HANGZHOU NUZHUO TEKNOLOJİ GRUBU A.Ş.

Genişleticiler, basınç düşürme yöntemini kullanarak dönen makineleri çalıştırabilir. Genişletici takmanın potansiyel faydalarını değerlendirme hakkında bilgiye buradan ulaşabilirsiniz.
Tipik olarak kimyasal proses endüstrisinde (KİT), “yüksek basınçlı sıvıların basınçsızlaştırılması gereken basınç kontrol vanalarında büyük miktarda enerji israf edilir” [1]. Çeşitli teknik ve ekonomik faktörlere bağlı olarak, bu enerjinin jeneratörleri veya diğer dönen makineleri çalıştırmak için kullanılabilen dönen mekanik enerjiye dönüştürülmesi istenebilir. Sıkıştırılamaz sıvılar (sıvılar) için bu, hidrolik enerji geri kazanım türbini (HPRT; bkz. referans 1) kullanılarak elde edilir. Sıkıştırılabilir sıvılar (gazlar) için ise bir genleştirici uygun bir makinedir.
Genişleticiler, akışkan katalitik çatlama (FCC), soğutma, doğal gaz şehir vanaları, hava ayrıştırma veya egzoz emisyonları gibi birçok başarılı uygulamaya sahip olgun bir teknolojidir. Prensip olarak, düşük basınca sahip herhangi bir gaz akışı bir genişleticiyi çalıştırmak için kullanılabilir, ancak “enerji çıktısı, gaz akışının basınç oranına, sıcaklığına ve akış hızına doğrudan orantılıdır” [2], ayrıca teknik ve ekonomik fizibiliteye de bağlıdır. Genişletici Uygulaması: Süreç, yerel enerji fiyatları ve üreticinin uygun ekipmana sahip olması gibi diğer faktörlere bağlıdır.
Türbin benzeri şekilde çalışan turbo genişletici en bilinen genişletici türü olsa da (Şekil 1), farklı proses koşullarına uygun başka türler de mevcuttur. Bu makale, başlıca genişletici türlerini ve bileşenlerini tanıtmakta ve çeşitli CPI bölümlerindeki operasyon yöneticilerinin, danışmanların veya enerji denetçilerinin bir genişletici kurulumunun potansiyel ekonomik ve çevresel faydalarını nasıl değerlendirebileceklerini özetlemektedir.
Geometri ve işlev bakımından büyük farklılıklar gösteren birçok farklı direnç bandı türü vardır. Başlıca türler Şekil 2'de gösterilmiştir ve her tür aşağıda kısaca açıklanmıştır. Daha fazla bilgi için, ayrıca belirli çaplara ve belirli hızlara göre her türün çalışma durumunu karşılaştıran grafikler için Yardım bölümüne bakın. 3.
Pistonlu turbo genişletici. Pistonlu ve döner pistonlu turbo genişleticiler, ters yönde dönen bir içten yanmalı motor gibi çalışarak yüksek basınçlı gazı emer ve depoladığı enerjiyi krank mili aracılığıyla dönme enerjisine dönüştürür.
Turbo genleştiriciyi sürükleyin. Fren türbinli genleştirici, dönen elemanın çevresine bağlı kova kanatçıkları olan eş merkezli bir akış odasından oluşur. Su çarklarıyla aynı şekilde tasarlanmışlardır, ancak eş merkezli odaların kesiti girişten çıkışa doğru artar ve gazın genleşmesine olanak tanır.
Radyal turbo genişletici. Radyal akışlı turbo genişleticilerde eksenel bir giriş ve radyal bir çıkış bulunur; bu da gazın türbin çarkı boyunca radyal olarak genişlemesine olanak tanır. Benzer şekilde, eksenel akışlı türbinler gazı türbin çarkı boyunca genişletir, ancak akış yönü dönüş eksenine paralel kalır.
Bu makale, radyal ve eksenel turbo genleştiricilere odaklanarak, bunların çeşitli alt tiplerini, bileşenlerini ve ekonomik yönlerini ele almaktadır.
Bir turbo genişletici, yüksek basınçlı bir gaz akışından enerji çıkarır ve bunu bir tahrik yüküne dönüştürür. Tipik olarak bu yük, bir şafta bağlı bir kompresör veya jeneratördür. Kompresörlü bir turbo genişletici, proses akışının sıkıştırılmış akışkan gerektiren diğer kısımlarındaki akışkanı sıkıştırarak, aksi takdirde boşa harcanacak olan enerjiyi kullanarak tesisin genel verimliliğini artırır. Jeneratörlü bir turbo genişletici ise enerjiyi elektriğe dönüştürür; bu elektrik, tesisin diğer proseslerinde kullanılabilir veya satılmak üzere yerel şebekeye geri verilebilir.
Turbo genişletici jeneratörler, türbin çarkından jeneratöre doğrudan tahrik mili ile veya türbin çarkından jeneratöre giriş hızını bir dişli oranı aracılığıyla etkili bir şekilde azaltan bir dişli kutusu vasıtasıyla donatılabilir. Doğrudan tahrikli turbo genişleticiler verimlilik, kapladığı alan ve bakım maliyetleri açısından avantajlar sunar. Dişli kutulu turbo genişleticiler daha ağırdır ve daha büyük bir alan, yağlama yardımcı ekipmanı ve düzenli bakım gerektirir.
Akışlı turbo genişleticiler, radyal veya eksenel türbinler şeklinde üretilebilir. Radyal akışlı genişleticiler, gaz akışının türbinden dönme ekseninden radyal olarak çıkmasını sağlayacak şekilde eksenel bir giriş ve radyal bir çıkış içerir. Eksenel türbinler, gazın dönme ekseni boyunca eksenel olarak akmasına izin verir. Eksenel akışlı türbinler, giriş kılavuz kanatları aracılığıyla genişletici çarkına giden gaz akışından enerji çeker ve genişleme odasının kesit alanı, sabit bir hızı korumak için kademeli olarak artar.
Bir turbo genişletici jeneratör üç ana bileşenden oluşur: bir türbin çarkı, özel yataklar ve bir jeneratör.
Türbin çarkı. Türbin çarkları genellikle aerodinamik verimliliği optimize etmek için özel olarak tasarlanır. Türbin çarkı tasarımını etkileyen uygulama değişkenleri arasında giriş/çıkış basıncı, giriş/çıkış sıcaklığı, hacimsel akış ve akışkan özellikleri bulunur. Sıkıştırma oranı tek bir kademede azaltılamayacak kadar yüksek olduğunda, birden fazla türbin çarkına sahip bir turbo genişletici gereklidir. Hem radyal hem de eksenel türbin çarkları çok kademeli olarak tasarlanabilir, ancak eksenel türbin çarklarının eksenel uzunluğu çok daha kısadır ve bu nedenle daha kompakttır. Çok kademeli radyal akışlı türbinler, gazın eksenelden radyal'e ve tekrar eksenel'e akmasını gerektirir ve bu da eksenel akışlı türbinlere göre daha yüksek sürtünme kayıplarına neden olur.
Rulmanlar. Rulman tasarımı, turbo genişleticinin verimli çalışması için kritik öneme sahiptir. Turbo genişletici tasarımlarıyla ilgili rulman tipleri oldukça çeşitlidir ve yağ rulmanları, sıvı film rulmanları, geleneksel bilyalı rulmanlar ve manyetik rulmanları içerebilir. Her yöntemin, Tablo 1'de gösterildiği gibi, kendi avantaj ve dezavantajları vardır.
Birçok turbo genişletici üreticisi, benzersiz avantajları nedeniyle manyetik yatakları "tercih edilen yatak" olarak seçmektedir. Manyetik yataklar, turbo genişleticinin dinamik bileşenlerinin sürtünmesiz çalışmasını sağlayarak, makinenin ömrü boyunca işletme ve bakım maliyetlerini önemli ölçüde azaltır. Ayrıca, geniş bir eksenel ve radyal yük aralığına ve aşırı gerilme koşullarına dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Daha yüksek başlangıç ​​maliyetleri, çok daha düşük yaşam döngüsü maliyetleriyle dengelenir.
Dinamo. Jeneratör, türbinin dönme enerjisini alır ve elektromanyetik bir jeneratör (indüksiyon jeneratörü veya kalıcı mıknatıs jeneratörü olabilir) kullanarak faydalı elektrik enerjisine dönüştürür. İndüksiyon jeneratörlerinin nominal hızı daha düşüktür, bu nedenle yüksek hızlı türbin uygulamaları bir dişli kutusu gerektirir, ancak şebeke frekansına uyacak şekilde tasarlanabilir ve üretilen elektriği sağlamak için değişken frekanslı sürücüye (VFD) olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Kalıcı mıknatıs jeneratörleri ise doğrudan türbine şaftla bağlanabilir ve değişken frekanslı sürücü aracılığıyla şebekeye güç iletebilir. Jeneratör, sistemde mevcut şaft gücüne bağlı olarak maksimum güç sağlamak üzere tasarlanmıştır.
Sızdırmazlık elemanları. Sızdırmazlık elemanı, turbo genişletici sistem tasarımında da kritik bir bileşendir. Yüksek verimliliği korumak ve çevresel standartları karşılamak için, sistemler olası proses gazı sızıntılarını önlemek üzere sızdırmaz hale getirilmelidir. Turbo genişleticiler dinamik veya statik sızdırmazlık elemanlarıyla donatılabilir. Labirent contalar ve kuru gaz contaları gibi dinamik contalar, genellikle türbin çarkı, yataklar ve jeneratörün bulunduğu makinenin geri kalanı arasında, dönen bir şaftın etrafında sızdırmazlık sağlar. Dinamik contalar zamanla aşınır ve düzgün çalıştıklarından emin olmak için düzenli bakım ve denetim gerektirir. Tüm turbo genişletici bileşenleri tek bir gövdede bulunduğunda, jeneratöre, manyetik yatak tahriklerine veya sensörlere gidenler de dahil olmak üzere, gövdeden çıkan tüm uçları korumak için statik contalar kullanılabilir. Bu hava geçirmez contalar, gaz sızıntısına karşı kalıcı koruma sağlar ve bakım veya onarım gerektirmez.
Proses açısından bakıldığında, bir genleştirici kurulumunun temel gereksinimi, ekipmanın normal çalışmasını sürdürmek için yeterli akış, basınç düşüşü ve kullanım oranıyla düşük basınçlı bir sisteme yüksek basınçlı sıkıştırılabilir (yoğuşmayan) gaz sağlamaktır. Çalışma parametreleri güvenli ve verimli bir seviyede tutulur.
Basınç düşürme işlevi açısından, genleştirici, kısma vanası olarak da bilinen Joule-Thomson (JT) vanasının yerini alabilir. JT vanası izentropik bir yol boyunca hareket ederken, genleştirici neredeyse izentropik bir yol boyunca hareket ettiğinden, ikincisi gazın entalpisini düşürür ve entalpi farkını şaft gücüne dönüştürerek JT vanasına göre daha düşük bir çıkış sıcaklığı üretir. Bu, gazın sıcaklığını düşürmenin amaçlandığı kriyojenik proseslerde faydalıdır.
Çıkış gazı sıcaklığında bir alt sınır varsa (örneğin, gaz sıcaklığının donma, hidratasyon veya minimum malzeme tasarım sıcaklığının üzerinde tutulması gereken bir dekompresyon istasyonunda), gaz sıcaklığını kontrol etmek için en az bir ısıtıcı eklenmelidir. Ön ısıtıcı genleştiricinin yukarısında yer aldığında, besleme gazından gelen enerjinin bir kısmı genleştiricide de geri kazanılır ve böylece güç çıkışı artar. Çıkış sıcaklığı kontrolünün gerekli olduğu bazı konfigürasyonlarda, daha hızlı kontrol sağlamak için genleştiriciden sonra ikinci bir yeniden ısıtıcı takılabilir.
Şekil 3'te, JT valfinin yerine kullanılan ön ısıtıcılı bir genleştirici jeneratörün genel akış şemasının basitleştirilmiş bir gösterimi yer almaktadır.
Diğer proses konfigürasyonlarında, genleştiricide geri kazanılan enerji doğrudan kompresöre aktarılabilir. Bazen "komuta ünitesi" olarak da adlandırılan bu makineler, genellikle bir veya daha fazla şaftla birbirine bağlı genleşme ve sıkıştırma aşamalarına sahiptir ve iki aşama arasındaki hız farkını düzenlemek için bir dişli kutusu da içerebilir. Ayrıca, sıkıştırma aşamasına daha fazla güç sağlamak için ek bir motor da içerebilir.
Aşağıda, sistemin düzgün çalışmasını ve istikrarını sağlayan en önemli bileşenlerden bazıları yer almaktadır.
Baypas vanası veya basınç düşürücü vana. Baypas vanası, turbo genişletici çalışmadığında (örneğin, bakım veya acil durum için) çalışmanın devam etmesini sağlar; basınç düşürücü vana ise toplam akış genişleticinin tasarım kapasitesini aştığında fazla gaz sağlamak için sürekli çalışmada kullanılır.
Acil durum kapatma vanası (ESD). ESD vanaları, mekanik hasarı önlemek için acil durumlarda genleştiriciye gaz akışını engellemek amacıyla kullanılır.
Aletler ve kontroller. İzlenmesi gereken önemli değişkenler arasında giriş ve çıkış basıncı, akış hızı, dönüş hızı ve güç çıkışı yer almaktadır.
Aşırı hızda sürüş. Cihaz, türbine giden akışı keserek türbin rotorunun yavaşlamasına neden olur ve böylece ekipmanı, beklenmedik proses koşullarından kaynaklanabilecek aşırı hızlardan koruyarak hasara karşı önlem alır.
Basınç Emniyet Vanası (PSV). PSV'ler genellikle boru hatlarını ve düşük basınçlı ekipmanları korumak için turbo genişletici sonrasında kurulur. PSV, genellikle baypas vanasının açılmaması gibi en şiddetli durumlara dayanacak şekilde tasarlanmalıdır. Mevcut bir basınç düşürme istasyonuna bir genişletici eklenirse, proses tasarım ekibi mevcut PSV'nin yeterli koruma sağlayıp sağlamadığını belirlemelidir.
Isıtıcı. Isıtıcılar, türbinden geçen gazın neden olduğu sıcaklık düşüşünü telafi eder, bu nedenle gaz önceden ısıtılmalıdır. Ana işlevi, genleştiriciden çıkan gazın sıcaklığını minimum bir değerin üzerinde tutmak için yükselen gaz akışının sıcaklığını artırmaktır. Sıcaklığı yükseltmenin bir diğer faydası da güç çıkışını artırmanın yanı sıra, ekipman nozullarını olumsuz etkileyebilecek korozyon, yoğuşma veya hidrat oluşumunu önlemektir. Isı eşanjörleri içeren sistemlerde (Şekil 3'te gösterildiği gibi), gaz sıcaklığı genellikle ön ısıtıcıya giren ısıtılmış sıvının akışını düzenleyerek kontrol edilir. Bazı tasarımlarda, ısı eşanjörü yerine alevli ısıtıcı veya elektrikli ısıtıcı kullanılabilir. Mevcut bir JT vana istasyonunda zaten ısıtıcılar bulunabilir ve bir genleştirici eklemek, ek ısıtıcıların takılmasını gerektirmeyebilir, bunun yerine ısıtılmış sıvının akışını artırmayı gerektirebilir.
