Els expansors poden utilitzar la reducció de pressió per accionar màquines rotatives. Podeu trobar informació sobre com avaluar els possibles beneficis d'instal·lar un extensor aquí.
Normalment, a la indústria de processos químics (CPI), "es malgasta una gran quantitat d'energia en vàlvules de control de pressió on s'han de despressuritzar fluids d'alta pressió" [1]. Depenent de diversos factors tècnics i econòmics, pot ser desitjable convertir aquesta energia en energia mecànica rotativa, que es pot utilitzar per impulsar generadors o altres màquines rotatives. Per a fluids incompressibles (líquids), això s'aconsegueix mitjançant una turbina de recuperació d'energia hidràulica (HPRT; vegeu la referència 1). Per a líquids compressibles (gasos), un expansor és una màquina adequada.
Els expansors són una tecnologia madura amb moltes aplicacions reeixides com ara el craqueig catalític fluid (FCC), la refrigeració, les vàlvules de gas natural de ciutat, la separació d'aire o les emissions d'escapament. En principi, qualsevol corrent de gas amb pressió reduïda es pot utilitzar per impulsar un expansor, però "la producció d'energia és directament proporcional a la relació de pressió, la temperatura i el cabal del corrent de gas" [2], així com a la viabilitat tècnica i econòmica. Implementació de l'expansor: El procés depèn d'aquests i altres factors, com ara els preus locals de l'energia i la disponibilitat d'equips adequats per part del fabricant.
Tot i que el turboexpansor (que funciona de manera similar a una turbina) és el tipus d'expansor més conegut (Figura 1), n'hi ha d'altres tipus adequats per a diferents condicions de procés. Aquest article presenta els principals tipus d'expansors i els seus components i resumeix com els gestors d'operacions, els consultors o els auditors energètics de diverses divisions de CPI poden avaluar els possibles beneficis econòmics i ambientals de la instal·lació d'un expansor.
Hi ha molts tipus diferents de bandes de resistència que varien molt en geometria i 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 en funció de diàmetres i velocitats específics, consulteu l'Ajuda. 3.
Turboexpansor de pistó. Els turboexpansors de pistó i pistó 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 turboexpansor. L'expansor de la turbina de fre consisteix en una cambra de flux concèntrica amb aletes de cubell unides a la perifèria de l'element giratori. Estan dissenyades de la mateixa manera que les rodes hidràuliques, però la secció transversal de les cambres concèntriques augmenta des de l'entrada fins a la sortida, permetent que el gas s'expandeixi.
Turboexpansor radial. Els turboexpansors de flux radial tenen una entrada axial i una sortida radial, cosa que permet que el gas s'expandeixi radialment a través del rotor de la turbina. De la mateixa manera, les turbines de flux axial expandeixen el gas a través de la roda de la turbina, però la direcció del flux roman paral·lela a l'eix de rotació.
Aquest article se centra en els turboexpansors radials i axials, i analitza els seus diversos subtipus, components i aspectes econòmics.
Un turboexpansor extreu energia d'un corrent de gas a alta pressió i la converteix en una càrrega d'accionament. Normalment, la càrrega és un compressor o generador connectat a un eix. Un turboexpansor amb un compressor comprimeix el fluid en altres parts del corrent del procés que requereixen fluid comprimit, augmentant així l'eficiència general de la planta mitjançant l'ús d'energia que d'altra manera es malgastaria. Un turboexpansor amb una càrrega de generador converteix l'energia en electricitat, que es pot utilitzar en altres processos de la planta o retornar a la xarxa local per a la seva venda.
Els turboexpansors poden estar equipats amb un eix d'accionament directe des de la roda de la turbina fins al generador o mitjançant una caixa de canvis que redueix eficaçment la velocitat d'entrada des de la roda de la turbina fins al generador mitjançant una relació de transmissió. Els turboexpansors d'accionament directe ofereixen avantatges en eficiència, espai i costos de manteniment. Els turboexpansors de caixa de canvis són més pesats i requereixen un espai més gran, equips auxiliars de lubricació i un manteniment regular.
Els turboexpansors de flux continu es poden fabricar 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 des 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 energia del flux de gas a través de les pales guia d'entrada fins a la roda expansora, amb l'àrea de la secció transversal de la cambra d'expansió augmentant gradualment per mantenir una velocitat constant.
Un generador turboexpansor 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 les rodes de turbina inclouen la pressió d'entrada/sortida, la temperatura d'entrada/sortida, el cabal volumètric i les propietats del fluid. Quan la relació de compressió és massa alta per reduir-la en una etapa, es requereix un turboexpansor amb múltiples rodes de turbina. Tant les rodes de turbina radials com les axials es poden dissenyar com a multietapa, però les rodes de turbina axials tenen una longitud axial molt més curta i, per tant, són més compactes. Les turbines de flux radial multietapa requereixen que el gas flueixi de l'axial al radial i torni a l'axial, creant pèrdues per fricció més elevades que les turbines de flux axial.
coixinets. El disseny dels coixinets és fonamental per al funcionament eficient d'un turboexpansor. Els tipus de coixinets relacionats amb els dissenys de turboexpansors varien molt i poden incloure coixinets d'oli, coixinets de pel·lícula líquida, coixinets de boles tradicionals i coixinets magnètics. Cada mètode té els seus propis avantatges i desavantatges, tal com es mostra a la Taula 1.
Molts fabricants de turboexpansors seleccionen els coixinets magnètics com el seu "coixinet preferit" a causa dels seus avantatges únics. Els coixinets magnètics garanteixen un funcionament sense fricció dels components dinàmics del turboexpansor, reduint significativament els costos operatius i de manteniment durant la vida útil de la màquina. També estan dissenyats per suportar una àmplia gamma de càrregues axials i radials i condicions de sobretensió. Els seus costos inicials més elevats es compensen amb costos del cicle de vida molt més baixos.
dinamo. 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 permanents). Els generadors d'inducció tenen una velocitat nominal 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'un variador de freqüència (VFD) per subministrar l'electricitat generada. Els generadors d'imants permanents, en canvi, es poden acoblar directament a l'eix de la turbina i transmetre energia a la xarxa a través d'un variador de freqüència. El generador està dissenyat per subministrar la màxima potència en funció de la potència de l'eix disponible al sistema.
Segells. El segellat també és un component crític a l'hora de dissenyar un sistema de turboexpansor. Per mantenir una alta eficiència i complir amb els estàndards mediambientals, els sistemes han d'estar segellats per evitar possibles fuites de gas del procés. Els turboexpansors poden estar equipats amb segells dinàmics o estàtics. Els segells dinàmics, com ara els segells de laberint i els segells de gas sec, proporcionen un segellat 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 temps i requereixen un manteniment i una inspecció regulars per garantir que funcionen correctament. Quan tots els components del turboexpansor estan continguts en una sola carcassa, es poden utilitzar segells estàtics per protegir qualsevol cable que surti de la carcassa, inclosos els del generador, els accionaments de coixinets magnètics o els sensors. Aquests segells hermètics proporcionen una protecció permanent contra les fuites de gas i no requereixen manteniment ni reparació.
Des del punt de vista del procés, el requisit principal per instal·lar un expansor és subministrar gas compressible (no condensable) a alta pressió a un sistema de baixa pressió amb un flux, una caiguda de pressió i una utilització suficients per mantenir el funcionament normal de l'equip. Els paràmetres de funcionament es mantenen a un nivell segur i eficient.
Pel que fa a la funció de reducció de pressió, l'expansor es pot utilitzar per substituir la vàlvula Joule-Thomson (JT), també coneguda com a vàlvula d'estrangulament. Com que la vàlvula JT es mou al llarg d'una trajectòria isentròpica i l'expansor es mou al llarg d'una trajectòria gairebé isentròpica, aquest últim redueix l'entalpia del gas i converteix la diferència d'entalpia en potència a l'eix, produint així una temperatura de sortida més baixa que 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 mínima de disseny del material), s'ha d'afegir com a mínim un escalfador. Controlar la temperatura del gas. Quan el preescalfador es troba aigües amunt de l'expansor, part de l'energia del gas d'alimentació també es recupera a l'expansor, augmentant així la seva potència de sortida. En algunes configuracions on es requereix el control de la temperatura de sortida, es pot instal·lar un segon reescalfador després de l'expansor per proporcionar un control més ràpid.
A la figura 3 es mostra un diagrama simplificat del diagrama de flux general d'un generador expansor amb preescalfador utilitzat per substituir una vàlvula JT.
En altres configuracions de procés, l'energia recuperada a 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 garanteixen el funcionament correcte i l'estabilitat del sistema.
Vàlvula de derivació o vàlvula reductora de pressió. La vàlvula de derivació permet que el funcionament continuï quan el turboexpansor no està funcionant (per exemple, per manteniment o una emergència), mentre que la vàlvula reductora de pressió s'utilitza per al funcionament continu per subministrar l'excés de gas quan el cabal total supera la capacitat de disseny de l'expansor.
Vàlvula de tancament 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 a controlar inclouen la pressió d'entrada i sortida, el cabal, la velocitat de rotació i la potència de sortida.
Conducció a velocitat excessiva. El dispositiu talla el flux a la turbina, fent que el rotor de la turbina disminueixi la velocitat i protegint així l'equip de velocitats excessives a causa de condicions de procés inesperades que podrien danyar l'equip.
Vàlvula de seguretat de pressió (PSV). Les PSV sovint s'instal·len després d'un turboexpansor per protegir les canonades i els equips de baixa pressió. La PSV ha d'estar dissenyada per suportar les contingències més greus, que normalment inclouen la fallada d'obertura de la vàlvula de derivació. Si s'afegeix un expansor a una estació de reducció de pressió existent, l'equip de disseny del procés ha de determinar si la 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 del flux de gas ascendent per mantenir la temperatura del gas que surt de l'expansor per sobre d'un valor mínim. Un altre avantatge d'augmentar la temperatura és augmentar la potència de sortida, així com prevenir la corrosió, la condensació o els hidrats que podrien afectar negativament les boquilles dels equips. En sistemes que contenen intercanviadors de calor (com es mostra a la Figura 3), la temperatura del gas normalment es controla regulant el 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 vàlvules JT existent, i afegir un expansor pot no requerir la instal·lació d'escalfadors addicionals, sinó augmentar el flux de fluid escalfat.
Sistemes d'oli lubricant i gas de segellat. Com s'ha esmentat anteriorment, els expansors poden utilitzar diferents dissenys de segellat, que poden requerir lubricants i gasos de segellat. Quan sigui aplicable, l'oli lubricant ha de mantenir una alta qualitat i puresa quan estigui en contacte amb els gasos del procés, i el nivell de viscositat de l'oli ha de romandre dins del rang de funcionament requerit dels coixinets lubricats. Els sistemes de gas segellat solen estar equipats amb un dispositiu de lubricació d'oli per evitar que l'oli de la caixa del coixinet entri a la caixa d'expansió. Per a aplicacions especials de compressors utilitzats a la indústria dels hidrocarburs, els sistemes d'oli lubricant i gas de segellat solen estar dissenyats segons les especificacions de la part 4 de l'API 617 [5].
Accionament de freqüència variable (VFD). Quan el generador és d'inducció, normalment s'activa un VFD per ajustar el senyal de corrent altern (CA) perquè coincideixi amb la freqüència de la xarxa elèctrica. Normalment, els dissenys basats en accionaments de freqüència variable tenen una eficiència global més alta que els dissenys que utilitzen caixes de canvis o altres components mecànics. Els sistemes basats en VFD també poden adaptar-se a una gamma més àmplia de canvis de procés que poden provocar canvis en la velocitat de l'eix expansor.
Transmissió. Alguns dissenys d'expansors 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 menor eficiència general i, per tant, una menor potència de sortida.
Quan es prepara una sol·licitud de pressupost (RFQ) per a un expansor, l'enginyer de processos ha de determinar primer les condicions de funcionament, incloent-hi la informació següent:
Els enginyers mecànics sovint completen les especificacions dels generadors expansors i les especificacions utilitzant dades d'altres disciplines d'enginyeria. Aquestes aportacions poden incloure el següent:
Les especificacions també han d'incloure una llista dels 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 segons ho requereixi 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 les desviacions i els motius de les desviacions.
Un cop rebuda una proposta, l'equip de desenvolupament del projecte ha de revisar la sol·licitud per verificar el compliment dels requisits i determinar si les variacions estan tècnicament justificades.
Altres aspectes tècnics a tenir en compte a l'hora d'avaluar les propostes són:
Finalment, cal dur a terme una anàlisi econòmica. Com que les diferents opcions poden comportar costos inicials diferents, es recomana realitzar una anàlisi del flux de caixa o del cost del cicle de vida per comparar l'economia a llarg termini del projecte i el retorn de la inversió. Per exemple, una inversió inicial més alta es pot compensar a llarg termini amb un augment de la productivitat o una reducció dels requisits de manteniment. Vegeu "Referències" per obtenir instruccions sobre aquest tipus d'anàlisi. 4.
Totes les aplicacions de turboexpansor-generador requereixen un càlcul inicial de potència potencial total per determinar la quantitat total d'energia disponible que es pot recuperar en una aplicació concreta. Per a un turboexpansor-generador, 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 energètic real.
L'energia potencial isentròpica (IPP) es calcula multiplicant la diferència d'entalpia específica a l'entrada i a la sortida del turboexpansor i multiplicant el resultat pel cabal màssic. 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 màssic.
Tot i que l'energia potencial isentròpica es pot utilitzar per estimar l'energia potencial, tots els sistemes reals impliquen fricció, calor i altres pèrdues d'energia auxiliars. Per tant, a l'hora de calcular el potencial de potència real, cal tenir en compte les dades d'entrada addicionals següents:
En la majoria d'aplicacions de turboexpansors, la temperatura es limita al mínim per evitar problemes no desitjats com la congelació de les canonades esmentades anteriorment. On flueix gas natural, gairebé sempre hi ha hidrats, cosa que significa que la canonada aigües avall d'un turboexpansor o una vàlvula d'acceleració es congelarà internament i externament si la temperatura de sortida baixa per sota dels 0 °C. La formació de gel pot provocar una restricció del flux i, en última instància, aturar el sistema per descongelar-lo. Per tant, 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 més baix perquè l'hidrogen no canvia de gas a líquid fins que arriba a la temperatura criogènica (-253 °C). Utilitzeu aquesta temperatura de sortida desitjada per calcular l'entalpia específica.
També cal tenir en compte l'eficiència del sistema turboexpansor. Segons la tecnologia utilitzada, l'eficiència del sistema pot variar significativament. Per exemple, un turboexpansor que utilitza un engranatge reductor per transferir energia de rotació de la turbina al generador experimentarà pèrdues per fricció més grans que un sistema que utilitza un accionament directe de la turbina al generador. L'eficiència global d'un sistema turboexpansor s'expressa com a percentatge i es té en compte a l'hora d'avaluar el potencial de potència real del turboexpansor. 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 de la canonada principal i el distribueix als municipis locals. En aquesta estació, la pressió d'entrada del gas és de 40 bar i la pressió de sortida és de 8 bar. La temperatura del gas d'entrada preescalfat és de 35 °C, cosa que preescalfa el gas per evitar la congelació de la canonada. Per tant, la temperatura del gas de sortida s'ha de controlar perquè no baixi de 0 °C. En aquest exemple, utilitzarem 5 °C com a temperatura mínima de sortida per augmentar el factor de seguretat. El cabal volumètric de gas normalitzat és de 50.000 Nm3/h. Per calcular el potencial de potència, suposarem que tot el gas flueix a través del turboexpansor i calcularem la potència màxima de sortida. Estima el potencial de potència total de sortida mitjançant el càlcul següent:
Data de publicació: 25 de maig de 2024