HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Gli espansori possono utilizzare la riduzione della pressione per azionare macchine rotanti. Informazioni su come valutare i potenziali benefici dell'installazione di un espansore sono disponibili qui.
Tipicamente nell'industria chimica di processo (CPI), "una grande quantità di energia viene sprecata nelle valvole di controllo della pressione dove i fluidi ad alta pressione devono essere depressurizzati" [1]. A seconda di vari fattori tecnici ed economici, potrebbe essere desiderabile convertire questa energia in energia meccanica rotante, che può essere utilizzata per azionare generatori o altre macchine rotanti. Per i fluidi incomprimibili (liquidi), ciò si ottiene utilizzando una turbina a recupero di energia idraulica (HPRT; vedere riferimento 1). Per i liquidi comprimibili (gas), un espansore è una macchina adatta.
Gli espansori sono una tecnologia matura con numerose applicazioni di successo, come il cracking catalitico fluido (FCC), la refrigerazione, le valvole di distribuzione del gas naturale, la separazione dell'aria o le emissioni di scarico. In linea di principio, qualsiasi flusso di gas a pressione ridotta può essere utilizzato per azionare un espansore, ma "l'energia prodotta è direttamente proporzionale al rapporto di pressione, alla temperatura e alla portata del flusso di gas" [2], nonché alla fattibilità tecnica ed economica. Implementazione dell'espansore: il processo dipende da questi e altri fattori, come i prezzi locali dell'energia e la disponibilità da parte del produttore di apparecchiature idonee.
Sebbene il turboespansore (che funziona in modo simile a una turbina) sia il tipo di espansore più noto (Figura 1), ne esistono altri tipi adatti a diverse condizioni di processo. Questo articolo presenta i principali tipi di espansori e i loro componenti e riassume come responsabili operativi, consulenti o auditor energetici di diverse divisioni di CPI possano valutare i potenziali benefici economici e ambientali dell'installazione di un espansore.
Esistono molti tipi diversi di fasce elastiche, che variano notevolmente in geometria e funzione. I tipi principali sono illustrati nella Figura 2 e ciascuno di essi è brevemente descritto di seguito. Per ulteriori informazioni, nonché per grafici che confrontano lo stato operativo di ciascun tipo in base a diametri e velocità specifici, consultare la Guida. 3.
Turboespansore a pistone. I turboespansori a pistone e a pistone rotante funzionano come un motore a combustione interna a rotazione inversa, assorbendo gas ad alta pressione e convertendo l'energia immagazzinata in energia rotazionale attraverso l'albero motore.
Trascinare il turboespansore. L'espansore della turbina freno è costituito da una camera di flusso concentrica con alette a paletta fissate alla periferia dell'elemento rotante. Sono progettate come le ruote idrauliche, ma la sezione trasversale delle camere concentriche aumenta dall'ingresso all'uscita, consentendo al gas di espandersi.
Turboespansore radiale. I turboespansori a flusso radiale hanno un ingresso assiale e un'uscita radiale, consentendo al gas di espandersi radialmente attraverso la girante della turbina. Analogamente, le turbine a flusso assiale espandono il gas attraverso la girante, ma la direzione del flusso rimane parallela all'asse di rotazione.
Questo articolo si concentra sui turboespansori radiali e assiali, analizzandone i vari sottotipi, i componenti e i costi.
Un turboespansore estrae energia da un flusso di gas ad alta pressione e la converte in un carico di azionamento. Tipicamente, il carico è un compressore o un generatore collegato a un albero. Un turboespansore con compressore comprime il fluido in altre parti del flusso di processo che richiedono fluido compresso, aumentando così l'efficienza complessiva dell'impianto utilizzando energia che altrimenti andrebbe sprecata. Un turboespansore con generatore converte l'energia in elettricità, che può essere utilizzata in altri processi dell'impianto o restituita alla rete elettrica locale per la vendita.
I generatori turboespansori possono essere dotati di un albero di trasmissione diretta dalla girante della turbina al generatore, oppure di un riduttore che riduce efficacemente la velocità in ingresso dalla girante della turbina al generatore tramite un rapporto di trasmissione. I turboespansori a trasmissione diretta offrono vantaggi in termini di efficienza, ingombro e costi di manutenzione. I turboespansori con riduttore sono più pesanti e richiedono un ingombro maggiore, sistemi di lubrificazione ausiliari e una manutenzione regolare.
