HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO., LTD.

Plėtikliai gali naudoti slėgio mažinimą besisukančių mašinų varymui. Informacijos, kaip įvertinti galimą plėtiklio įrengimo naudą, rasite čia.
Chemijos procesų pramonėje (VPI) paprastai „didelis energijos kiekis iššvaistomas slėgio reguliavimo vožtuvuose, kur reikia sumažinti aukšto slėgio skysčių slėgį“ [1]. Priklausomai nuo įvairių techninių ir ekonominių veiksnių, gali būti pageidautina šią energiją paversti besisukančia mechanine energija, kurią galima panaudoti generatoriams ar kitoms besisukančioms mašinoms varyti. Nesuspaudžiamiems skysčiams (skysčiams) tai pasiekiama naudojant hidraulinę energijos atgavimo turbiną (HPRT; žr. 1 nuorodą). Suspaudžiamiems skysčiams (dujoms) tinkama mašina yra plėtiklis.
Plėtikliai yra brandi technologija, sėkmingai taikoma daugelyje sričių, tokių kaip skystojo katalizinio krekingo (FCC), šaldymo, gamtinių dujų vožtuvų, oro atskyrimo ar išmetamųjų teršalų išmetimo srityse. Iš principo bet koks sumažinto slėgio dujų srautas gali būti naudojamas plėtiklio varymui, tačiau „energijos išeiga yra tiesiogiai proporcinga dujų srauto slėgio santykiui, temperatūrai ir srauto greičiui“ [2], taip pat techniniam ir ekonominiam pagrįstumui. Plėtiklio įgyvendinimas: procesas priklauso nuo šių ir kitų veiksnių, tokių kaip vietinės energijos kainos ir gamintojo tinkamos įrangos prieinamumas.
Nors turboekspanderis (veikiantis panašiai kaip turbina) yra labiausiai žinomas plėtiklio tipas (1 pav.), yra ir kitų tipų, tinkamų skirtingoms proceso sąlygoms. Šiame straipsnyje pristatomi pagrindiniai plėtiklio tipai ir jų komponentai bei apibendrinama, kaip operacijų vadovai, konsultantai ar energijos auditoriai įvairiuose vartotojų kainų indekso padaliniuose gali įvertinti galimą ekonominę ir aplinkosauginę plėtiklio įrengimo naudą.
Yra daug skirtingų pasipriešinimo juostų tipų, kurios labai skiriasi geometrija ir funkcija. Pagrindiniai tipai parodyti 2 paveiksle, o kiekvienas tipas trumpai aprašytas toliau. Daugiau informacijos ir grafikų, kuriuose lyginama kiekvieno tipo veikimo būsena pagal konkrečius skersmenis ir konkrečius greičius, rasite pagalbos skiltyje. 3.
Stūmoklinis turbokompresorius. Stūmokliniai ir rotaciniai stūmokliniai turbokompresoriai veikia kaip atvirkščiai besisukantis vidaus degimo variklis, sugerdami aukšto slėgio dujas ir per alkūninį veleną paversdami jų sukauptą energiją sukimosi energija.
Tempkite turbo plėtiklį. Stabdymo turbinos plėtiklis susideda iš koncentrinės srauto kameros su prie besisukančio elemento periferijos pritvirtintomis kibiro formos pelekais. Jie suprojektuoti taip pat, kaip ir vandens ratai, tačiau koncentrinių kamerų skerspjūvis padidėja nuo įleidimo angos iki išleidimo angos, todėl dujos gali plėstis.
Radialinis turbokompresorius. Radialinio srauto turbokompresoriai turi ašinę įleidimo angą ir radialinę išleidimo angą, leidžiančią dujoms plėstis radialiai per turbinos sparnuotę. Panašiai ašinės turbinos plečia dujas per turbinos ratą, tačiau srauto kryptis išlieka lygiagreti sukimosi ašiai.
Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama radialiniams ir ašiniams turboekspanderiams, aptariant įvairius jų potipius, komponentus ir ekonomiką.
