GRUPO TECNOLÓXICO NUZHUO DE HANGZHOU, LTD.

Os expansores poden usar a redución da presión para accionar máquinas rotatorias. Podes atopar información sobre como avaliar os beneficios potenciais da instalación dun extensor aquí.
Normalmente, na industria de procesos químicos (IPC), «unha gran cantidade de enerxía desperdiciase nas válvulas de control de presión onde se deben despresurizar fluídos a alta presión» [1]. Dependendo de varios factores técnicos e económicos, pode ser desexable converter esta enerxía en enerxía mecánica rotatoria, que se pode usar para accionar xeradores ou outras máquinas rotatorias. Para fluídos incompresibles (líquidos), isto conséguese mediante unha turbina de recuperación de enerxía hidráulica (HPRT; véxase a referencia 1). Para líquidos compresibles (gases), un expansor é unha máquina axeitada.
Os expansores son unha tecnoloxía madura con moitas aplicacións exitosas, como o craqueo catalítico fluído (FCC), a refrixeración, as válvulas de gas natural urbano, a separación de aire ou as emisións de escape. En principio, calquera fluxo de gas con presión reducida pódese usar para impulsar un expansor, pero «a saída de enerxía é directamente proporcional á relación de presión, á temperatura e ao caudal do fluxo de gas» [2], así como á viabilidade técnica e económica. Implementación do expansor: o proceso depende destes e doutros factores, como os prezos locais da enerxía e a dispoñibilidade do fabricante de equipos axeitados.
Aínda que o turboexpansor (que funciona de xeito similar a unha turbina) é o tipo de expansor máis coñecido (Figura 1), existen outros tipos axeitados para diferentes condicións de proceso. Este artigo presenta os principais tipos de expansores e os seus compoñentes e resume como os xerentes de operacións, consultores ou auditores de enerxía en varias divisións de CPI poden avaliar os posibles beneficios económicos e ambientais da instalación dun expansor.
Existen moitos tipos diferentes de bandas de resistencia que varían moito en xeometría e función. Os principais tipos 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 e velocidades específicas, consulte a Axuda. 3.
Turboexpansor de pistón. Os turboexpansores de pistón e pistón rotatorio funcionan como un motor de combustión interna de rotación inversa, absorbendo gas a alta presión e convertendo a súa enerxía almacenada en enerxía de rotación a través da veta de manivelas.
Arrastra o turboexpansor. O expansor da turbina de freo consiste nunha cámara de fluxo concéntrica con aletas de cubeta unidas á periferia do elemento rotatorio. Están deseñadas do mesmo xeito que as rodas hidráulicas, pero a sección transversal das cámaras concéntricas aumenta desde a entrada ata a saída, o que permite que o gas se expanda.
Turboexpansor radial. Os turboexpansores de fluxo radial teñen unha entrada axial e unha saída radial, o que permite que o gas se expanda radialmente a través do impulsor da turbina. Do mesmo xeito, as turbinas de fluxo axial expanden o gas a través da roda da turbina, pero a dirección do fluxo permanece paralela ao eixe de rotación.
Este artigo céntrase nos turboexpansores radiais e axiais, analizando os seus diversos subtipos, compoñentes e aspectos económicos.
Un turboexpansor extrae enerxía dun fluxo de gas a alta presión e convértea nunha carga de accionamento. Normalmente, a carga é un compresor ou xerador conectado a un eixe. Un turboexpansor cun compresor comprime o fluído noutras partes do fluxo de proceso que requiren fluído comprimido, aumentando así a eficiencia xeral da planta ao usar enerxía que doutro xeito se desperdiciaría. Un turboexpansor cunha carga de xerador converte a enerxía en electricidade, que se pode usar noutros procesos da planta ou devolver á rede local para a súa venda.
Os turboexpansores poden estar equipados cun eixe de transmisión directa desde a roda da turbina ata o xerador ou mediante unha caixa de cambios que reduce eficazmente a velocidade de entrada desde a roda da turbina ata o xerador mediante unha relación de transmisión. Os turboexpansores de accionamento directo ofrecen vantaxes en canto a eficiencia, tamaño e custos de mantemento. Os turboexpansores de caixa de cambios son máis pesados ​​e requiren un tamaño maior, equipos auxiliares de lubricación e mantemento regular.
Os turboexpansores de fluxo continuo poden fabricarse en forma de turbinas radiais ou axiais. Os expansores de fluxo radial conteñen unha entrada axial e unha saída radial de tal xeito que o fluxo de gas sae da turbina radialmente desde o 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 de álabes guía de entrada ata a roda expansora, coa área da sección transversal da cámara de expansión aumentando gradualmente para manter unha velocidade constante.
Un xerador turboexpansor consta de tres compoñentes principais: unha roda de turbina, rolamentos especiais e un xerador.
Roda de turbina. As rodas de turbina adoitan deseñarse especificamente para optimizar a eficiencia aerodinámica. As variables de aplicación que afectan o deseño das rodas de turbina inclúen a presión de entrada/saída, a temperatura de entrada/saída, o fluxo volumétrico e as propiedades do fluído. Cando a relación de compresión é demasiado alta para reducila nunha soa etapa, requírese un turboexpansor con varias rodas de turbina. Tanto as rodas de turbina radiais como axiais pódense deseñar como multietapa, pero as rodas de turbina axiais teñen unha lonxitude axial moito máis curta e, polo tanto, son máis compactas. As turbinas de fluxo radial multietapa requiren que o gas flúa do axial ao radial e de volta ao axial, o que crea maiores perdas por fricción que as turbinas de fluxo axial.
rolamentos. O deseño dos rolamentos é fundamental para o funcionamento eficiente dun turboexpansor. Os tipos de rolamentos relacionados cos deseños de turboexpansores varían moito e poden incluír rolamentos de aceite, rolamentos de película líquida, rolamentos de bólas tradicionais e rolamentos magnéticos. Cada método ten as súas propias vantaxes e desvantaxes, como se mostra na Táboa 1.
Moitos fabricantes de turboexpansores escollen os rolamentos magnéticos como o seu "rolamento preferido" debido ás súas vantaxes únicas. Os rolamentos magnéticos garanten un funcionamento sen fricción dos compoñentes dinámicos do turboexpansor, o que reduce significativamente os custos operativos e de mantemento durante a vida útil da máquina. Tamén están deseñados para soportar unha ampla gama de cargas axiais e radiais e condicións de sobretensión. Os seus custos iniciais máis elevados compénsanse con custos do ciclo de vida moito máis baixos.
dínamo. O xerador colle a enerxía de rotación da turbina e convértea en enerxía eléctrica útil mediante un xerador electromagnético (que pode ser un xerador de indución ou un xerador de imán permanente). Os xeradores de indución teñen unha velocidade nominal máis baixa, polo que as aplicacións de turbinas de alta velocidade requiren unha caixa de cambios, pero poden deseñarse para que coincidan coa frecuencia da rede, eliminando a necesidade dun variador de frecuencia (VFD) para subministrar a electricidade xerada. Os xeradores de imán permanente, pola súa banda, poden acoplarse directamente ao eixe da turbina e transmitir enerxía á rede a través dun variador de frecuencia. O xerador está deseñado para fornecer a máxima potencia en función da potencia do eixe dispoñible no sistema.
Selos. O selo tamén é un compoñente fundamental ao deseñar un sistema de turboexpansor. Para manter unha alta eficiencia e cumprir cos estándares ambientais, os sistemas deben estar selados para evitar posibles fugas de gas de proceso. Os turboexpansores poden estar equipados con selos dinámicos ou estáticos. Os selos dinámicos, como os selos labirínticos e os selos de gas seco, proporcionan un selo arredor dun eixe rotatorio, normalmente entre a roda da turbina, os rolamentos e o resto da máquina onde se atopa o xerador. Os selos dinámicos desgástanse co tempo e requiren un mantemento e unha inspección regulares para garantir que funcionan correctamente. Cando todos os compoñentes do turboexpansor están contidos nunha única carcasa, pódense usar selos estáticos para protexer calquera conduto que saia da carcasa, incluído o que vai ao xerador, aos accionamentos de rolamentos magnéticos ou aos 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 compresible (non condensable) a alta presión a un sistema de baixa presión con fluxo, caída de presión e utilización suficientes para manter o funcionamento normal do equipo. Os parámetros de funcionamento mantéñense a un nivel seguro e eficiente.
En termos da función de redución da presión, o expansor pódese empregar para substituír a válvula Joule-Thomson (JT), tamén coñecida como válvula de mariposa. Dado que a válvula JT se move ao longo dunha traxectoria isentrópica e o expansor se move ao longo dunha traxectoria case isentrópica, este último reduce a entalpía do gas e converte a diferenza de entalpía en potencia do eixe, producindo así unha temperatura de saída máis baixa que a válvula JT. Isto é útil en procesos crioxénicos onde o obxectivo é reducir a temperatura do gas.
Se existe un límite inferior para a temperatura do gas de saída (por exemplo, nunha estación de descompresión onde a temperatura do gas debe manterse por riba da conxelación, hidratación ou temperatura mínima de deseño do material), débese engadir polo menos un quentador. Controlar a temperatura do gas. Cando o prequentador está situado augas arriba do expansor, parte da enerxía do gas de alimentación tamén se recupera no expansor, aumentando así a súa potencia de saída. Nalgunhas configuracións onde se require control da temperatura de saída, pódese instalar un segundo requentador despois do expansor para proporcionar un control máis rápido.
Na figura 3 móstrase un diagrama simplificado do diagrama de fluxo xeral dun xerador expansor con prequentador utilizado para substituír unha válvula JT.
Noutras configuracións de proceso, a enerxía recuperada no expansor pódese transferir directamente ao compresor. Estas máquinas, ás veces chamadas "comandantes", adoitan ter etapas de expansión e compresión conectadas por un ou máis 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 potencia á etapa de compresión.
A continuación móstranse algúns dos compoñentes máis importantes que garanten o correcto funcionamento e a estabilidade do sistema.
Válvula de derivación ou válvula redutora de presión. A válvula de derivación permite que o funcionamento continúe cando o turboexpansor non está funcionando (por exemplo, para mantemento ou unha emerxencia), mentres que a válvula redutora de presión úsase para o funcionamento continuo para subministrar o exceso de gas cando o fluxo total supera a capacidade de deseño do expansor.
Válvula de peche de emerxencia (ESD). As válvulas ESD utilízanse para bloquear o fluxo de gas ao expansor nunha emerxencia para evitar danos mecánicos.
Instrumentos e controis. As variables importantes que hai que monitorizar inclúen a presión de entrada e saída, o caudal, a velocidade de rotación e a potencia de saída.
Condución a velocidade excesiva. O dispositivo corta o fluxo cara á turbina, o que fai que o rotor da turbina se ralentice, protexendo así o equipo de velocidades excesivas debido a condicións de proceso inesperadas que poderían danalo.
Válvula de seguridade de presión (PSV). As PSV adoitan instalarse despois dun turboexpansor para protexer as tubaxes e os equipos de baixa presión. A PSV debe estar deseñada para soportar as continxencias máis graves, que normalmente inclúen a falla de apertura da válvula de derivación. Se se engade un expansor a unha estación de redución de presión existente, o equipo de deseño do proceso debe determinar se a 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 prequentado. A súa función principal é aumentar a temperatura do fluxo de gas ascendente para manter a temperatura do gas que sae do expansor por riba dun valor mínimo. Outro beneficio de aumentar a temperatura é aumentar a potencia de saída, así como evitar a corrosión, a condensación ou os hidratos que poderían afectar negativamente as boquillas dos equipos. Nos sistemas que conteñen intercambiadores de calor (como se mostra na Figura 3), a temperatura do gas adoita controlarse regulando o fluxo de líquido quentado no prequentador. Nalgúns deseños, pódese usar un quentador de chama ou un quentador eléctrico en lugar dun intercambiador de calor. Os quentadores poden existir xa nunha estación de válvulas JT existente, e engadir un expansor pode non requirir a instalación de quentadores adicionais, senón aumentar o fluxo de fluído quentado.
Sistemas de aceite lubricante e gas de selado. Como se mencionou anteriormente, os expansores poden usar diferentes deseños de selado, que poden requirir lubricantes e gases de selado. Cando corresponda, o aceite lubricante debe manter unha alta calidade e pureza cando estea en contacto cos gases de proceso, e o nivel de viscosidade do aceite debe permanecer dentro do rango de funcionamento requirido dos rolamentos lubricados. Os sistemas de gas selado adoitan estar equipados cun dispositivo de lubricación de aceite para evitar que o aceite da caixa de rolamentos entre na caixa de expansión. Para aplicacións especiais de expansores utilizados na industria dos hidrocarburos, os sistemas de aceite lubricante e gas de selado adoitan estar deseñados segundo as especificacións da parte 4 da norma API 617 [5].
Accionamento de frecuencia variable (VFD). Cando o xerador é de indución, normalmente actívase un VFD para axustar o sinal de corrente alterna (CA) para que coincida coa frecuencia da rede eléctrica. Normalmente, os deseños baseados en accionamentos de frecuencia variable teñen unha maior eficiencia global que os deseños que usan caixas de engrenaxes ou outros compoñentes mecánicos. Os sistemas baseados en VFD tamén poden adaptarse a unha maior gama de cambios de proceso que poden provocar cambios na velocidade do eixe expansor.
Transmisión. Algúns deseños de expansores empregan 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 menor eficiencia xeral e, polo tanto, unha menor potencia de saída.
Ao preparar unha solicitude de orzamento (RFQ) para un expansor, o enxeñeiro de procesos debe determinar primeiro as condicións de funcionamento, incluíndo a seguinte información:
Os enxeñeiros mecánicos adoitan completar as especificacións dos xeradores expansores e as especificacións empregando datos doutras disciplinas da enxeñaría. Estas achegas poden incluír o seguinte:
As especificacións tamén deben incluír unha lista dos documentos e debuxos proporcionados polo fabricante como parte do proceso de licitación e o alcance do subministro, 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, en xeral, 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 do proxecto debe revisar a solicitude de conformidade e determinar se as variacións están tecnicamente xustificadas.
Outras consideracións técnicas a ter en conta á hora de avaliar as propostas inclúen:
Finalmente, é necesario levar a cabo unha análise económica. Dado que as diferentes opcións poden ter custos iniciais diferentes, recoméndase realizar unha análise do fluxo de caixa ou do custo do ciclo de vida para comparar a economía a longo prazo do proxecto e o retorno do investimento. Por exemplo, un investimento inicial maior pode compensarse a longo prazo cun aumento da produtividade ou unha redución dos requisitos de mantemento. Consulte "Referencias" para obter instrucións sobre este tipo de análise. 4.
Todas as aplicacións de turboxerador-expansor requiren un cálculo inicial da potencia potencial total para determinar a cantidade total de enerxía dispoñible que se pode recuperar nunha aplicación particular. Para un turboxerador, 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 na saída do turboexpansor e multiplicando o resultado polo caudal másico. 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 de saída isentrópica e ṁ é o caudal másico.
Aínda que a enerxía potencial isentrópica pode empregarse para estimar a enerxía potencial, todos os sistemas reais implican fricción, calor e outras perdas de enerxía auxiliares. Polo tanto, ao calcular o potencial de potencia real, débense ter en conta os seguintes datos de entrada adicionais:
Na maioría das aplicacións de turboexpansores, a temperatura limítase ao mínimo para evitar problemas non desexados como a conxelación das tubaxes mencionada anteriormente. Onde flúe gas natural, case sempre hai hidratos, o que significa que a tubaxe augas abaixo dun turboexpansor ou dunha válvula de mariposa conxelarase interna e externamente se a temperatura de saída cae por debaixo de 0 °C. A formación de xeo pode provocar unha restrición do fluxo e, en última instancia, apagar o sistema para desconxelar. Polo tanto, a temperatura de saída "desexada" utilízase 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 que alcanza a temperatura crioxénica (-253 °C). Utilícese esta temperatura de saída desexada para calcular a entalpía específica.
Tamén se debe ter en conta a eficiencia do sistema turboexpansor. Dependendo da tecnoloxía empregada, a eficiencia do sistema pode variar significativamente. Por exemplo, un turboexpansor que emprega unha engrenaxe redutora para transferir a enerxía de rotación da turbina ao xerador experimentará maiores perdas por fricción que un sistema que emprega un accionamento directo da turbina ao xerador. A eficiencia global dun sistema turboexpansor exprésase como unha porcentaxe e téñense en conta ao avaliar o potencial de potencia real do turboexpansor. O potencial de potencia real (PP) calcúlase do seguinte xeito:
PP = (inlet – exit) × 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 gas natural desde o gasoduto principal e o distribúe aos concellos locais. Nesta estación, a presión de entrada do gas é de 40 bar e a presión de saída é de 8 bar. A temperatura do gas de entrada prequentado é de 35 °C, o que prequenta o gas para evitar a conxelación do gasoduto. Polo tanto, a temperatura do gas de saída debe controlarse para que non baixe de 0 °C. Neste exemplo, usaremos 5 °C como temperatura mínima de saída para aumentar o factor de seguridade. O caudal volumétrico de gas normalizado é de 50.000 Nm3/h. Para calcular o potencial de potencia, asumiremos que todo o gas flúe a través do turboexpansor e calcularemos a potencia máxima de saída. Calcule o potencial de potencia total de saída usando o seguinte cálculo: