Genişleticiler, dönen makineleri çalıştırmak için basınç azaltmayı kullanabilir. Genişletici takmanın potansiyel faydalarının nasıl değerlendirileceği hakkında bilgi burada bulunabilir.
Tipik olarak 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 kullanılabilen dönen mekanik enerjiye dönüştürülmesi istenebilir. Sıkıştırılamaz sıvılar (sıvılar) için, bu bir hidrolik enerji geri kazanım türbini (HPRT; bkz. kaynak 1) kullanılarak elde edilir. Sıkıştırılabilir sıvılar (gazlar) için, bir genleştirici uygun bir makinedir.
Genleştiriciler, akışkan katalitik çatlatma (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 akışı bir genleştiriciyi çalıştırmak için kullanılabilir, ancak "enerji çıkışı, gaz akışının basınç oranı, sıcaklığı ve akış hızıyla doğru orantılıdır" [2] ve ayrıca teknik ve ekonomik uygulanabilirlik. Genleştirici Uygulaması: Süreç, yerel enerji fiyatları ve üreticinin uygun ekipman mevcudiyeti gibi bu ve diğer faktörlere bağlıdır.
Turbogenleştirici (türbinle benzer şekilde işlev görür) en iyi bilinen genleştirici türü olsa da (Şekil 1), farklı proses koşulları için uygun başka türler de vardır. Bu makale, genleştiricilerin ana 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. Ana türler Şekil 2'de gösterilmiştir ve her tür aşağıda kısaca açıklanmıştır. Daha fazla bilgi için ve her türün belirli çaplara ve belirli hızlara dayalı çalışma durumunu karşılaştıran grafikler için Yardım'a bakın. 3.
Pistonlu turbo genleştirici. Pistonlu ve döner pistonlu turbo genleştiriciler, ters dönen bir içten yanmalı motor gibi çalışır, yüksek basınçlı gazı emer ve depolanan enerjisini krank mili aracılığıyla dönme enerjisine dönüştürür.
Turbo genleştiriciyi sürükleyin. Fren türbini genleştiricisi, dönen elemanın çevresine tutturulmuş kova kanatçıkları olan eş merkezli bir akış odasından oluşur. Su çarklarıyla aynı şekilde tasarlanmıştır, ancak eş merkezli odaların kesiti girişten çıkışa doğru artar ve gazın genleşmesine olanak tanır.
Radyal turbo genleştirici. Radyal akışlı turbo genleştiriciler, gazın türbin çarkı boyunca radyal olarak genişlemesine izin veren bir eksenel giriş ve bir radyal çıkışa sahiptir. Benzer şekilde, eksenel akışlı türbinler gazı türbin çarkı boyunca genişletir, ancak akış yönü dönme eksenine paralel kalır.
Bu makale radyal ve eksenel turbo genleştiricilere odaklanarak bunların çeşitli alt tiplerini, bileşenlerini ve ekonomilerini tartışmaktadır.
Bir turbo genleştirici, yüksek basınçlı bir gaz akışından enerji çıkarır ve bunu bir tahrik yüküne dönüştürür. Genellikle yük, bir şafta bağlı bir kompresör veya jeneratördür. Kompresörlü bir turbo genleştirici, sıkıştırılmış sıvı gerektiren proses akışının diğer kısımlarındaki sıvıyı sıkıştırır ve böylece aksi takdirde boşa harcanan enerjiyi kullanarak tesisin genel verimliliğini artırır. Jeneratör yüküne sahip bir turbo genleştirici, enerjiyi diğer tesis proseslerinde kullanılabilen veya satış için yerel şebekeye geri döndürülebilen elektriğe dönüştürür.
Turbo genleştirici jeneratörler, türbin çarkından jeneratöre doğrudan tahrik miliyle veya dişli oranı aracılığıyla türbin çarkından jeneratöre giriş hızını etkili bir şekilde azaltan bir dişli kutusuyla donatılabilir. Doğrudan tahrikli turbo genleştiriciler verimlilik, ayak izi ve bakım maliyetleri açısından avantajlar sunar. Dişli kutusu turbo genleştiriciler daha ağırdır ve daha büyük bir ayak izi, yağlama yardımcı ekipmanı ve düzenli bakım gerektirir.
Akışlı turbo genleştiriciler radyal veya eksenel türbinler şeklinde yapılabilir. Radyal akış genleştiriciler, gaz akışının türbinden dönme ekseninden radyal olarak çıkması için eksenel bir giriş ve radyal bir çıkış içerir. Eksenel türbinler, gazın dönme ekseni boyunca eksenel olarak akmasına izin verir. Eksenel akış türbinleri, genleşme odasının kesit alanı sabit bir hızı korumak için kademeli olarak artarak, giriş kılavuz kanatlarından genleşme tekerleğine giden gaz akışından enerji çeker.
Bir turbo genleştirici jeneratörü üç ana bileşenden oluşur: türbin çarkı, özel rulmanlar 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 bir aşamada düşürülemeyecek kadar yüksek olduğunda, birden fazla türbin çarkına sahip bir turbo genleştirici gerekir. Hem radyal hem de eksenel türbin çarkları çok aşamalı olarak tasarlanabilir, ancak eksenel türbin çarkları çok daha kısa bir eksenel uzunluğa sahiptir ve bu nedenle daha kompakttır. Çok aşamalı radyal akış türbinleri, gazın eksenelden radyale ve tekrar eksenelden akmasını gerektirir ve bu da eksenel akış türbinlerine göre daha yüksek sürtünme kayıpları yaratır.
rulmanlar. Rulman tasarımı, bir turbo genleştiricinin verimli çalışması için kritik öneme sahiptir. Turbo genleştirici tasarımlarıyla ilgili rulman tipleri büyük ölçüde değişir ve yağ rulmanları, sıvı film rulmanları, geleneksel bilyalı rulmanlar ve manyetik rulmanları içerebilir. Her yöntemin, Tablo 1'de gösterildiği gibi kendi avantajları ve dezavantajları vardır.
Birçok turbo genleştirici üreticisi, benzersiz avantajları nedeniyle manyetik yatakları "tercih edilen yatak" olarak seçer. Manyetik yataklar, turbo genleştiricinin dinamik bileşenlerinin sürtünmesiz çalışmasını sağlayarak makinenin ömrü boyunca işletme ve bakım maliyetlerini önemli ölçüde azaltır. Ayrıca, çok çeşitli eksenel ve radyal yüklere ve aşırı gerilim koşullarına dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Daha yüksek ilk maliyetleri, çok daha düşük yaşam döngüsü maliyetleriyle telafi edilir.
dinamo. Jeneratör, türbinin dönme enerjisini alır ve elektromanyetik bir jeneratör (bir endüksiyon jeneratörü veya kalıcı mıknatıs jeneratörü olabilir) kullanarak bunu yararlı elektrik enerjisine dönüştürür. Endüksiyon jeneratörlerinin daha düşük bir nominal hızı vardır, bu nedenle yüksek hızlı türbin uygulamaları bir dişli kutusu gerektirir, ancak şebeke frekansına uyacak şekilde tasarlanabilir ve üretilen elektriği sağlamak için değişken frekanslı bir sürücüye (VFD) olan ihtiyacı ortadan kaldırır. Öte yandan, kalıcı mıknatıs jeneratörleri doğrudan türbine şaftla bağlanabilir ve değişken frekanslı bir sürücü aracılığıyla şebekeye güç iletebilir. Jeneratör, sistemde mevcut şaft gücüne göre maksimum güç sağlamak üzere tasarlanmıştır.
Contalar. Conta, bir turbo genleştirici sistemi tasarlarken kritik bir bileşendir. Yüksek verimliliği korumak ve çevre standartlarını karşılamak için sistemler, olası proses gazı sızıntılarını önlemek için kapatılmalıdır. 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 bir conta sağlar. Dinamik contalar zamanla aşınır ve düzgün çalıştıklarından emin olmak için düzenli bakım ve inceleme gerektirir. Tüm turbo genleştirici bileşenleri tek bir muhafazada yer aldığında, jeneratör, manyetik yatak sürücüleri veya sensörler dahil olmak üzere muhafazadan çıkan tüm kabloları korumak için statik contalar kullanılabilir. Bu hava geçirmez contalar gaz sızıntısına karşı kalıcı koruma sağlar ve bakım veya onarım gerektirmez.
Bir proses açısından, bir genleştirici takmanın birincil gereksinimi, ekipmanın normal çalışmasını sürdürmek için yeterli akış, basınç düşüşü ve kullanımla düşük basınçlı bir sisteme yüksek basınçlı sıkıştırılabilir (yoğunlaşmayan) gaz sağlamaktır. Çalışma parametreleri güvenli ve verimli bir seviyede tutulur.
Basınç azaltma işlevi açısından, genleştirici gaz kelebeği valfi olarak da bilinen Joule-Thomson (JT) valfinin yerine kullanılabilir. JT valfi izantropik bir yol boyunca hareket ettiğinden ve genleştirici neredeyse izantropik bir yol boyunca hareket ettiğinden, ikincisi gazın entalpisini azaltır ve entalpi farkını şaft gücüne dönüştürür, böylece JT valfinden daha düşük bir çıkış sıcaklığı üretir. Bu, gazın sıcaklığını düşürmenin amaçlandığı kriyojenik işlemlerde faydalıdır.
Çıkış gazı sıcaklığında bir alt sınır varsa (örneğin, gaz sıcaklığının donma, hidrasyon veya minimum malzeme tasarım sıcaklığının üzerinde tutulması gereken bir basınç azaltma istasyonunda), en az bir ısıtıcı eklenmelidir. gaz sıcaklığını kontrol edin. Ön ısıtıcı genleştiricinin yukarı akışına yerleştirildiğinde, besleme gazından gelen enerjinin bir kısmı da genleştiricide geri kazanılır ve böylece güç çıkışı artar. Çıkış sıcaklığı kontrolünün gerekli olduğu bazı yapılandırmalarda, 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 işlem yapılandırmalarında, genleştiricide geri kazanılan enerji doğrudan kompresöre aktarılabilir. Bazen "komutan" olarak adlandırılan bu makineler, genellikle bir veya daha fazla şaftla birbirine bağlanan 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 genleştirici çalışmıyorken (örneğin, bakım veya acil bir durum için) çalışmanın devam etmesini sağlarken, basınç düşürücü vana, toplam akış genleştiricinin tasarım kapasitesini aştığında fazla gazı sağlamak için sürekli çalışma için kullanılır.
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, 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 takılır. PSV, genellikle bypass vanasının açılmaması gibi en ciddi 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. Ana 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 hidratları önlemektir. Isı eşanjörleri içeren sistemlerde (Şekil 3'te gösterildiği gibi), gaz sıcaklığı genellikle ısıtılmış sıvının ön ısıtıcıya akışını düzenleyerek kontrol edilir. Bazı tasarımlarda, bir ısı eşanjörü yerine bir alev ısıtıcısı veya elektrikli ısıtıcı kullanılabilir. Isıtıcılar mevcut bir JT vana istasyonunda zaten mevcut olabilir ve bir genleştirici eklemek ek ısıtıcılar takmayı gerektirmeyebilir, bunun yerine ısıtılmış sıvının akışını artırmayı gerektirebilir.
Yağlama yağı ve sızdırmazlık gazı sistemleri. Yukarıda belirtildiği gibi, genleştiriciler yağlayıcılar ve sızdırmazlık gazları gerektirebilen farklı conta tasarımları kullanabilir. Uygulanabilir olduğu durumlarda, yağlama yağı işlem gazlarıyla temas ettiğinde yüksek kalite ve saflığı korumalı ve yağ viskozite seviyesi yağlanmış yatakların gerekli çalışma aralığında kalmalıdır. Sızdırmaz gaz sistemleri genellikle yatak kutusundan gelen yağın genleşme kutusuna girmesini önlemek için bir yağlama cihazı ile donatılır. Hidrokarbon endüstrisinde kullanılan sıkıştırıcıların özel uygulamaları için, yağlama yağı ve sızdırmazlık gazı sistemleri tipik olarak API 617 [5] Bölüm 4 spesifikasyonlarına göre tasarlanır.
Değişken frekanslı tahrik (VFD). Jeneratör endüksiyonlu olduğunda, alternatif akım (AC) sinyalini şebeke frekansına uyacak şekilde ayarlamak için genellikle bir VFD açılır. Genellikle, değişken frekanslı tahriklere dayalı tasarımlar, dişli kutuları veya diğer mekanik bileşenler kullanan tasarımlardan daha yüksek genel verimliliğe sahiptir. VFD tabanlı sistemler ayrıca, genleşme şaftı hızında değişikliklere yol açabilen daha geniş bir işlem değişikliği aralığına uyum sağlayabilir.
Şanzıman. Bazı genişletici tasarımları, genişleticinin hızını jeneratörün nominal hızına düşürmek için bir dişli kutusu kullanır. Bir 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 genellikle genleştirici jeneratör özelliklerini ve özelliklerini diğer mühendislik disiplinlerinden gelen verileri kullanarak tamamlarlar. Bu girdiler şunları içerebilir:
Şartnamede ayrıca, ihale süreci kapsamında üretici tarafından sağlanan belge ve çizimlerin listesi ve tedarik kapsamı ile 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 farklıysa, üreticinin ayrıca sapmaların bir listesini ve sapmaların nedenlerini de sunması gerekir.
Bir teklif alındığında, proje geliştirme ekibi uyumluluk talebini gözden geçirmeli ve farklılıkların teknik olarak haklı olup olmadığını belirlemelidir.
Teklifleri değerlendirirken dikkate alınması gereken diğer teknik hususlar şunlardır:
Son olarak, ekonomik bir analiz gerçekleştirilmesi gerekir. Farklı seçenekler farklı başlangıç maliyetlerine yol açabileceğinden, projenin uzun vadeli ekonomisini ve yatırım getirisini karşılaştırmak için bir nakit akışı veya yaşam döngüsü maliyet analizi gerçekleştirilmesi önerilir. Örneğin, daha yüksek bir başlangıç yatırımı, uzun vadede artan üretkenlik veya azalan bakım gereksinimleri ile telafi edilebilir. Bu tür analizler hakkında talimatlar için "Referanslar"a bakın. 4.
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 entropi) bir süreç olarak hesaplanır. Bu, sürtünmesiz geri dönüşümlü adiabatik bir süreci düşünmek için ideal termodinamik durumdur, ancak gerçek enerji potansiyelini tahmin etmek için doğru süreçtir.
İzantropik potansiyel enerji (IPP), turbo genleştiricinin giriş ve çıkışındaki özgül entalpi farkının çarpılması ve sonucun kütle akış hızıyla çarpılmasıyla hesaplanır. Bu potansiyel enerji, izantropik bir nicelik olarak ifade edilecektir (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 kullanılabilmesine rağmen, 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 genleştirici uygulamasında, daha önce bahsedilen boru donması gibi istenmeyen sorunları önlemek için sıcaklık minimumla sınırlandırılır. Doğal gazın aktığı yerlerde, hidratlar neredeyse her zaman mevcuttur, yani bir turbo genleştiricinin veya gaz kelebeği valfinin aşağı akışındaki boru hattı, çıkış sıcaklığı 0°C'nin altına düşerse içten ve dıştan donacaktır. Buz oluşumu akış kısıtlamasına ve nihayetinde sistemin buzunu çözmeye kapanmasına 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 dönüş enerjisini aktarmak için bir redüksiyon dişlisi kullanan bir turbo genleştirici, türbinden jeneratöre doğrudan tahrik kullanan bir sistemden daha fazla sürtünme kaybı yaşayacaktır. Bir turbo genleştirici sisteminin genel verimliliği bir yüzde olarak ifade edilir ve turbo genleştiricinin gerçek güç potansiyelini değerlendirirken 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 taşıyan ve yerel belediyelere dağıtan bir basınç düşürme istasyonunu işletmekte ve bakımını yapmaktadır. Bu istasyonda, gaz giriş basıncı 40 bar ve çıkış basıncı 8 bardır. Önceden ısıtılmış giriş gazı sıcaklığı 35°C'dir ve bu, boru hattının donmasını önlemek için gazı önceden ısıtır. Bu nedenle, çıkış gazı sıcaklığı 0°C'nin altına düşmeyecek şekilde kontrol edilmelidir. 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 aktığını varsayacağız ve maksimum güç çıkışını hesaplayacağız. Aşağıdaki hesaplamayı kullanarak toplam güç çıkış potansiyelini tahmin edin:
Yayınlanma zamanı: 25-Mayıs-2024