Expander bisa nggunakake nyuda tekanan kanggo drive mesin puteran. Informasi babagan cara ngevaluasi keuntungan potensial kanggo nginstal extender bisa ditemokake ing kene.
Biasane ing industri proses kimia (CPI), "jumlah energi sing akeh dibuwang ing katup kontrol tekanan ing ngendi cairan tekanan dhuwur kudu depressurized" [1]. Gumantung ing macem-macem faktor teknis lan ekonomi, bisa uga dikarepake kanggo ngowahi energi iki dadi energi mekanik puteran, sing bisa digunakake kanggo nyopir generator utawa mesin puteran liyane. Kanggo cairan sing ora bisa dikompres (cairan), iki ditindakake kanthi nggunakake turbin pemulihan energi hidrolik (HPRT; deleng referensi 1). Kanggo cairan sing bisa dikompres (gas), expander minangka mesin sing cocog.
Expander minangka teknologi diwasa kanthi akeh aplikasi sing sukses kayata cracking katalitik cairan (FCC), pendinginan, katup kutha gas alam, pamisahan udara utawa emisi knalpot. Ing asas, sembarang aliran gas karo meksa suda bisa digunakake kanggo drive expander, nanging "output energi iku langsung ceceg karo rasio meksa, suhu lan tingkat aliran saka stream gas" [2], uga teknis lan ekonomi kelayakan. Implementasi Expander: Proses kasebut gumantung saka faktor kasebut lan faktor liyane, kayata rega energi lokal lan kasedhiyan peralatan sing cocog karo pabrikan.
Sanajan turboexpander (fungsi sing padha karo turbin) minangka jinis expander sing paling kondhang (Gambar 1), ana jinis liyane sing cocog kanggo kondisi proses sing beda. Artikel iki pirso jinis utama expanders lan komponen lan ngringkes carane Managers operasi, konsultan utawa auditor energi ing macem-macem divisi CPI bisa ngevaluasi keuntungan ekonomi lan lingkungan potensial saka nginstal expander.
Ana macem-macem jinis band resistance sing beda-beda ing geometri lan fungsi. Jinis utama ditampilake ing Figure 2, lan saben jinis diterangake sedhela ing ngisor iki. Kanggo informasi luwih lengkap, uga grafik mbandingaken status operasi saben jinis adhedhasar dhiameter tartamtu lan kacepetan tartamtu, ndeleng Pitulung. 3.
Piston turboexpander. Piston lan turboexpanders piston rotary beroperasi kaya mesin pembakaran internal sing muter mundur, nyerep gas tekanan dhuwur lan ngowahi energi sing disimpen dadi energi rotasi liwat crankshaft.
Seret turbo expander. Expander turbin brake kasusun saka kamar aliran concentric karo sirip ember ditempelake ing pinggiran saka unsur puteran. Padha dirancang ing cara sing padha karo gembong banyu, nanging bagean salib saka kamar concentric mundhak saka welingan kanggo stopkontak, saéngga gas kanggo nggedhekake.
Radial turboexpander. Turboexpanders aliran radial duwe inlet sumbu lan stopkontak radial, saéngga gas kanggo nggedhekake radial liwat impeller turbin. Kajaba iku, turbin aliran aksial ngembangake gas liwat roda turbin, nanging arah aliran tetep sejajar karo sumbu rotasi.
Artikel iki fokus ing turboexpander radial lan aksial, ngrembug macem-macem subtipe, komponen, lan ekonomi.
A turboexpander ngekstrak energi saka aliran gas tekanan dhuwur lan ngowahi dadi beban drive. Biasane beban kasebut yaiku kompresor utawa generator sing disambungake menyang poros. A turboexpander karo kompresor compresses adi ing bagean liyane saka aliran proses sing mbutuhake adi teken, mangkono nambah efficiency sakabèhé saka tanduran nggunakake energi sing digunakake boroske. A turboexpander karo mbukak generator ngowahi energi menyang listrik, kang bisa digunakake ing pangolahan tanduran liyane utawa bali menyang kothak lokal kanggo Advertisement.
generator Turboexpander bisa dilengkapi salah siji poros drive langsung saka setir turbin kanggo generator, utawa liwat gearbox sing èfèktif nyuda kacepetan input saka setir turbin kanggo generator liwat rasio pindah. Direct drive turboexpanders nawakake kaluwihan ing efficiency, tilas lan biaya pangopènan. Gearbox turboexpanders luwih abot lan mbutuhake tilas sing luwih gedhe, peralatan tambahan pelumasan, lan pangopènan biasa.
Turboexpanders aliran bisa digawe ing wangun turbin radial utawa aksial. Expander aliran radial ngemot inlet aksial lan stopkontak radial supaya aliran gas metu saka turbin kanthi radial saka sumbu rotasi. Turbin aksial ngidini gas mili kanthi aksial ing sadawane sumbu rotasi. Turbin aliran aksial ngekstrak energi saka aliran gas liwat baling-baling pandhuan inlet menyang roda expander, kanthi area cross-sectional saka kamar ekspansi mboko sithik nambah kanggo njaga kacepetan konstan.
Generator turboexpander kasusun saka telung komponen utama: roda turbin, bantalan khusus lan generator.
Roda turbin. Roda turbin asring dirancang khusus kanggo ngoptimalake efisiensi aerodinamis. Variabel aplikasi sing mengaruhi desain roda turbin kalebu tekanan inlet/outlet, suhu inlet/outlet, aliran volume, lan sifat fluida. Nalika rasio komprèsi dhuwur banget kanggo suda ing siji tataran, turboexpander karo macem-macem turbin wheels dibutuhake. Roda turbin radial lan aksial bisa dirancang minangka multi-tataran, nanging roda turbin aksial nduweni dawa aksial sing luwih cendhek lan mulane luwih kompak. Turbin aliran radial multistage mbutuhake gas kanggo mili saka aksial menyang radial lan bali menyang aksial, nggawe kerugian gesekan sing luwih dhuwur tinimbang turbin aliran aksial.
bantalan. Desain bantalan penting kanggo operasi efisien turboexpander. Jinis bantalan sing ana gandhengane karo desain turboexpander beda-beda lan bisa kalebu bantalan minyak, bantalan film cair, bantalan bal tradisional, lan bantalan magnetik. Saben metode nduweni kaluwihan lan kekurangan dhewe-dhewe, kaya sing ditampilake ing Tabel 1.
Akeh manufaktur turboexpander milih bantalan magnetik minangka "bearing pilihan" amarga kaluwihan unik. Bantalan Magnetik njamin operasi bebas gesekan saka komponen dinamis turboexpander, kanthi signifikan nyuda biaya operasi lan pangopènan sajrone umur mesin. Dheweke uga dirancang kanggo nahan macem-macem beban aksial lan radial lan kahanan overstress. Biaya wiwitan sing luwih dhuwur diimbangi karo biaya siklus urip sing luwih murah.
dinamo. Generator njupuk energi rotasi turbin lan ngowahi dadi energi listrik sing migunani nggunakake generator elektromagnetik (sing bisa dadi generator induksi utawa generator magnet permanen). Generator induksi nduweni kecepatan sing luwih murah, mula aplikasi turbin kecepatan dhuwur mbutuhake gearbox, nanging bisa dirancang kanggo cocog karo frekuensi kothak, ngilangi kabutuhan drive frekuensi variabel (VFD) kanggo nyuplai listrik sing diasilake. Generator magnet permanen, ing tangan liyane, bisa langsung poros ditambahake menyang turbin lan ngirim daya menyang kothak liwat drive frekuensi variabel. Generator dirancang kanggo ngirim daya maksimum adhedhasar daya poros kasedhiya ing sistem.
Segel. Segel uga minangka komponen kritis nalika ngrancang sistem turboexpander. Kanggo njaga efisiensi dhuwur lan nyukupi standar lingkungan, sistem kudu disegel kanggo nyegah bocor gas proses potensial. Turboexpanders bisa dilengkapi segel dinamis utawa statis. Segel dinamis, kayata segel labirin lan segel gas garing, nyedhiyakake segel ing saubengé poros puteran, biasane ing antarane roda turbin, bantalan lan mesin liyane ing ngendi generator dumunung. Asu laut dinamis ilang liwat wektu lan mbutuhake pangopènan lan pengawasan biasa kanggo mesthekake yen padha bisa mlaku kanthi bener. Nalika kabeh komponen turboexpander ana ing omah siji, segel statis bisa digunakake kanggo nglindhungi timbal sing metu saka omah, kalebu generator, drive bantalan magnetik, utawa sensor. Segel kedap udara iki menehi perlindungan permanen marang bocor gas lan ora mbutuhake pangopènan utawa ndandani.
Saka sudut pandang proses, syarat utama kanggo nginstal expander yaiku nyedhiyakake gas kompresibel (non-condensable) tekanan dhuwur menyang sistem tekanan rendah kanthi aliran, penurunan tekanan lan panggunaan sing cukup kanggo njaga operasi normal peralatan kasebut. Parameter operasi dijaga ing tingkat sing aman lan efisien.
Ing babagan fungsi nyuda tekanan, expander bisa digunakake kanggo ngganti katup Joule-Thomson (JT), uga dikenal minangka katup throttle. Wiwit katup JT obah ing sadawane path isentropik lan expander obah ing dalan sing meh isentropik, sing terakhir nyuda entalpi gas lan ngowahi prabédan entalpi dadi daya poros, saéngga ngasilake suhu stopkontak sing luwih murah tinimbang katup JT. Iki migunani ing proses cryogenic ing ngendi tujuane kanggo nyuda suhu gas.
Yen ana watesan ngisor suhu gas stopkontak (contone, ing stasiun dekompresi sing suhu gas kudu dijaga ing ndhuwur pembekuan, hidrasi, utawa suhu desain bahan minimal), paling ora siji pemanas kudu ditambahake. ngontrol suhu gas. Nalika preheater dumunung ing hulu expander, sawetara energi saka gas feed uga mbalekake ing expander, saéngga nambah output daya. Ing sawetara konfigurasi ngendi kontrol suhu stopkontak dibutuhake, reheater kapindho bisa diinstal sawise expander kanggo nyedhiyani kontrol luwih cepet.
Ing Fig. Figure 3 nuduhake diagram simplified saka diagram aliran umum saka generator expander karo preheater digunakake kanggo ngganti tutup JT.
Ing konfigurasi proses liyane, energi mbalekake ing expander bisa ditransfer langsung menyang kompresor. Mesin kasebut, kadhangkala disebut "komandan", biasane duwe tahap ekspansi lan kompresi sing disambungake karo siji utawa luwih poros, sing uga kalebu gearbox kanggo ngatur bedane kacepetan ing antarane rong tahap. Bisa uga kalebu motor tambahan kanggo nyedhiyakake daya luwih akeh menyang tahap kompresi.
Ing ngisor iki sawetara komponen sing paling penting sing njamin operasi lan stabilitas sistem sing tepat.
Katup bypass utawa katup pengurangan tekanan. Katup bypass ngidini operasi terus nalika turboexpander ora operasi (contone, kanggo pangopènan utawa darurat), nalika katup nyuda tekanan digunakake kanggo operasi terus-terusan kanggo nyedhiyakake keluwihan gas nalika aliran total ngluwihi kapasitas desain expander.
Katup mateni darurat (ESD). Klep ESD digunakake kanggo mblokir aliran gas menyang expander ing darurat supaya karusakan mechanical.
Instrumen lan kontrol. Variabel penting kanggo ngawasi kalebu tekanan inlet lan outlet, tingkat aliran, kacepetan rotasi, lan output daya.
Nyopir ing kacepetan gedhe banget. Piranti kasebut nyuda aliran menyang turbin, nyebabake rotor turbin dadi alon, saéngga nglindhungi peralatan saka kacepetan sing berlebihan amarga kahanan proses sing ora dikarepke sing bisa ngrusak peralatan kasebut.
Katup Pengaman Tekanan (PSV). PSV asring dipasang sawise turboexpander kanggo nglindhungi pipa lan peralatan tekanan rendah. PSV kudu dirancang kanggo tahan kontingensi sing paling abot, sing biasane kalebu kegagalan katup bypass kanggo mbukak. Yen expander ditambahake menyang stasiun pengurangan tekanan sing ana, tim desain proses kudu nemtokake manawa PSV sing ana nyedhiyakake proteksi sing cukup.
Pemanas. Pemanas ngimbangi penurunan suhu sing disebabake dening gas sing ngliwati turbin, mula gas kasebut kudu dipanasake sadurunge. Fungsi utamane yaiku kanggo nambah suhu aliran gas sing munggah kanggo njaga suhu gas ninggalake expander ing ndhuwur nilai minimal. Mupangat liyane kanggo ngunggahake suhu yaiku nambah output daya uga nyegah karat, kondensasi, utawa hidrat sing bisa nyebabake nozzle peralatan. Ing sistem sing ngemot penukar panas (kaya sing ditampilake ing Gambar 3), suhu gas biasane dikontrol kanthi ngatur aliran cairan sing digawe panas menyang preheater. Ing sawetara desain, pemanas nyala utawa pemanas listrik bisa digunakake tinimbang penukar panas. Pemanas bisa uga ana ing stasiun katup JT sing ana, lan nambahake expander ora mbutuhake nginstal pemanas tambahan, nanging nambah aliran cairan sing digawe panas.
Sistem minyak pelumas lan segel gas. Kaya kasebut ing ndhuwur, expanders bisa nggunakake desain segel beda, kang mbutuhake pelumas lan gas sealing. Yen ditrapake, lenga pelumas kudu njaga kualitas lan kemurnian sing dhuwur nalika kontak karo gas proses, lan tingkat viskositas minyak kudu tetep ing sawetara operasi bantalan pelumas sing dibutuhake. Sistem gas sing disegel biasane dilengkapi piranti pelumasan minyak kanggo nyegah lenga saka kothak bantalan mlebu ing kothak ekspansi. Kanggo aplikasi kompander khusus sing digunakake ing industri hidrokarbon, sistem minyak pelumas lan gas segel biasane dirancang kanggo spesifikasi API 617 [5] Part 4.
Variabel frekuensi drive (VFD). Nalika generator induksi, VFD biasane diuripake kanggo nyetel sinyal arus bolak-balik (AC) supaya cocog karo frekuensi sarana. Biasane, desain adhedhasar drive frekuensi variabel duwe efisiensi sakabèhé sing luwih dhuwur tinimbang desain sing nggunakake gearbox utawa komponen mekanik liyane. Sistem basis VFD uga bisa nampung macem-macem owah-owahan proses sing bisa nyebabake owah-owahan kacepetan poros expander.
Transmisi. Sawetara desain expander nggunakake gearbox kanggo nyuda kacepetan expander kanggo kacepetan dirating generator. Biaya nggunakake gearbox luwih murah efisiensi sakabèhé lan mulane kurang daya output.
Nalika nyiapake panjalukan kutipan (RFQ) kanggo expander, insinyur proses kudu nemtokake kahanan operasi, kalebu informasi ing ngisor iki:
Insinyur mekanik asring ngrampungake spesifikasi lan spesifikasi generator expander nggunakake data saka disiplin teknik liyane. Input kasebut bisa uga kalebu ing ngisor iki:
Spesifikasi kasebut uga kudu kalebu dhaptar dokumen lan gambar sing diwenehake dening pabrikan minangka bagean saka proses tender lan ruang lingkup pasokan, uga prosedur tes sing ditrapake kaya sing dibutuhake dening proyek kasebut.
Informasi teknis sing diwenehake dening pabrikan minangka bagean saka proses tender umume kudu kalebu unsur ing ngisor iki:
Yen ana aspek saka proposal sing beda karo spesifikasi asli, pabrikan uga kudu menehi dhaptar panyimpangan lan alasan panyimpangan kasebut.
Sawise proposal ditampa, tim pangembang proyek kudu mriksa panjalukan kanggo kepatuhan lan nemtokake manawa variasi kasebut dibenerake kanthi teknis.
Pertimbangan teknis liyane sing kudu ditimbang nalika ngevaluasi proposal kalebu:
Pungkasan, analisis ekonomi kudu ditindakake. Amarga opsi sing beda-beda bisa nyebabake biaya awal sing beda, disaranake analisis biaya aliran awis utawa siklus urip kanggo mbandhingake ekonomi jangka panjang proyek lan ngasilake investasi. Contone, investasi awal sing luwih dhuwur bisa diimbangi ing jangka panjang kanthi nambah produktivitas utawa nyuda syarat pangopènan. Waca "Referensi" kanggo instruksi babagan jinis analisis iki. 4.
Kabeh aplikasi turboexpander-generator mbutuhake total wiwitan petungan daya potensial kanggo nemtokake jumlah total energi kasedhiya sing bisa mbalekake ing aplikasi tartamtu. Kanggo generator turboexpander, potensial daya diitung minangka proses isentropik (entropi konstan). Iki minangka kahanan termodinamika sing cocog kanggo nimbang proses adiabatik sing bisa dibalik tanpa gesekan, nanging minangka proses sing bener kanggo ngira potensial energi sing nyata.
Energi potensial isentropik (IPP) diwilang kanthi nggandaake prabédan entalpi spesifik ing inlet lan outlet turboexpander lan dikalikake asil kanthi laju aliran massa. Energi potensial iki bakal dituduhake minangka kuantitas isentropik (Persamaan (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
ing ngendi h(i,e) minangka entalpi spesifik kanthi nganggep suhu outlet isentropik lan ṁ minangka laju aliran massa.
Sanajan energi potensial isentropik bisa digunakake kanggo ngira-ngira energi potensial, kabeh sistem nyata kalebu gesekan, panas, lan mundhut energi tambahan liyane. Mangkono, nalika ngitung potensial daya nyata, data input tambahan ing ngisor iki kudu digatekake:
Ing umume aplikasi turboexpander, suhu diwatesi minimal kanggo nyegah masalah sing ora dikarepake kayata pembekuan pipa sing kasebut sadurunge. Ing ngendi gas alam mili, hidrat meh tansah ana, tegese pipa ing hilir turboexpander utawa katup throttle bakal beku ing njero lan njaba yen suhu stopkontak mudhun ing ngisor 0°C. Pembentukan es bisa nyebabake watesan aliran lan pungkasane mateni sistem kanggo defrost. Mangkono, suhu stopkontak "sing dikarepake" digunakake kanggo ngetung skenario daya potensial sing luwih nyata. Nanging, kanggo gas kayata hidrogen, watesan suhu luwih murah amarga hidrogen ora owah saka gas dadi cair nganti tekan suhu kriogenik (-253°C). Gunakake suhu stopkontak sing dikarepake kanggo ngetung entalpi spesifik.
Efisiensi sistem turboexpander uga kudu dianggep. Gumantung ing teknologi sing digunakake, efisiensi sistem bisa beda-beda. Contone, turboexpander sing nggunakake gear reduksi kanggo mindhah energi rotasi saka turbin menyang generator bakal ngalami kerugian gesekan sing luwih gedhe tinimbang sistem sing nggunakake drive langsung saka turbin menyang generator. Efisiensi sakabèhé saka sistem turboexpander ditulis minangka persentase lan dianggep nalika ngevaluasi potensial daya nyata saka turboexpander. Potensial daya aktual (PP) diitung kaya ing ngisor iki:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Ayo goleki aplikasi relief tekanan gas alam. ABC ngoperasikake lan njaga stasiun pengurangan tekanan sing ngangkut gas alam saka pipa utama lan disebarake menyang kotamadya lokal. Ing stasiun iki, tekanan inlet gas 40 bar lan tekanan outlet 8 bar. Suhu gas inlet sing wis dipanasake yaiku 35 ° C, sing preheat gas kanggo nyegah pembekuan pipa. Mulane, suhu gas outlet kudu dikontrol supaya ora mudhun ing ngisor 0 ° C. Ing conto iki kita bakal nggunakake 5 ° C minangka suhu stopkontak minimal kanggo nambah faktor safety. Laju aliran gas volumetrik sing dinormalisasi yaiku 50.000 Nm3 / jam. Kanggo ngetung potensial daya, kita bakal nganggep yen kabeh gas mili liwat turbo expander lan ngetung output daya maksimum. Ngitung total potensial output daya nggunakake pitungan ing ngisor iki:
Wektu kirim: Mei-25-2024