаабменнікі (як паказана на малюнку 3), тэмпература газу звычайна кантралюецца шляхам рэгулявання патоку нагрэтай вадкасці ў падагрэвальнік. У некаторых канструкцыях замест цеплаабменніка можна выкарыстоўваць полымявы награвальнік або электрычны награвальнік. Награвальнікі могуць ужо існаваць у існуючай клапаннай станцыі JT, і даданне дэтандэра можа не запатрабаваць усталёўкі дадатковых награвальнікаў, а хутчэй павялічыць паток нагрэтай вадкасці.
Сістэмы змазачнага алею і ўшчыльняльнага газу. Як ужо згадвалася вышэй, дэтандеры могуць выкарыстоўваць розныя канструкцыі ўшчыльненняў, якія могуць запатрабаваць змазкі і ўшчыльняльныя газы. Пры неабходнасці змазачны алей павінен падтрымліваць высокую якасць і чысціню пры кантакце з тэхналагічнымі газамі, а ўзровень глейкасці алею павінен заставацца ў межах неабходнага працоўнага дыяпазону змазваных падшыпнікаў. Сістэмы герметычнага газу звычайна абсталяваны прыладай для змазкі алеем, каб прадухіліць трапленне алею з корпуса падшыпніка ў корпус пашырэння. Для спецыяльных ужыванняў кампандэраў, якія выкарыстоўваюцца ў вуглевадароднай прамысловасці, сістэмы змазачнага алею і ўшчыльняльнага газу звычайна распрацоўваюцца ў адпаведнасці са спецыфікацыямі API 617 [5] частка 4.
Прывад са зменнай частатой (ЧРП). Калі генератар з'яўляецца індукцыйным, ЧРП звычайна ўключаецца для рэгулявання сігналу пераменнага току (AC) у адпаведнасці з частатой электрасеткі. Як правіла, канструкцыі, заснаваныя на прывадах са зменнай частатой, маюць больш высокую агульную эфектыўнасць, чым канструкцыі, якія выкарыстоўваюць рэдуктары або іншыя механічныя кампаненты. Сістэмы на аснове ЧРП таксама могуць апрацоўваць больш шырокі дыяпазон змен працэсу, якія могуць прывесці да змен хуткасці вала дэтандэра.
Трансмісія. У некаторых канструкцыях дэтандераў выкарыстоўваецца рэдуктар для зніжэння хуткасці дэтандера да намінальнай хуткасці генератара. Кошт выкарыстання рэдуктара заключаецца ў больш нізкім агульным ККД і, такім чынам, у меншай выходнай магутнасці.
Пры падрыхтоўцы запыту на прапанову (RFQ) для дэтандэра інжынер-тэхнолаг павінен спачатку вызначыць умовы эксплуатацыі, у тым ліку наступную інфармацыю:
Інжынеры-механікі часта складаюць спецыфікацыі генератараў дэтандераў і выкарыстоўваюць дадзеныя з іншых інжынерных дысцыплін. Гэтыя дадзеныя могуць уключаць наступнае:
Спецыфікацыі павінны таксама ўключаць спіс дакументаў і чарцяжоў, прадастаўленых вытворцам у рамках тэндэрнага працэсу, і аб'ём пастаўкі, а таксама адпаведныя працэдуры выпрабаванняў, як таго патрабуе праект.
Тэхнічная інфармацыя, прадстаўленая вытворцам у рамках тэндэрнага працэсу, звычайна павінна ўключаць наступныя элементы:
Калі які-небудзь аспект прапановы адрозніваецца ад першапачатковых спецыфікацый, вытворца таксама павінен прадаставіць спіс адхіленняў і прычыны гэтых адхіленняў.
Пасля атрымання прапановы каманда распрацоўшчыкаў праекта павінна разгледзець запыт на адпаведнасць і вызначыць, ці з'яўляюцца адхіленні тэхнічна абгрунтаванымі.
Іншыя тэхнічныя меркаванні, якія варта ўлічваць пры ацэнцы прапаноў, ўключаюць:
Нарэшце, неабходна правесці эканамічны аналіз. Паколькі розныя варыянты могуць прывесці да розных пачатковых выдаткаў, рэкамендуецца правесці аналіз грашовых патокаў або выдаткаў на працягу жыццёвага цыклу, каб параўнаць доўгатэрміновую эканамічную эфектыўнасць праекта і прыбытковасць інвестыцый. Напрыклад, больш высокія пачатковыя інвестыцыі могуць быць кампенсаваны ў доўгатэрміновай перспектыве павышэннем прадукцыйнасці або зніжэннем патрабаванняў да тэхнічнага абслугоўвання. Інструкцыі па гэтым тыпе аналізу глядзіце ў раздзеле «Спасылкі». 4.
Усе прымянення турбадэтандерных генератараў патрабуюць пачатковага разліку агульнай патэнцыяльнай магутнасці, каб вызначыць агульную колькасць даступнай энергіі, якую можна рэкупераваць у канкрэтным прымяненні. Для турбадэтандернага генератара патэнцыял магутнасці разлічваецца як ізаэнтрапічны (пастаянная энтрапія) працэс. Гэта ідэальная тэрмадынамічная сітуацыя для разгляду зварачальнага адыябатычнага працэсу без трэння, але гэта правільны працэс для ацэнкі рэальнага энергетычнага патэнцыялу.
Ізаэнтропная патэнцыяльная энергія (ІПЭ) разлічваецца шляхам памнажэння рознасці ўдзельных энтальпій на ўваходзе і выхадзе турбадэтандера і памнажэння выніку на масавы расход. Гэтая патэнцыяльная энергія будзе выражана як ізаэнтропная велічыня (раўнанне (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
дзе h(i,e) — удзельная энтальпія з улікам ізантропнай тэмпературы на выхадзе, а ṁ — масавы расход.
Нягледзячы на тое, што ізаэнтропную патэнцыяльную энергію можна выкарыстоўваць для ацэнкі патэнцыяльнай энергіі, усе рэальныя сістэмы ўключаюць трэнне, цяпло і іншыя дапаможныя страты энергіі. Такім чынам, пры разліку рэальнага патэнцыялу магутнасці неабходна ўлічваць наступныя дадатковыя ўваходныя дадзеныя:
У большасці выпадкаў прымянення турбадэтандераў тэмпература абмяжоўваецца да мінімуму, каб прадухіліць непажаданыя праблемы, такія як замярзанне труб, пра якія згадвалася раней. Там, дзе цячэ прыродны газ, гідраты амаль заўсёды прысутнічаюць, гэта значыць, што трубаправод пасля турбадэтандера або дросельнай засланкі замярзае ўнутры і звонку, калі тэмпература на выхадзе апусціцца ніжэй за 0°C. Утварэнне лёду можа прывесці да абмежавання патоку і ў канчатковым выніку да адключэння сістэмы для размарожвання. Такім чынам, «жаданая» тэмпература на выхадзе выкарыстоўваецца для разліку больш рэалістычнага сцэнарыя патэнцыйнай магутнасці. Аднак для такіх газаў, як вадарод, тэмпературны ліміт значна ніжэйшы, таму што вадарод не пераходзіць з газападобнага стану ў вадкасць, пакуль не дасягне крыягеннай тэмпературы (-253°C). Выкарыстоўвайце гэтую патрэбную тэмпературу на выхадзе для разліку ўдзельнай энтальпіі.
Таксама неабходна ўлічваць эфектыўнасць сістэмы турбадэтандера. У залежнасці ад выкарыстоўванай тэхналогіі эфектыўнасць сістэмы можа значна адрознівацца. Напрыклад, турбадэтандер, які выкарыстоўвае рэдуктар для перадачы энергіі кручэння ад турбіны да генератара, будзе адчуваць большыя страты на трэнне, чым сістэма, якая выкарыстоўвае прамы прывад ад турбіны да генератара. Агульны эфектыўнасць сістэмы турбадэтандера выражаецца ў працэнтах і ўлічваецца пры ацэнцы рэальнага патэнцыялу магутнасці турбадэтандера. Рэальны патэнцыял магутнасці (PP) разлічваецца наступным чынам:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Давайце разгледзім прымяненне скіду ціску прыроднага газу. ABC кіруе і абслугоўвае станцыю зніжэння ціску, якая транспартуе прыродны газ з магістральнага трубаправода і размяркоўвае яго па мясцовых муніцыпалітэтах. На гэтай станцыі ціск газу на ўваходзе складае 40 бар, а ціск на выхадзе — 8 бар. Тэмпература папярэдне нагрэтага газу на ўваходзе складае 35°C, што дазваляе яму папярэдне награвацца, каб прадухіліць замярзанне трубаправода. Такім чынам, тэмпературу газу на выхадзе неабходна кантраляваць, каб яна не апускалася ніжэй за 0°C. У гэтым прыкладзе мы будзем выкарыстоўваць 5°C у якасці мінімальнай тэмпературы на выхадзе для павышэння каэфіцыента бяспекі. Нармалізаваны аб'ёмны расход газу складае 50 000 Нм3/г. Для разліку патэнцыялу магутнасці мы будзем лічыць, што ўвесь газ праходзіць праз турбадэтандер, і разлічым максімальную выходную магутнасць. Ацаніце агульны патэнцыял выходнай магутнасці, выкарыстоўваючы наступны разлік:
Час публікацыі: 25 мая 2024 г.