Hangzhou Nuzhuo Technology Group Co., Ltd.

Die Expandanten können Druckreduzierung verwenden, um rotierende Maschinen zu fahren. Informationen zur Bewertung der potenziellen Vorteile der Installation eines Extender finden Sie hier.
Typischerweise in der chemischen Prozessindustrie (CPI) wird „eine große Menge an Energie in Druckregelventile verschwendet, bei denen Hochdruckflüssigkeiten depressiviert 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 verwendet werden kann. Für inkompressible Flüssigkeiten (Flüssigkeiten) wird dies unter Verwendung einer Hydraulik -Energiewiederherstellungsturbine (HPRT; siehe Referenz 1) erreicht. Für kompressible Flüssigkeiten (Gase) ist ein Expander eine geeignete Maschine.
Expandierer sind eine ausgereifte Technologie mit vielen erfolgreichen Anwendungen wie flüssigem katalytischem Rissen (FCC), Kühlung, Erdgas -Stadtventilen, Lufttrennung oder Abgasemissionen. Grundsätzlich kann jeder Gasstrom mit einem verringerten Druck verwendet werden, um einen Expander zu treiben, aber „der Energieausgang ist direkt proportional zum Druckverhältnis, Temperatur und Durchflussrate des Gasstroms“ [2] sowie zur technischen und wirtschaftlichen Durchführbarkeit. Expander -Implementierung: Der Prozess hängt von diesen und anderen Faktoren ab, wie den lokalen Energiepreisen und der Verfügbarkeit geeigneter Geräte durch den Hersteller.
Obwohl der Turboexpander (ähnlich wie eine Turbine) die bekannteste Art von Expander ist (Abbildung 1), gibt es andere Arten, die für verschiedene Prozessbedingungen geeignet sind. In diesem Artikel wird die Haupttypen von Expandern und deren Komponenten vorgestellt und fasst zusammen, wie Betriebsmanager, Berater oder Energieprüfer in verschiedenen CPI -Abteilungen die potenziellen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile der Installation eines Expanders bewerten können.
Es gibt viele verschiedene Arten von Widerstandsbändern, die in Geometrie und Funktion stark variieren. Die Haupttypen sind in Abbildung 2 dargestellt und jeder Typ wird unten kurz beschrieben. Weitere Informationen sowie Diagramme, die den Betriebsstatus jedes Typs basierend auf bestimmten Durchmessern und bestimmten Geschwindigkeiten vergleichen, finden Sie Hilfe. 3.
Piston Turboexpander. Kolben- und Drehkolben-Turboexpander arbeiten wie ein umgekehrter Verbrennungsmotor, absorbieren Hochdruckgas und wandeln seine gespeicherte Energie in Rotationsenergie durch die Kurbelwelle um.
Ziehen Sie den Turbo -Expander. Der Expander des Brems -Turbinens besteht aus einer konzentrischen Durchflusskammer mit an der Peripherie des rotierenden Elements befestigten Eimerflossen. Sie sind auf die gleiche Weise wie Wasserräder konzipiert, aber der Querschnitt der konzentrischen Kammern nimmt vom Einlass zum Auslass zu, sodass das Gas expandiert werden kann.
Radial Turboexpander. Radiale Durchfluss -Turboexpander haben einen axialen Einlass und einen radialen Auslass, sodass das Gas radial durch das Turbinen -Laufrad erweitert wird. In ähnlicher Weise erweitern axiale Strömungsturbinen Gas durch das Turbinenrad, aber die Fließrichtung bleibt parallel zur Drehachse.
Dieser Artikel konzentriert sich auf radiale und axiale Turboexpander und diskutiert ihre verschiedenen Subtypen, Komponenten und Wirtschaftlichkeiten.
Ein Turboexpander extrahiert Energie aus einem Hochdruckgasstrom und wandelt sie in eine Antriebslast um. In der Regel ist die Last ein Kompressor oder Generator, der an eine Welle angeschlossen ist. Ein Turboexpander mit einem Kompressor komprimiert Flüssigkeit in anderen Teilen des Prozessstroms, für die komprimierte Flüssigkeit erforderlich ist, wodurch die Gesamteffizienz der Anlage durch Verwendung von ansonsten verschwendeten Energie erhöht wird. Ein Turboexpander mit einer Generatorlast wandelt die Energie in Strom um, der in anderen Anlagenprozessen verwendet oder zum Verkauf in das lokale Netz zurückgegeben werden kann.
Turboexpander -Generatoren können entweder mit einer Direktantriebswelle vom Turbinenrad zum Generator oder über ein Getriebe ausgestattet werden, das die Eingangsgeschwindigkeit vom Turbinenrad zum Generator durch ein Zahnradverhältnis effektiv reduziert. Direct Drive Turboexpander bieten Vorteile in Bezug auf Effizienz, Fußabdruck und Wartungskosten. Getriebe -Turboexpander sind schwerer und erfordern eine größere Fußabdruck, Schmierunghilfsgeräte und regelmäßige Wartung.
Durchfluss-durch-Turboexpander können in Form radialer oder axialer Turbinen hergestellt werden. Radiale Strömungxpasser enthalten einen axialen Einlass und eine radiale Auslass, so dass der Gasstrom aus der Drehachse radial aus der Turbinenausgang verlässt. Axiale Turbinen ermöglichen es Gas, entlang der Drehachse axial zu fließen. Axiale Durchfluss-Turbinen extrahieren Energie aus dem Gasfluss durch Einlassleitschüche zum Expanderrad, wobei die Querschnittsfläche der Expansionskammer allmählich zunimmt, um eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten.
Ein Turboexpander -Generator besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Turbinenrad, speziellen Lagern und einem Generator.
Turbinenrad. Turbinenräder sind häufig speziell entwickelt, um die aerodynamische Effizienz zu optimieren. Anwendungsvariablen, die die Turbinenraddesign beeinflussen, umfassen Einlass-/Auslassdruck, Einlass-/Auslasstemperatur, Volumenstrom und Flüssigkeitseigenschaften. Wenn das Kompressionsverhältnis zu hoch ist, um in einer Stufe zu reduzieren, ist ein Turboexpander mit mehreren Turbinenrädern erforderlich. Sowohl radiale als auch axiale Turbinenräder können als mehrstufige axiale Turbinenräder ausgelegt werden, die jedoch eine viel kürzere axiale Länge haben und daher kompakter sind. Mehrstufige radiale Strömungsturbinen benötigen von Gas, um von axial nach radial und zurück zu axial zu fließen, wodurch höhere Reibungsverluste als axiale Strömungsturbinen erzeugen.
Lager. Das Lagerdesign ist entscheidend für den effizienten Betrieb eines Turboexpanders. Die mit Turboexpander -Designs zusammenhängenden Lagertypen variieren stark und können Öllager, Flüssigkeitsfilmlager, traditionelle Kugellager und Magnetlager umfassen. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, wie in Tabelle 1 gezeigt.
Viele Turboexpander -Hersteller wählen Magnetlager aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile als „Lager der Wahl“. Magnetlager sorgen für den reibungsfreien Betrieb der dynamischen Komponenten des Turboexpanders und senken die Betriebs- und Wartungskosten über die Lebensdauer der Maschine erheblich. Sie sind auch so konzipiert, dass sie einem breiten Bereich von axialen und radialen Belastungen und Überbeanspruchungsbedingungen standhalten. Ihre höheren anfänglichen Kosten werden durch viel niedrigere Lebenszykluskosten ausgeglichen.
Dynamo. Der Generator nimmt die Rotationsenergie der Turbine auf und wandelt sie unter Verwendung eines elektromagnetischen Generators in nützliche elektrische Energie um (der ein Induktionsgenerator oder ein permanenter Magnetgenerator sein kann). Induktionsgeneratoren haben eine niedrigere Geschwindigkeit, sodass Hochgeschwindigkeits -Turbinenanwendungen ein Getriebe erfordern, aber so ausgelegt werden können, dass sie mit der Gitterfrequenz übereinstimmt, wodurch die Notwendigkeit eines variablen Frequenzantriebs (VFD) zur Lieferung des erzeugten Stroms erforderlich ist. Permanente Magnetgeneratoren dagegen können direkt mit der Turbine wellengekoppelt und über einen variablen Frequenzantrieb an das Gitter übertragen werden. Der Generator ist so konzipiert, dass er maximale Leistung basierend auf der im System verfügbaren Wellenleistung liefert.
Siegel. Das Siegel ist auch eine kritische Komponente bei der Gestaltung eines Turboexpander -Systems. Um eine hohe Effizienz zu gewährleisten und Umweltstandards zu erfüllen, müssen Systeme versiegelt werden, um potenzielle Prozessgaslecks zu verhindern. Turboexpander können mit dynamischen oder statischen Dichtungen ausgestattet werden. Dynamische Dichtungen wie Labyrinthdichtungen und Trockengasdichtungen liefern eine Dichtung um eine rotierende Schacht, typischerweise zwischen dem Turbinenrad, den Lagern und dem Rest der Maschine, auf der sich der Generator befindet. Dynamische Dichtungen tragen sich im Laufe der Zeit ab und erfordern eine regelmäßige Wartung und Inspektion, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren. Wenn alle Turboexpander -Komponenten in einem einzelnen Gehäuse enthalten sind, können statische Dichtungen verwendet werden, um alle Leitungen zu schützen, die das Gehäuse, einschließlich des Generators,, Magnetlagerantriebe oder Sensoren, schützen. Diese luftdichten Dichtungen bieten einen dauerhaften Schutz vor Gasleckagen und erfordern keine Wartung oder Reparatur.
Aus Prozessstandpunkt besteht die Hauptanforderung für die Installation eines Expanders darin, ein hohe Druck kompressible (nicht kondensierbares) Gas an ein niedriges Drucksystem mit ausreichendem Durchfluss, Druckabfall und Auslastung zur Aufrechterhaltung des normalen Betriebs des Geräts zu liefern. Betriebsparameter werden auf sicherer und effizienter Ebene aufrechterhalten.
In Bezug auf die Druckreduzierungsfunktion kann der Expander verwendet werden, um das Jule-Thomson-Ventil (JT) zu ersetzen, das auch als Drosselklappenventil bezeichnet wird. Da sich das JT -Ventil entlang eines isentropen Pfades bewegt und der Expander entlang eines nahezu isentropen Pfades bewegt, reduziert dieser die Enthalpie des Gases und wandelt die Enthalpiedifferenz in die Wellenleistung um, wodurch eine niedrigere Auslasstemperatur als das JT -Ventil erzeugt wird. Dies ist nützlich bei kryogenen Prozessen, bei denen das Ziel darin besteht, die Temperatur des Gases zu verringern.
Wenn die Auslass -Gastemperatur unter einer unteren Grenze vorliegt (z. B. in einer Dekompressionsstation, an der die Gastemperatur über dem Gefrierpunkt, der Flüssigkeitszufuhr oder der Mindestmaterial -Designtemperatur gehalten werden muss), muss mindestens eine Heizung hinzugefügt werden. Steuern Sie die Gastemperatur. Wenn sich der Vorheizen stromaufwärts des Expanders befindet, wird im Expander auch ein Teil der Energie aus dem Futtergas gewonnen, wodurch seine Leistungsleistung erhöht wird. In einigen Konfigurationen, bei denen die Auslass -Temperaturregelung erforderlich ist, kann nach dem Expander ein zweiter Reklauf installiert werden, um eine schnellere Kontrolle zu gewährleisten.
In Abb. 3 zeigt Abbildung 3 ein vereinfachtes Diagramm des allgemeinen Flussdiagramms eines Expandergenerators mit Vorheizen, das zum Ersetzen eines JT -Ventils verwendet wird.
