HANGZHOU NUZHUO TEKNOLOJİ GRUBU CO.,LTD.

Genişleticiler, dönen makineleri çalıştırmak için basınç azaltıcıyı kullanabilir. Genişletici takmanın potansiyel faydalarının nasıl değerlendirileceği hakkında bilgiye buradan ulaşabilirsiniz.
Kimyasal proses endüstrisinde (CPI), "yüksek basınçlı sıvıların basıncının düşürülmesi gereken basınç kontrol valflerinde büyük miktarda enerji israf edilir" [1]. Çeşitli teknik ve ekonomik faktörlere bağlı olarak, bu enerjinin jeneratörleri veya diğer dönen makineleri çalıştırmak için kullanılabilecek döner mekanik enerjiye dönüştürülmesi istenebilir. Sıkıştırılamaz sıvılar (sıvılar) için bu, bir hidrolik enerji geri kazanım türbini (HPRT; bkz. kaynak 1) kullanılarak sağlanır. Sıkıştırılabilir sıvılar (gazlar) için ise genleştirici uygun bir makinedir.
Genleştiriciler, akışkan katalitik kraking (FCC), soğutma, doğal gaz şehir vanaları, hava ayırma veya egzoz emisyonları gibi birçok başarılı uygulamaya sahip olgun bir teknolojidir. Prensip olarak, basıncı düşürülmüş herhangi bir gaz akımı bir genleştiriciyi çalıştırmak için kullanılabilir, ancak "enerji çıkışı, gaz akımının basınç oranı, sıcaklığı ve akış hızıyla doğru orantılıdır" [2] ve teknik ve ekonomik uygulanabilirlikle de orantılıdır. Genleştirici Uygulaması: Süreç, yerel enerji fiyatları ve üreticinin uygun ekipman mevcudiyeti gibi bu ve diğer faktörlere bağlıdır.
Turbo genleştirici (bir türbine benzer şekilde çalışır) en bilinen genleştirici türü olsa da (Şekil 1), farklı proses koşullarına uygun başka türleri de mevcuttur. Bu makale, temel genleştirici türlerini ve bileşenlerini tanıtmakta ve çeşitli CPI bölümlerindeki operasyon yöneticilerinin, danışmanların veya enerji denetçilerinin bir genleştirici takmanın potansiyel ekonomik ve çevresel faydalarını nasıl değerlendirebileceklerini özetlemektedir.
Geometri ve işlev açısından büyük farklılıklar gösteren birçok farklı direnç bandı türü vardır. Başlıca türleri Şekil 2'de gösterilmiş ve her tür aşağıda kısaca açıklanmıştır. Daha fazla bilgi ve her türün çalışma durumunu belirli çaplara ve belirli hızlara göre karşılaştıran grafikler için Yardım'a bakın.
Pistonlu turbo genleştirici. Pistonlu ve döner pistonlu turbo genleştiriciler, ters dönen bir içten yanmalı motor gibi çalışır, yüksek basınçlı gazı emer ve depolanan enerjiyi krank mili aracılığıyla dönme enerjisine dönüştürür.
Turbo genleştiriciyi sürükleyin. Fren türbini genleştiricisi, dönen elemanın çevresine bağlı kepçe kanatçıkları bulunan eş merkezli bir akış odasından oluşur. Su çarklarıyla aynı şekilde tasarlanmışlardır, ancak eş merkezli odaların kesiti girişten çıkışa doğru artarak gazın genleşmesine olanak tanır.
Radyal turbo genleştirici. Radyal akışlı turbo genleştiriciler, eksenel bir giriş ve radyal bir çıkışa sahiptir ve gazın türbin çarkı boyunca radyal olarak genleşmesini sağlar. Benzer şekilde, eksenel akışlı türbinler gazı türbin çarkı boyunca genleştirir, ancak akış yönü dönme eksenine paralel kalır.
Bu makalede radyal ve eksenel turbo genleştiriciler ele alınmakta, bunların çeşitli alt tipleri, bileşenleri ve ekonomileri tartışılmaktadır.
Bir turbo genleştirici, yüksek basınçlı bir gaz akışından enerji alır ve bunu bir tahrik yüküne dönüştürür. Genellikle bu yük, bir şafta bağlı bir kompresör veya jeneratördür. Kompresörlü bir turbo genleştirici, proses akışının sıkıştırılmış sıvı gerektiren diğer kısımlarındaki sıvıyı sıkıştırır ve böylece boşa harcanan enerjiyi kullanarak tesisin genel verimliliğini artırır. Jeneratör yüklü bir turbo genleştirici ise enerjiyi elektriğe dönüştürür ve bu elektrik diğer tesis proseslerinde kullanılabilir veya satış için yerel şebekeye geri döndürülebilir.
Turbo genleştirici jeneratörler, türbin çarkından jeneratöre doğrudan tahrik mili veya dişli oranı aracılığıyla türbin çarkından jeneratöre giriş hızını etkili bir şekilde azaltan bir dişli kutusu ile donatılabilir. Doğrudan tahrikli turbo genleştiriciler, verimlilik, kapladığı alan ve bakım maliyetleri açısından avantajlar sunar. Şanzımanlı turbo genleştiriciler daha ağırdır ve daha geniş bir kapladığı alan, yağlama yardımcı ekipmanı ve düzenli bakım gerektirir.
Akışkan turbo genleştiriciler radyal veya eksenel türbinler şeklinde üretilebilir. Radyal akış genleştiriciler, gaz akışının türbinden dönme ekseninden radyal olarak çıkmasını sağlayan bir eksenel giriş ve bir radyal çıkış içerir. Eksenel türbinler, gazın dönme ekseni boyunca eksenel olarak akmasına olanak tanır. Eksenel akış türbinleri, giriş kılavuz kanatçıkları aracılığıyla genleştirici çarka giden gaz akışından enerji çeker ve genleşme odasının kesit alanı sabit bir hızı korumak için kademeli olarak artar.
Turbo genleştirici jeneratörü üç ana bileşenden oluşur: türbin çarkı, özel yataklar ve 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, hacim akışı ve akışkan özellikleri bulunur. Sıkıştırma oranı tek aşamada düşürülemeyecek kadar yüksek olduğunda, birden fazla türbin çarkına sahip bir turbo genleştirici gerekir. Hem radyal hem de eksenel türbin çarkları çok kademeli olarak tasarlanabilir, ancak eksenel türbin çarkları çok daha kısa eksenel uzunluğa sahiptir ve bu nedenle daha kompakttır. Çok kademeli radyal akışlı türbinler, gazın eksenelden radyale ve tekrar eksenelden akmasını gerektirir ve bu da eksenel akışlı türbinlere göre daha yüksek sürtünme kayıpları yaratır.
Rulmanlar. Rulman tasarımı, bir turbo genleştiricinin verimli çalışması için kritik öneme sahiptir. Turbo genleştirici tasarımlarıyla ilgili rulman tipleri oldukça çeşitlilik gösterir ve yağ rulmanları, sıvı film rulmanları, geleneksel bilyalı rulmanlar ve manyetik rulmanları içerebilir. Tablo 1'de gösterildiği gibi, her yöntemin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır.
Birçok turbo genleştirici üreticisi, benzersiz avantajları nedeniyle manyetik rulmanları "tercih edilen rulman" olarak seçmektedir. Manyetik rulmanlar, turbo genleştiricinin dinamik bileşenlerinin sürtünmesiz çalışmasını sağlayarak, makinenin kullanım ömrü boyunca işletme ve bakım maliyetlerini önemli ölçüde azaltır. Ayrıca, çok çeşitli eksenel ve radyal yüklere ve aşırı gerilim koşullarına dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Yüksek ilk maliyetleri, çok daha düşük kullanım ömrü maliyetleriyle telafi edilir.
Dinamo. Jeneratör, türbinin dönme enerjisini alır ve bir elektromanyetik jeneratör (bir endüksiyon jeneratörü veya kalıcı mıknatıslı jeneratör olabilir) kullanarak faydalı elektrik enerjisine dönüştürür. Endüksiyon jeneratörlerinin nominal hızı daha düşük olduğundan, yüksek hızlı türbin uygulamaları bir dişli kutusu gerektirir, ancak şebeke frekansına uyacak şekilde tasarlanabilirler ve üretilen elektriği sağlamak için değişken frekanslı sürücü (VFD) ihtiyacını ortadan kaldırırlar. Kalıcı mıknatıslı jeneratörler ise doğrudan türbine şaft bağlantılı olarak bağlanabilir ve değişken frekanslı bir sürücü aracılığıyla şebekeye güç iletebilir. Jeneratör, sistemde mevcut şaft gücüne bağlı olarak maksimum güç sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.
Contalar. Conta, bir turbo genleştirici sistemi tasarlanırken kritik bir bileşendir. Yüksek verimliliği korumak ve çevre standartlarını karşılamak için sistemler, olası proses gazı sızıntılarını önlemek üzere sızdırmaz hale getirilmelidir. Turbo genleştiriciler dinamik veya statik contalarla 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 muayene gerektirir. Tüm turbo genleştirici bileşenleri tek bir muhafaza içinde bulunduğunda, jeneratör, manyetik yatak sürücüleri veya sensörler de dahil olmak üzere muhafazadan çıkan tüm bağlantıları korumak için statik contalar kullanılabilir. Bu hava geçirmez contalar, gaz sızıntısına karşı kalıcı koruma sağlar ve bakım veya onarım gerektirmez.
Proses açısından, bir genleştiricinin kurulumunun temel gereksinimi, ekipmanın normal çalışmasını sürdürmek için yeterli akış, basınç düşüşü ve kullanım oranına sahip düşük basınçlı bir sisteme yüksek basınçlı sıkıştırılabilir (yoğunlaşmayan) gaz sağlamaktır. Çalışma parametreleri güvenli ve verimli bir seviyede tutulur.
Basınç düşürme işlevi açısından, genleştirici, gaz kelebeği olarak da bilinen Joule-Thomson (JT) valfinin yerine kullanılabilir. JT valfi izantropik bir yol boyunca hareket ederken, genleştirici neredeyse izantropik bir yol boyunca hareket ettiğinden, genleştirici gazın entalpisini düşürür ve entalpi farkını şaft gücüne dönüştürerek JT valfinden daha düşük bir çıkış sıcaklığı üretir. Bu, gazın sıcaklığını düşürmeyi amaçlayan kriyojenik proseslerde faydalıdır.
Çıkış gazı sıcaklığı için bir alt sınır varsa (örneğin, gaz sıcaklığının donma, hidrasyon veya minimum malzeme tasarım sıcaklığının üzerinde tutulması gereken bir basınç düşürme istasyonunda), en az bir ısıtıcı eklenmelidir. gaz sıcaklığını kontrol edin. Ön ısıtıcı genleştiricinin akış yukarısına yerleştirildiğinde, 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 valfini değiştirmek için kullanılan ön ısıtıcılı bir genleşme jeneratörünün genel akış şemasının basitleştirilmiş bir diyagramı gösterilmektedir.
Diğer proses konfigürasyonlarında, genleştiricide geri kazanılan enerji doğrudan kompresöre aktarılabilir. Bazen "komutan" olarak da adlandırılan bu makineler, genellikle bir veya daha fazla şaftla birbirine bağlı genleşme ve sıkıştırma aşamalarına sahiptir ve bu aşamalar, 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.
Sistemin düzgün çalışmasını ve istikrarını sağlayan en önemli bileşenlerden bazıları aşağıda listelenmiştir.
Baypas vanası veya basınç düşürücü vana. Baypas vanası, turbo genleştiricinin çalışmadığı zamanlarda (örneğin bakım veya acil durumlarda) çalışmaya devam etmesini sağlarken, basınç düşürücü vana, toplam akış genleştiricinin tasarım kapasitesini aştığında fazla gazı beslemek için sürekli çalışma sağlar.
Acil durum kapatma vanası (ESD). ESD vanaları, acil durumlarda genleştiriciye gaz akışını engellemek ve mekanik hasarı önlemek için kullanılır.
Aletler ve kontroller. İzlenmesi gereken önemli değişkenler arasında giriş ve çıkış basıncı, akış hızı, dönüş hızı ve güç çıkışı bulunur.
Aşırı hızda sürüş. Cihaz, türbine giden akışı keserek türbin rotorunun yavaşlamasına neden olur ve böylece ekipmanı, beklenmedik proses koşulları nedeniyle ekipmana zarar verebilecek aşırı hızlardan korur.
Basınç Emniyet Vanası (PSV). PSV'ler genellikle boru hatlarını ve düşük basınçlı ekipmanları korumak için bir turbo genleştiriciden sonra monte edilir. PSV, genellikle bypass vanasının açılmaması gibi en zorlu durumlara dayanacak şekilde tasarlanmalıdır. Mevcut bir basınç düşürme istasyonuna bir genleştirici 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 gazın önceden ısıtılması gerekir. Başlıca işlevi, genleştiriciden çıkan gazın sıcaklığını minimum değerin üzerinde tutmak için yükselen gaz akışının sıcaklığını artırmaktır. Sıcaklığı artırmanın 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 ısıtılmış sıvı akışını düzenleyerek kontrol edilir. Bazı tasarımlarda, ısı eşanjörü yerine alevli ısıtıcı veya elektrikli ısıtıcı kullanılabilir. Mevcut bir JT vana istasyonunda ısıtıcılar zaten mevcut olabilir ve bir genleştirici eklemek, ek ısıtıcılar takmayı değil, ısıtılmış sıvı 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. Uygun durumlarda, yağlama yağı, proses gazlarıyla temas ettiğinde yüksek kalite ve saflıkta olmalı ve yağ viskozite seviyesi, yağlanmış yatakların gerekli çalışma aralığı içinde kalmalıdır. Sızdırmaz gaz sistemleri, genellikle yatak kutusundan gelen yağın genleşme kutusuna girmesini önlemek için bir yağlama cihazı ile donatılmıştır. Hidrokarbon endüstrisinde kullanılan sıkıştırıcıların özel uygulamaları için, yağlama yağı ve sızdırmazlık gazı sistemleri genellikle API 617 [5] Bölüm 4 spesifikasyonlarına göre tasarlanır.
Değişken frekanslı sürücü (VFD). Jeneratör endüksiyonlu olduğunda, alternatif akım (AC) sinyalini şebeke frekansına uyacak şekilde ayarlamak için genellikle bir VFD açılır. Değişken frekanslı sürücülere dayalı tasarımlar, dişli kutuları veya diğer mekanik bileşenler kullanan tasarımlara göre genellikle daha yüksek genel verimliliğe sahiptir. VFD tabanlı sistemler ayrıca, genleşme şaftı hızında değişikliklere yol açabilecek daha geniş bir proses değişikliği yelpazesine uyum sağlayabilir.
Şanzıman. Bazı genleştirici tasarımları, genleştiricinin hızını jeneratörün nominal hızına düşürmek için bir dişli kutusu kullanır. Dişli kutusu kullanmanın maliyeti, daha düşük genel verimlilik ve dolayısıyla daha düşük güç çıkışıdır.
Bir genişletici için teklif talebi (RFQ) hazırlarken, proses mühendisi öncelikle aşağıdaki bilgiler de dahil olmak üzere çalışma koşullarını belirlemelidir:
Makine mühendisleri, genleştirici jeneratör teknik özelliklerini ve spesifikasyonlarını genellikle diğer mühendislik disiplinlerinden gelen verileri kullanarak tamamlarlar. Bu girdiler şunları içerebilir:
Şartnamede ayrıca, ihale süreci kapsamında üretici tarafından sağlanan belge ve çizimlerin listesi, tedarik kapsamı ve proje kapsamında gerekli görülen uygulanabilir test prosedürleri de yer almalıdır.
Üretici tarafından ihale süreci kapsamında sağlanan teknik bilgiler genellikle aşağıdaki unsurları içermelidir:
Teklifin herhangi bir yönü orijinal şartnamelerden farklı ise, üreticinin ayrıca sapmaların bir listesini ve sapmaların nedenlerini de sunması gerekir.
Bir teklif alındığında, proje geliştirme ekibi uyumluluk talebini incelemeli ve farklılıkların teknik olarak haklı olup olmadığını 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 ekonomik performansını ve yatırım getirisini karşılaştırmak için bir nakit akışı veya yaşam döngüsü maliyet analizi yapılması önerilir. Örneğin, daha yüksek bir başlangıç ​​yatırımı, uzun vadede artan üretkenlik veya azalan bakım gereksinimleri ile telafi edilebilir. Bu tür bir analizle ilgili talimatlar için "Referanslar" bölümüne bakın.
Tüm turbo genleştirici-jeneratör uygulamaları, belirli bir uygulamada geri kazanılabilecek toplam kullanılabilir enerji miktarını belirlemek için başlangıçta toplam potansiyel güç hesaplaması gerektirir. Bir turbo genleştirici jeneratör için güç potansiyeli, izentropik (sabit entropili) bir proses olarak hesaplanır. Bu, sürtünmesiz tersinir adiabatik bir prosesi ele almak için ideal termodinamik durumdur, ancak gerçek enerji potansiyelini tahmin etmek için de doğru prosestir.
İzantropik potansiyel enerji (İGP), turbo genleştiricinin giriş ve çıkışındaki özgül entalpi farkının kütle akış hızıyla çarpılmasıyla hesaplanır. Bu potansiyel enerji, izantropik bir nicelik olarak ifade edilir (Denklem (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
Burada h(i,e) izantropik çıkış sıcaklığını hesaba katan özgül entalpi ve ṁ kütle akış hızıdır.
İzantropik potansiyel enerji, potansiyel enerjiyi tahmin etmek için kullanılabilse de, tüm gerçek sistemler sürtünme, ısı ve diğer yan enerji kayıplarını içerir. Bu nedenle, gerçek güç potansiyeli hesaplanırken aşağıdaki ek girdi verileri dikkate alınmalıdır:
Çoğu turbo genleştirici uygulamasında, daha önce bahsedilen boru donması gibi istenmeyen sorunları önlemek için sıcaklık minimum değerle sınırlandırılır. Doğal gazın aktığı yerlerde hidratlar neredeyse her zaman mevcuttur; bu da, bir turbo genleştiricinin veya gaz kelebeğinin akış aşağısındaki boru hattının, çıkış sıcaklığı 0°C'nin altına düşerse içten ve dıştan donacağı anlamına gelir. Buz oluşumu, akış kısıtlamasına ve nihayetinde sistemin buz çözme işlemine geçmesine neden olabilir. Bu nedenle, "istenen" çıkış sıcaklığı, daha gerçekçi bir potansiyel güç senaryosu hesaplamak için kullanılır. Ancak hidrojen gibi gazlar için sıcaklık sınırı çok daha düşüktür çünkü hidrojen, kriyojenik sıcaklığa (-253°C) ulaşana kadar gazdan sıvıya dönüşmez. Özgül entalpiyi hesaplamak için bu istenen çıkış sıcaklığını kullanın.
Turbo genleştirici 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 genleştirici, türbinden jeneratöre doğrudan tahrik kullanan bir sisteme göre daha fazla sürtünme kaybı yaşar. Bir turbo genleştirici sisteminin genel verimliliği yüzde olarak ifade edilir ve turbo genleştiricinin gerçek güç potansiyeli değerlendirilirken dikkate alınır. Gerçek güç potansiyeli (PP) aşağıdaki şekilde hesaplanır:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Doğal gaz basınç tahliyesinin uygulamasına bakalım. ABC, doğal gazı ana boru hattından taşıyıp yerel belediyelere dağıtan bir basınç düşürme istasyonunu işletmekte ve bakımını yapmaktadır. Bu istasyonda gaz giriş basıncı 40 bar, çıkış basıncı ise 8 bardır. Önceden ısıtılmış giriş gazı sıcaklığı 35°C'dir ve bu, boru hattının donmasını önlemek için gazı önceden ısıtır. 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. Normalize edilmiş hacimsel gaz akış hızı 50.000 Nm3/saattir. Güç potansiyelini hesaplamak için, tüm gazın turbo genleştiriciden geçtiğini varsayacak ve maksimum güç çıkışını hesaplayacağız. Toplam güç çıkış potansiyelini aşağıdaki hesaplamayı kullanarak tahmin edin: