Os expandidores poden usar a redución de presión para conducir máquinas xiratorias. A información sobre como avaliar os beneficios potenciais da instalación dun extensor pódese atopar aquí.
Normalmente na industria do proceso químico (IPC), "desperdíase unha gran cantidade de enerxía nas válvulas de control de presión onde os fluídos de alta presión deben ser deprimurizados" [1]. Dependendo de diversos factores técnicos e económicos, pode ser desexable converter esta enerxía en enerxía mecánica rotativa, que se pode usar para impulsar xeradores ou outras máquinas xiratorias. Para fluídos incompresibles (líquidos), conséguese usando unha turbina de recuperación de enerxía hidráulica (HPRT; ver referencia 1). Para os líquidos comprimibles (gases), un expansor é unha máquina adecuada.
Os expandidores son unha tecnoloxía madura con moitas aplicacións exitosas como o cracking catalítico de fluídos (FCC), a refrixeración, as válvulas da cidade de gas natural, a separación do aire ou as emisións de escape. En principio, calquera fluxo de gas con presión reducida pode usarse para conducir un expansor, pero "a produción de enerxía é directamente proporcional á relación de presión, temperatura e caudal do fluxo de gas" [2], así como a viabilidade técnica e económica. Implementación de expansión: o proceso depende destes e outros factores, como os prezos da enerxía local e a dispoñibilidade do fabricante de equipos adecuados.
Aínda que o turboexpander (que funciona de xeito similar a unha turbina) é o tipo de expansor máis coñecido (figura 1), hai outros tipos adecuados para diferentes condicións de proceso. Este artigo introduce os principais tipos de expansores e os seus compoñentes e resume como os xestores de operacións, consultores ou auditores enerxéticos en varias divisións do IPC poden avaliar os potenciais beneficios económicos e ambientais da instalación dun expansor.
Hai moitos tipos diferentes de bandas de resistencia que varían moito na xeometría e na función. Os tipos principais móstranse na figura 2 e cada tipo descríbese brevemente a continuación. Para obter máis información, así como gráficos que comparan o estado de funcionamento de cada tipo en función de diámetros específicos e velocidades específicas, consulte Axuda. 3.
Pistón Turboexpander. Os turboexpanders de pistón e pistón rotativos funcionan como un motor de combustión interna de rotación inversa, absorbendo gas de alta presión e convertendo a súa enerxía almacenada en enerxía rotacional a través do cigüeñal.
Arrastre o Turbo Expander. O expansor da turbina de freo consiste nunha cámara de fluxo concéntrica con aletas de cubo unidas á periferia do elemento xiratorio. Están deseñados do mesmo xeito que as rodas de auga, pero a sección transversal das cámaras concéntricas aumenta de entrada a saída, permitindo que o gas se expandise.
Turboexpander radial. Os turboexpanders de fluxo radial teñen unha entrada axial e unha saída radial, permitindo que o gas se expandise radialmente a través do impulsor da turbina. Do mesmo xeito, as turbinas de fluxo axial amplían o gas a través da roda da turbina, pero a dirección do fluxo segue paralela ao eixe de rotación.
Este artigo céntrase nos turboexpanders radiais e axiais, discutindo os seus diversos subtipos, compoñentes e economía.
Un turboexpander extrae enerxía dun fluxo de gas de alta presión e convérteo nunha carga de disco. Normalmente a carga é un compresor ou un xerador conectado a un eixe. Un turboexpander cun compresor compresa o fluído noutras partes do fluxo de proceso que requiren fluído comprimido, aumentando así a eficiencia global da planta empregando enerxía que se desperdicia doutro xeito. Un turboexpander cunha carga de xerador converte a enerxía en electricidade, que se pode usar noutros procesos de plantas ou devolto á rede local á venda.
Os xeradores turboexpander pódense equipar cun eixe de accionamento directo desde a roda da turbina ata o xerador ou a través dunha caixa de cambios que reduce efectivamente a velocidade de entrada desde a roda da turbina ata o xerador a través dunha relación de marcha. Os turboexpanders de unidade directa ofrecen vantaxes en custos de eficiencia, pegada e mantemento. Os turboexpanders son máis pesados e requiren unha pegada máis grande, equipos auxiliares de lubricación e mantemento regular.
Os turboexpanders de fluxo pódense facer en forma de turbinas radiais ou axiais. Os expansores de fluxo radial conteñen unha entrada axial e unha saída radial de xeito que o fluxo de gas saia da turbina radialmente do eixe de rotación. As turbinas axiais permiten que o gas flúa axialmente ao longo do eixe de rotación. As turbinas de fluxo axial extraen enerxía do fluxo de gas a través das paletas da guía de entrada ata a roda do expansor, coa área transversal da cámara de expansión aumentando gradualmente para manter unha velocidade constante.
Un xerador de turboexpander consta de tres compoñentes principais: unha roda de turbina, rodamentos especiais e un xerador.
Roda de turbina. As rodas de turbinas a miúdo están deseñadas específicamente para optimizar a eficiencia aerodinámica. As variables de aplicación que afectan o deseño das rodas da turbina inclúen presión de entrada/saída, temperatura de entrada/saída, fluxo de volume e propiedades de fluído. Cando a relación de compresión é demasiado alta para reducirse nunha etapa, é necesario un turboexpander con varias rodas de turbinas. Tanto as rodas de turbinas radiais como axiais poden deseñarse como varias en etapas, pero as rodas axiais de turbinas teñen unha lonxitude axial moito máis curta e, polo tanto, son máis compactas. As turbinas de fluxo radial de varias etapas requiren que o gas flúa de axial a radial e de volta a axial, creando maiores perdas de fricción que as turbinas de fluxo axial.
rodamentos. O deseño dos rodamentos é fundamental para o funcionamento eficiente dun turboexpander. Os tipos de rodamentos relacionados cos deseños de turboexpander varían moito e poden incluír rodamentos de aceite, rodamentos de películas líquidas, rodamentos de bólas tradicionais e rodamentos magnéticos. Cada método ten as súas propias vantaxes e desvantaxes, como se mostra na táboa 1.
Moitos fabricantes de turboexpander seleccionan rodamentos magnéticos como o seu "reparto de elección" debido ás súas vantaxes únicas. Os rodamentos magnéticos aseguran un funcionamento libre de fricción dos compoñentes dinámicos de Turboexpander, reducindo significativamente os custos de operación e mantemento ao longo da vida da máquina. Tamén están deseñados para soportar unha ampla gama de cargas axiais e radiais e condicións de exceso. Os seus maiores custos iniciais compensan os custos do ciclo de vida moito máis baixos.
dinamo. O xerador toma a enerxía rotacional da turbina e convérteo en enerxía eléctrica útil usando un xerador electromagnético (que pode ser un xerador de indución ou un xerador de imán permanente). Os xeradores de indución teñen unha velocidade máis baixa, polo que as aplicacións de turbinas de alta velocidade requiren unha caixa de cambios, pero pódense deseñar para combinar a frecuencia da rede, eliminando a necesidade dunha unidade de frecuencia variable (VFD) para subministrar a electricidade xerada. Os xeradores de imáns permanentes, por outra banda, pódense unir directamente unido á turbina e transmitir enerxía á rede a través dunha unidade de frecuencia variable. O xerador está deseñado para ofrecer a máxima potencia en función da potencia do eixe dispoñible no sistema.
