Expander können durch Druckreduzierung rotierende Maschinen antreiben. Informationen zur Bewertung der potenziellen Vorteile der Installation eines Extenders finden Sie hier.
In der chemischen Prozessindustrie (CPI) wird typischerweise „große Energiemengen in Druckregelventilen verschwendet, wo Hochdruckflüssigkeiten entspannt werden müssen“ [1]. Abhängig von verschiedenen technischen und wirtschaftlichen Faktoren kann es wünschenswert sein, diese Energie in rotierende mechanische Energie umzuwandeln, die zum Antrieb von Generatoren oder anderen rotierenden Maschinen genutzt werden kann. Für inkompressible Fluide (Flüssigkeiten) wird dies durch eine hydraulische Energierückgewinnungsturbine (HPRT; siehe Referenz 1) erreicht. Für kompressible Flüssigkeiten (Gase) eignet sich ein Expander.
Expander sind eine ausgereifte Technologie mit zahlreichen erfolgreichen Anwendungen, beispielsweise im Fluid Catalytic Cracking (FCC), in der Kältetechnik, in Erdgas-Stadtventilen, in der Luftzerlegung oder in der Abgasreinigung. Prinzipiell kann jeder Gasstrom mit reduziertem Druck zum Antrieb eines Expanders genutzt werden. Die Energieabgabe ist jedoch direkt proportional zum Druckverhältnis, der Temperatur und dem Durchfluss des Gasstroms [2] sowie zur technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit. Expander-Implementierung: Der Prozess hängt von diesen und weiteren Faktoren ab, wie den lokalen Energiepreisen und der Verfügbarkeit geeigneter Ausrüstung durch den Hersteller.
Obwohl der Turboexpander (ähnlich einer Turbine) der bekannteste Expandertyp ist (Abbildung 1), gibt es weitere Typen, die für unterschiedliche Prozessbedingungen geeignet sind. Dieser Artikel stellt die wichtigsten Expandertypen und ihre Komponenten vor und fasst zusammen, wie Betriebsleiter, Berater oder Energieauditoren in verschiedenen CPI-Abteilungen die potenziellen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der Installation eines Expanders bewerten können.
Es gibt viele verschiedene Arten von Widerstandsbändern, die sich in Geometrie und Funktion stark unterscheiden. Die wichtigsten Typen sind in Abbildung 2 dargestellt und werden im Folgenden kurz beschrieben. Weitere Informationen sowie Diagramme, die den Funktionsstatus der einzelnen Typen anhand spezifischer Durchmesser und Geschwindigkeiten vergleichen, finden Sie in der Hilfe. 3.
Kolben-Turboexpander. Kolben- und Rotationskolben-Turboexpander funktionieren wie ein rückwärtsdrehender Verbrennungsmotor, indem sie Hochdruckgas aufnehmen und die gespeicherte Energie über die Kurbelwelle in Rotationsenergie umwandeln.
Bremsen Sie den Turboexpander. Der Bremsturbinenexpander besteht aus einer konzentrischen Strömungskammer mit Schaufelrippen, die am Umfang des rotierenden Elements befestigt sind. Sie sind wie Wasserräder aufgebaut, jedoch vergrößert sich der Querschnitt der konzentrischen Kammern vom Einlass zum Auslass, wodurch sich das Gas ausdehnen kann.
Radialturboexpander. Radialturboexpander verfügen über einen axialen Einlass und einen radialen Auslass, wodurch sich das Gas radial durch das Turbinenrad ausdehnt. Ähnlich expandieren Axialturbinen das Gas durch das Turbinenrad, wobei die Strömungsrichtung parallel zur Rotationsachse bleibt.
Dieser Artikel konzentriert sich auf radiale und axiale Turboexpander und erörtert ihre verschiedenen Untertypen, Komponenten und Wirtschaftlichkeit.
Ein Turboexpander entzieht einem Hochdruckgasstrom Energie und wandelt diese in eine Antriebsleistung um. Typischerweise handelt es sich bei der Leistung um einen Kompressor oder Generator, der mit einer Welle verbunden ist. Ein Turboexpander mit Kompressor verdichtet Flüssigkeit in anderen Prozessabschnitten, die komprimierte Flüssigkeit benötigen. Dadurch erhöht sich die Gesamteffizienz der Anlage durch die Nutzung ansonsten verschwendeter Energie. Ein Turboexpander mit Generatorleistung wandelt die Energie in Strom um, der in anderen Anlagenprozessen genutzt oder zum Verkauf ins lokale Stromnetz eingespeist werden kann.
Turboexpandergeneratoren können entweder mit einer Direktantriebswelle vom Turbinenrad zum Generator oder mit einem Getriebe ausgestattet werden, das die Eingangsdrehzahl vom Turbinenrad zum Generator durch eine Übersetzung effektiv reduziert. Direktantriebs-Turboexpander bieten Vorteile hinsichtlich Effizienz, Platzbedarf und Wartungskosten. Getriebe-Turboexpander sind schwerer und benötigen einen größeren Platzbedarf, zusätzliche Schmiereinrichtungen und regelmäßige Wartung.
Durchfluss-Turboexpander können als Radial- oder Axialturbinen ausgeführt werden. Radialexpander verfügen über einen axialen Einlass und einen radialen Auslass, sodass der Gasstrom radial zur Rotationsachse aus der Turbine austritt. Axialturbinen ermöglichen einen axialen Gasstrom entlang der Rotationsachse. Axialturbinen entziehen dem Gasstrom Energie durch Einlassleitschaufeln zum Expanderrad, wobei sich der Querschnitt der Expansionskammer allmählich vergrößert, um eine konstante Drehzahl aufrechtzuerhalten.
Ein Turboexpandergenerator besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Turbinenrad, Speziallagern und einem Generator.
Turbinenrad. Turbinenräder werden oft speziell für eine optimale aerodynamische Effizienz konstruiert. Anwendungsvariablen, die das Turbinenraddesign beeinflussen, sind Ein-/Auslassdruck, Ein-/Auslasstemperatur, Volumenstrom und Fluideigenschaften. Ist das Verdichtungsverhältnis zu hoch, um in einer Stufe reduziert zu werden, ist ein Turboexpander mit mehreren Turbinenrädern erforderlich. Sowohl radiale als auch axiale Turbinenräder können mehrstufig ausgeführt werden. Axiale Turbinenräder haben jedoch eine deutlich kürzere axiale Länge und sind daher kompakter. Mehrstufige Radialturbinen erfordern einen Gasfluss von axial zu radial und zurück zur axialen Achse, wodurch höhere Reibungsverluste entstehen als bei Axialturbinen.
Lager. Die Lagerkonstruktion ist entscheidend für den effizienten Betrieb eines Turboexpanders. Die Lagertypen für Turboexpander variieren stark und umfassen Öllager, Flüssigkeitsfilmlager, herkömmliche Kugellager und Magnetlager. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Viele Hersteller von Turboexpandern entscheiden sich aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile für Magnetlager. Magnetlager gewährleisten einen reibungslosen Betrieb der dynamischen Komponenten des Turboexpanders und senken so die Betriebs- und Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer der Maschine deutlich. Sie sind zudem für ein breites Spektrum an axialen und radialen Belastungen sowie Überbeanspruchungen ausgelegt. Die höheren Anschaffungskosten werden durch deutlich niedrigere Lebenszykluskosten ausgeglichen.
Dynamo. Der Generator nutzt die Rotationsenergie der Turbine und wandelt sie mithilfe eines elektromagnetischen Generators (Induktionsgenerator oder Permanentmagnetgenerator) in nutzbare elektrische Energie um. Induktionsgeneratoren haben eine niedrigere Nenndrehzahl, sodass Hochgeschwindigkeitsturbinen ein Getriebe benötigen. Sie können jedoch so ausgelegt werden, dass sie der Netzfrequenz entsprechen, wodurch ein Frequenzumrichter (VFD) zur Stromerzeugung entfällt. Permanentmagnetgeneratoren hingegen können direkt über die Welle mit der Turbine gekoppelt werden und über einen Frequenzumrichter Strom ins Netz übertragen. Der Generator ist so ausgelegt, dass er die maximale Leistung basierend auf der im System verfügbaren Wellenleistung liefert.
Dichtungen. Auch die Dichtung ist eine kritische Komponente bei der Konstruktion eines Turboexpandersystems. Um eine hohe Effizienz zu gewährleisten und Umweltstandards einzuhalten, müssen die Systeme abgedichtet sein, um potenzielle Prozessgaslecks zu verhindern. Turboexpander können mit dynamischen oder statischen Dichtungen ausgestattet sein. Dynamische Dichtungen, wie Labyrinthdichtungen und Trockengasdichtungen, dichten eine rotierende Welle ab, typischerweise zwischen Turbinenrad, Lagern und dem Rest der Maschine, in der sich der Generator befindet. Dynamische Dichtungen verschleißen mit der Zeit und erfordern regelmäßige Wartung und Inspektion, um ihre einwandfreie Funktion sicherzustellen. Wenn alle Turboexpanderkomponenten in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, können statische Dichtungen zum Schutz aller aus dem Gehäuse austretenden Leitungen, einschließlich zum Generator, zu Magnetlagerantrieben oder Sensoren, eingesetzt werden. Diese luftdichten Dichtungen bieten dauerhaften Schutz vor Gaslecks und erfordern weder Wartung noch Reparatur.
Aus prozesstechnischer Sicht besteht die Hauptanforderung für die Installation eines Expanders darin, ein Niederdrucksystem mit komprimierbarem (nicht kondensierbarem) Hochdruckgas zu versorgen. Dabei müssen Durchfluss, Druckabfall und Auslastung ausreichend sein, um den normalen Betrieb der Anlage aufrechtzuerhalten. Die Betriebsparameter werden auf einem sicheren und effizienten Niveau gehalten.
In Bezug auf die Druckreduzierfunktion kann der Expander das Joule-Thomson-Ventil (JT), auch Drosselventil genannt, ersetzen. Da sich das JT-Ventil isentropisch bewegt, der Expander hingegen nahezu isentropisch, reduziert letzterer die Enthalpie des Gases und wandelt die Enthalpiedifferenz in Wellenleistung um. Dadurch wird eine niedrigere Austrittstemperatur als beim JT-Ventil erzeugt. Dies ist nützlich bei kryogenen Prozessen, bei denen die Temperatur des Gases gesenkt werden soll.
Wenn die Gasaustrittstemperatur unterschritten werden muss (z. B. in einer Dekompressionsstation, wo die Gastemperatur über dem Gefrierpunkt, der Hydratationstemperatur oder der minimalen Materialauslegungstemperatur gehalten werden muss), muss mindestens ein Heizgerät zur Regelung der Gastemperatur hinzugefügt werden. Befindet sich der Vorwärmer vor dem Expander, wird ein Teil der Energie des Speisegases auch im Expander zurückgewonnen, wodurch dessen Leistung erhöht wird. In manchen Konfigurationen, in denen eine Regelung der Austrittstemperatur erforderlich ist, kann ein zweiter Nachwärmer nach dem Expander installiert werden, um eine schnellere Regelung zu gewährleisten.
In Abb. 3 ist ein vereinfachtes Diagramm des allgemeinen Flussdiagramms eines Expandergenerators mit Vorwärmer dargestellt, der als Ersatz für ein JT-Ventil verwendet wird.
In anderen Prozesskonfigurationen kann die im Expander zurückgewonnene Energie direkt auf den Kompressor übertragen werden. Diese Maschinen, auch „Kompressoren“ genannt, verfügen üblicherweise über Expansions- und Kompressionsstufen, die durch eine oder mehrere Wellen verbunden sind. Diese können auch ein Getriebe zur Regulierung der Drehzahldifferenz zwischen den beiden Stufen enthalten. Ein zusätzlicher Motor kann die Kompressionsstufe zusätzlich mit Leistung versorgen.
Nachfolgend sind einige der wichtigsten Komponenten aufgeführt, die den ordnungsgemäßen Betrieb und die Stabilität des Systems gewährleisten.
Bypassventil oder Druckminderventil. Das Bypassventil ermöglicht die Weiterführung des Betriebs, wenn der Turboexpander nicht in Betrieb ist (z. B. wegen Wartungsarbeiten oder im Notfall), während das Druckminderventil für den Dauerbetrieb verwendet wird, um überschüssiges Gas zuzuführen, wenn der Gesamtdurchfluss die Auslegungskapazität des Expanders überschreitet.
Notabschaltventil (ESD). ESD-Ventile werden verwendet, um im Notfall den Gasfluss in den Expander zu blockieren und so mechanische Schäden zu vermeiden.
Instrumente und Steuerungen. Wichtige zu überwachende Variablen sind Eingangs- und Ausgangsdruck, Durchflussrate, Drehzahl und Leistungsabgabe.
Fahren mit überhöhter Geschwindigkeit. Das Gerät unterbricht den Durchfluss zur Turbine, wodurch der Turbinenrotor langsamer wird. Dadurch wird die Anlage vor überhöhten Geschwindigkeiten aufgrund unerwarteter Prozessbedingungen geschützt, die die Anlage beschädigen könnten.
Drucksicherheitsventil (PSV). PSVs werden häufig nach einem Turboexpander installiert, um Rohrleitungen und Niederdruckanlagen zu schützen. Das PSV muss so ausgelegt sein, dass es den härtesten Bedingungen standhält, zu denen typischerweise auch das Versagen des Bypassventils gehört. Wird ein Expander an eine bestehende Druckreduzierstation angeschlossen, muss das Prozessdesignteam prüfen, ob das vorhandene PSV ausreichenden Schutz bietet.
Heizung. Heizungen gleichen den Temperaturabfall aus, der durch das durch die Turbine strömende Gas entsteht. Daher muss das Gas vorgewärmt werden. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Temperatur des aufsteigenden Gasstroms zu erhöhen, um die Temperatur des den Expander verlassenden Gases über einem Mindestwert zu halten. Ein weiterer Vorteil der Temperaturerhöhung ist die Steigerung der Leistungsabgabe sowie die Vermeidung von Korrosion, Kondensation oder Hydratisierung, die die Düsen der Anlage beeinträchtigen könnten. In Systemen mit Wärmetauschern (siehe Abbildung 3) wird die Gastemperatur üblicherweise durch Regulierung des Zuflusses der erhitzten Flüssigkeit in den Vorwärmer geregelt. In manchen Ausführungen kann anstelle eines Wärmetauschers auch ein Flammenheizer oder ein elektrischer Heizer verwendet werden. Heizungen sind möglicherweise bereits in einer vorhandenen JT-Ventilstation vorhanden, sodass für die Installation eines Expanders möglicherweise keine zusätzlichen Heizungen, sondern lediglich eine Erhöhung des Durchflusses der erhitzten Flüssigkeit erforderlich sind.
Schmieröl- und Sperrgassysteme. Wie bereits erwähnt, können Expander unterschiedliche Dichtungskonstruktionen verwenden, die Schmiermittel und Sperrgase erfordern können. Gegebenenfalls muss das Schmieröl auch bei Kontakt mit Prozessgasen eine hohe Qualität und Reinheit aufweisen, und die Ölviskosität muss innerhalb des erforderlichen Betriebsbereichs geschmierter Lager bleiben. Geschlossene Gassysteme sind üblicherweise mit einer Ölschmiervorrichtung ausgestattet, um zu verhindern, dass Öl aus dem Lagergehäuse in das Expansionsgehäuse gelangt. Für spezielle Anwendungen von Kompandern in der Kohlenwasserstoffindustrie werden Schmieröl- und Sperrgassysteme typischerweise nach API 617 [5] Teil 4 ausgelegt.
Frequenzumrichter (VFD). Bei einem Induktionsgenerator wird üblicherweise ein VFD eingeschaltet, um das Wechselstromsignal an die Netzfrequenz anzupassen. Frequenzumrichter haben typischerweise einen höheren Gesamtwirkungsgrad als solche mit Getrieben oder anderen mechanischen Komponenten. VFD-basierte Systeme können zudem ein breiteres Spektrum an Prozessänderungen bewältigen, die zu Änderungen der Expanderwellendrehzahl führen können.
Getriebe. Einige Expanderkonstruktionen verwenden ein Getriebe, um die Drehzahl des Expanders auf die Nenndrehzahl des Generators zu reduzieren. Die Kosten eines Getriebes sind ein geringerer Gesamtwirkungsgrad und damit eine geringere Leistungsabgabe.
Bei der Vorbereitung einer Angebotsanfrage (RFQ) für einen Expander muss der Verfahrenstechniker zunächst die Betriebsbedingungen ermitteln und dabei folgende Informationen angeben:
Maschinenbauingenieure erstellen Spezifikationen und Spezifikationen für Expandergeneratoren häufig mithilfe von Daten aus anderen technischen Disziplinen. Diese Eingaben können Folgendes umfassen:
Die Spezifikationen müssen außerdem eine Liste der vom Hersteller im Rahmen des Ausschreibungsverfahrens bereitgestellten Dokumente und Zeichnungen sowie den Lieferumfang und die für das Projekt erforderlichen anwendbaren Prüfverfahren enthalten.
Die technischen Informationen, die der Hersteller im Rahmen des Ausschreibungsverfahrens bereitstellt, sollten im Allgemeinen die folgenden Elemente enthalten:
Wenn der Vorschlag in irgendeinem Punkt von den ursprünglichen Spezifikationen abweicht, muss der Hersteller auch eine Liste der Abweichungen und die Gründe dafür vorlegen.
Sobald ein Vorschlag eingeht, muss das Projektentwicklungsteam die Konformitätsanfrage prüfen und feststellen, ob Abweichungen technisch gerechtfertigt sind.
Weitere technische Überlegungen, die bei der Bewertung von Vorschlägen zu berücksichtigen sind, sind:
Abschließend ist eine Wirtschaftlichkeitsanalyse durchzuführen. Da unterschiedliche Optionen zu unterschiedlichen Anschaffungskosten führen können, empfiehlt sich eine Cashflow- oder Lebenszykluskostenanalyse, um die langfristige Wirtschaftlichkeit und den Return on Investment des Projekts zu vergleichen. So kann beispielsweise eine höhere Anfangsinvestition langfristig durch höhere Produktivität oder geringeren Wartungsaufwand ausgeglichen werden. Hinweise zu dieser Analyse finden Sie unter „Referenzen“. 4.
Alle Turboexpander-Generator-Anwendungen erfordern zunächst eine Berechnung des gesamten Leistungspotenzials, um die Gesamtmenge der verfügbaren Energie zu bestimmen, die in einer bestimmten Anwendung zurückgewonnen werden kann. Für einen Turboexpander-Generator wird das Leistungspotenzial als isentropischer Prozess (konstante Entropie) berechnet. Dies ist die ideale thermodynamische Situation für die Betrachtung eines reversiblen adiabatischen Prozesses ohne Reibung und gleichzeitig der korrekte Prozess zur Abschätzung des tatsächlichen Energiepotenzials.
Die isentrope potentielle Energie (IPP) wird berechnet, indem die spezifische Enthalpiedifferenz am Ein- und Auslass des Turboexpanders multipliziert und das Ergebnis mit dem Massenstrom multipliziert wird. Diese potentielle Energie wird als isentrope Größe ausgedrückt (Gleichung (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
wobei h(i,e) die spezifische Enthalpie unter Berücksichtigung der isentropen Austrittstemperatur und ṁ der Massenstrom ist.
Obwohl die isentrope potentielle Energie zur Abschätzung der potentiellen Energie verwendet werden kann, entstehen in allen realen Systemen Reibungs-, Wärme- und andere zusätzliche Energieverluste. Daher sollten bei der Berechnung des tatsächlichen Leistungspotenzials folgende zusätzliche Eingangsdaten berücksichtigt werden:
Bei den meisten Turboexpander-Anwendungen wird die Temperatur auf ein Minimum begrenzt, um unerwünschte Probleme wie das bereits erwähnte Einfrieren der Rohrleitungen zu vermeiden. Wo Erdgas fließt, sind fast immer Hydrate vorhanden. Das bedeutet, dass die Rohrleitung hinter einem Turboexpander oder Drosselventil innen und außen einfriert, wenn die Austrittstemperatur unter 0 °C fällt. Eisbildung kann zu Durchflussbeschränkungen führen und schließlich das System zum Abtauen abschalten. Daher wird die „gewünschte“ Austrittstemperatur verwendet, um ein realistischeres potenzielles Leistungsszenario zu berechnen. Für Gase wie Wasserstoff ist die Temperaturgrenze jedoch viel niedriger, da Wasserstoff erst bei kryogenen Temperaturen (-253 °C) vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Verwenden Sie diese gewünschte Austrittstemperatur, um die spezifische Enthalpie zu berechnen.
Auch der Wirkungsgrad des Turboexpandersystems muss berücksichtigt werden. Je nach verwendeter Technologie kann der Systemwirkungsgrad erheblich variieren. Beispielsweise weist ein Turboexpander, der ein Untersetzungsgetriebe zur Übertragung der Rotationsenergie von der Turbine auf den Generator nutzt, höhere Reibungsverluste auf als ein System mit Direktantrieb von der Turbine zum Generator. Der Gesamtwirkungsgrad eines Turboexpandersystems wird in Prozent angegeben und bei der Beurteilung des tatsächlichen Leistungspotenzials des Turboexpanders berücksichtigt. Das tatsächliche Leistungspotenzial (PP) wird wie folgt berechnet:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Betrachten wir die Anwendung der Erdgas-Druckentlastung. ABC betreibt und wartet eine Druckreduzierstation, die Erdgas von der Hauptpipeline transportiert und an lokale Gemeinden verteilt. An dieser Station beträgt der Gaseingangsdruck 40 bar und der Ausgangsdruck 8 bar. Die vorgewärmte Eingangsgastemperatur beträgt 35 °C, wodurch das Gas vorgewärmt wird, um ein Einfrieren der Pipeline zu verhindern. Daher muss die Ausgangsgastemperatur so geregelt werden, dass sie nicht unter 0 °C fällt. In diesem Beispiel verwenden wir 5 °C als Mindestausgangstemperatur, um den Sicherheitsfaktor zu erhöhen. Der normalisierte Gasvolumenstrom beträgt 50.000 Nm³/h. Zur Berechnung des Leistungspotenzials gehen wir davon aus, dass das gesamte Gas durch den Turboexpander fließt, und berechnen die maximale Leistungsabgabe. Schätzen Sie das Gesamtleistungspotenzial mithilfe der folgenden Berechnung:
Veröffentlichungszeit: 25. Mai 2024