In anderen Prozesskonfigurationen kann die im Expander wiederhergestellte Energie direkt an den Kompressor übertragen werden. Diese Maschinen, manchmal als „Kommandeure“ bezeichnet, haben normalerweise Expansions- und Komprimierungsstufen, die durch eine oder mehrere Wellen verbunden sind, die auch ein Getriebe enthalten können, um den Geschwindigkeitsunterschied zwischen den beiden Stufen zu regulieren. Es kann auch einen zusätzlichen Motor enthalten, um der Kompressionsstufe mehr Leistung zu bieten.
Im Folgenden finden Sie einige der wichtigsten Komponenten, die den ordnungsgemäßen Betrieb und die Stabilität des Systems gewährleisten.
Bypassventil oder Druckreduzierungventil. Das Bypassventil ermöglicht den Betrieb fort, wenn der Turboexpander nicht operiert (z. B. für die Wartung oder einen Notfall), während das Druckverringerungsventil für den kontinuierlichen Betrieb verwendet wird, um überschüssiges Gas zu liefern, wenn der Gesamtstrom die Auslegungskapazität des Expanders überschreitet.
Notfallventil (ESD). ESD -Ventile werden verwendet, um den Gasfluss in einem Notfall in den Expander zu blockieren, um mechanische Schäden zu vermeiden.
Instrumente und Kontrollen. Wichtige Variablen zu überwachen sind Einlass- und Auslassdruck, Durchflussrate, Drehgeschwindigkeit und Leistung.
Mit übermäßiger Geschwindigkeit fahren. Das Gerät senkt den Durchfluss zur Turbine, wodurch der Turbinenrotor verlangsamt wird, wodurch die Geräte aufgrund unerwarteter Prozessbedingungen vor übermäßigen Geschwindigkeiten schützt werden, die die Ausrüstung beschädigen könnten.
Drucksicherheitsventil (PSV). PSVs werden häufig nach einem Turboexpander installiert, um Pipelines und Niederdruckgeräte zu schützen. Das PSV muss so ausgelegt sein, dass sie den schwersten Eventualitäten standhalten, die typischerweise das Öffnen des Bypassventils enthalten. Wenn ein Expander einer vorhandenen Druckreduzierungsstation hinzugefügt wird, muss das Prozessdesign -Team feststellen, ob der vorhandene PSV einen angemessenen Schutz bietet.
Heizung. Heizungen kompensieren den Temperaturabfall, der durch das durch die Turbine verlaufende Gas verursacht wird, sodass das Gas vorgeheizt werden muss. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Temperatur des steigenden Gasflusss zu erhöhen, um die Temperatur des Gases aufrechtzuerhalten, und den Expander über einem Mindestwert. Ein weiterer Vorteil der Erhöhung der Temperatur besteht darin, die Leistungsleistung zu erhöhen und Korrosion, Kondensation oder Hydrate zu verhindern, die sich nachteilig auf die Gerätedüsen auswirken könnten. In Systemen, die Wärmetauscher enthalten (wie in Abbildung 3 gezeigt), wird die Gastemperatur normalerweise durch Regulierung des Flusses der erhitzten Flüssigkeit in den Vorheizen gesteuert. In einigen Konstruktionen kann anstelle eines Wärmetauschers ein Flammenheizung oder eine elektrische Heizung verwendet werden. In einer vorhandenen JT -Ventilstation können bereits Heizungen vorhanden sein, und ein Expander muss möglicherweise keine zusätzlichen Heizungen installieren, sondern den Fluss von erhitztem Flüssigkeit erhöhen.
Schmieröl- und Dichtgassysteme. Wie oben erwähnt, können Erweiterungen unterschiedliche Versiegelungsdesigns verwenden, für die möglicherweise Schmiermittel und Versiegelungsgase erforderlich sind. Gegebenenfalls muss das Schmieröl im Kontakt mit Prozessgasen hohe Qualität und Reinheit aufrechterhalten, und der Ölviskositätsniveau muss innerhalb des erforderlichen Betriebsbereichs der Schmierlager bleiben. Versiegelte Gassysteme sind normalerweise mit einem Ölschmiergerät ausgestattet, um zu verhindern, dass Öl aus der Lagerbox in die Expansionsbox eingeht. Für spezielle Anwendungen von Kompandern, die in der Kohlenwasserstoffindustrie verwendet werden, sind Schmieröl und Versiegelgassysteme typischerweise auf API 617 ausgelegt [5] Teil 4 Spezifikationen.
Variabler Frequenzantrieb (VFD). Wenn der Generator eine Induktion ist, wird ein VFD normalerweise eingeschaltet, um das Wechselstromsignal (AC) für die Versorgungsfrequenz anzupassen. In der Regel weisen Konstruktionen, die auf variablen Frequenz -Laufwerken basieren, eine höhere Gesamteffizienz auf als Konstruktionen, die Getriebe oder andere mechanische Komponenten verwenden. VFD-basierte Systeme können auch eine größere Reihe von Prozessänderungen berücksichtigen, die zu Änderungen der Expanderwellengeschwindigkeit führen können.
Übertragung. Einige Expander -Designs verwenden ein Getriebe, um die Geschwindigkeit des Expanders auf die Nenngeschwindigkeit des Generators zu reduzieren. Die Kosten für die Verwendung eines Getriebes sind eine geringere Gesamtwirkungsgrad und somit eine geringere Leistung.
Bei der Vorbereitung einer Anfrage nach Zitat (RFQ) für einen Expander muss der Prozessingenieur zunächst die Betriebsbedingungen ermitteln, einschließlich der folgenden Informationen:
Maschinenbauingenieure vervollständigen häufig Expander -Generatorspezifikationen und Spezifikationen mit Daten aus anderen technischen Disziplinen. Diese Eingaben können Folgendes enthalten:
Die Spezifikationen müssen auch eine Liste von Dokumenten und Zeichnungen enthalten, die der Hersteller im Rahmen des Ausschreibungsverfahrens und des Versorgungsumfangs sowie anwendbare Testverfahren gemäß den Voraussetzungen des Projekts bereitstellen.
Die vom Hersteller im Rahmen des Ausschreibungsverfahrens bereitgestellten technischen Informationen sollten im Allgemeinen die folgenden Elemente enthalten:
Wenn sich ein Aspekt des Vorschlags von den ursprünglichen Spezifikationen unterscheidet, muss der Hersteller auch eine Liste von Abweichungen und die Gründe für die Abweichungen bereitstellen.
Sobald ein Vorschlag eingegangen ist, muss das Projektentwicklungsteam die Einhaltung der Einhaltung überprüfen und feststellen, ob Abweichungen technisch gerechtfertigt sind.
Weitere technische Überlegungen, die bei der Bewertung von Vorschlägen berücksichtigt werden müssen, sind:
Schließlich muss eine wirtschaftliche Analyse durchgeführt werden. Da unterschiedliche Optionen zu unterschiedlichen Anfangskosten führen können, wird empfohlen, eine Cashflow- oder Lebenszykluskostenanalyse durchzuführen, um die langfristige Ökonomie des Projekts und die Kapitalrendite zu vergleichen. Beispielsweise kann eine höhere anfängliche Investition langfristig durch erhöhte Produktivität oder reduzierte Wartungsanforderungen ausgeglichen werden. Anweisungen zu dieser Art der Analyse finden Sie in „Referenzen“. 4.
Alle Anwendungen des Generators Turboexpander erfordern eine anfängliche Gesamtberechnung des Gesamtpotentials, um die Gesamtmenge der verfügbaren Energie zu bestimmen, die in einer bestimmten Anwendung wiederhergestellt werden kann. Für einen Turboexpander -Generator wird das Leistungspotential als isentropischer (konstanter Entropie-) Prozess berechnet. Dies ist die ideale thermodynamische Situation, um einen reversiblen adiabatischen Prozess ohne Reibung zu berücksichtigen, aber es ist der richtige Prozess zur Schätzung des tatsächlichen Energiepotentials.
Die isentropische Potentialergie (IPP) wird berechnet, indem die spezifische Enthalpiedifferenz am Einlass und Auslass des Turboexpanders multipliziert und das Ergebnis mit der Massenflussrate multipliziert wird. Diese potentielle Energie wird als isentropische Menge ausgedrückt (Gleichung (1)):
Ipp = (Hinet - H (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
wobei H (i, e) die spezifische Enthalpie unter Berücksichtigung der isentropischen Auslasstemperatur und ṁ der Massenflussrate ist.
Obwohl isentropische potentielle Energie verwendet werden kann, um potenzielle Energie abzuschätzen, beinhalten alle realen Systeme Reibung, Wärme und andere Nebenenergieverluste. Bei der Berechnung des tatsächlichen Leistungspotentials sollten die folgenden zusätzlichen Eingabedaten berücksichtigt werden:
In den meisten Anwendungen von Turboexpander ist die Temperatur auf ein Minimum beschränkt, um unerwünschte Probleme wie das zuvor erwähnte Rohrfrieren zu verhindern. Wo Erdgasflüsse fast immer Hydrate vorhanden sind, was bedeutet, dass die Rohrleitung stromabwärts eines Turboexpanders oder eines Drosselklappenventils intern und extern einfriert, wenn die Auslasstemperatur unter 0 ° C fällt. Die ICE -Bildung kann zu einer Durchflussrestriktion führen und letztendlich das System zum Auftauen abbauen. Somit wird die „gewünschte“ Auslasstemperatur verwendet, um ein realistischeres potenzielles Power -Szenario zu berechnen. Bei Gasen wie Wasserstoff ist die Temperaturgrenze jedoch viel niedriger, da sich Wasserstoff erst von Gas zu Flüssigkeit ändert, wenn sie eine kryogene Temperatur erreicht (-253 ° C). Verwenden Sie diese gewünschte Auslasstemperatur, um die spezifische Enthalpie zu berechnen.
Die Effizienz des Turboexpander -Systems muss ebenfalls berücksichtigt werden. Abhängig von der verwendeten Technologie kann die Systemeffizienz erheblich variieren. Beispielsweise wird ein Turboexpander, der ein Reduktionsrad verwendet, um Rotationsenergie von der Turbine auf den Generator zu übertragen, größere Reibungsverluste als ein System, das die Direktantrieb vom Turbine zum Generator verwendet. Die Gesamteffizienz eines Turboexpander -Systems wird als Prozentsatz ausgedrückt und bei der Bewertung des tatsächlichen Leistungspotentials des Turboexpanders berücksichtigt. Das tatsächliche Leistungspotential (PP) wird wie folgt berechnet:
Pp = (Hinet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
Schauen wir uns die Anwendung von Erdgasdruckentlastung an. ABC betreibt und unterhält eine Druckreduzierungsstation, die Erdgas von der Hauptpipeline transportiert und an die lokalen Gemeinden verteilt. An dieser Station beträgt der Gaseinlassdruck 40 bar und der Auslassdruck 8 bar. Die vorgeheizte Gastemperatur beträgt 35 ° C, wodurch das Gas vorgeheizt wird, um das Einfrieren von Rohrleitungen zu verhindern. Daher muss die Auslass -Gastemperatur so gesteuert werden, dass sie nicht unter 0 ° C fällt. In diesem Beispiel verwenden wir 5 ° C als Mindestauslasstemperatur, um den Sicherheitsfaktor zu erhöhen. Die normalisierte volumetrische Gasdurchflussrate beträgt 50.000 nm3/h. Um das Leistungspotential zu berechnen, gehen wir davon aus, dass alle Gas durch den Turbo -Expander fließen und die maximale Leistung berechnen. Schätzen Sie das Gesamtleistungspotential anhand der folgenden Berechnung: