HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Expander bisa nggunakake pangurangan tekanan kanggo nggerakake mesin sing muter. Informasi babagan cara ngevaluasi potensial keuntungan saka masang extender bisa ditemokake ing kene.
Lumrahé ing industri proses kimia (CPI), "akeh energi sing dibuwang ing katup kontrol tekanan ing ngendi cairan tekanan dhuwur kudu dikurangi tekanané" [1]. Gumantung saka macem-macem faktor teknis lan ekonomi, bisa uga dikarepake kanggo ngowahi energi iki dadi energi mekanik sing muter, sing bisa digunakake kanggo nggerakake generator utawa mesin muter liyané. Kanggo cairan sing ora bisa dikompres (cairan), iki ditindakake nggunakake turbin pemulihan energi hidrolik (HPRT; deleng referensi 1). Kanggo cairan sing bisa dikompres (gas), expander minangka mesin sing cocog.
Expander minangka teknologi sing wis diwasa kanthi akeh aplikasi sing sukses kayata retakan katalitik cairan (FCC), pendinginan, katup kutha gas alam, pamisahan udara utawa emisi knalpot. Ing prinsip, aliran gas apa wae kanthi tekanan sing suda bisa digunakake kanggo nggerakake expander, nanging "output energi kasebut proporsional langsung karo rasio tekanan, suhu lan laju aliran aliran gas" [2], uga kelayakan teknis lan ekonomi. Implementasi Expander: Proses kasebut gumantung saka faktor-faktor kasebut lan faktor liyane, kayata rega energi lokal lan kasedhiyan peralatan sing cocog saka pabrikan.
Senajan turboexpander (fungsine meh padha karo turbin) minangka jinis expander sing paling misuwur (Gambar 1), ana jinis liyane sing cocog kanggo kahanan proses sing beda. Artikel iki ngenalake jinis utama expander lan komponene lan ngringkes kepiye manajer operasi, konsultan, utawa auditor energi ing macem-macem divisi CPI bisa ngevaluasi potensial keuntungan ekonomi lan lingkungan saka nginstal expander.
Ana akeh jinis pita resistensi sing beda-beda banget ing geometri lan fungsine. Jinis utama dituduhake ing Gambar 2, lan saben jinis diterangake kanthi ringkes ing ngisor iki. Kanggo informasi luwih lengkap, uga grafik sing mbandhingake status operasi saben jinis adhedhasar diameter tartamtu lan kecepatan tartamtu, deleng Pitulung. 3.
Turboexpander piston. Turboexpander piston lan piston putar beroperasi kaya mesin pembakaran internal sing muter mundur, nyerep gas tekanan tinggi lan ngowahi energi sing disimpen dadi energi rotasi liwat poros engkol.
Seret turbo expander. Expander turbin rem kasusun saka ruang aliran konsentris kanthi sirip ember sing dipasang ing pinggiran elemen sing muter. Iki dirancang kanthi cara sing padha karo kincir banyu, nanging penampang ruang konsentris mundhak saka inlet menyang outlet, saengga gas bisa ngembang.
Turboexpander radial. Turboexpander aliran radial duwé saluran mlebu aksial lan saluran metu radial, sing ngidini gas ngembang sacara radial liwat impeller turbin. Semono uga, turbin aliran aksial ngembangaké gas liwat rodha turbin, nanging arah aliran tetep sejajar karo sumbu rotasi.
Artikel iki fokus ing turboexpanders radial lan aksial, ngrembug macem-macem subtipe, komponen, lan ekonomi.
Turboexpander njupuk energi saka aliran gas bertekanan tinggi lan ngowahi dadi beban penggerak. Biasane beban kasebut yaiku kompresor utawa generator sing disambungake menyang poros. Turboexpander nganggo kompresor ngompres cairan ing bagean liya saka aliran proses sing mbutuhake cairan sing dikompres, saengga nambah efisiensi sakabèhé pabrik kanthi nggunakake energi sing dibuang-buang. Turboexpander nganggo beban generator ngowahi energi kasebut dadi listrik, sing bisa digunakake ing proses pabrik liyane utawa dibalekake menyang jaringan lokal kanggo didol.
Generator turboexpander bisa dilengkapi poros penggerak langsung saka roda turbin menyang generator, utawa liwat girboks sing efektif nyuda kecepatan input saka roda turbin menyang generator liwat rasio gir. Turboexpander penggerak langsung nawakake kaluwihan ing efisiensi, jejak, lan biaya perawatan. Turboexpander girboks luwih abot lan mbutuhake jejak sing luwih gedhe, peralatan bantu pelumasan, lan perawatan rutin.
Turboexpander aliran-liwat bisa digawe awujud turbin radial utawa aksial. Ekspander aliran radial ngemot saluran mlebu aksial lan saluran metu radial saengga aliran gas metu saka turbin sacara radial saka sumbu rotasi. Turbin aksial ngidini gas mili sacara aksial ing sadawane sumbu rotasi. Turbin aliran aksial njupuk energi saka aliran gas liwat baling-baling pandhuan saluran mlebu menyang rodha ekspander, kanthi area penampang ruang ekspansi saya tambah kanggo njaga kecepatan sing tetep.
Generator turboexpander kasusun saka telung komponen utama: roda turbin, bantalan khusus, lan generator.
Rodha turbin. Rodha turbin asring dirancang khusus kanggo ngoptimalake efisiensi aerodinamis. Variabel aplikasi sing mengaruhi desain rodha turbin kalebu tekanan inlet/outlet, suhu inlet/outlet, aliran volume, lan sifat fluida. Nalika rasio kompresi dhuwur banget kanggo dikurangi ing siji tahap, turboexpander kanthi pirang-pirang rodha turbin dibutuhake. Rodha turbin radial lan aksial bisa dirancang minangka rodha multi-tahap, nanging rodha turbin aksial duwe dawa aksial sing luwih cendhek lan mulane luwih kompak. Turbin aliran radial multi-tahap 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 iku penting banget kanggo operasi turboexpander sing efisien. Jinis bantalan sing ana gandhengane karo desain turboexpander beda-beda lan bisa kalebu bantalan lenga, bantalan film cair, bantalan bal tradisional, lan bantalan magnetik. Saben metode nduweni kaluwihan lan kekurangan dhewe-dhewe, kaya sing dituduhake ing Tabel 1.
Akeh produsen turboexpander milih bantalan magnetik minangka "bantalan pilihan" amarga kaluwihane sing unik. Bantalan magnetik njamin operasi komponen dinamis turboexpander tanpa gesekan, sing nyuda biaya operasi lan perawatan kanthi signifikan sajrone umur mesin. Bantalan iki uga dirancang kanggo tahan macem-macem beban aksial lan radial lan kondisi overstress. Biaya awal 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 duwe kecepatan sing luwih murah, mula aplikasi turbin kecepatan tinggi mbutuhake girboks, nanging bisa dirancang supaya cocog karo frekuensi grid, ngilangi kebutuhan kanggo penggerak frekuensi variabel (VFD) kanggo nyuplai listrik sing diasilake. Generator magnet permanen, ing sisih liya, bisa langsung dipasangake poros menyang turbin lan ngirim daya menyang grid liwat penggerak frekuensi variabel. Generator dirancang kanggo ngirim daya maksimal adhedhasar daya poros sing kasedhiya ing sistem.
Segel. Segel uga minangka komponen penting nalika ngrancang sistem turboexpander. Kanggo njaga efisiensi sing dhuwur lan nyukupi standar lingkungan, sistem kudu disegel kanggo nyegah potensi kebocoran gas proses. Turboexpander bisa dilengkapi segel dinamis utawa statis. Segel dinamis, kayata segel labirin lan segel gas garing, nyedhiyakake segel ing sekitar poros sing muter, biasane ing antarane roda turbin, bantalan, lan sisa mesin ing ngendi generator dumunung. Segel dinamis bakal aus suwe-suwe lan mbutuhake perawatan lan inspeksi rutin kanggo mesthekake yen bisa digunakake kanthi bener. Nalika kabeh komponen turboexpander ana ing siji omah, segel statis bisa digunakake kanggo nglindhungi kabel apa wae sing metu saka omah, kalebu menyang generator, penggerak bantalan magnetik, utawa sensor. Segel kedap udara iki nyedhiyakake perlindungan permanen saka kebocoran gas lan ora mbutuhake perawatan utawa perbaikan.
Saka sudut pandang proses, syarat utama kanggo masang expander yaiku nyedhiyakake gas kompresibel (non-kondensasi) tekanan dhuwur menyang sistem tekanan rendah kanthi aliran, penurunan tekanan, lan pemanfaatan sing cukup kanggo njaga operasi normal peralatan kasebut. Parameter operasi dijaga ing tingkat sing aman lan efisien.
Ing babagan fungsi pangurang tekanan, expander bisa digunakake kanggo ngganti katup Joule-Thomson (JT), uga dikenal minangka katup throttle. Amarga katup JT obah ing sadawane jalur isentropik lan expander obah ing sadawane jalur meh isentropik, sing terakhir nyuda entalpi gas lan ngowahi bedane entalpi dadi daya poros, saengga ngasilake suhu outlet sing luwih murah tinimbang katup JT. Iki migunani ing proses kriogenik ing ngendi tujuane yaiku kanggo nyuda suhu gas.
Yen ana watesan ngisor ing suhu gas metu (contone, ing stasiun dekompresi ing ngendi suhu gas kudu dijaga ing ndhuwur titik beku, hidrasi, utawa suhu desain bahan minimal), paling ora siji pemanas kudu ditambahake. Kontrol suhu gas. Nalika preheater dumunung ing ndhuwur expander, sawetara energi saka gas umpan uga dipulihake ing expander, saengga nambah output daya. Ing sawetara konfigurasi ing ngendi kontrol suhu metu dibutuhake, reheater kapindho bisa dipasang sawise expander kanggo nyedhiyakake kontrol sing luwih cepet.
Ing Gambar 3, gambar iki nuduhake diagram alur umum generator expander nganggo preheater sing digunakake kanggo ngganti katup JT.
Ing konfigurasi proses liyane, energi sing dipulihake ing expander bisa ditransfer langsung menyang kompresor. Mesin-mesin iki, kadhangkala diarani "komandan", biasane duwe tahapan ekspansi lan kompresi sing disambungake dening siji utawa luwih poros, sing uga bisa kalebu girboks kanggo ngatur bedane kecepatan antarane rong tahapan kasebut. Uga bisa kalebu motor tambahan kanggo nyedhiyakake daya luwih akeh menyang tahapan kompresi.
Ing ngisor iki sawetara komponen paling penting sing njamin operasi lan stabilitas sistem sing tepat.
Katup bypass utawa katup pangurang tekanan. Katup bypass ngidini operasi terus nalika turboexpander ora beroperasi (contone, kanggo pangopènan utawa darurat), dene katup pangurang tekanan digunakake kanggo operasi terus-terusan kanggo nyuplai gas sing berlebihan nalika total aliran ngluwihi kapasitas desain expander.
Katup mati darurat (ESD). Katup ESD digunakake kanggo mblokir aliran gas menyang expander ing kahanan darurat supaya ora ana kerusakan mekanis.
Instrumen lan kontrol. Variabel penting sing kudu dipantau kalebu tekanan mlebu lan metu, laju aliran, kecepatan rotasi, lan daya output.
Nyetir kanthi kecepatan sing kebacut. Piranti kasebut bakal ngendhegake aliran menyang turbin, nyebabake rotor turbin dadi alon, saengga nglindhungi peralatan saka kecepatan sing kebacut amarga kondisi 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 wis ana, tim desain proses kudu nemtokake manawa PSV sing wis ana nyedhiyakake perlindungan sing cukup.
Pemanas. Pemanas ngimbangi penurunan suhu sing disebabake dening gas sing ngliwati turbin, mula gas kudu dipanasake maneh. Fungsi utamane yaiku kanggo nambah suhu aliran gas sing mundhak kanggo njaga suhu gas supaya expander tetep ing ndhuwur nilai minimal. Manfaat liyane saka ngunggahake suhu yaiku kanggo nambah output daya uga nyegah korosi, kondensasi, utawa hidrat sing bisa mengaruhi nozzle peralatan kanthi negatif. Ing sistem sing ngemot penukar panas (kaya sing dituduhake ing Gambar 3), suhu gas biasane dikontrol kanthi ngatur aliran cairan sing dipanasake menyang preheater. Ing sawetara desain, pemanas geni utawa pemanas listrik bisa digunakake tinimbang penukar panas. Pemanas bisa uga wis ana ing stasiun katup JT sing wis ana, lan nambah expander bisa uga ora mbutuhake nginstal pemanas tambahan, nanging nambah aliran cairan sing dipanasake.
Sistem lenga pelumas lan gas segel. Kaya sing wis kasebut ing ndhuwur, ekspander bisa nggunakake desain segel sing beda-beda, sing mbutuhake pelumas lan gas segel. Yen ditrapake, lenga pelumas kudu njaga kualitas lan kemurnian sing dhuwur nalika kontak karo gas proses, lan tingkat viskositas lenga kudu tetep ana ing kisaran operasi sing dibutuhake saka bantalan sing dilumasi. Sistem gas segel biasane dilengkapi piranti pelumasan lenga kanggo nyegah lenga saka kothak bantalan mlebu ing kothak ekspansi. Kanggo aplikasi khusus saka compander sing digunakake ing industri hidrokarbon, sistem lenga pelumas lan gas segel biasane dirancang miturut spesifikasi API 617 [5] Bagian 4.
Penggerak frekuensi variabel (VFD). Nalika generator induksi, VFD biasane diuripake kanggo nyetel sinyal arus bolak-balik (AC) supaya cocog karo frekuensi utilitas. Biasane, desain adhedhasar penggerak frekuensi variabel duwe efisiensi sakabèhé sing luwih dhuwur tinimbang desain sing nggunakake girboks utawa komponen mekanik liyané. Sistem adhedhasar VFD uga bisa nampung macem-macem owah-owahan proses sing bisa nyebabake owah-owahan ing kecepatan poros expander.
Transmisi. Sawetara desain expander nggunakake girboks kanggo nyuda kecepatan expander menyang kecepatan generator sing dirating. Biaya nggunakake girboks yaiku efisiensi sakabèhé luwih murah lan mula output daya luwih murah.
Nalika nyiapake panjalukan kutipan (RFQ) kanggo expander, insinyur proses kudu nemtokake kahanan operasi dhisik, 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 uga kudu kalebu dhaptar dokumen lan gambar sing diwenehake dening pabrikan minangka bagean saka proses tender lan ruang lingkup pasokan, uga prosedur uji coba sing ditrapake kaya sing dibutuhake dening proyek kasebut.
Informasi teknis sing diwenehake dening pabrikan minangka bagean saka proses tender umume kudu kalebu unsur-unsur ing ngisor iki:
Manawa ana aspèk saka proposal sing béda karo spesifikasi asli, pabrikan uga kudu nyedhiyakaké dhaptar penyimpangan lan alesan penyimpangan kasebut.
Sawise proposal ditampa, tim pangembangan proyek kudu mriksa panjaluk kepatuhan lan nemtokake apa varians kasebut bisa dibenarkan sacara teknis.
Pertimbangan teknis liyane sing kudu digatekake nalika ngevaluasi proposal kalebu:
Pungkasanipun, analisis ekonomi kedah dipunlampahi. Amargi pilihan ingkang benten saged nyebabaken biaya awal ingkang benten, dianjuraken supados analisis arus kas utawi biaya siklus urip dipunlampahi kangge mbandhingaken ekonomi jangka panjang lan pengembalian investasi proyek. Umpamane, investasi awal ingkang langkung inggil saged diimbangi ing jangka panjang kanthi peningkatan produktivitas utawi pengurangan syarat perawatan. Deleng "Referensi" kangge pandhuan babagan jinis analisis punika. 4.
Kabeh aplikasi generator turboexpander mbutuhake pitungan daya potensial total awal kanggo nemtokake jumlah total energi sing kasedhiya sing bisa dipulihake ing aplikasi tartamtu. Kanggo generator turboexpander, potensial daya diitung minangka proses isentropik (entropi konstan). Iki minangka kahanan termodinamika sing ideal kanggo nimbang proses adiabatik sing bisa dibalik tanpa gesekan, nanging iki minangka proses sing bener kanggo ngira potensial energi sing nyata.
Energi potensial isentropik (IPP) diitung kanthi ngalikan beda entalpi spesifik ing inlet lan outlet turboexpander lan ngalikan asil karo laju aliran massa. Energi potensial iki bakal dinyatakake 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.
Senajan energi potensial isentropik bisa digunakake kanggo ngira-ira energi potensial, kabeh sistem nyata nglibatake gesekan, panas, lan kerugian energi tambahan liyane. Dadi, nalika ngetung 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 wis kasebut sadurunge. Ing ngendi gas alam mili, hidrat meh mesthi ana, tegese pipa ing sisih ngisor turboexpander utawa katup throttle bakal beku ing njero lan njaba yen suhu outlet mudhun ing ngisor 0°C. Pembentukan es bisa nyebabake watesan aliran lan pungkasane nutup sistem kanggo nyawiji. Mangkono, suhu outlet "sing dikarepake" digunakake kanggo ngetung skenario daya potensial sing luwih realistis. 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 outlet sing dikarepake iki kanggo ngetung entalpi tartamtu.
Efisiensi sistem turboexpander uga kudu ditimbang. Gumantung saka teknologi sing digunakake, efisiensi sistem bisa beda-beda banget. Contone, turboexpander sing nggunakake gir reduksi kanggo nransfer energi rotasi saka turbin menyang generator bakal ngalami kerugian gesekan sing luwih gedhe tinimbang sistem sing nggunakake penggerak langsung saka turbin menyang generator. Efisiensi sakabèhé sistem turboexpander dinyatakake minangka persentase lan dianggep nalika netepake potensial daya nyata saka turboexpander. Potensi daya nyata (PP) diitung kaya ing ngisor iki:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Ayo dideleng aplikasi pangurangan tekanan gas alam. ABC ngoperasikake lan njaga stasiun pangurangan tekanan sing ngangkut gas alam saka pipa utama lan nyebarake menyang kotamadya lokal. Ing stasiun iki, tekanan mlebu gas yaiku 40 bar lan tekanan metu yaiku 8 bar. Suhu gas mlebu sing wis dipanasake yaiku 35°C, sing manasi gas kanggo nyegah pembekuan pipa. Mulane, suhu gas metu kudu dikontrol supaya ora mudhun ing ngisor 0°C. Ing conto iki, kita bakal nggunakake 5°C minangka suhu metu minimal kanggo nambah faktor keamanan. 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 maksimal. Perkirakan potensial output daya total nggunakake pitungan ing ngisor iki: