Painealennuksen avulla laajentimet voivat käyttää pyöriviä koneita. Tietoa laajentimen asentamisen mahdollisten hyötyjen arvioinnista löytyy täältä.
Kemianprosessiteollisuudessa (CPI) tyypillisesti "suuri määrä energiaa menee hukkaan paineensäätöventtiileissä, joissa korkeapaineiset nesteet on paineistettava" [1]. Erilaisista teknisistä ja taloudellisista tekijöistä riippuen voi olla toivottavaa muuntaa tämä energia pyöriväksi mekaaniseksi energiaksi, jota voidaan käyttää generaattoreiden tai muiden pyörivien koneiden käyttämiseen. Kokoonpuristumattomille nesteille (nesteille) tämä saavutetaan käyttämällä hydraulista energian talteenottoturbiinia (HPRT; katso viite 1). Kokoonpuristuville nesteille (kaasuille) sopiva kone on paisuntakone.
Paisuntalaitteet ovat kypsä teknologia, jolla on monia menestyksekkäitä sovelluksia, kuten nestekatalyyttinen krakkaus (FCC), jäähdytys, maakaasun kaupunkiventtiilit, ilmanerotus tai pakokaasupäästöt. Periaatteessa mitä tahansa alennetussa paineessa olevaa kaasuvirtaa voidaan käyttää paisuntalaitteen käyttämiseen, mutta "energiantuotto on suoraan verrannollinen kaasuvirran painesuhteeseen, lämpötilaan ja virtausnopeuteen" [2] sekä tekniseen ja taloudelliseen toteutettavuuteen. Paisuntalaitteen toteutus: Prosessi riippuu näistä ja muista tekijöistä, kuten paikallisista energian hinnoista ja valmistajan sopivien laitteiden saatavuudesta.
Vaikka turboekspanderi (joka toimii samalla tavalla kuin turbiini) on tunnetuin ekspanderityyppi (kuva 1), on olemassa myös muita tyyppejä, jotka sopivat erilaisiin prosessiolosuhteisiin. Tässä artikkelissa esitellään ekspanderien päätyypit ja niiden komponentit sekä esitetään yhteenveto siitä, miten eri kuluttajahintaindeksin osastojen operatiiviset johtajat, konsultit tai energiaauditoijat voivat arvioida ekspanderin asentamisen mahdollisia taloudellisia ja ympäristöhyötyjä.
Vastusnauhoja on monenlaisia, ja niiden geometria ja toiminta vaihtelevat suuresti. Päätyypit on esitetty kuvassa 2, ja kutakin tyyppiä kuvataan lyhyesti alla. Lisätietoja sekä kaavioita, jotka vertailevat kunkin tyypin toimintatilaa tiettyjen halkaisijoiden ja nopeuksien perusteella, on Ohjeessa. 3.
Mäntäturbopaisunta. Mäntä- ja kiertomäntäturbopaisuntamoottorit toimivat kuin vastakkaiseen suuntaan pyörivä polttomoottori, joka absorboi korkeapaineista kaasua ja muuntaa sen varastoiman energian pyörimisenergiaksi kampiakselin kautta.
Raahaa turbopaisunta. Jarruturbiinipaisunta koostuu samankeskisestä virtauskammiosta, jonka pyörivän elementin kehään on kiinnitetty kauhaeviä. Ne on suunniteltu samalla tavalla kuin vesirattaat, mutta samankeskisten kammioiden poikkileikkaus kasvaa sisääntulosta ulostuloon, mikä mahdollistaa kaasun laajenemisen.
Radiaalinen turbiinipaisunta. Radiaalisella virtauksella toimivissa turbiinipaisuntajärjestelmissä on aksiaalinen sisääntulo ja radiaalinen ulostulo, joiden ansiosta kaasu voi laajentua radiaalisesti turbiinipyörän läpi. Vastaavasti aksiaalivirtausturbiinit laajentavat kaasua turbiinipyörän läpi, mutta virtaussuunta pysyy pyörimisakselin suuntaisena.
Tämä artikkeli keskittyy radiaalisiin ja aksiaalisiin turbopaisuntapumppuihin ja käsittelee niiden eri alatyyppejä, komponentteja ja taloudellisia ominaisuuksia.
Turboekspanderi ottaa energiaa korkeapaineisesta kaasuvirrasta ja muuntaa sen käyttökuormaksi. Tyypillisesti kuorma on akseliin kytketty kompressori tai generaattori. Kompressorilla varustettu turbopekspanderi puristaa nestettä prosessivirran muissa osissa, jotka tarvitsevat puristettua nestettä, mikä lisää laitoksen kokonaistehokkuutta käyttämällä muuten hukkaan menevää energiaa. Generaattorikuormalla varustettu turbopekspanderi muuntaa energian sähköksi, jota voidaan käyttää muissa laitoksen prosesseissa tai palauttaa paikalliseen verkkoon myyntiin.
Turbopaisuntageneraattorit voidaan varustaa joko suoralla käyttöakselilla turbiinipyörästä generaattoriin tai vaihteiston kautta, joka tehokkaasti vähentää syöttönopeutta turbiinipyörästä generaattoriin välityssuhteen avulla. Suoravetoiset turbopaisuntageneraattorit tarjoavat etuja tehokkuuden, tilantarpeen ja ylläpitokustannusten suhteen. Vaihteistoturbopaisuntageneraattorit ovat painavampia ja vaativat suuremman tilantarpeen, voitelua, apulaitteita ja säännöllistä huoltoa.
Läpivirtausturbiinipaisunta voidaan valmistaa radiaalisten tai aksiaalisten turbiinien muodossa. Radiaaliset virtauspaisuntalaitteet sisältävät aksiaalisen sisääntulon ja radiaalisen ulostulon siten, että kaasuvirtaus poistuu turbiinista radiaalisesti pyörimisakselista. Aksiaaliset turbiinit mahdollistavat kaasun virtauksen aksiaalisesti pyörimisakselia pitkin. Aksiaaliturbiinit ottavat energiaa kaasuvirtauksesta sisääntulo-ohjaussiipien kautta paisuntapyörään, jolloin paisuntakammion poikkileikkauspinta-ala kasvaa vähitellen vakionopeuden ylläpitämiseksi.
Turbopaisuntageneraattori koostuu kolmesta pääkomponentista: turbiinipyörästä, erikoislaakereista ja generaattorista.
Turbiinipyörä. Turbiinipyörät suunnitellaan usein erityisesti aerodynaamisen tehokkuuden optimoimiseksi. Turbiinipyörän suunnitteluun vaikuttavia sovellusmuuttujia ovat imu-/paluupaine, imu-/paluulämpötila, tilavuusvirtaus ja nesteen ominaisuudet. Kun puristussuhde on liian korkea alennettavaksi yhdessä vaiheessa, tarvitaan useilla turbiinipyörillä varustettu turbiinipaisunta. Sekä radiaaliset että aksiaaliset turbiinipyörät voidaan suunnitella monivaiheisiksi, mutta aksiaalisten turbiinipyörien aksiaalipituus on paljon lyhyempi ja siksi ne ovat kompaktimpia. Monivaiheiset radiaalivirtausturbiinit vaativat kaasun virtaavan aksiaalisuunnasta radiaalisuunnassa ja takaisin aksiaalisuunnassa, mikä aiheuttaa suurempia kitkahäviöitä kuin aksiaalivirtausturbiinit.
laakerit. Laakerien suunnittelu on ratkaisevan tärkeää turbiinipaisuntalaitteen tehokkaalle toiminnalle. Turbiinipaisuntalaitteiden rakenteisiin liittyvät laakerityypit vaihtelevat suuresti ja voivat sisältää öljylaakerit, nestekalvolaakerit, perinteiset kuulalaakerit ja magneettilaakerit. Jokaisella menetelmällä on omat etunsa ja haittansa, kuten taulukosta 1 käy ilmi.
