Gli espansori possono utilizzare la riduzione della pressione per guidare le macchine rotanti. Le informazioni su come valutare i potenziali vantaggi dell'installazione di un estensione sono disponibili qui.
In genere nell'industria del processo chimico (CPI), "una grande quantità di energia viene sprecata nelle valvole di controllo della pressione in cui i fluidi ad alta pressione devono essere depressizzati" [1]. A seconda di vari fattori tecnici ed economici, può essere desiderabile convertire questa energia in energia meccanica rotante, che può essere utilizzata per guidare generatori o altre macchine rotanti. Per i fluidi incomprimibili (liquidi), ciò si ottiene utilizzando una turbina di recupero di energia idraulica (HPRT; vedere il riferimento 1). Per i liquidi comprimibili (gas), un espansore è una macchina adatta.
Gli espansori sono una tecnologia matura con molte applicazioni di successo come il cracking catalitico fluido (FCC), la refrigerazione, le valvole di città di gas naturale, la separazione dell'aria o le emissioni di scarico. In linea di principio, qualsiasi flusso di gas con una pressione ridotta può essere utilizzato per guidare un espansore, ma "la produzione di energia è direttamente proporzionale al rapporto di pressione, alla temperatura e alla portata del flusso di gas" [2], nonché fattibilità tecnica ed economica. Expander Implementation: il processo dipende da questi e altri fattori, come i prezzi dell'energia locale e la disponibilità del produttore di attrezzature adeguate.
Sebbene il turboexpander (funzionante in modo simile a una turbina) sia il tipo più noto di espansore (Figura 1), esistono altri tipi adatti per diverse condizioni di processo. Questo articolo introduce i principali tipi di espansori e loro componenti e sintetizza come i gestori delle operazioni, i consulenti o i revisori energetici in varie divisioni CPI possano valutare i potenziali benefici economici e ambientali dell'installazione di un espansore.
Esistono molti tipi diversi di bande di resistenza che variano notevolmente nella geometria e nella funzione. I tipi principali sono mostrati nella Figura 2 e ogni tipo viene brevemente descritto di seguito. Per ulteriori informazioni, nonché i grafici che confrontano lo stato operativo di ciascun tipo in base a diametri specifici e velocità specifiche, consultare l'aiuto. 3.
Pistone turboexpander. I turboxpande a pistone e rotante a pistone operano come un motore di combustione interna a rotazione inversa, assorbendo il gas ad alta pressione e convertendo la sua energia immagazzinata in energia rotazionale attraverso l'albero motore.
Trascina l'espansore turbo. L'espansore della turbina del freno è costituito da una camera di flusso concentrica con pinne a secchio attaccate alla periferia dell'elemento rotante. Sono progettati allo stesso modo delle ruote d'acqua, ma la sezione trasversale delle camere concentriche aumenta dall'ingresso all'altra, consentendo all'espansione del gas.
Turboexpander radiale. I turboxpander a flusso radiale hanno un'ingresso assiale e una presa radiale, che consente al gas di espandersi radialmente attraverso la girante della turbina. Allo stesso modo, le turbine a flusso assiale espandono il gas attraverso la ruota della turbina, ma la direzione del flusso rimane parallela all'asse di rotazione.
Questo articolo si concentra su turboxpanders radiali e assiali, discutendo dei loro vari sottotipi, componenti e economia.
Un turboexpander estrae energia da un flusso di gas ad alta pressione e lo converte in un carico di azionamento. In genere il carico è un compressore o un generatore collegato a un albero. Un turboexpander con un compressore comprime il fluido in altre parti del flusso di processo che richiede fluido compresso, aumentando così l'efficienza complessiva dell'impianto usando energia che altrimenti viene sprecata. Un turboexpander con un carico del generatore converte l'energia in elettricità, che può essere utilizzato in altri processi dell'impianto o restituito alla rete locale in vendita.
I generatori turboexpander possono essere dotati di un albero di trasmissione diretto dalla ruota della turbina al generatore o attraverso un cambio che riduce efficacemente la velocità di ingresso dalla ruota della turbina al generatore attraverso un rapporto di marcia. I turbanders Direct Drive offrono vantaggi in termini di efficienza, impronta e costi di manutenzione. I turboxpanders del cambio sono più pesanti e richiedono un'impronta maggiore, apparecchiature ausiliarie di lubrificazione e manutenzione regolare.
I turboxpander di flusso-through possono essere realizzati sotto forma di turbine radiali o assiali. Gli espansori a flusso radiale contengono un'ingresso assiale e un'uscita radiale in modo tale che il flusso di gas esca dalla turbina radialmente dall'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 palette della guida di ingresso alla ruota dell'espansore, con l'area della sezione trasversale della camera di espansione aumentando gradualmente per mantenere una velocità costante.
Un generatore turboexpander è costituito da tre componenti principali: una ruota a turbina, cuscinetti speciali e un generatore.
Ruota della turbina. Le ruote a turbina sono spesso progettate specificamente per ottimizzare l'efficienza aerodinamica. Le variabili dell'applicazione che influenzano la progettazione della ruota della turbina includono la pressione di ingresso/uscita, la temperatura di ingresso/uscita, il flusso di volume e le proprietà del fluido. Quando il rapporto di compressione è troppo alto per essere ridotto in una fase, è richiesto un Turboexpander con ruote a turbina multipla. Sia le ruote a turbina radiale che quella assiale possono essere progettate come multi-stage, ma le ruote a turbina assiale hanno una lunghezza assiale molto più corta e sono quindi più compatte. Le turbine a flusso radiale a più stadi richiedono che il gas fluisca da assiale a radiale e ritorno a assiale, creando perdite di attrito più elevate rispetto alle turbine a flusso assiale.
cuscinetti. Il design del cuscinetto è fondamentale per il funzionamento efficiente di un turboexpander. I tipi di cuscinetti relativi ai disegni di turboexpander variano ampiamente e possono includere cuscinetti dell'olio, cuscinetti a film liquidi, cuscinetti a sfere tradizionali e cuscinetti magnetici. Ogni metodo ha i suoi vantaggi e svantaggi, come mostrato nella Tabella 1.
Molti produttori di turboexpander selezionano i cuscinetti magnetici come "cuscinetto di scelta" a causa dei loro vantaggi unici. I cuscinetti magnetici garantiscono un funzionamento privo di attriti dei componenti dinamici del turboexpander, riducendo significativamente i costi operativi e di manutenzione nel corso della vita della macchina. Sono inoltre progettati per resistere a una vasta gamma di carichi assiali e radiali e condizioni eccessive. I loro costi iniziali più elevati sono compensati da costi di ciclo di vita molto più bassi.
dinamo. Il generatore prende l'energia rotazionale della turbina e la converte in un utile energia elettrica usando un generatore elettromagnetico (che può essere un generatore di induzione o un generatore di magneti permanente). I generatori di induzione hanno una velocità nominale più bassa, quindi le applicazioni di turbine ad alta velocità richiedono un cambio, ma possono essere progettati per abbinare la frequenza della griglia, eliminando la necessità di un'unità di frequenza variabile (VFD) per fornire l'elettricità generata. I generatori di magneti permanenti, d'altra parte, possono essere direttamente accoppiati alla turbina e trasmettere l'alimentazione alla griglia attraverso un'unità di frequenza variabile. Il generatore è progettato per fornire la massima potenza in base alla potenza dell'albero disponibile nel sistema.
Sigilli. Il sigillo è anche un componente critico quando si progetta un sistema turboexpander. Per mantenere un'elevata efficienza e soddisfare gli standard ambientali, i sistemi devono essere sigillati per prevenire potenziali perdite di gas di processo. I turboexpanders possono essere dotati di sigilli dinamici o statici. Le guarnizioni dinamiche, come guarnizioni labirinti e guarnizioni a gas secco, forniscono una guarnizione attorno a un albero rotante, in genere tra la ruota della turbina, i cuscinetti e il resto della macchina in cui si trova il generatore. Le tenute dinamiche si consumano nel tempo e richiedono manutenzione e ispezione regolari per assicurarsi che funzionino correttamente. Quando tutti i componenti TurboExpander sono contenuti in un unico alloggiamento, è possibile utilizzare sigilli statici per proteggere eventuali cavi che escono dall'alloggiamento, incluso il generatore, le unità di cuscinetti magnetici o i 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 primario per l'installazione di un espansore consiste nell'offerta di gas comprimibile (non condensabile) ad alta pressione a un sistema a bassa pressione con flusso sufficiente, caduta di pressione e utilizzo per mantenere il normale funzionamento dell'apparecchiatura. I parametri operativi vengono mantenuti a livello sicuro ed efficiente.
In termini di funzione di riduzione della pressione, l'espansore può essere utilizzato per sostituire la valvola Joule-Thomson (JT), nota anche come valvola a farfalla. Poiché la valvola JT si muove lungo un percorso isentropico e l'espansore si muove lungo un percorso quasi isentropico, quest'ultimo riduce l'entalpia del gas e converte la differenza di entalpia nella potenza dell'albero, producendo così una temperatura di uscita inferiore rispetto alla valvola JT. Ciò è utile nei processi criogenici in cui l'obiettivo è ridurre la temperatura del gas.
Se esiste un limite inferiore alla temperatura del gas di uscita (ad esempio, in una stazione di decompressione in cui la temperatura del gas deve essere mantenuta al di sopra del congelamento, dell'idratazione o della temperatura minima del materiale), è necessario aggiungere almeno un riscaldatore. controllare la temperatura del gas. Quando il preriscaldatore si trova a monte dell'espansore, anche parte dell'energia del gas di alimentazione viene recuperata nell'espansore, aumentando così la sua potenza. In alcune configurazioni in cui è richiesto il controllo della temperatura delle uscite, dopo l'espansore può essere installato un secondo riscaldamento per fornire un controllo più rapido.
In Fig. La Figura 3 mostra un diagramma semplificato del diagramma di flusso generale di un generatore di espansori con preriscaldamento usato 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 "comandanti", di solito hanno fasi di espansione e compressione collegate da uno o più alberi, che possono anche includere un cambio per regolare la differenza di velocità tra le due fasi. Può anche includere un motore aggiuntivo per fornire maggiore energia alla fase 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 al funzionamento di continuare quando il turboexpander non funziona (ad esempio, per manutenzione o un'emergenza), mentre la valvola di riduzione della pressione viene utilizzata per il funzionamento continuo per fornire gas in eccesso quando il flusso totale supera la capacità di progettazione dell'espansore.
Valvola di spegnimento di emergenza (ESD). Le valvole ESD vengono utilizzate per bloccare il flusso di gas nell'espansore in emergenza per evitare danni meccanici.
Strumenti e controlli. Le variabili importanti da monitorare includono pressione di ingresso e uscita, portata, velocità di rotazione e potenza.
Guidare a velocità eccessiva. Il dispositivo interrompe il flusso sulla turbina, causando il rallentamento del rotore della turbina, proteggendo così l'attrezzatura da velocità eccessive a causa di condizioni di processo impreviste che potrebbero danneggiare l'attrezzatura.
Valvola di sicurezza della pressione (PSV). I PSV sono spesso installati dopo un TurboExpander per proteggere le condutture e le attrezzature a bassa pressione. Il PSV deve essere progettato per resistere alle contingenze più gravi, che in genere includono l'apertura del fallimento 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 il PSV esistente fornisce una protezione adeguata.
Stufa. I riscaldatori compensano la caduta di temperatura causata dal gas che passa attraverso la turbina, quindi il gas deve essere preriscaldato. La sua funzione principale è aumentare la temperatura del flusso di gas in aumento per mantenere la temperatura del gas lasciando l'espansione al di sopra di un valore minimo. Un altro vantaggio di aumentare la temperatura è aumentare la produzione di potenza e prevenire la corrosione, la condensa o gli idrati che potrebbero influenzare negativamente gli ugelli dell'attrezzatura. Nei sistemi contenenti scambiatori di calore (come mostrato nella Figura 3), la temperatura del gas è generalmente controllata regolando il flusso di liquido riscaldato nel preriscaldatore. In alcuni design, è possibile utilizzare un riscaldatore di fiamma o un riscaldatore elettrico al posto di uno scambiatore di calore. I riscaldatori possono già esistere in una stazione di valvole JT esistente e l'aggiunta di un espansore potrebbe non richiedere l'installazione di riscaldatori aggiuntivi, ma piuttosto aumentare il flusso di fluido riscaldato.
Sistemi di gas di olio e guarnizioni lubrificanti. Come accennato in precedenza, gli espansori possono utilizzare diversi progetti di tenuta, che possono richiedere lubrificanti e gas di sigillatura. Laddove applicabile, l'olio lubrificante deve mantenere alta qualità e purezza quando è in contatto con i gas di processo e il livello di viscosità dell'olio deve rimanere all'interno dell'intervallo operativo richiesto di cuscinetti lubrificati. I sistemi di gas sigillati sono generalmente dotati di un dispositivo di lubrificazione dell'olio per impedire all'olio dalla scatola del cuscinetto di entrare nella scatola di espansione. Per le applicazioni speciali dei compander utilizzati nell'industria dell'idrocarburi, i sistemi di gas olio e gas di tenuta sono in genere progettati per le specifiche API 617 [5] Parte 4.
Azionamento a frequenza variabile (VFD). Quando il generatore è induzione, un VFD viene generalmente acceso per regolare il segnale di corrente alternata (AC) per abbinare la frequenza di utilità. In genere, i progetti basati su unità a frequenza variabile hanno una maggiore efficienza complessiva rispetto ai progetti che utilizzano cambi o altri componenti meccanici. I sistemi basati su VFD possono anche soddisfare una gamma più ampia di cambiamenti di processo che possono comportare cambiamenti nella velocità dell'albero dell'espansore.
Trasmissione. Alcuni disegni di espansione usano un cambio per ridurre la velocità dell'espansore alla velocità nominale del generatore. Il costo dell'utilizzo di un cambio è un'efficienza complessiva inferiore e quindi una potenza inferiore.