Focas. O selo tamén é un compoñente crítico ao deseñar un sistema turboexpander. Para manter unha alta eficiencia e cumprir as normas ambientais, os sistemas deben selarse para evitar fugas de gas posibles de proceso. Os turboexpanders poden estar equipados con selos dinámicos ou estáticos. Os selos dinámicos, como os selos de labirinto e os selos de gas seco, proporcionan un selo arredor dun eixe rotativo, normalmente entre a roda da turbina, os rodamentos e o resto da máquina onde está o xerador. Os selos dinámicos desgaste co paso do tempo e requiren mantemento e inspección regulares para asegurarse de que funcionen correctamente. Cando todos os compoñentes turboexpander están contidos nunha única carcasa, pódense usar selos estáticos para protexer os oportunidades que saen da carcasa, incluído o xerador, unidades de rodamentos magnéticos ou sensores. Estes selos herméticos proporcionan protección permanente contra as fugas de gas e non requiren mantemento nin reparación.
Desde o punto de vista do proceso, o requisito principal para instalar un expansor é subministrar gas comprimible (non condensable) de alta presión a un sistema de baixa presión con fluxo suficiente, caída de presión e utilización para manter o funcionamento normal do equipo. Os parámetros de funcionamento mantéñense a un nivel seguro e eficiente.
En termos de función de redución de presión, o expansor pódese usar para substituír a válvula Joule-Thomson (JT), tamén coñecida como válvula do acelerador. Dado que a válvula JT se move por un camiño isentrópico e o expansor móvese por un camiño case isentrópico, este último reduce a entalpía do gas e converte a diferenza de entalpía na potencia do eixe, producindo así unha temperatura de saída máis baixa que a válvula JT. Isto é útil nos procesos criogénicos onde o obxectivo é reducir a temperatura do gas.
Se hai un límite inferior na temperatura do gas de saída (por exemplo, nunha estación de descompresión onde se debe manter a temperatura do gas por encima da conxelación, hidratación ou temperatura mínima de deseño de materiais), hai que engadir polo menos un calefactor. Controla a temperatura do gas. Cando o precalentador está situado augas arriba do expansor, tamén se recupera parte da enerxía do gas de alimentación no expansor, aumentando así a súa potencia. Nalgunhas configuracións onde se require o control da temperatura da saída, pódese instalar un segundo realimentador despois do expansor para proporcionar un control máis rápido.
Na figura 3 mostra un diagrama simplificado do diagrama de fluxo xeral dun xerador de expansión con pre -calzada usado para substituír unha válvula JT.
Noutras configuracións do proceso, a enerxía recuperada no expansor pódese transferir directamente ao compresor. Estas máquinas, ás veces chamadas "comandantes", normalmente teñen etapas de expansión e compresión conectadas por un ou varios eixes, que tamén poden incluír unha caixa de cambios para regular a diferenza de velocidade entre as dúas etapas. Tamén pode incluír un motor adicional para proporcionar máis enerxía á fase de compresión.
A continuación móstranse algúns dos compoñentes máis importantes que garanten o bo funcionamento e a estabilidade do sistema.
Válvula de desvío ou válvula de redución de presión. A válvula de desvío permite que a operación continúe cando o turboexpander non funciona (por exemplo, para o mantemento ou unha emerxencia), mentres que a válvula de redución de presión úsase para o funcionamento continuo para subministrar exceso de gas cando o fluxo total supera a capacidade de deseño do expansor.
Válvula de apagado de emerxencia (ESD). As válvulas ESD úsanse para bloquear o fluxo de gas no expansor en emerxencia para evitar danos mecánicos.
Instrumentos e controis. As variables importantes para controlar inclúen presión de entrada e saída, caudal, velocidade de rotación e potencia de potencia.
Conducir a velocidade excesiva. O dispositivo corta o fluxo cara á turbina, facendo que o rotor da turbina se ralentice, protexendo así o equipo de velocidades excesivas debido a condicións de proceso inesperadas que poidan danar o equipo.
Válvula de seguridade da presión (PSV). Os PSV están a miúdo instalados despois dun turboexpander para protexer os oleoductos e equipos de baixa presión. O PSV debe ser deseñado para soportar as continxencias máis graves, que normalmente inclúen a falla de que se abra a válvula de bypass. Se se engade un expansor a unha estación de redución de presión existente, o equipo de deseño de procesos debe determinar se o PSV existente proporciona unha protección adecuada.
Quentador. Os quentadores compensan a caída de temperatura causada polo gas que pasa pola turbina, polo que o gas debe ser precalentado. A súa función principal é aumentar a temperatura do fluxo de gas en aumento para manter a temperatura do gas deixando o expansor por encima dun valor mínimo. Outro dos beneficios de aumentar a temperatura é aumentar a potencia de potencia e evitar a corrosión, a condensación ou os hidratos que poidan afectar negativamente as boquillas dos equipos. Nos sistemas que conteñen intercambiadores de calor (como se mostra na figura 3), a temperatura do gas normalmente está controlada regulando o fluxo de líquido quentado no pre -quendado. Nalgúns deseños, pódese usar un calefactor de chama ou un calefactor eléctrico en lugar dun intercambiador de calor. Pode que os quentadores xa existan nunha estación de válvulas JT existente e engadir un expansor pode non requirir a instalación de quentadores adicionais, senón aumentar o fluxo de líquido quentado.
Sistemas lubricantes de aceite e gas de selo. Como se mencionou anteriormente, os expandidores poden usar diferentes deseños de selo, que poden requirir lubricantes e gases de selado. Se é o caso, o aceite lubricante debe manter unha alta calidade e pureza cando estean en contacto cos gases de proceso e o nivel de viscosidade do aceite debe permanecer dentro do rango de funcionamento requirido de rodamentos lubricados. Os sistemas de gas selados normalmente están equipados cun dispositivo de lubricación de aceite para evitar que o aceite da caixa de rodamentos entre na caixa de expansión. Para aplicacións especiais de compandantes empregados na industria de hidrocarburos, o aceite de lube e os sistemas de gas de selos están deseñados normalmente para as especificacións da API 617 [5].
Unidade de frecuencia variable (VFD). Cando o xerador é indución, normalmente un VFD é activado para axustar o sinal de corrente alterna (AC) para que coincida coa frecuencia de utilidade. Normalmente, os deseños baseados en unidades de frecuencia variable teñen unha maior eficiencia global que os deseños que usan caixas de cambios ou outros compoñentes mecánicos. Os sistemas baseados en VFD tamén poden acomodar unha gama máis ampla de cambios de proceso que poden producir cambios na velocidade do eixe do expansor.
Transmisión. Algúns deseños de expansión usan unha caixa de cambios para reducir a velocidade do expansor á velocidade nominal do xerador. O custo de usar unha caixa de cambios é unha eficiencia global menor e, polo tanto, menor potencia de potencia.
Ao preparar unha solicitude de cotización (RFQ) para un expansor, o enxeñeiro de procesos primeiro debe determinar as condicións de funcionamento, incluída a seguinte información:
Os enxeñeiros mecánicos adoitan completar especificacións e especificacións do xerador de expansión usando datos doutras disciplinas de enxeñería. Estas entradas poden incluír o seguinte:
As especificacións tamén deben incluír unha lista de documentos e debuxos proporcionados polo fabricante como parte do proceso de licitación e o alcance da oferta, así como os procedementos de proba aplicables segundo o requirido polo proxecto.
A información técnica proporcionada polo fabricante como parte do proceso de licitación debería incluír normalmente os seguintes elementos:
Se algún aspecto da proposta difire das especificacións orixinais, o fabricante tamén debe proporcionar unha lista de desviacións e os motivos das desviacións.
Unha vez recibida unha proposta, o equipo de desenvolvemento de proxectos debe revisar a solicitude de cumprimento e determinar se as variacións están xustificadas tecnicamente.
Outras consideracións técnicas a considerar ao avaliar as propostas inclúen:
Finalmente, cómpre realizar unha análise económica. Debido a que diferentes opcións poden producir diferentes custos iniciais, recoméndase que se realice un fluxo de caixa ou unha análise de custos do ciclo de vida para comparar a economía a longo prazo do proxecto e o rendemento do investimento. Por exemplo, un maior investimento inicial pode compensarse a longo prazo mediante unha maior produtividade ou os requisitos de mantemento reducidos. Vexa "Referencias" para obter instrucións sobre este tipo de análises. 4.
Todas as aplicacións de xerador de turboexpander requiren un cálculo de potencia potencial inicial para determinar a cantidade total de enerxía dispoñible que se pode recuperar nunha determinada aplicación. Para un xerador de turboexpander, o potencial de potencia calcúlase como un proceso isentrópico (entropía constante). Esta é a situación termodinámica ideal para considerar un proceso adiabático reversible sen fricción, pero é o proceso correcto para estimar o potencial enerxético real.
A enerxía potencial isentrópica (IPP) calcúlase multiplicando a diferenza de entalpía específica na entrada e saída do turboexpander e multiplicando o resultado polo caudal de masa. Esta enerxía potencial expresarase como unha cantidade isentrópica (ecuación (1)):
IPP = (Hinlet - H (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
onde h (i, e) é a entalpía específica tendo en conta a temperatura isentrópica de saída e ṁ é o caudal de masa.
Aínda que a enerxía potencial isentrópica pode usarse para estimar a enerxía potencial, todos os sistemas reais implican fricción, calor e outras perdas de enerxía auxiliares. Así, ao calcular o potencial de potencia real, deberían ter en conta os seguintes datos de entrada adicionais:
Na maioría das aplicacións turboexpander, a temperatura está limitada a un mínimo para evitar problemas non desexados como a conxelación de tubos mencionada anteriormente. Cando os fluxos de gas natural, os hidratos están case sempre presentes, o que significa que o gasoduto augas abaixo dunha válvula turboexpandra ou do acelerador conxelarase internamente e externamente se a temperatura de saída baixa por baixo dos 0 ° C. A formación de xeo pode producir restrición de fluxo e, finalmente, apagar o sistema para descongelar. Así, a temperatura de saída "desexada" úsase para calcular un escenario de potencia potencial máis realista. Non obstante, para gases como o hidróxeno, o límite de temperatura é moito menor porque o hidróxeno non cambia de gas a líquido ata alcanzar a temperatura criogénica (-253 ° C). Use esta temperatura de saída desexada para calcular a entalpía específica.
Tamén se debe considerar a eficiencia do sistema turboexpander. Dependendo da tecnoloxía empregada, a eficiencia do sistema pode variar significativamente. Por exemplo, un turboexpander que usa unha engrenaxe de redución para transferir a enerxía rotacional da turbina ao xerador experimentará maiores perdas de fricción que un sistema que usa a unidade directa da turbina ao xerador. A eficiencia global dun sistema turboexpander exprésase en porcentaxe e tómase en conta á hora de avaliar o potencial de potencia real do turboexpander. O potencial de potencia real (PP) calcúlase do seguinte xeito:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Vexamos a aplicación do alivio da presión do gas natural. ABC opera e mantén unha estación de redución de presión que transporta o gas natural desde o gasoduto principal e a distribúe aos concellos locais. Nesta estación, a presión de entrada de gas é de 40 bar e a presión de saída é de 8 barras. A temperatura do gas de entrada precalentada é de 35 ° C, o que precalenta o gas para evitar a conxelación do gasoduto. Polo tanto, a temperatura do gas de saída debe ser controlada para que non caia por baixo de 0 ° C. Neste exemplo empregaremos 5 ° C como temperatura mínima de saída para aumentar o factor de seguridade. O caudal de gas volumétrico normalizado é de 50.000 nm3/h. Para calcular o potencial de potencia, asumiremos que todo o gas flúe a través do expansor turbo e calcule a potencia máxima. Estima o potencial total de potencia de potencia usando o seguinte cálculo:
Tempo de publicación: maio-25-2024