Monet turbiinipaisuntakoneiden valmistajat valitsevat magneettilaakerit "valituksi laakerikseen" niiden ainutlaatuisten etujensa vuoksi. Magneettilaakerit varmistavat turbiinipaisuttimen dynaamisten komponenttien kitkattoman toiminnan, mikä vähentää merkittävästi käyttö- ja ylläpitokustannuksia koneen käyttöiän aikana. Ne on myös suunniteltu kestämään laaja valikoima aksiaalisia ja säteittäisiä kuormia ja ylikuormitusolosuhteita. Niiden korkeammat alkukustannukset kompensoituvat huomattavasti alhaisemmilla elinkaarikustannuksilla.
dynamo. Generaattori ottaa turbiinin pyörimisenergian ja muuntaa sen hyödylliseksi sähköenergiaksi sähkömagneettisen generaattorin avulla (joka voi olla induktiogeneraattori tai kestomagneettigeneraattori). Induktiogeneraattoreilla on alhaisempi nimellisnopeus, joten suurnopeusturbiinisovellukset vaativat vaihteiston, mutta ne voidaan suunnitella vastaamaan verkon taajuutta, jolloin ei tarvita taajuusmuuttajaa (VFD) tuotetun sähkön syöttämiseksi. Pysyvät magneettigeneraattorit puolestaan voidaan kytkeä suoraan akselille turbiiniin ja siirtää tehoa verkkoon taajuusmuuttajan kautta. Generaattori on suunniteltu tuottamaan maksimaalinen teho järjestelmässä käytettävissä olevan akselitehon perusteella.
Tiivisteet. Tiiviste on myös kriittinen osa turbiinipaisuntajärjestelmän suunnittelussa. Korkean hyötysuhteen ylläpitämiseksi ja ympäristöstandardien täyttämiseksi järjestelmät on tiivistettävä mahdollisten prosessikaasuvuotojen estämiseksi. Turbiinipaisuntalaitteet voidaan varustaa dynaamisilla tai staattisilla tiivisteillä. Dynaamiset tiivisteet, kuten labyrinttitiivisteet ja kuivakaasutiivisteet, tarjoavat tiivistyksen pyörivän akselin ympärille, tyypillisesti turbiinipyörän, laakereiden ja muun koneen välille, jossa generaattori sijaitsee. Dynaamiset tiivisteet kuluvat ajan myötä ja vaativat säännöllistä huoltoa ja tarkastusta sen varmistamiseksi, että ne toimivat oikein. Kun kaikki turbiinipaisuntajärjestelmän komponentit ovat yhdessä kotelossa, staattisia tiivisteitä voidaan käyttää suojaamaan kaikkia kotelosta lähteviä johtoja, mukaan lukien generaattoriin, magneettilaakerikäyttöihin tai antureihin menevät johdot. Nämä ilmatiiviit tiivisteet tarjoavat pysyvän suojan kaasuvuotoja vastaan eivätkä vaadi huoltoa tai korjausta.
Prosessin kannalta ensisijainen vaatimus paisuntalaitteen asentamiselle on syöttää korkeapaineista kokoonpuristuvaa (ei-tiivistyvää) kaasua matalapainejärjestelmään riittävällä virtauksella, painehäviöllä ja käyttöasteella laitteiston normaalin toiminnan ylläpitämiseksi. Käyttöparametrit pidetään turvallisella ja tehokkaalla tasolla.
Paineenalennustoiminnon osalta ekspanderia voidaan käyttää korvaamaan Joule-Thomson (JT) -venttiiliä, joka tunnetaan myös kuristusventtiilinä. Koska JT-venttiili liikkuu isentrooppista rataa pitkin ja ekspanderi lähes isentrooppista rataa pitkin, jälkimmäinen pienentää kaasun entalpiaa ja muuntaa entalpiaeron akselitehoksi, jolloin ulostulolämpötila on alhaisempi kuin JT-venttiilillä. Tämä on hyödyllistä kryogeenisissä prosesseissa, joissa tavoitteena on alentaa kaasun lämpötilaa.
Jos ulostulevan kaasun lämpötilalle on alaraja (esimerkiksi dekompressioasemalla, jossa kaasun lämpötila on pidettävä jäätymispisteen, hydraatiopisteen tai materiaalin vähimmäislämpötilan yläpuolella), on lisättävä vähintään yksi lämmitin. kaasun lämpötilan säätämiseksi. Kun esilämmitin sijaitsee paisuttimen yläpuolella, osa syöttökaasun energiasta otetaan talteen myös paisuttimessa, mikä lisää sen tehoa. Joissakin kokoonpanoissa, joissa ulostulolämpötilan säätöä tarvitaan, paisuttimen jälkeen voidaan asentaa toinen lämmitin nopeamman säädön aikaansaamiseksi.
Kuvassa Kuva 3 on yksinkertaistettu kaavio JT-venttiilin korvaavan paisuntageneraattorin ja esilämmittimen yleisestä vuokaaviosta.
Muissa prosessikokoonpanoissa paisuntalaitteessa talteen otettu energia voidaan siirtää suoraan kompressoriin. Näissä koneissa, joita joskus kutsutaan "komentajiksi", on yleensä paisunta- ja puristusvaiheet, jotka on yhdistetty yhdellä tai useammalla akselilla, joihin voi kuulua myös vaihteisto kahden vaiheen välisen nopeuseron säätämiseksi. Se voi myös sisältää lisämoottorin, joka tarjoaa enemmän tehoa puristusvaiheelle.
Alla on lueteltu joitakin tärkeimpiä komponentteja, jotka varmistavat järjestelmän moitteettoman toiminnan ja vakauden.
Ohitusventtiili tai paineenalennusventtiili. Ohitusventtiili mahdollistaa toiminnan jatkumisen, kun turbopaisunta ei ole toiminnassa (esimerkiksi huollon tai hätätilanteen aikana), kun taas paineenalennusventtiiliä käytetään jatkuvaan toimintaan ylimääräisen kaasun syöttämiseksi, kun kokonaisvirtaus ylittää paisuntalaitteen suunnitellun kapasiteetin.
Hätäsulkuventtiili (ESD). ESD-venttiilejä käytetään estämään kaasun virtaus laajentimeen hätätilanteessa mekaanisten vaurioiden välttämiseksi.
Mittarit ja säätimet. Tärkeitä seurattavia muuttujia ovat tulo- ja lähtöpaine, virtausnopeus, pyörimisnopeus ja teho.
Ajaminen liian suurella nopeudella. Laite katkaisee virtauksen turbiiniin, jolloin turbiinin roottori hidastuu ja suojaa siten laitteistoa odottamattomien prosessiolosuhteiden aiheuttamilta liian suurilta nopeuksilta, jotka voisivat vahingoittaa laitteistoa.
Paineenalennusventtiili (PSV). PSV:t asennetaan usein turbopaisuntaventtiilin jälkeen suojaamaan putkistoja ja matalapainelaitteita. PSV on suunniteltava kestämään vakavimmatkin tilanteet, joihin tyypillisesti kuuluu ohitusventtiilin avautumisen epäonnistuminen. Jos paisuntaventtiili lisätään olemassa olevaan paineenalennusasemaan, prosessisuunnittelutiimin on määritettävä, tarjoaako olemassa oleva PSV riittävän suojan.
Lämmitin. Lämmittimet kompensoivat turbiinin läpi kulkevan kaasun aiheuttamaa lämpötilan laskua, joten kaasu on esilämmitettävä. Niiden päätehtävänä on nostaa nousevan kaasuvirran lämpötilaa, jotta paisuntalaitteesta lähtevän kaasun lämpötila pysyisi tietyn minimiarvon yläpuolella. Lämpötilan nostamisen toinen etu on tehon lisääminen sekä korroosion, kondensaation tai hydraattien estämisen, jotka voisivat vaikuttaa haitallisesti laitteiden suuttimiin. Lämmönvaihtimia sisältävissä järjestelmissä (kuten kuvassa 3 on esitetty) kaasun lämpötilaa säädetään yleensä säätämällä lämmitetyn nesteen virtausta esilämmittimeen. Joissakin malleissa lämmönvaihtimen sijasta voidaan käyttää liekkilämmitintä tai sähkölämmitintä. Lämmittimet voivat olla jo olemassa olevassa JT-venttiiliasemassa, ja paisuntalaitteen lisääminen ei välttämättä vaadi lisälämmittimien asentamista, vaan pikemminkin lämmitetyn nesteen virtauksen lisäämistä.
Voiteluöljy- ja tiivistekaasujärjestelmät. Kuten edellä mainittiin, paisuntajärjestelmissä voidaan käyttää erilaisia tiivisterakenteita, jotka saattavat vaatia voiteluaineita ja tiivistekaasuja. Voiteluöljyn on tarvittaessa oltava laadukasta ja puhdasta joutuessaan kosketuksiin prosessikaasujen kanssa, ja öljyn viskositeettitason on pysyttävä voideltujen laakereiden vaaditulla käyttöalueella. Suljetut kaasujärjestelmät on yleensä varustettu öljyvoitelulaitteella, joka estää öljyn pääsyn laakeripesästä paisuntapesään. Hiilivetyteollisuudessa käytettävien kompanderien erityissovelluksissa voiteluöljy- ja tiivistekaasujärjestelmät suunnitellaan tyypillisesti API 617 [5] Part 4 -spesifikaatioiden mukaisesti.
Taajuusmuuttaja (VFD). Kun generaattori on induktiivinen, taajuusmuuttaja kytketään tyypillisesti päälle säätämään vaihtovirtasignaalia (AC) vastaamaan verkkovirran taajuutta. Tyypillisesti taajuusmuuttajiin perustuvilla malleilla on parempi kokonaishyötysuhde kuin malleilla, jotka käyttävät vaihteistoja tai muita mekaanisia komponentteja. Taajuusmuuttajapohjaiset järjestelmät voivat myös mukautua laajempaan valikoimaan prosessimuutoksia, jotka voivat johtaa muutoksiin laajennusakselin nopeudessa.
Vaihteisto. Joissakin ekspanderimalleissa käytetään vaihteistoa ekspanderin nopeuden alentamiseksi generaattorin nimellisnopeuteen. Vaihteiston käytön kustannuksina on alhaisempi kokonaishyötysuhde ja siten alhaisempi teho.
Tarjouspyyntöä (RFQ) laajennuslaitteelle laatiessaan prosessi-insinöörin on ensin määritettävä käyttöolosuhteet, mukaan lukien seuraavat tiedot:
Koneinsinöörit laativat usein laajennusgeneraattorin tekniset tiedot ja spesifikaatiot käyttämällä tietoja muilta tekniikan aloilta. Näihin syötteisiin voivat kuulua seuraavat:
Spesifikaatioiden on sisällettävä myös luettelo valmistajan tarjouskilpailun osana toimittamista asiakirjoista ja piirustuksista sekä toimituslaajuus ja projektin edellyttämät sovellettavat testausmenettelyt.
Valmistajan tarjouskilpailun osana toimittamien teknisten tietojen tulisi yleensä sisältää seuraavat tiedot:
Jos ehdotus poikkeaa joltain osin alkuperäisistä eritelmistä, valmistajan on toimitettava myös luettelo poikkeamista ja poikkeamien syistä.
Kun ehdotus on vastaanotettu, projektin kehitystiimin on tarkistettava pyyntö vaatimustenmukaisuuden varmistamiseksi ja määritettävä, ovatko poikkeamat teknisesti perusteltuja.
Muita ehdotuksia arvioitaessa huomioon otettavia teknisiä näkökohtia ovat:
Lopuksi on tehtävä taloudellinen analyysi. Koska eri vaihtoehdot voivat johtaa erilaisiin alkukustannuksiin, on suositeltavaa tehdä kassavirta- tai elinkaarikustannusanalyysi, jotta voidaan vertailla projektin pitkän aikavälin taloudellisuutta ja sijoitetun pääoman tuottoa. Esimerkiksi suurempi alkuinvestointi voi pitkällä aikavälillä kompensoitua lisääntyneellä tuottavuudella tai vähentyneillä huoltotarpeilla. Katso ohjeet tämän tyyppiseen analyysiin kohdasta ”Viitteet”. 4.
Kaikki turbohöyrystin-generaattorisovellukset vaativat alustavan kokonaispotentiaalitehon laskennan, jotta voidaan määrittää tietyssä sovelluksessa talteenotettavan käytettävissä olevan energian kokonaismäärä. Turbohöyrystingeneraattorin tehopotentiaali lasketaan isentrooppisena (vakio entropia) prosessina. Tämä on ihanteellinen termodynaaminen tilanne tarkasteltaessa palautuvaa adiabaattista prosessia ilman kitkaa, mutta se on oikea prosessi todellisen energiapotentiaalin arvioimiseksi.
Isentrooppinen potentiaalienergia (IPP) lasketaan kertomalla turbiinipaisuttimen sisääntulon ja ulostulon ominaisentalpiaerotus massavirtauksella. Tämä potentiaalienergia ilmaistaan isentrooppisena suureena (yhtälö (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
jossa h(i,e) on ominaisentalpia, joka ottaa huomioon isentrooppisen ulostulolämpötilan, ja ṁ on massavirtausnopeus.
Vaikka isentrooppista potentiaalienergiaa voidaan käyttää potentiaalienergian arvioimiseen, kaikkiin todellisiin järjestelmiin liittyy kitkaa, lämpöä ja muita sivuenergiahäviöitä. Näin ollen todellista tehopotentiaalia laskettaessa on otettava huomioon seuraavat lisätiedot:
Useimmissa turbohöyrystimesovelluksissa lämpötila rajoitetaan minimiin, jotta vältetään ei-toivotut ongelmat, kuten aiemmin mainittu putkien jäätyminen. Maakaasun virtauksessa hydraatteja on lähes aina läsnä, mikä tarkoittaa, että turbohöyrystimen tai kuristusventtiilin alavirtaan oleva putkisto jäätyy sisäisesti ja ulkoisesti, jos ulostulolämpötila laskee alle 0 °C:n. Jään muodostuminen voi johtaa virtauksen rajoittumiseen ja lopulta pysäyttää järjestelmän sulatusta varten. Näin ollen "haluttua" ulostulolämpötilaa käytetään realistisemman potentiaalisen tehoskenaarion laskemiseen. Kaasuille, kuten vedylle, lämpötilaraja on kuitenkin paljon alhaisempi, koska vety ei muutu kaasusta nesteeksi, ennen kuin se saavuttaa kryogeenisen lämpötilan (-253 °C). Käytä tätä haluttua ulostulolämpötilaa ominaisentalpian laskemiseen.
Myös turbiinipaisuntajärjestelmän hyötysuhde on otettava huomioon. Järjestelmän hyötysuhde voi vaihdella merkittävästi käytetystä teknologiasta riippuen. Esimerkiksi turbiinipaisunta, joka käyttää alennusvaihdetta pyörimisenergian siirtämiseen turbiinista generaattoriin, kokee suurempia kitkahäviöitä kuin järjestelmä, joka käyttää suoraa voimansiirtoa turbiinista generaattoriin. Turbiinipaisuntajärjestelmän kokonaishyötysuhde ilmaistaan prosentteina ja se otetaan huomioon turbiinipaisuttimen todellista tehopotentiaalia arvioitaessa. Todellinen tehopotentiaali (PP) lasketaan seuraavasti:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Tarkastellaan maakaasun paineenalennusjärjestelmän käyttöä. ABC käyttää ja ylläpitää paineenalennusasemaa, joka kuljettaa maakaasua pääputkesta ja jakelee sitä paikallisille kunnille. Tällä asemalla kaasun tulopaine on 40 bar ja lähtöpaine 8 bar. Esilämmitetyn tulokaasun lämpötila on 35 °C, mikä esilämmittää kaasun putken jäätymisen estämiseksi. Siksi lähtökaasun lämpötilaa on säädettävä siten, ettei se laske alle 0 °C:n. Tässä esimerkissä käytämme 5 °C:ta vähimmäislähtölämpötilana turvallisuuskertoimen lisäämiseksi. Normalisoitu kaasun tilavuusvirtausnopeus on 50 000 Nm3/h. Tehopotentiaalin laskemiseksi oletamme, että kaikki kaasu virtaa turbopaisuntalaitteen läpi, ja laskemme maksimitehon. Arvioi kokonaistehopotentiaali seuraavalla laskutoimituksella:
Julkaisun aika: 25.5.2024