Yağlama yağı ve sızdırmazlık gazı sistemleri. Yukarıda belirtildiği gibi, genleştiriciler farklı sızdırmazlık tasarımları kullanabilir ve bu da yağlayıcılar ve sızdırmazlık gazları gerektirebilir. Uygulanabilir durumlarda, yağlama yağı, proses gazlarıyla temas halindeyken yüksek kalite ve saflığı korumalı ve yağ viskozite seviyesi, yağlanmış yatakların gerekli çalışma aralığında kalmalıdır. Sızdırmazlık gazı sistemleri genellikle, yatak kutusundan gelen yağın genleşme kutusuna girmesini önlemek için bir yağlama cihazı ile donatılmıştır. Hidrokarbon endüstrisinde kullanılan kompansatörlerin özel uygulamaları için, yağlama yağı ve sızdırmazlık gazı sistemleri tipik olarak API 617 [5] Bölüm 4 spesifikasyonlarına göre tasarlanmıştır.
Değişken frekanslı sürücü (VFD). Jeneratör indüksiyonlu olduğunda, alternatif akım (AC) sinyalini şebeke frekansına eşleştirmek için genellikle bir VFD açılır. Genellikle, değişken frekanslı sürücülere dayalı tasarımlar, dişli kutuları veya diğer mekanik bileşenler kullanan tasarımlara göre daha yüksek genel verimliliğe sahiptir. VFD tabanlı sistemler ayrıca, genleştirici şaft hızında değişikliklere neden olabilecek daha geniş bir proses değişikliği yelpazesini de karşılayabilir.
Aktarım. Bazı genleştirici tasarımları, genleştiricinin hızını jeneratörün nominal hızına düşürmek için bir dişli kutusu kullanır. Dişli kutusu kullanmanın maliyeti, genel verimliliğin ve dolayısıyla daha düşük güç çıkışının olmasıdır.
Genleştirici için fiyat teklifi talebi (RFQ) hazırlanırken, proses mühendisi öncelikle aşağıdaki bilgiler de dahil olmak üzere işletme koşullarını belirlemelidir:
Makine mühendisleri genellikle diğer mühendislik disiplinlerinden gelen verileri kullanarak genleştirici jeneratör spesifikasyonlarını ve teknik özelliklerini tamamlarlar. Bu girdiler şunları içerebilir:
Teknik şartnamede ayrıca, ihale sürecinin ve tedarik kapsamının bir parçası olarak üretici tarafından sağlanan belge ve çizimlerin listesi ile proje tarafından gerekli görülen geçerli test prosedürleri de yer almalıdır.
Üretici tarafından ihale sürecinin bir parçası olarak sağlanan teknik bilgiler genel olarak aşağıdaki unsurları içermelidir:
Teklifin herhangi bir yönü orijinal şartnamelerden farklılık gösteriyorsa, üretici ayrıca sapmaların bir listesini ve sapmaların nedenlerini de sunmalıdır.
Teklif alındıktan sonra, proje geliştirme ekibi talebi uygunluk açısından incelemeli ve sapmaların teknik olarak gerekçelendirilip gerekçelendirilmediğini belirlemelidir.
Teklifleri değerlendirirken dikkate alınması gereken diğer teknik hususlar şunlardır:
Son olarak, ekonomik bir analiz yapılması gerekmektedir. Farklı seçenekler farklı başlangıç ​​maliyetlerine yol açabileceğinden, projenin uzun vadeli ekonomisini ve yatırım getirisini karşılaştırmak için nakit akışı veya yaşam döngüsü maliyet analizi yapılması önerilir. Örneğin, daha yüksek bir başlangıç ​​yatırımı, uzun vadede artan verimlilik veya azalan bakım gereksinimleri ile dengelenebilir. Bu tür analizlere ilişkin talimatlar için “Referanslar” bölümüne bakınız. 4.
Tüm turbo genişletici jeneratör uygulamaları, belirli bir uygulamada geri kazanılabilecek toplam kullanılabilir enerji miktarını belirlemek için başlangıçta toplam potansiyel güç hesaplaması gerektirir. Bir turbo genişletici jeneratör için güç potansiyeli, izentropik (sabit entropi) bir süreç olarak hesaplanır. Bu, sürtünme olmadan tersinir adyabatik bir süreci ele almak için ideal termodinamik durumdur, ancak gerçek enerji potansiyelini tahmin etmek için doğru süreçtir.
İzotropik potansiyel enerji (IPP), turbo genişleticinin giriş ve çıkışındaki özgül entalpi farkının çarpılması ve sonucun kütle akış hızıyla çarpılmasıyla hesaplanır. Bu potansiyel enerji, izotropik bir nicelik olarak ifade edilecektir (Denklem (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
Burada h(i,e), izentropik çıkış sıcaklığını dikkate alan özgül entalpiyi ve ṁ ise kütle akış hızını ifade eder.
İzotropik potansiyel enerji, potansiyel enerjiyi tahmin etmek için kullanılabilse de, tüm gerçek sistemler sürtünme, ısı ve diğer yardımcı enerji kayıplarını içerir. Bu nedenle, gerçek güç potansiyelini hesaplarken aşağıdaki ek girdi verileri dikkate alınmalıdır:
Çoğu turbo genişletici uygulamasında, daha önce bahsedilen boru donması gibi istenmeyen sorunları önlemek için sıcaklık minimum bir değerle sınırlandırılır. Doğal gazın aktığı yerlerde hidratlar neredeyse her zaman mevcuttur; bu da turbo genişletici veya kısma vanasının çıkışındaki boru hattının, çıkış sıcaklığı 0°C'nin altına düşerse içten ve dıştan donacağı anlamına gelir. Buz oluşumu akış kısıtlamasına ve nihayetinde sistemin buz çözme işlemi için kapatılmasına neden olabilir. Bu nedenle, daha gerçekçi bir potansiyel güç senaryosu hesaplamak için "istenilen" çıkış sıcaklığı kullanılır. Bununla birlikte, hidrojen gibi gazlar için sıcaklık limiti çok daha düşüktür çünkü hidrojen, kriyojenik sıcaklığa (-253°C) ulaşana kadar gazdan sıvıya dönüşmez. Bu istenen çıkış sıcaklığını kullanarak özgül entalpiyi hesaplayın.
Turbo genişletici sisteminin verimliliği de dikkate alınmalıdır. Kullanılan teknolojiye bağlı olarak, sistem verimliliği önemli ölçüde değişebilir. Örneğin, türbinden jeneratöre dönme enerjisini aktarmak için redüksiyon dişlisi kullanan bir turbo genişletici, türbinden jeneratöre doğrudan tahrik kullanan bir sisteme göre daha büyük sürtünme kayıpları yaşayacaktır. Bir turbo genişletici sisteminin genel verimliliği yüzde olarak ifade edilir ve turbo genişleticinin gerçek güç potansiyelini değerlendirirken dikkate alınır. Gerçek güç potansiyeli (PP) aşağıdaki gibi hesaplanır:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Doğal gaz basınç düşürme uygulamasını inceleyelim. ABC şirketi, ana boru hattından doğal gazı taşıyan ve yerel belediyelere dağıtan bir basınç düşürme istasyonu işletmekte ve bakımını yapmaktadır. Bu istasyonda gaz giriş basıncı 40 bar, çıkış basıncı ise 8 bar'dır. Boru hattının donmasını önlemek için önceden ısıtılmış giriş gazı sıcaklığı 35°C'dir. Bu nedenle, çıkış gazı sıcaklığının 0°C'nin altına düşmemesi için kontrol edilmesi gerekir. Bu örnekte, güvenlik faktörünü artırmak için minimum çıkış sıcaklığı olarak 5°C kullanacağız. Normalleştirilmiş hacimsel gaz akış hızı 50.000 Nm3/saat'tir. Güç potansiyelini hesaplamak için, tüm gazın turbo genleştiriciden geçtiğini varsayacağız ve maksimum güç çıkışını hesaplayacağız. Aşağıdaki hesaplamayı kullanarak toplam güç çıkış potansiyelini tahmin edin: