Genişleticiler, dönen makineleri sürmek için basınç azaltma kullanabilir. Bir genişletici kurmanın potansiyel faydalarının nasıl değerlendirileceği hakkında bilgi burada bulunabilir.
Tipik olarak kimyasal proses endüstrisinde (TÜFE), “yüksek basınç sıvılarının bastırılması gereken basınç kontrol vanalarında büyük miktarda enerji harcanır” [1]. Çeşitli teknik ve ekonomik faktörlere bağlı olarak, bu enerjiyi jeneratörleri veya diğer dönen makineleri sürmek için kullanılabilecek dönen mekanik enerjiye dönüştürmek istenebilir. Sıkıştırılamaz sıvılar (sıvılar) için, bu bir hidrolik enerji geri kazanım türbini kullanılarak elde edilir (HPRT; bkz. Referans 1). Sıkıştırılabilir sıvılar (gazlar) için, genişletici uygun bir makinedir.
Genişleticiler, sıvı katalitik çatlama (FCC), soğutma, doğal gaz şehir vanaları, hava ayrımı veya egzoz emisyonları gibi birçok başarılı uygulamaya sahip olgun bir teknolojidir. Prensip olarak, azaltılmış basınçlı herhangi bir gaz akışı bir genişletici yönlendirmek için kullanılabilir, ancak “enerji çıkışı gaz akışının basınç oranı, sıcaklık ve akış hızı ile doğru orantılıdır” [2], ayrıca teknik ve ekonomik fizibilite. Genişletici Uygulaması: Süreç, yerel enerji fiyatları ve üreticinin uygun ekipmanların kullanılabilirliği gibi bunlara ve diğer faktörlere bağlıdır.
Turboxpander (bir türbine benzer şekilde işlev görüyor) en iyi bilinen genişletici türü olmasına rağmen (Şekil 1), farklı işlem koşulları için uygun başka türler de vardır. Bu makale, ana genişletici türlerini ve bileşenlerini tanıtmakta ve çeşitli TÜFE bölümlerindeki operasyon yöneticilerinin, danışmanların veya enerji denetçilerinin bir genişletici kurulumunun potansiyel ekonomik ve çevresel faydalarını nasıl değerlendirebileceğini özetlemektedir.
Geometri ve işlevde büyük ölçüde değişen birçok farklı direnç bant türü vardır. Ana tipler Şekil 2'de gösterilmiştir ve her tip kısaca aşağıda açıklanmaktadır. Daha fazla bilgi ve belirli çaplara ve belirli hızlara göre her türün çalışma durumunu karşılaştıran grafikler için yardıma bakınız. 3.
Piston turboxpander. Piston ve döner piston turboxpanders, ters dönen bir iç yanma motoru gibi çalışır, yüksek basınçlı gazı emer ve depolanan enerjisini krank milinden dönme enerjisine dönüştürür.
Turbo genişletici sürükleyin. Fren türbini genişletici, dönen elemanın çevresine bağlı kova yüzgeçleri olan eşmerkezli bir akış odasından oluşur. Su tekerlekleri ile aynı şekilde tasarlanmıştır, ancak eşmerkezli odaların kesiti girişten çıkışa yükselir ve gazın genişlemesine izin verir.
Radyal turboxpander. Radyal akış turboxpanders, eksenel bir giriş ve bir radyal çıkışa sahiptir, bu da gazın türbin pervanesi boyunca radyal olarak genişlemesine izin verir. Benzer şekilde, eksenel akış türbinleri gazı türbin çarkı boyunca genişletir, ancak akış yönü rotasyon eksenine paralel kalır.
Bu makale, çeşitli alt tiplerini, bileşenlerini ve ekonomilerini tartışan radyal ve eksenel turboxpanders'a odaklanmaktadır.
Bir turboxpander, yüksek basınçlı bir gaz akışından enerji çıkarır ve bir tahrik yüküne dönüştürür. Tipik olarak yük, bir şafta bağlı bir kompresör veya jeneratördür. Bir kompresöre sahip bir turboxpander, işlem akışının diğer kısımlarında sıkıştırılmış sıvı gerektiren sıvı sıkıştırır, böylece aksi takdirde boşa harcanan enerji kullanarak bitkinin genel verimliliğini arttırır. Jeneratör yüküne sahip bir turboxpander, enerjiyi elektriğe dönüştürür, bu da diğer bitki işlemlerinde kullanılabilen veya satılık yerel ızgaraya geri döndürülebilir.
TurboExpander jeneratörleri, türbin tekerleğinden jeneratöre doğrudan bir tahrik mili veya bir dişli kutusu ile bir dişli kutusu ile donatılabilir. Doğrudan sürücü turboxpanders, verimlilik, ayak izi ve bakım maliyetlerinde avantajlar sunar. Şanzıman turboxpanders daha ağırdır ve daha büyük bir ayak izi, yağlama yardımcı ekipmanı ve düzenli bakım gerektirir.
Akış-akışlı turboxpanders radyal veya eksenel türbinler şeklinde yapılabilir. Radyal akış genişleticileri, gaz akışının türbinden rotasyon ekseninden radyal olarak çıkacak şekilde bir eksenel giriş ve bir radyal çıkış içerir. Eksenel türbinler, gazın dönme ekseni boyunca eksenel olarak akmasına izin verir. Eksenel akış türbinleri, giriş kılavuzu kanatlarından genişletici tekerleğine giden gaz akışından enerji çıkarır, genişleme odasının kesit alanı sabit bir hızı korumak için kademeli olarak artar.
Bir turboxpander jeneratörü üç ana bileşenden oluşur: bir türbin tekerleği, özel rulmanlar ve bir jeneratör.
Türbin çarkı. Türbin tekerlekleri genellikle aerodinamik verimliliği optimize etmek için özel olarak tasarlanmıştır. Türbin tekerleği tasarımını etkileyen uygulama değişkenleri arasında giriş/çıkış basıncı, giriş/çıkış sıcaklığı, hacim akışı ve sıvı özellikleri bulunur. Sıkıştırma oranı bir aşamada azaltılamayacak kadar yüksek olduğunda, birden fazla türbin tekerleğine sahip bir turboxpander gereklidir. Hem radyal hem de eksenel türbin tekerlekleri çok aşamalı olanlar olarak tasarlanabilir, ancak eksenel türbin tekerlekleri çok daha kısa eksenel uzunluğa sahiptir ve bu nedenle daha kompakttır. Çok aşamalı radyal akış türbinleri, eksenelden radyal ve eksenelliğe akan gaz gerektirir ve eksenel akış türbinlerinden daha yüksek sürtünme kayıpları yaratır.
rulmanlar. Rulman tasarımı, bir turboxpander'ın verimli çalışması için kritik öneme sahiptir. Turboxpander tasarımları ile ilgili yatak tipleri büyük ölçüde değişir ve yağ yataklarını, sıvı film yataklarını, geleneksel bilyalı yatakları ve manyetik rulmanları içerebilir. Her yöntemin Tablo 1'de gösterildiği gibi kendi avantajları ve dezavantajları vardır.
Birçok turboxpander üreticisi, benzersiz avantajları nedeniyle manyetik yatakları “tercih ettikleri” olarak seçer. Manyetik rulmanlar, turboxpander'ın dinamik bileşenlerinin sürtünmesiz çalışmasını sağlar ve makinenin ömrü boyunca işletme ve bakım maliyetlerini önemli ölçüde azaltır. Ayrıca çok çeşitli eksenel ve radyal yüklere ve aşırı gergin koşullara dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Yüksek başlangıç maliyetleri çok daha düşük yaşam döngüsü maliyetleri ile dengelenir.
Dinamo. Jeneratör türbinin dönme enerjisini alır ve bir elektromanyetik jeneratör (bir indüksiyon jeneratörü veya kalıcı mıknatıs jeneratörü olabilir) kullanarak yararlı elektrik enerjisine dönüştürür. İndüksiyon jeneratörleri daha düşük bir hıza sahiptir, bu nedenle yüksek hızlı türbin uygulamaları bir şanzıman gerektirir, ancak üretilen elektriği sağlamak için değişken bir frekans sürücüsüne (VFD) ihtiyacını ortadan kaldırarak ızgara frekansına uyacak şekilde tasarlanabilir. Kalıcı mıknatıs jeneratörleri ise doğrudan türbine birleştirilebilir ve değişken bir frekans sürücüsü yoluyla ızgaraya güç iletilebilir. Jeneratör, sistemde bulunan şaft gücüne göre maksimum güç sağlamak için tasarlanmıştır.
Mühürler. Conta aynı zamanda bir turboxpander sistemi tasarlarken kritik bir bileşendir. Yüksek verimliliği korumak ve çevre standartlarını karşılamak için, potansiyel proses gaz sızıntılarını önlemek için sistemler mühürlenmelidir. Turboxpanders dinamik veya statik contalarla donatılabilir. Labirent contaları ve kuru gaz contaları gibi dinamik contalar, tipik olarak türbin tekerleği, yataklar ve jeneratörün bulunduğu makinenin geri kalanı arasında dönen bir şaftın etrafında bir conta sağlar. Dinamik contalar zamanla yıpranır ve düzgün çalıştıklarından emin olmak için düzenli bakım ve muayene gerektirir. Tüm turboxpander bileşenleri tek bir muhafazada bulunduğunda, jeneratör, manyetik yatak tahrikleri veya sensörler de dahil olmak üzere muhafazadan çıkan uçları korumak için statik contalar kullanılabilir. Bu hava geçirmez contalar gaz sızıntısına karşı kalıcı koruma sağlar ve bakım veya onarım gerektirmez.
Süreç açısından bakıldığında, bir genişletici kurulum için birincil gereksinim, ekipmanın normal çalışmasını sağlamak için yeterli akış, basınç düşüşü ve kullanımı ile düşük basınçlı bir sisteme yüksek basınçlı sıkıştırılabilir (yoğunlaşamaz) gaz sağlamaktır. Çalışma parametreleri güvenli ve verimli bir seviyede tutulur.
Basınç indirgeme fonksiyonu açısından, genişletici gaz kelebeği valfi olarak da bilinen Joule-Thomson (JT) valfini değiştirmek için kullanılabilir. JT valfi bir izentropik yol boyunca hareket ettiğinden ve genişletici neredeyse izentropik 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, amacın gazın sıcaklığını azaltmak olduğu kriyojenik süreçlerde yararlıdır.
Çıkış gaz sıcaklığı üzerinde daha düşük bir sınır varsa (örneğin, gaz sıcaklığının donma, hidrasyon veya minimum malzeme tasarım sıcaklığının üzerinde tutulması gereken bir dekompresyon istasyonunda), en az bir ısıtıcı ilave edilmelidir. gaz sıcaklığını kontrol edin. Ön ısıtıcı genişletmenin yukarısında bulunduğunda, besleme gazından elde edilen enerjinin bir kısmı da genişleticide geri kazanılır ve böylece güç çıkışını arttırır. Çıkış sıcaklık kontrolünün gerekli olduğu bazı yapılandırmalarda, daha hızlı kontrol sağlamak için genişleticiden sonra ikinci bir yeniden üreticiye kurulabilir.
Şekil 3'te, bir JT valfini değiştirmek için kullanılan bir genişletici jeneratörünün genel akış diyagramının basitleştirilmiş bir diyagramını göstermektedir.
Diğer işlem konfigürasyonlarında, genişleticide geri kazanılan enerji doğrudan kompresöre aktarılabilir. Bazen “komutanlar” olarak adlandırılan bu makineler, genellikle bir veya daha fazla şaftla bağlanan genişleme ve sıkıştırma aşamalarına sahiptir, bu da iki aşama arasındaki hız farkını düzenlemek için bir şanzıman içerebilir. Ayrıca sıkıştırma aşamasına daha fazla güç sağlamak için ek bir motor da içerebilir.
Aşağıda, sistemin uygun şekilde çalışmasını ve stabilitesini sağlayan en önemli bileşenlerden bazıları verilmiştir.
Baypas valfi veya basınç azaltma valfi. Bypass valfı, turboxpander çalışmadığında (örneğin bakım veya acil durum için) çalışmanın devam etmesine izin verirken, toplam akış genişletici tasarım kapasitesini aştığında aşırı gaz sağlamak için sürekli çalışma için basınç düşürme valfi kullanılır.
Acil Durum Kapatma Valfi (ESD). ESD valfleri, mekanik hasarı önlemek için acil bir durumda genişleticiye gaz akışını bloke etmek için kullanılır.
Aletler ve kontroller. İzlenecek önemli değişkenler arasında giriş ve çıkış basıncı, akış hızı, dönme hızı ve güç çıkışı bulunur.
Aşırı hızda sürüş. Cihaz türbine akışı keserek türbin rotorunun yavaşlamasına neden olur, böylece ekipmana zarar verebilecek beklenmedik işlem koşulları nedeniyle ekipmanı aşırı hızlardan korur.
Basınç Güvenlik Vanası (PSV). PSV'ler genellikle boru hatlarını ve düşük basınçlı ekipmanları korumak için bir turboxpander'dan sonra kurulur. PSV, tipik olarak bypass valfinin açılamamasını içeren en şiddetli olasılıklara dayanacak şekilde tasarlanmalıdır. Mevcut bir basınç azaltma 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, böylece gaz önceden ısıtılmalıdır. Ana fonksiyonu, genişleticiyi minimum bir değerin üzerinde bırakarak gazın sıcaklığını korumak için yükselen gaz akışının sıcaklığını arttırmaktır. Sıcaklığı yükseltmenin bir diğer yararı da güç çıkışını arttırmak, ayrıca ekipman nozullarını olumsuz etkileyebilecek korozyon, yoğunlaşmayı veya nemlendirmeyi önlemektir. Isı eşanjörleri içeren sistemlerde (Şekil 3'te gösterildiği gibi), gaz sıcaklığı genellikle ısıtmalı sıvının ön ısıtıcı akışı düzenlenerek kontrol edilir. Bazı tasarımlarda, bir ısı eşanjörü yerine alev ısıtıcı veya elektrikli ısıtıcı kullanılabilir. Isıtıcılar zaten mevcut bir JT valf istasyonunda bulunabilir ve bir genişletici eklemek ek ısıtıcıların takılmasını gerektirmeyebilir, daha ziyade ısıtılmış sıvı akışını arttırabilir.
Yağ ve sızdırmazlık gaz sistemleri. Yukarıda belirtildiği gibi, genişleticiler yağlayıcılar ve sızdırmazlık gazları gerektirebilecek farklı conta tasarımları kullanabilir. Uygulanabilir olduğunda, yağlama yağı, proses gazlarıyla temas ettiğinde yüksek kalite ve saflığı korumalı ve yağ viskozite seviyesi, gerekli yağlanmış rulmanların çalışma aralığı içinde kalmalıdır. Sızdırmaz gaz sistemleri genellikle rulman kutusundan yağın genişleme kutusuna girmesini önlemek için bir yağ yağlama cihazı ile donatılmıştır. Hidrokarbon endüstrisinde kullanılan bileşenlerin özel uygulamaları için, yağ ve mühür gazı sistemleri tipik olarak API 617 [5] Bölüm 4 spesifikasyonlarına göre tasarlanmıştır.
Değişken frekans sürücüsü (VFD). Jeneratör indüksiyon olduğunda, alternatif akım (AC) sinyalini fayda frekansına uyacak şekilde ayarlamak için tipik olarak bir VFD açılır. Tipik olarak, değişken frekans sürücülerine dayalı tasarımlar, dişli kutuları veya diğer mekanik bileşenler kullanan tasarımlardan daha yüksek genel verimliliğe sahiptir. VFD tabanlı sistemler, genişletici şaft hızında değişikliklere neden olabilecek daha geniş bir proses değişikliklerini de karşılayabilir.
Bulaşma. Bazı genişletici tasarımları, genişleticinin hızını jeneratörün nominal hızına düşürmek için bir şanzıman kullanır. Bir dişli kutusu kullanmanın maliyeti daha düşük genel verimlilik ve dolayısıyla daha düşük güç çıkışıdır.
Bir genişletici için bir teklif isteği (RFQ) hazırlarken, işlem mühendisi önce aşağıdaki bilgiler de dahil olmak üzere çalışma koşullarını belirlemelidir:
Makine mühendisleri genellikle diğer mühendislik disiplinlerinden elde edilen verileri kullanarak genişletici jeneratör özelliklerini ve spesifikasyonlarını tamamlar. Bu girişler aşağıdakileri içerebilir:
Spesifikasyonlar ayrıca, imalat sürecinin bir parçası olarak üretici tarafından sağlanan belge ve çizimlerin bir listesini ve projenin gerektirdiği şekilde geçerli test prosedürlerini de içermelidir.
Üretici tarafından ihale sürecinin bir parçası olarak sağlanan teknik bilgiler genellikle aşağıdaki öğeleri içermelidir:
Teklifin herhangi bir yönü orijinal özelliklerden farklıysa, üretici de bir sapma listesi ve sapmaların nedenlerini sağlamalıdır.
Bir teklif alındıktan sonra, proje geliştirme ekibi uyum talebini gözden geçirmeli ve varyansların 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 neden olabileceğinden, projenin uzun vadeli ekonomisini ve yatırım getirisini karşılaştırmak için bir nakit akışı veya yaşam döngüsü maliyet analizi yapılması önerilir. Örneğin, daha yüksek bir ilk yatırım, artan üretkenlik veya azaltılmış bakım gereksinimleri ile uzun vadede dengelenebilir. Bu tür analizlerle ilgili talimatlar için bkz. “Referanslar”. 4.
Tüm TurboExpander-Generator uygulamaları, belirli bir uygulamada geri kazanılabilecek toplam mevcut enerji miktarını belirlemek için ilk toplam potansiyel güç hesaplaması gerektirir. Bir turboxpander jeneratörü için güç potansiyeli, izentropik (sabit entropi) işlem olarak hesaplanır. Bu, sürtünme olmadan geri dönüşümlü bir adyabatik süreci düşünmek için ideal termodinamik durumdur, ancak gerçek enerji potansiyelini tahmin etmek için doğru işlemdir.
İzentropik potansiyel enerji (IPP), turboxpander'ın giriş ve çıkışındaki spesifik entalpi farkının çarpılması ve sonucu kütle akış hızı ile çarpılarak hesaplanır. Bu potansiyel enerji izentropik bir miktar olarak ifade edilecektir (Denklem (1)):
IPP = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
burada H (i, e) izentropik çıkış sıcaklığı ve ṁ kütle akış hızıdır.
İzentropik potansiyel enerji potansiyel enerjiyi tahmin etmek için kullanılabilse de, tüm gerçek sistemler sürtünme, ısı ve diğer yardımcı enerji kayıplarını içerir. Böylece, gerçek güç potansiyelini hesaplarken, aşağıdaki ek giriş verileri dikkate alınmalıdır:
Çoğu TurboExpander uygulamasında, daha önce bahsedilen boru dondurma gibi istenmeyen problemleri önlemek için sıcaklık minimum ile sınırlıdır. Doğal gazın aktığı yerlerde, hidratlar neredeyse her zaman mevcuttur, yani bir turboxpander veya gaz kelebeği valfinin akış aşağı akışındaki boru hattı, çıkış sıcaklığı 0 ° C'nin altına düşerse dahili ve harici olarak donacaktır. Buz oluşumu akış kısıtlamasına neden olabilir ve sonuçta çözmek için sistemi kapatabilir. Böylece, daha gerçekçi bir potansiyel güç senaryosunu hesaplamak için “istenen” çıkış sıcaklığı kullanılır. Bununla birlikte, hidrojen gibi gazlar için sıcaklık sınırı çok daha düşüktür, çünkü hidrojen kriyojenik sıcaklığa (-253 ° C) ulaşana kadar gazdan sıvıya değişmez. Belirli entalpiyi hesaplamak için bu istenen çıkış sıcaklığını kullanın.
TurboExpander sisteminin verimliliği de dikkate alınmalıdır. Kullanılan teknolojiye bağlı olarak, sistem verimliliği önemli ölçüde değişebilir. Örneğin, dönme enerjisini türbinden jeneratöre aktarmak için bir indirgeme dişlisi kullanan bir turboxpander, türbinden doğrudan tahrik kullanan bir sistemden daha fazla sürtünme kayıpları yaşayacaktır. Bir turboxpander sisteminin genel verimliliği yüzde olarak ifade edilir ve turboxpander'ın gerçek güç potansiyelini değerlendirirken dikkate alınır. Gerçek güç potansiyeli (PP) aşağıdaki gibi hesaplanır:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Doğal gaz basıncı rahatlamasının uygulanmasına bakalım. ABC, doğal gazı ana boru hattından taşıyan ve yerel belediyelere dağıtan bir basınç azaltma istasyonu işletir ve sürdürür. Bu istasyonda, gaz giriş basıncı 40 bar ve çıkış basıncı 8 bar'dır. Önceden ısıtılmış giriş gazı sıcaklığı 35 ° C'dir, bu da boru hattının dondurulmasını önlemek için gazı önceden ısıtır. Bu nedenle, çıkış gaz sıcaklığı 0 ° C'nin altına düşmeyecek şekilde kontrol edilmelidir. Bu örnekte, güvenlik faktörünü arttırmak için minimum çıkış sıcaklığı olarak 5 ° C kullanacağız. Normalize edilmiş hacimsel gaz akış hızı 50.000 nm3/s'dir. Güç potansiyelini hesaplamak için, tüm gazın turbo genişleticiden aktığını ve maksimum güç çıkışını hesaplayacağını varsayacağız. Aşağıdaki hesaplamayı kullanarak toplam güç çıkışı potansiyelini tahmin edin:
Post süresi: Mayıs-25-2024