Quando si prepara una richiesta di citazione (RFQ) per un espansore, l'ingegnere di processo deve prima determinare le condizioni operative, comprese le seguenti informazioni:
Gli ingegneri meccanici completano spesso le specifiche e le specifiche del generatore di espansione utilizzando i dati di altre discipline ingegneristiche. Questi input possono includere quanto segue:
Le specifiche devono anche includere un elenco di documenti e disegni forniti dal produttore come parte del processo di gara e dell'ambito di fornitura, nonché le procedure di test applicabili come richiesto dal progetto.
Le informazioni tecniche fornite dal produttore come parte del processo di gara dovrebbero generalmente includere i seguenti elementi:
Se qualsiasi aspetto della proposta differisce dalle specifiche originali, il produttore deve anche fornire un elenco di deviazioni e le ragioni delle deviazioni.
Una volta ricevuta una proposta, il team di sviluppo del progetto deve rivedere la richiesta di conformità e determinare se le varianze sono tecnicamente giustificate.
Altre considerazioni tecniche da considerare 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 dei costi del flusso di cassa o del ciclo di vita per confrontare l'economia a lungo termine del progetto e il ritorno sugli investimenti. Ad esempio, un investimento iniziale più elevato può essere compensato a lungo termine mediante una maggiore produttività o una riduzione dei requisiti di manutenzione. Vedere "Riferimenti" per le istruzioni su questo tipo di analisi. 4.
Tutte le applicazioni del generatore di turboexpander richiedono un calcolo iniziale di potenza potenziale totale per determinare la quantità totale di energia disponibile che può essere recuperata in una particolare applicazione. Per un generatore di TurboExpander, il potenziale di potenza viene calcolato come processo isentropico (entropia costante). Questa è la situazione termodinamica ideale per considerare senza attrito un processo adiabatico reversibile, ma è il processo corretto per stimare il potenziale energetico effettivo.
L'energia potenziale isentropica (IPP) viene calcolata moltiplicando la differenza di entalpia specifica nell'ingresso e l'uscita del turboexpander e moltiplicando il risultato per la portata di massa. Questa energia potenziale sarà espressa come una quantità isentropica (equazione (1)):
IPP = (Hinlet - H (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Dove H (i, E) è l'entalpia specifica che tiene conto della temperatura di uscita isentropica e ṁ è la portata di massa.
Sebbene l'energia potenziale isentropica possa essere utilizzata per stimare l'energia potenziale, tutti i sistemi reali coinvolgono attrito, calore e altre perdite di energia accessoria. Pertanto, quando si calcola il potenziale di potenza effettivo, dovrebbero essere presi in considerazione i seguenti dati di input aggiuntivi:
Nella maggior parte delle applicazioni TurboExpander, la temperatura è limitata al minimo per prevenire problemi indesiderati come il congelamento del tubo menzionato in precedenza. Laddove i flussi di gas naturale, gli idrati sono quasi sempre presenti, il che significa che la conduttura a valle di un turbanatore o una valvola a farfalla si congelerà internamente ed esternamente se la temperatura di uscita scende al di sotto di 0 ° C. La formazione di ICE può comportare una restrizione di flusso e infine chiudere il sistema per scongelare. 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 cambia da gas a liquido fino a raggiungere la temperatura criogenica (-253 ° C). Usa questa temperatura di uscita desiderata per calcolare l'entalpia specifica.
Anche l'efficienza del sistema TurboExpander deve essere considerata. A seconda della tecnologia utilizzata, l'efficienza del sistema può variare in modo significativo. Ad esempio, un TurboExpander che utilizza un ingranaggio di riduzione per trasferire l'energia di rotazione dalla turbina al generatore avvertirà maggiori perdite di attrito rispetto a un sistema che utilizza una guida diretta dalla turbina al generatore. L'efficienza complessiva di un sistema TurboExpander è espressa in percentuale e viene presa in considerazione quando si valuta il potenziale di potenza effettivo del TurboExpander. Il potenziale di potenza effettivo (PP) viene calcolato come segue:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Diamo un'occhiata all'applicazione del sollievo dalla pressione del gas naturale. La ABC opera e mantiene una stazione di riduzione della pressione che trasporta il gas naturale dal tubo 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 di ingresso preriscaldata è di 35 ° C, che preriscalda il gas per impedire il congelamento della tubazione. Pertanto, la temperatura del gas di uscita deve essere controllata in modo che non scenda al di sotto di 0 ° C. In questo esempio useremo 5 ° C come temperatura di uscita minima per aumentare il fattore di sicurezza. La portata di gas volumetrica normalizzata è di 50.000 nm3/h. Per calcolare il potenziale di potenza, assumeremo che tutti i flussi di gas attraverso l'espansore turbo e calcoleremo la potenza massima. Stimare il potenziale totale dell'uscita di potenza utilizzando il seguente calcolo:
Tempo post: maggio-25-2024