I turboespansori a flusso passante possono essere realizzati sotto forma di turbine radiali o assiali. Gli espansori a flusso radiale presentano un ingresso assiale e un'uscita radiale, in modo che il flusso di gas esca dalla turbina radialmente rispetto all'asse di rotazione. Le turbine assiali consentono al gas di fluire assialmente lungo l'asse di rotazione. Le turbine a flusso assiale estraggono energia dal flusso di gas attraverso le pale di guida di ingresso verso la girante dell'espansore, con la sezione trasversale della camera di espansione che aumenta gradualmente per mantenere una velocità costante.
Un generatore turboespansore è costituito da tre componenti principali: una turbina, cuscinetti speciali e un generatore.
Girante turbina. Le giranti turbina sono spesso progettate specificamente per ottimizzare l'efficienza aerodinamica. Le variabili applicative che influenzano la progettazione della girante turbina includono la pressione di ingresso/uscita, la temperatura di ingresso/uscita, la portata volumetrica e le proprietà del fluido. Quando il rapporto di compressione è troppo elevato per essere ridotto in un unico stadio, è necessario un turboespansore con più giranti turbina. Sia le giranti radiali che quelle assiali possono essere progettate come giranti multistadio, ma le giranti assiali hanno una lunghezza assiale molto più corta e sono quindi più compatte. Le turbine a flusso radiale multistadio richiedono che il gas fluisca da assiale a radiale e di nuovo ad assiale, creando maggiori perdite per attrito rispetto alle turbine a flusso assiale.
Cuscinetti. La progettazione dei cuscinetti è fondamentale per il funzionamento efficiente di un turboespansore. Le tipologie di cuscinetti relative alla progettazione dei turboespansori variano ampiamente e possono includere cuscinetti a olio, cuscinetti a film liquido, cuscinetti a sfere tradizionali e cuscinetti magnetici. Ogni metodo presenta vantaggi e svantaggi, come mostrato nella Tabella 1.
Molti produttori di turboespansori scelgono i cuscinetti magnetici come "cuscinetto di scelta" per i loro vantaggi esclusivi. I cuscinetti magnetici garantiscono un funzionamento senza attrito dei componenti dinamici del turboespansore, riducendo significativamente i costi di esercizio e manutenzione per l'intera vita utile della macchina. Sono inoltre progettati per resistere a un'ampia gamma di carichi assiali e radiali e a condizioni di sovrasollecitazione. I loro maggiori costi iniziali sono compensati da costi del ciclo di vita notevolmente inferiori.
dinamo. Il generatore prende l'energia rotazionale della turbina e la converte in energia elettrica utile utilizzando un generatore elettromagnetico (che può essere un generatore a induzione o un generatore a magnete permanente). I generatori a induzione hanno una velocità nominale inferiore, quindi le applicazioni con turbine ad alta velocità richiedono un riduttore, ma possono essere progettati per adattarsi alla frequenza di rete, eliminando la necessità di un azionamento a frequenza variabile (VFD) per fornire l'elettricità generata. I generatori a magnete permanente, d'altra parte, possono essere accoppiati direttamente all'albero della turbina e trasmettere potenza alla rete tramite un azionamento a frequenza variabile. Il generatore è progettato per fornire la massima potenza in base alla potenza all'albero disponibile nel sistema.
Guarnizioni. La guarnizione è un componente fondamentale anche nella progettazione di un sistema turboespansore. Per mantenere un'elevata efficienza e soddisfare gli standard ambientali, i sistemi devono essere sigillati per prevenire potenziali perdite di gas di processo. I turboespansori possono essere dotati di guarnizioni dinamiche o statiche. Le guarnizioni dinamiche, come le guarnizioni a labirinto e le guarnizioni a gas secco, garantiscono la tenuta attorno a un albero rotante, in genere tra la girante della turbina, i cuscinetti e il resto della macchina in cui si trova il generatore. Le guarnizioni dinamiche si usurano nel tempo e richiedono manutenzione e ispezione regolari per garantirne il corretto funzionamento. Quando tutti i componenti del turboespansore sono contenuti in un unico alloggiamento, è possibile utilizzare guarnizioni statiche per proteggere tutti i cavi in ​​uscita dall'alloggiamento, inclusi quelli diretti al generatore, agli azionamenti dei cuscinetti magnetici o ai sensori. Queste guarnizioni ermetiche forniscono una protezione permanente contro le perdite di gas e non richiedono manutenzione o riparazione.
Dal punto di vista del processo, il requisito principale per l'installazione di un espansore è quello di fornire gas comprimibile (non condensabile) ad alta pressione a un sistema a bassa pressione con portata, caduta di pressione e utilizzo sufficienti a mantenere il normale funzionamento dell'apparecchiatura. I parametri operativi sono mantenuti a un livello sicuro ed efficiente.
In termini di funzione di riduzione della pressione, l'espansore può essere utilizzato in sostituzione della valvola Joule-Thomson (JT), nota anche come valvola a farfalla. Poiché la valvola JT si muove lungo un percorso isoentropico e l'espansore si muove lungo un percorso quasi isoentropico, quest'ultimo riduce l'entalpia del gas e converte la differenza di entalpia in potenza all'albero, producendo così una temperatura di uscita inferiore rispetto alla valvola JT. Questo è utile nei processi criogenici in cui l'obiettivo è ridurre la temperatura del gas.
Se è presente un limite inferiore alla temperatura del gas in uscita (ad esempio, in una stazione di decompressione dove la temperatura del gas deve essere mantenuta al di sopra del punto di congelamento, di idratazione o della temperatura minima di progetto del materiale), è necessario aggiungere almeno un riscaldatore per controllare la temperatura del gas. Quando il preriscaldatore è posizionato a monte dell'espansore, parte dell'energia del gas di alimentazione viene recuperata anche nell'espansore, aumentandone così la potenza. In alcune configurazioni in cui è richiesto il controllo della temperatura in uscita, è possibile installare un secondo riscaldatore a valle dell'espansore per un controllo più rapido.
Nella Figura 3 è mostrato uno schema semplificato del diagramma di flusso generale di un generatore espansore con preriscaldatore utilizzato per sostituire una valvola JT.
In altre configurazioni di processo, l'energia recuperata nell'espansore può essere trasferita direttamente al compressore. Queste macchine, a volte chiamate "commander", solitamente hanno stadi di espansione e compressione collegati da uno o più alberi, che possono anche includere un riduttore per regolare la differenza di velocità tra i due stadi. Possono anche includere un motore aggiuntivo per fornire maggiore potenza allo stadio di compressione.
Di seguito sono riportati alcuni dei componenti più importanti che garantiscono il corretto funzionamento e la stabilità del sistema.
Valvola di bypass o valvola di riduzione della pressione. La valvola di bypass consente il funzionamento continuo quando il turboespansore non è in funzione (ad esempio, per manutenzione o emergenza), mentre la valvola di riduzione della pressione viene utilizzata per il funzionamento continuo, per fornire gas in eccesso quando la portata totale supera la capacità di progetto dell'espansore.
Valvola di arresto di emergenza (ESD). Le valvole ESD vengono utilizzate per bloccare il flusso di gas nell'espansore in caso di emergenza, evitando danni meccanici.
Strumenti e controlli. Le variabili importanti da monitorare includono la pressione di ingresso e di uscita, la portata, la velocità di rotazione e la potenza erogata.
Guida a velocità eccessiva. Il dispositivo interrompe il flusso alla turbina, rallentandone il rotore e proteggendo così l'apparecchiatura da velocità eccessive dovute a condizioni di processo impreviste che potrebbero danneggiarla.
Valvola di sicurezza (PSV). Le PSV vengono spesso installate a valle di un turboespansore per proteggere le condotte e le apparecchiature a bassa pressione. La PSV deve essere progettata per resistere alle situazioni più gravi, che in genere includono la mancata apertura della valvola di bypass. Se un espansore viene aggiunto a una stazione di riduzione della pressione esistente, il team di progettazione del processo deve determinare se la PSV esistente fornisca una protezione adeguata.