Turboekspanderis išgauna energiją iš aukšto slėgio dujų srauto ir paverčia ją pavaros apkrova. Paprastai apkrova yra kompresorius arba generatorius, prijungtas prie veleno. Turboekspanderis su kompresoriumi suspaudžia skystį kitose proceso srauto dalyse, kurioms reikalingas suslėgtas skystis, taip padidindamas bendrą įrenginio efektyvumą, panaudodamas energiją, kuri kitaip būtų švaistoma. Turboekspanderis su generatoriaus apkrova paverčia energiją elektra, kurią galima panaudoti kituose įrenginio procesuose arba grąžinti į vietinį tinklą pardavimui.
Turboeštenderiai generatoriai gali būti aprūpinti tiesioginiu pavaros velenu nuo turbinos rato iki generatoriaus arba per reduktorių, kuris efektyviai sumažina įėjimo greitį nuo turbinos rato iki generatoriaus per pavaros santykį. Tiesioginės pavaros turboeštenderiai pasižymi efektyvumu, užimamu plotu ir priežiūros sąnaudomis. Pavarų dėžės turboeštenderiai yra sunkesni ir reikalauja didesnio ploto, papildomos tepimo įrangos ir reguliarios priežiūros.
Pratekamieji turbininiai plėtikliai gali būti radialinių arba ašinių turbinų pavidalu. Radialiniai srauto plėtikliai turi ašinį įleidimo angą ir radialinį išleidimo angą, todėl dujų srautas išeina iš turbinos radialine kryptimi nuo sukimosi ašies. Ašinės turbinos leidžia dujoms tekėti ašine kryptimi išilgai sukimosi ašies. Ašinio srauto turbinos išgauna energiją iš dujų srauto per įleidimo kreipiamąsias mentes į plėtiklio ratą, o plėtimosi kameros skerspjūvio plotas palaipsniui didėja, kad būtų išlaikytas pastovus greitis.
Turbokompresorių generatorius susideda iš trijų pagrindinių komponentų: turbinos rato, specialių guolių ir generatoriaus.
Turbinos ratas. Turbinos ratai dažnai yra specialiai suprojektuoti siekiant optimizuoti aerodinaminį efektyvumą. Taikymo kintamieji, turintys įtakos turbinos rato konstrukcijai, apima įleidimo/išleidimo slėgį, įleidimo/išleidimo temperatūrą, tūrinį srautą ir skysčio savybes. Kai suspaudimo laipsnis yra per didelis, kad būtų galima sumažinti vienu etapu, reikalingas turbinos plėtiklis su keliais turbinos ratais. Tiek radialiniai, tiek ašiniai turbinos ratai gali būti suprojektuoti kaip daugiapakopiai, tačiau ašiniai turbinos ratai turi daug trumpesnį ašies ilgį ir todėl yra kompaktiškesni. Daugiapakopėms radialinio srauto turbinoms reikia, kad dujos tekėtų iš ašinės į radialinę ir atgal į ašinę, todėl susidaro didesni trinties nuostoliai nei ašinio srauto turbinoms.
guoliai. Guolių konstrukcija yra labai svarbi efektyviam turboekspanderio veikimui. Su turboekspanderių konstrukcijomis susiję guolių tipai labai skiriasi ir gali apimti alyvos guolius, skystos plėvelės guolius, tradicinius rutulinius guolius ir magnetinius guolius. Kiekvienas metodas turi savo privalumų ir trūkumų, kaip parodyta 1 lentelėje.
Daugelis turbininių plėttuvų gamintojų renkasi magnetinius guolius kaip „pasirinktus guolius“ dėl jų unikalių privalumų. Magnetiniai guoliai užtikrina turbininio plėttuvo dinaminių komponentų veikimą be trinties, žymiai sumažindami eksploatavimo ir priežiūros išlaidas per visą mašinos eksploatavimo laiką. Jie taip pat yra sukurti taip, kad atlaikytų įvairias ašines ir radialines apkrovas bei perkrovos sąlygas. Didesnę pradinę kainą atsveria daug mažesnės gyvavimo ciklo išlaidos.
Dinama. Generatorius paima turbinos sukimosi energiją ir paverčia ją naudinga elektros energija, naudodamas elektromagnetinį generatorių (kuris gali būti indukcinis generatorius arba nuolatinio magneto generatorius). Indukciniai generatoriai turi mažesnį vardinį greitį, todėl didelio greičio turbinoms reikalinga pavarų dėžė, tačiau juos galima suprojektuoti taip, kad jie atitiktų tinklo dažnį, todėl nereikia kintamo dažnio pavaros (VFD), kuri tiektų generuojamą elektros energiją. Kita vertus, nuolatinio magneto generatoriai gali būti tiesiogiai sujungti su turbina ir perduoti energiją į tinklą per kintamo dažnio pavarą. Generatorius yra suprojektuotas taip, kad tiektų maksimalią galią, atsižvelgiant į sistemoje esančią veleno galią.
Sandarikliai. Sandariklis taip pat yra labai svarbus komponentas projektuojant turbininio plėtiklio sistemą. Siekiant išlaikyti aukštą efektyvumą ir atitikti aplinkosaugos standartus, sistemos turi būti sandarios, kad būtų išvengta galimo proceso dujų nuotėkio. Turbininiai plėtikliai gali būti komplektuojami su dinaminiais arba statiniais sandarikliais. Dinaminiai sandarikliai, tokie kaip labirintiniai sandarikliai ir sausų dujų sandarikliai, sandarina besisukantį veleną, paprastai tarp turbinos rato, guolių ir likusios mašinos dalies, kurioje yra generatorius. Dinaminiai sandarikliai laikui bėgant susidėvi ir reikalauja reguliarios priežiūros bei patikros, kad būtų užtikrintas tinkamas jų veikimas. Kai visi turbininio plėtiklio komponentai yra viename korpuse, statiniai sandarikliai gali būti naudojami visiems iš korpuso išeinantiems laidams, įskaitant laidus, vedančius į generatorių, magnetinių guolių pavaras ar jutiklius, apsaugoti. Šie hermetiški sandarikliai užtikrina nuolatinę apsaugą nuo dujų nuotėkio ir nereikalauja jokios priežiūros ar remonto.
Proceso požiūriu, pagrindinis reikalavimas montuojant plėtiklį yra tiekti aukšto slėgio suspaudžiamas (nekondensuojamas) dujas į žemo slėgio sistemą, užtikrinant pakankamą srautą, slėgio kritimą ir panaudojimą, kad įranga veiktų normaliai. Darbiniai parametrai būtų palaikomi saugiu ir efektyviu lygiu.
Kalbant apie slėgio mažinimo funkciją, plėtiklis gali būti naudojamas vietoj Joule-Thomson (JT) vožtuvo, dar vadinamo droselio vožtuvu. Kadangi JT vožtuvas juda izentropiniu keliu, o plėtiklis juda beveik izentropiniu keliu, pastarasis sumažina dujų entalpiją ir entalpijos skirtumą paverčia veleno galia, taip užtikrindamas žemesnę išleidimo temperatūrą nei JT vožtuvas. Tai naudinga kriogeniniuose procesuose, kai tikslas yra sumažinti dujų temperatūrą.
Jei yra nustatyta apatinė išleidžiamų dujų temperatūros riba (pavyzdžiui, dekompresijos stotyje, kur dujų temperatūra turi būti palaikoma aukštesnė už užšalimo, hidratacijos arba minimalios medžiagos projektinės temperatūros), reikia pridėti bent vieną šildytuvą. Dujų temperatūrai reguliuoti. Kai išankstinis šildytuvas yra prieš plėtiklį, dalis energijos iš tiekiamų dujų taip pat atgaunama plėtiklyje, taip padidinant jo galią. Kai kuriose konfigūracijose, kai reikia reguliuoti išleidžiamą temperatūrą, po plėtiklio galima įrengti antrą pakartotinį šildytuvą, kad būtų užtikrintas greitesnis valdymas.
3 paveiksle parodyta supaprastinta plėtiklio generatoriaus su išankstiniu šildytuvu, naudojamo JT vožtuvui pakeisti, bendroji srauto schema.
Kitose proceso konfigūracijose plėtiklyje atgauta energija gali būti tiesiogiai perduota kompresoriui. Šios mašinos, kartais vadinamos „valdikliais“, paprastai turi plėtimosi ir suspaudimo pakopas, sujungtas vienu ar keliais velenais, kurie taip pat gali apimti pavarų dėžę, skirtą reguliuoti greičio skirtumą tarp dviejų pakopų. Ji taip pat gali apimti papildomą variklį, kuris suteiktų daugiau galios suspaudimo pakopai.
Žemiau pateikiami keli svarbiausi komponentai, užtikrinantys tinkamą sistemos veikimą ir stabilumą.
Apėjimo vožtuvas arba slėgio mažinimo vožtuvas. Apėjimo vožtuvas leidžia tęsti veikimą, kai turbokompresorius neveikia (pavyzdžiui, techninės priežiūros ar avarinės situacijos metu), o slėgio mažinimo vožtuvas naudojamas nuolatiniam veikimui, siekiant tiekti dujų perteklių, kai bendras srautas viršija plėtiklio projektinį pajėgumą.
Avarinio išjungimo vožtuvas (ESD). ESD vožtuvai naudojami dujų srautui į plėtiklį blokuoti avariniu atveju, kad būtų išvengta mechaninių pažeidimų.
Prietaisai ir valdikliai. Svarbiausi stebimi kintamieji yra įleidimo ir išleidimo slėgis, srautas, sukimosi greitis ir galia.
Važiavimas per dideliu greičiu. Įrenginys nutraukia srautą į turbiną, todėl turbinos rotorius sulėtėja ir taip apsaugo įrangą nuo per didelio greičio dėl netikėtų proceso sąlygų, kurios gali ją sugadinti.
Slėgio apsauginis vožtuvas (PSV). PSV dažnai įrengiami po turbokompresoriaus, siekiant apsaugoti vamzdynus ir žemo slėgio įrangą. PSV turi būti suprojektuotas taip, kad atlaikytų sunkiausias nenumatytas situacijas, kurios paprastai apima apeinamojo vožtuvo atidarymo gedimą. Jei prie esamos slėgio mažinimo stoties pridedamas plėtiklis, proceso projektavimo komanda turi nustatyti, ar esamas PSV užtikrina tinkamą apsaugą.
Šildytuvas. Šildytuvai kompensuoja temperatūros kritimą, kurį sukelia per turbiną praeinančios dujos, todėl dujas reikia iš anksto pašildyti. Pagrindinė jų funkcija – padidinti kylančio dujų srauto temperatūrą, kad iš plėtiklio išeinančių dujų temperatūra būtų palaikoma aukštesnė už minimalią vertę. Kitas temperatūros didinimo privalumas – padidinti galią, taip pat išvengti korozijos, kondensacijos ar hidratų, kurie galėtų neigiamai paveikti įrangos purkštukus. Sistemose, kuriose yra šilumokaičiai (kaip parodyta 3 paveiksle), dujų temperatūra paprastai kontroliuojama reguliuojant šildomo skysčio srautą į išankstinį šildytuvą. Kai kuriuose projektuose vietoj šilumokaičio galima naudoti liepsnos šildytuvą arba elektrinį šildytuvą. Šildytuvai jau gali būti esamoje JT vožtuvų stotyje, o pridėjus plėtiklį, gali nereikėti montuoti papildomų šildytuvų, o tik padidinti šildomo skysčio srautą.
Tepimo alyvos ir sandarinimo dujų sistemos. Kaip minėta pirmiau, plėtikliai gali naudoti skirtingas sandarinimo konstrukcijas, kurioms gali prireikti tepalų ir sandarinimo dujų. Kai taikoma, tepimo alyva, kontaktuodama su proceso dujomis, turi išlikti aukštos kokybės ir grynumo, o alyvos klampumo lygis turi išlikti reikiamame tepamų guolių darbiniame diapazone. Sandarios dujų sistemos paprastai turi alyvos tepimo įtaisą, kad alyva iš guolių dėžės nepatektų į plėtimosi dėžę. Specialiems angliavandenilių pramonėje naudojamų kompanderių pritaikymams tepimo alyvos ir sandarinimo dujų sistemos paprastai projektuojamos pagal API 617 [5] 4 dalies specifikacijas.
Kintamo dažnio pavara (VFD). Kai generatorius yra indukcinis, VFD paprastai įjungiamas, kad kintamosios srovės (AC) signalas atitiktų tinklo dažnį. Paprastai kintamo dažnio pavaromis pagrįstos konstrukcijos pasižymi didesniu bendru efektyvumu nei konstrukcijos, kuriose naudojamos pavarų dėžės ar kiti mechaniniai komponentai. VFD pagrindu sukurtos sistemos taip pat gali prisitaikyti prie platesnio procesų pakeitimų diapazono, dėl kurio gali pasikeisti plėtiklio veleno greitis.
Transmisija. Kai kuriuose plėtiklio modeliuose naudojama pavarų dėžė, skirta plėtiklio greičiui sumažinti iki generatoriaus vardinio greičio. Pavarų dėžės naudojimo kaina yra mažesnis bendras efektyvumas ir atitinkamai mažesnė galia.
Rengdamas plėtiklio kainos užklausą (RFQ), proceso inžinierius pirmiausia turi nustatyti eksploatavimo sąlygas, įskaitant šią informaciją:
Mechanikos inžinieriai dažnai parengia plėtiklio generatoriaus specifikacijas ir specifikacijas, naudodami duomenis iš kitų inžinerijos disciplinų. Šie įvesties duomenys gali būti šie:
Specifikacijoje taip pat turi būti pateiktas gamintojo pateiktų dokumentų ir brėžinių, kaip konkurso proceso dalis, sąrašas ir tiekimo apimtis, taip pat taikomos bandymų procedūros, kurių reikalaujama projekte.
Gamintojo pateikta techninė informacija konkurso metu paprastai turėtų apimti šiuos elementus:
Jei kuris nors pasiūlymo aspektas skiriasi nuo pradinių specifikacijų, gamintojas taip pat turi pateikti nukrypimų sąrašą ir nukrypimų priežastis.
Gavusi pasiūlymą, projekto kūrimo komanda turi peržiūrėti prašymą dėl atitikties ir nustatyti, ar nukrypimai yra techniškai pagrįsti.
Kiti techniniai aspektai, į kuriuos reikia atsižvelgti vertinant pasiūlymus, yra šie:
Galiausiai reikia atlikti ekonominę analizę. Kadangi skirtingi variantai gali lemti skirtingas pradines išlaidas, rekomenduojama atlikti pinigų srautų arba gyvavimo ciklo išlaidų analizę, kad būtų galima palyginti projekto ilgalaikę ekonomiką ir investicijų grąžą. Pavyzdžiui, didesnę pradinę investiciją ilgainiui gali atsverti padidėjęs našumas arba sumažėję priežiūros reikalavimai. Instrukcijas apie šio tipo analizę žr. skyriuje „Nuorodos“. 4.
Visiems turbodepanderių-generatorių taikymams reikalingas pradinis bendro potencialo galios skaičiavimas, siekiant nustatyti bendrą turimos energijos kiekį, kurį galima atgauti konkrečioje taikymo srityje. Turbodepanderių-generatorių galios potencialas apskaičiuojamas kaip izentropinis (pastovios entropijos) procesas. Tai ideali termodinaminė situacija, kai reikia nagrinėti grįžtamąjį adiabatinį procesą be trinties, tačiau tai yra teisingas procesas norint įvertinti tikrąjį energijos potencialą.
Izentropinė potencinė energija (IPP) apskaičiuojama padauginus savitąjį entalpijos skirtumą turboekspanderio įleidimo ir išleidimo angose ​​ir gautą rezultatą padauginus iš masės srauto greičio. Ši potencinė energija bus išreikšta kaip izentropinis dydis (1 lygtis):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
kur h(i,e) yra savitoji entalpija, atsižvelgiant į izentropinę išleidimo temperatūrą, o ṁ yra masės srautas.
Nors izentropinė potencialinė energija gali būti naudojama potencialinei energijai įvertinti, visose realiose sistemose atsiranda trinties, šilumos ir kitų pagalbinių energijos nuostolių. Todėl skaičiuojant tikrąjį galios potencialą, reikėtų atsižvelgti į šiuos papildomus įvesties duomenis:
Daugumoje turboekspanderių temperatūra ribojama iki minimumo, siekiant išvengti nepageidaujamų problemų, tokių kaip anksčiau minėtas vamzdžių užšalimas. Ten, kur teka gamtinės dujos, beveik visada yra hidratų, o tai reiškia, kad vamzdynas pasroviui nuo turboekspanderio arba droselio vožtuvo užšals iš vidaus ir išorės, jei išleidimo temperatūra nukris žemiau 0 °C. Ledo susidarymas gali apriboti srautą ir galiausiai išjungti sistemą atitirpdymui. Taigi, „pageidaujama“ išleidimo temperatūra naudojama realesniam potencialiam galios scenarijui apskaičiuoti. Tačiau tokioms dujoms kaip vandenilis temperatūros riba yra daug žemesnė, nes vandenilis nevirsta iš dujų į skystį, kol nepasiekia kriogeninės temperatūros (-253 °C). Naudokite šią pageidaujamą išleidimo temperatūrą, kad apskaičiuotumėte savitąją entalpiją.
Taip pat reikia atsižvelgti į turboekspanderio sistemos efektyvumą. Priklausomai nuo naudojamos technologijos, sistemos efektyvumas gali labai skirtis. Pavyzdžiui, turboekspanderis, kuris naudoja reduktorių sukimosi energijai perduoti iš turbinos į generatorių, patirs didesnius trinties nuostolius nei sistema, kuri naudoja tiesioginę pavarą iš turbinos į generatorių. Bendras turboekspanderio sistemos efektyvumas išreiškiamas procentais ir į jį atsižvelgiama vertinant turboekspanderio faktinį galios potencialą. Faktinis galios potencialas (PP) apskaičiuojamas taip:
PP = (pagal – šešiabriaunis) × ṁ x ṅ (2)
Panagrinėkime gamtinių dujų slėgio mažinimo taikymą. ABC valdo ir prižiūri slėgio mažinimo stotį, kuri transportuoja gamtines dujas iš pagrindinio vamzdyno ir paskirsto jas vietos savivaldybėms. Šioje stotyje dujų įleidimo slėgis yra 40 barų, o išleidimo slėgis – 8 barai. Iš anksto pašildytų įleidimo dujų temperatūra yra 35 °C, todėl dujos pašildomos, kad vamzdynas neužšaltų. Todėl išleidimo dujų temperatūra turi būti kontroliuojama taip, kad ji nenukristų žemiau 0 °C. Šiame pavyzdyje naudosime 5 °C kaip minimalią išleidimo temperatūrą, kad padidintume saugos koeficientą. Normalizuotas tūrinis dujų srautas yra 50 000 Nm3/h. Norėdami apskaičiuoti galios potencialą, darysime prielaidą, kad visos dujos teka per turbo plėtiklį, ir apskaičiuosime maksimalią galią. Įvertinkite bendrą galios potencialą naudodami šį skaičiavimą: