Els expansors poden utilitzar la reducció de la pressió per conduir màquines rotatives. Podeu trobar informació sobre com avaluar els avantatges potencials de la instal·lació d’un extensor.
Típicament a la indústria del procés químic (IPC), "es malgasta una gran quantitat d'energia a les vàlvules de control de pressió on els líquids d'alta pressió han de desprimir -se" [1]. Segons diversos factors tècnics i econòmics, pot ser desitjable convertir aquesta energia en energia mecànica giratòria, que es pot utilitzar per conduir generadors o altres màquines rotatives. Per als líquids incompressibles (líquids), això s’aconsegueix mitjançant una turbina de recuperació d’energia hidràulica (HPRT; vegeu la referència 1). Per a líquids compressibles (gasos), un expandidor és una màquina adequada.
Els expandents són una tecnologia madura amb moltes aplicacions amb èxit com ara esquerdament catalític de fluids (FCC), refrigeració, vàlvules de la ciutat de gas natural, separació de l’aire o emissions d’escapament. En principi, qualsevol flux de gas amb pressió reduïda es pot utilitzar per impulsar un expansor, però “la sortida d’energia és directament proporcional a la relació de pressió, la temperatura i el cabal del flux de gas” [2], així com la viabilitat tècnica i econòmica. Implementació de l'expansió: el procés depèn d'aquests i d'altres factors, com ara els preus de l'energia locals i la disponibilitat del fabricant d'equips adequats.
Tot i que el turboexpander (que funciona de manera similar a una turbina) és el tipus d’expansor més conegut (figura 1), hi ha altres tipus adequats per a diferents condicions de procés. Aquest article introdueix els principals tipus d'expansors i els seus components i resumeix com els gestors d'operacions, consultors o auditors d'energia en diverses divisions de l'IPC poden avaluar els potencials avantatges econòmics i ambientals d'instal·lar un expandidor.
Hi ha molts tipus diferents de bandes de resistència que varien molt en la geometria i la funció. Els tipus principals es mostren a la figura 2 i cada tipus es descriu breument a continuació. Per obtenir més informació, així com gràfics que comparen l’estat de funcionament de cada tipus basat en diàmetres específics i velocitats específiques, vegeu Help. 3.
Pistó Turboexpander. Els turboexpanders de pistó i rotatiu funcionen com un motor de combustió interna de rotació inversa, absorbint gas a alta pressió i convertint la seva energia emmagatzemada en energia de rotació a través del cigonyal.
Arrossegueu el Turbo Expander. L’ampliador de la turbina de fre consisteix en una cambra de flux concèntrica amb aletes de la galleda unida a la perifèria de l’element giratori. Estan dissenyats de la mateixa manera que les rodes d’aigua, però la secció transversal de les cambres concèntriques augmenta de l’entrada a la sortida, permetent que el gas s’expandeixi.
Turboexpander radial. Els turboexpanders de flux radial tenen una entrada axial i una sortida radial, permetent que el gas s’expandeixi radialment a través del impulsor de la turbina. De la mateixa manera, les turbines de flux axial amplien el gas a través de la roda de la turbina, però la direcció del flux es manté paral·lela a l’eix de rotació.
Aquest article se centra en turboexpanders radials i axials, discutint els seus diversos subtipus, components i economia.
Un turboexpander extreu energia d’un flux de gas d’alta pressió i el converteix en una càrrega d’accionament. Normalment la càrrega és un compressor o generador connectat a un eix. Un turboexpander amb un compressor comprimeix fluids en altres parts del flux de procés que requereixen líquid comprimit, augmentant així l’eficiència global de la planta mitjançant l’energia que es malgasta d’una altra manera. Un turboexpander amb càrrega generadora converteix l’energia en electricitat, que es pot utilitzar en altres processos vegetals o retornat a la xarxa local per a la venda.
Els generadors turboexpander es poden equipar amb un eix de tracció directa des de la roda de la turbina fins al generador, o bé a través d’una caixa de canvis que redueix efectivament la velocitat d’entrada de la roda de la turbina al generador mitjançant una relació d’engranatges. Els turboexpanders de la unitat directa ofereixen avantatges en els costos de l'eficiència, la petjada i el manteniment. Els turboexpanders de caixa de canvis són més pesats i requereixen una petjada més gran, equips auxiliars de lubricació i manteniment regular.
Els turboexpanders de flux es poden fer en forma de turbines radials o axials. Els expansors de flux radial contenen una entrada axial i una sortida radial de manera que el flux de gas surt de la turbina radialment de l’eix de rotació. Les turbines axials permeten que el gas flueixi axialment al llarg de l’eix de rotació. Les turbines de flux axial extreuen l’energia del flux de gas a través de la guia d’entrada a la roda expandida, amb l’àrea de secció transversal de la cambra d’expansió que augmenta gradualment per mantenir una velocitat constant.
Un generador turboexpander consta de tres components principals: una roda de turbina, coixinets especials i un generador.
Roda de turbina. Les rodes de turbina sovint es dissenyen específicament per optimitzar l'eficiència aerodinàmica. Les variables d’aplicació que afecten el disseny de la roda de la turbina inclouen la pressió d’entrada/sortida, la temperatura d’entrada/sortida, el flux de volum i les propietats del fluid. Quan la proporció de compressió és massa alta per reduir -se en una etapa, cal un turboexpander amb múltiples rodes de turbina. Tant les rodes de turbina radial com axial es poden dissenyar com a múltiples etapes, però les rodes de turbina axial tenen una longitud axial molt més curta i, per tant, són més compactes. Les turbines de flux radial en diversos llocs requereixen que el gas flueixi des de l’axial fins a la radial i l’esquena a l’axial, creant pèrdues de fricció més elevades que les turbines de flux axial.
coixinets. El disseny del suport és fonamental per al funcionament eficient d’un turboexpander. Els tipus de rodament relacionats amb els dissenys de Turboexpander varien àmpliament i poden incloure coixinets d’oli, coixinets de pel·lícules líquides, coixinets tradicionals de boles i coixinets magnètics. Cada mètode té els seus propis avantatges i desavantatges, tal com es mostra a la taula 1.
Molts fabricants de Turboexpander seleccionen coixinets magnètics com a “rodament d’elecció” a causa dels seus avantatges únics. Els coixinets magnètics asseguren el funcionament lliure de fricció dels components dinàmics del turboexpander, reduint significativament els costos de funcionament i manteniment durant la vida de la màquina. També estan dissenyats per suportar una àmplia gamma de càrregues axials i radials i condicions de sobrecàrrega. Els seus costos inicials més elevats es compensen amb els costos del cicle de vida molt més baixos.
Dynamo. El generador agafa l’energia de rotació de la turbina i la converteix en energia elèctrica útil mitjançant un generador electromagnètic (que pot ser un generador d’inducció o un generador d’imants permanent). Els generadors d’inducció tenen una velocitat més baixa, de manera que les aplicacions de turbines d’alta velocitat requereixen una caixa de canvis, però es poden dissenyar per adaptar -se a la freqüència de la xarxa, eliminant la necessitat d’una unitat de freqüència variable (VFD) per subministrar l’electricitat generada. Els generadors d’imants permanents, d’altra banda, es poden acoblar directament a l’eix a la turbina i transmetre potència a la xarxa mitjançant una unitat de freqüència variable. El generador està dissenyat per oferir la màxima potència en funció de la potència de l’eix disponible al sistema.
Segells. El segell també és un component crític a l’hora de dissenyar un sistema turboexpander. Per mantenir una alta eficiència i complir els estàndards mediambientals, s’han de segellar els sistemes per evitar possibles fuites de gas de procés. Els turboexpanders poden estar equipats amb segells dinàmics o estàtics. Els segells dinàmics, com ara segells de laberint i segells de gas sec, proporcionen un segell al voltant d’un eix giratori, normalment entre la roda de la turbina, els coixinets i la resta de la màquina on es troba el generador. Els segells dinàmics es desgasten amb el pas del temps i requereixen un manteniment i una inspecció periòdics per assegurar -se que funcionen correctament. Quan tots els components turboexpander es troben en una sola carcassa, es poden utilitzar segells estàtics per protegir els cables que surten de la carcassa, inclosos al generador, unitats de rodament magnètic o sensors. Aquests segells hermètics proporcionen una protecció permanent contra les fuites de gas i no requereixen cap manteniment ni reparació.
Des del punt de vista del procés, el requisit principal per instal·lar un expansor és subministrar gas compressible (no condensable) d’alta pressió a un sistema de baixa pressió amb un flux suficient, caiguda de pressió i utilització per mantenir el funcionament normal de l’equip. Els paràmetres de funcionament es mantenen a un nivell segur i eficient.
En termes de funció de reducció de pressió, l'expansor es pot utilitzar per substituir la vàlvula Joule-Thomson (JT), també coneguda com la vàlvula de l'accelerador. Atès que la vàlvula JT es mou al llarg d’un camí isentròpic i l’expansor es mou per un camí gairebé isentròpic, aquest últim redueix l’entalpia del gas i converteix la diferència d’entalpia en potència de l’eix, produint així una temperatura de sortida inferior a la vàlvula JT. Això és útil en processos criogènics on l’objectiu és reduir la temperatura del gas.
Si hi ha un límit inferior a la temperatura del gas de sortida (per exemple, en una estació de descompressió on la temperatura del gas s’ha de mantenir per sobre de la congelació, la hidratació o la temperatura de disseny mínim de material), cal afegir almenys un escalfador. Controlar la temperatura del gas. Quan el preescalfador es troba aigües amunt de l'expansor, una part de l'energia del gas d'alimentació també es recupera a l'expansor, augmentant així la seva potència. En algunes configuracions en què es requereix el control de la temperatura de sortida, es pot instal·lar un segon reanimat després de l'expansor per proporcionar un control més ràpid.
A la figura 3, la figura 3 mostra un diagrama simplificat del diagrama de flux general d’un generador d’expansor amb preescalfador utilitzat per substituir una vàlvula JT.
En altres configuracions de procés, l’energia recuperada en l’expansor es pot transferir directament al compressor. Aquestes màquines, de vegades anomenades “comandants”, solen tenir etapes d’expansió i compressió connectades per un o més eixos, que també poden incloure una caixa de canvis per regular la diferència de velocitat entre les dues etapes. També pot incloure un motor addicional per proporcionar més potència a l’etapa de compressió.
A continuació, es mostren alguns dels components més importants que asseguren un funcionament i estabilitat adequats del sistema.
Vàlvula de reducció de la vàlvula o de la pressió. La vàlvula de bypass permet que el funcionament continuï quan el turboexpander no funciona (per exemple, per al manteniment o una emergència), mentre que la vàlvula de reducció de pressió s'utilitza per a un funcionament continu per subministrar excés de gas quan el flux total supera la capacitat de disseny de l'expansor.
Vàlvula d’apagada d’emergència (ESD). Les vàlvules ESD s’utilitzen per bloquejar el flux de gas a l’expansor en cas d’emergència per evitar danys mecànics.
Instruments i controls. Les variables importants per controlar inclouen la pressió d’entrada i la sortida, el cabal, la velocitat de rotació i la sortida de potència.
Conduir a una velocitat excessiva. El dispositiu redueix el flux a la turbina, fent que el rotor de la turbina s’alenteixi, protegint així l’equip de velocitats excessives a causa de les condicions de procés inesperades que podrien danyar l’equip.
Vàlvula de seguretat a la pressió (PSV). Els PSV sovint s’instal·len després d’un turboexpander per protegir les canonades i els equips de baixa pressió. El PSV ha de ser dissenyat per suportar les contingències més severes, que normalment inclouen el fracàs de la vàlvula de bypass a obrir -se. Si s’afegeix un expansor a una estació de reducció de pressió existent, l’equip de disseny de processos ha de determinar si el PSV existent proporciona una protecció adequada.
Escalfador. Els escalfadors compensen la caiguda de temperatura causada pel gas que passa per la turbina, de manera que el gas s’ha de preescalfar. La seva funció principal és augmentar la temperatura de l’augment del flux de gas per mantenir la temperatura del gas deixant l’expansor per sobre d’un valor mínim. Un altre avantatge de augmentar la temperatura és augmentar la producció de potència, així com prevenir la corrosió, la condensació o els hidrats que puguin afectar negativament els brocs d’equips. En els sistemes que contenen intercanviadors de calor (com es mostra a la figura 3), la temperatura del gas sol ser controlada mitjançant la regulació del flux de líquid escalfat al preescalfador. En alguns dissenys, es pot utilitzar un escalfador de flama o un escalfador elèctric en lloc d’un intercanviador de calor. Els escalfadors ja poden existir en una estació de vàlvula JT existent i afegir un expansor pot no requerir instal·lar escalfadors addicionals, sinó augmentar el flux de líquid escalfat.
Sistemes de gas i gasolina lubricant. Com s'ha esmentat anteriorment, els expansors poden utilitzar diferents dissenys de segells, que poden requerir lubricants i segellar gasos. Si escau, el petroli lubricant ha de mantenir una alta qualitat i puresa quan estigui en contacte amb els gasos de procés, i el nivell de viscositat del petroli ha de romandre dins del rang operatiu necessari de coixinets lubricats. Els sistemes de gas segellats solen estar equipats amb un dispositiu de lubricació de petroli per evitar que el petroli de la caixa del coixinet entri a la caixa d’expansió. Per a aplicacions especials de companders utilitzats en la indústria d’hidrocarburs, els sistemes de gas i petroli de lubricació normalment estan dissenyats per a les especificacions de l’API 617 [5] part 4.
Unitat de freqüència variable (VFD). Quan el generador és inducció, normalment un VFD s’encén per ajustar el senyal de corrent altern (CA) per combinar la freqüència d’utilitat. Normalment, els dissenys basats en unitats de freqüència variables tenen una eficiència global més elevada que els dissenys que utilitzen caixes de canvis o altres components mecànics. Els sistemes basats en VFD també poden acomodar una gamma més àmplia de canvis de procés que poden produir canvis en la velocitat de l’eix ampliant.
Transmissió. Alguns dissenys ampliadors utilitzen una caixa de canvis per reduir la velocitat de l'expansor a la velocitat nominal del generador. El cost d’utilitzar una caixa de canvis és una eficiència global menor i, per tant, una menor sortida de potència.
Quan es prepara una sol·licitud de cotització (RFQ) per a un expansor, l’enginyer de procés ha de determinar primer les condicions de funcionament, inclosa la informació següent:
Els enginyers mecànics solen completar les especificacions i especificacions del generador d’expansió mitjançant dades d’altres disciplines d’enginyeria. Aquestes entrades poden incloure el següent:
Les especificacions també han d’incloure una llista de documents i dibuixos proporcionats pel fabricant com a part del procés de licitació i l’abast del subministrament, així com els procediments de prova aplicables tal i com exigeix el projecte.
La informació tècnica proporcionada pel fabricant com a part del procés de licitació ha d’incloure generalment els elements següents:
Si algun aspecte de la proposta difereix de les especificacions originals, el fabricant també ha de proporcionar una llista de desviacions i els motius de les desviacions.
Un cop rebuda una proposta, l’equip de desenvolupament de projectes ha de revisar la sol·licitud de compliment i determinar si les variacions estan justificades tècnicament.
Altres consideracions tècniques a tenir en compte a l’hora d’avaluar les propostes inclouen:
Finalment, cal fer una anàlisi econòmica. Com que diferents opcions poden produir diferents costos inicials, es recomana que es realitzi una anàlisi de costos de flux de caixa o cicle de vida per comparar l’economia a llarg termini del projecte i el rendiment de la inversió. Per exemple, es pot compensar una inversió inicial més elevada a llarg termini mitjançant una major productivitat o un requisit de manteniment reduït. Consulteu "Referències" per obtenir instruccions sobre aquest tipus d'anàlisi. 4.
Totes les aplicacions Turboexpander-Generator requereixen un càlcul inicial de potencial total per determinar la quantitat total d’energia disponible que es pot recuperar en una aplicació determinada. Per a un generador turboexpander, el potencial de potència es calcula com un procés isentròpic (entropia constant). Aquesta és la situació termodinàmica ideal per considerar un procés adiabàtic reversible sense fricció, però és el procés correcte per estimar el potencial d’energia real.
L’energia potencial isentròpica (IPP) es calcula multiplicant la diferència d’entalpia específica a l’entrada i la sortida del turboexpander i multiplicant el resultat pel cabal de massa. Aquesta energia potencial s’expressarà com una quantitat isentròpica (equació (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
on h (i, e) és l’entalpia específica tenint en compte la temperatura de sortida isentròpica i ṁ és el cabal de massa.
Tot i que l’energia potencial isentròpica es pot utilitzar per estimar l’energia potencial, tots els sistemes reals comporten fricció, calor i altres pèrdues d’energia auxiliars. Així, quan es calcula el potencial de potència real, s’han de tenir en compte les dades d’entrada addicionals següents:
En la majoria de les aplicacions de Turboexpander, la temperatura es limita a un mínim per evitar problemes no desitjats com la congelació de canonades esmentada anteriorment. Quan el gas natural flueix, els hidrats són gairebé sempre presents, cosa que significa que el pipeline aigües avall d’una vàlvula turboexpander o d’acceleració es congelarà internament i externament si la temperatura de sortida baixa per sota de 0 ° C. La formació de gel pot donar lloc a la restricció de flux i, finalment, tancar el sistema per descongelar -se. Així, la temperatura de sortida "desitjada" s'utilitza per calcular un escenari de potència potencial més realista. Tanmateix, per a gasos com l’hidrogen, el límit de temperatura és molt inferior perquè l’hidrogen no canvia de gas a líquid fins que arribi a la temperatura criogènica (-253 ° C). Utilitzeu aquesta temperatura de sortida desitjada per calcular l'entalpia específica.
També s’ha de tenir en compte l’eficiència del sistema turboexpander. Segons la tecnologia utilitzada, l'eficiència del sistema pot variar significativament. Per exemple, un turboexpander que utilitza un engranatge de reducció per transferir energia de rotació de la turbina al generador experimentarà pèrdues de fricció més grans que un sistema que utilitza la conducció directa des de la turbina fins al generador. L’eficiència global d’un sistema turboexpander s’expressa en percentatge i es té en compte a l’hora de valorar el potencial de potència real del turboexpander. El potencial de potència real (PP) es calcula de la manera següent:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Vegem l’aplicació de l’alleujament de la pressió del gas natural. ABC opera i manté una estació de reducció de pressió que transporta gas natural des del canalització principal i la distribueix als municipis locals. En aquesta estació, la pressió d’entrada de gas és de 40 bar i la pressió de la sortida és de 8 bar. La temperatura del gas d’entrada preescalfada és de 35 ° C, que preescalfa el gas per evitar que es congeli el gasoducte. Per tant, la temperatura del gas de sortida s’ha de controlar de manera que no caigui per sota de 0 ° C. En aquest exemple, utilitzarem 5 ° C com a temperatura mínima de sortida per augmentar el factor de seguretat. El cabal volumètric normalitzat és de 50.000 nm3/h. Per calcular el potencial de potència, suposarem que tot el gas flueix a través de l’expansor turbo i calcula la sortida màxima de potència. Estimeu el potencial de sortida de potència total mitjançant el següent càlcul:
Posada Posada: maig-25-2024