Riscaldatore. I riscaldatori compensano il calo di temperatura causato dal passaggio del gas attraverso la turbina, quindi il gas deve essere preriscaldato. La loro funzione principale è quella di aumentare la temperatura del flusso di gas in salita per mantenere la temperatura del gas in uscita dall'espansore al di sopra di un valore minimo. Un altro vantaggio dell'aumento della temperatura è l'aumento della potenza erogata e la prevenzione di corrosione, condensa o idrati che potrebbero influire negativamente sugli ugelli delle apparecchiature. Nei sistemi dotati di scambiatori di calore (come mostrato in Figura 3), la temperatura del gas viene solitamente controllata regolando il flusso del liquido riscaldato nel preriscaldatore. In alcuni progetti, è possibile utilizzare un riscaldatore a fiamma o un riscaldatore elettrico al posto di uno scambiatore di calore. I riscaldatori potrebbero già essere presenti in una stazione di valvole JT esistente e l'aggiunta di un espansore potrebbe non richiedere l'installazione di riscaldatori aggiuntivi, ma piuttosto l'aumento del flusso del fluido riscaldato.
Sistemi di lubrificazione a olio e gas di tenuta. Come accennato in precedenza, gli espansori possono utilizzare diversi tipi di tenuta, che potrebbero richiedere lubrificanti e gas di tenuta. Ove applicabile, l'olio lubrificante deve mantenere elevata qualità e purezza a contatto con i gas di processo e il livello di viscosità dell'olio deve rimanere entro l'intervallo operativo richiesto per i cuscinetti lubrificati. I sistemi a gas sigillati sono solitamente dotati di un dispositivo di lubrificazione a olio per impedire all'olio proveniente dalla scatola del cuscinetto di entrare nella scatola di espansione. Per applicazioni speciali dei compander utilizzati nell'industria degli idrocarburi, i sistemi di lubrificazione a olio e gas di tenuta sono in genere progettati secondo le specifiche API 617 [5] Parte 4.
Azionamento a frequenza variabile (VFD). Quando il generatore è a induzione, un VFD viene in genere attivato per adattare il segnale di corrente alternata (CA) alla frequenza di rete. In genere, i progetti basati su azionamenti a frequenza variabile presentano un'efficienza complessiva superiore rispetto ai progetti che utilizzano riduttori o altri componenti meccanici. I sistemi basati su VFD possono anche adattarsi a una gamma più ampia di variazioni di processo che possono comportare variazioni nella velocità dell'albero dell'espansore.
Trasmissione. Alcuni modelli di espansori utilizzano un riduttore per ridurre la velocità dell'espansore alla velocità nominale del generatore. Il costo dell'utilizzo di un riduttore si traduce in una minore efficienza complessiva e quindi in una minore potenza erogata.
Quando si prepara una richiesta di preventivo (RFQ) per un espansore, l'ingegnere di processo deve innanzitutto determinare le condizioni operative, comprese le seguenti informazioni:
Gli ingegneri meccanici spesso completano le specifiche dei generatori a espansione e le specifiche tecniche utilizzando dati provenienti da altre discipline ingegneristiche. Questi input possono includere quanto segue:
Le specifiche devono includere anche un elenco dei documenti e dei disegni forniti dal produttore come parte della procedura di gara e l'ambito della fornitura, nonché le procedure di prova applicabili come richiesto dal progetto.
Le informazioni tecniche fornite dal produttore nell'ambito della procedura di gara dovrebbero generalmente includere i seguenti elementi:
Se un aspetto della proposta differisce dalle specifiche originali, il produttore deve anche fornire un elenco delle deviazioni e le relative motivazioni.
Una volta ricevuta una proposta, il team di sviluppo del progetto deve esaminare la richiesta di conformità e determinare se le variazioni sono tecnicamente giustificate.
Altre considerazioni tecniche da tenere in considerazione quando si valutano le proposte includono:
Infine, è necessario effettuare un'analisi economica. Poiché diverse opzioni possono comportare costi iniziali diversi, si consiglia di eseguire un'analisi del flusso di cassa o del costo del ciclo di vita per confrontare l'economicità a lungo termine del progetto e il ritorno sull'investimento. Ad esempio, un investimento iniziale più elevato può essere compensato nel lungo termine da una maggiore produttività o da una riduzione dei requisiti di manutenzione. Per istruzioni su questo tipo di analisi, consultare la sezione "Riferimenti". 4.
Tutte le applicazioni con turboespansore-generatore richiedono un calcolo iniziale della potenza potenziale totale per determinare la quantità totale di energia disponibile che può essere recuperata in una particolare applicazione. Per un turboespansore-generatore, la potenza potenziale viene calcolata come un processo isentropico (a entropia costante). Questa è la situazione termodinamica ideale per considerare un processo adiabatico reversibile senza attrito, ma è anche il processo corretto per stimare il potenziale energetico effettivo.
L'energia potenziale isentropica (IPP) si calcola moltiplicando la differenza di entalpia specifica all'ingresso e all'uscita del turboespansore e moltiplicando il risultato per la portata massica. Questa energia potenziale sarà espressa come una grandezza isentropica (Equazione (1)):
IPP = (hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
dove h(i,e) è l'entalpia specifica tenendo conto della temperatura di uscita isentropica e ṁ è la portata massica.
Sebbene l'energia potenziale isentropica possa essere utilizzata per stimare l'energia potenziale, tutti i sistemi reali comportano perdite di energia per attrito, calore e altre perdite accessorie. Pertanto, nel calcolo del potenziale di potenza effettivo, è necessario considerare i seguenti dati di input aggiuntivi:
Nella maggior parte delle applicazioni con turboespansore, la temperatura è limitata al minimo per prevenire problemi indesiderati come il congelamento delle tubazioni menzionato in precedenza. Dove scorre gas naturale, gli idrati sono quasi sempre presenti, il che significa che la tubazione a valle di un turboespansore o di una valvola a farfalla si congela internamente ed esternamente se la temperatura di uscita scende al di sotto di 0 °C. La formazione di ghiaccio può causare una limitazione del flusso e, in definitiva, l'arresto del sistema per sbrinamento. Pertanto, la temperatura di uscita "desiderata" viene utilizzata per calcolare uno scenario di potenza potenziale più realistico. Tuttavia, per gas come l'idrogeno, il limite di temperatura è molto più basso perché l'idrogeno non passa dallo stato gassoso a quello liquido fino a raggiungere la temperatura criogenica (-253 °C). Utilizzare questa temperatura di uscita desiderata per calcolare l'entalpia specifica.
È inoltre necessario considerare l'efficienza del sistema turboespansore. A seconda della tecnologia utilizzata, l'efficienza del sistema può variare significativamente. Ad esempio, un turboespansore che utilizza un riduttore per trasferire l'energia rotazionale dalla turbina al generatore subirà maggiori perdite per attrito rispetto a un sistema che utilizza la trasmissione diretta dalla turbina al generatore. L'efficienza complessiva di un sistema turboespansore è espressa in percentuale e viene presa in considerazione nella valutazione della potenza potenziale effettiva del turboespansore. La potenza potenziale effettiva (PP) è calcolata come segue:
PP = (hinlet – uscita) × ṁ x ṅ (2)
Esaminiamo l'applicazione della riduzione della pressione del gas naturale. ABC gestisce e gestisce una stazione di riduzione della pressione che trasporta il gas naturale dalla conduttura principale e lo distribuisce ai comuni locali. In questa stazione, la pressione di ingresso del gas è di 40 bar e la pressione di uscita è di 8 bar. La temperatura del gas in ingresso preriscaldato è di 35 °C, che preriscalda il gas per evitare il congelamento della conduttura. Pertanto, la temperatura del gas in uscita deve essere controllata in modo che non scenda al di sotto di 0 °C. In questo esempio, utilizzeremo 5 °C come temperatura minima di uscita per aumentare il fattore di sicurezza. La portata volumetrica normalizzata del gas è di 50.000 Nm³/h. Per calcolare la potenza potenziale, supporremo che tutto il gas fluisca attraverso il turboespansore e calcoleremo la potenza massima in uscita. Stimiamo la potenza potenziale totale utilizzando il seguente calcolo: