HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Expander nutzen die Druckreduzierung, um rotierende Maschinen anzutreiben. Informationen zur Bewertung der potenziellen Vorteile des Einbaus eines Expanders finden Sie hier.
In der chemischen Prozessindustrie (CPI) geht typischerweise viel Energie in Druckregelventilen verloren, wo unter hohem Druck stehende Fluide 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 mithilfe einer hydraulischen Energierückgewinnungsturbine (HPRT; siehe Referenz 1) erreicht. Für kompressible Fluide (Gase) eignet sich ein Expander.
Expander sind eine ausgereifte Technologie mit vielen erfolgreichen Anwendungen, beispielsweise beim Fluid Catalytic Cracking (FCC), in der Kältetechnik, bei Erdgasleitungen, in der Luftzerlegung oder bei der Abgasreinigung. Prinzipiell kann jeder Gasstrom mit reduziertem Druck zum Antrieb eines Expanders verwendet werden, jedoch ist „die Energieausbeute direkt proportional zum Druckverhältnis, zur Temperatur und zum Volumenstrom des Gasstroms“ [2] sowie zur technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit. Die Implementierung von Expandern hängt von diesen und weiteren Faktoren ab, wie etwa den lokalen Energiepreisen und der Verfügbarkeit geeigneter Anlagen beim Hersteller.
Obwohl der Turboexpander (der ähnlich wie eine Turbine funktioniert) 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 Bereichen der Prozessindustrie die potenziellen wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile des Einbaus 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 Betriebszustand der einzelnen Typen anhand spezifischer Durchmesser und Geschwindigkeiten vergleichen, finden Sie in der Hilfe. 3.
Kolben-Turboexpander. Kolben- und Rotationskolben-Turboexpander funktionieren wie ein gegenläufiger Verbrennungsmotor, indem sie Hochdruckgas aufnehmen und dessen gespeicherte Energie über die Kurbelwelle in Rotationsenergie umwandeln.
Ziehen Sie den Turboexpander. Der Bremsturbinenexpander besteht aus einer konzentrischen Strömungskammer mit Schaufeln, die am Umfang des rotierenden Elements angebracht sind. Sie sind ähnlich wie Wasserräder konstruiert, jedoch vergrößert sich der Querschnitt der konzentrischen Kammern vom Einlass zum Auslass, wodurch sich das Gas ausdehnen kann.
Radialturboexpander. Radialturboexpander besitzen einen axialen Einlass und einen radialen Auslass, wodurch sich das Gas radial durch das Turbinenlaufrad ausdehnen kann. Ähnlich expandiert das Gas bei Axialturbinen durch das Turbinenrad, jedoch bleibt die Strömungsrichtung parallel zur Rotationsachse.
Dieser Artikel befasst sich mit Radial- und Axialturboexpandern und erörtert deren verschiedene Untertypen, Komponenten und Wirtschaftlichkeit.
Ein Turboexpander gewinnt Energie aus einem Hochdruckgasstrom und wandelt diese in Antriebsenergie um. Typischerweise handelt es sich dabei um einen Kompressor oder Generator, der mit einer Welle verbunden ist. Ein Turboexpander mit Kompressor verdichtet Fluide in anderen Prozessschritten, die komprimiertes Fluid benötigen, und steigert so die Gesamteffizienz der Anlage, indem er ansonsten ungenutzte Energie verwendet. Ein Turboexpander mit Generator wandelt die Energie in Strom um, der in anderen Anlagenprozessen genutzt oder in das lokale Stromnetz eingespeist und verkauft werden kann.
Turboexpander-Generatoren können entweder über eine direkte Antriebswelle vom Turbinenrad zum Generator oder über ein Getriebe, das die Eingangsdrehzahl vom Turbinenrad zum Generator durch ein Übersetzungsverhältnis effektiv reduziert, angetrieben werden. Direkt angetriebene Turboexpander bieten Vorteile hinsichtlich Effizienz, Platzbedarf und Wartungskosten. Getriebegetriebene Turboexpander sind schwerer und benötigen mehr Platz, zusätzliche Schmiervorrichtungen und regelmäßige Wartung.
Durchflussturboexpander können als Radial- oder Axialturbinen ausgeführt sein. Radialturbinen besitzen einen axialen Einlass und einen radialen Auslass, sodass der Gasstrom radial von der Rotationsachse austritt. Axialturbinen ermöglichen einen axialen Gasstrom entlang der Rotationsachse. Sie gewinnen Energie aus dem Gasstrom, indem sie ihn über Leitschaufeln am Einlass zum Expansionsrad leiten. Dabei vergrößert sich der Querschnitt der Expansionskammer allmählich, um eine konstante Drehzahl zu gewährleisten.
Ein Turboexpandergenerator besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Turbinenrad, Speziallagern und einem Generator.
Turbinenräder werden häufig speziell zur Optimierung der aerodynamischen Effizienz konstruiert. Zu den Anwendungsvariablen, die die Konstruktion von Turbinenrädern beeinflussen, gehören Ein- und Auslassdruck, Ein- und Auslasstemperatur, Volumenstrom und Fluideigenschaften. Ist das Verdichtungsverhältnis zu hoch, um es in einer Stufe zu reduzieren, wird ein Turboexpander mit mehreren Turbinenrädern benötigt. Sowohl Radial- als auch Axialturbinenräder können mehrstufig ausgeführt werden, Axialturbinenräder weisen jedoch eine deutlich kürzere axiale Länge auf und sind daher kompakter. Mehrstufige Radialturbinen erfordern einen Gasdurchfluss von axial nach radial und zurück, was zu höheren Reibungsverlusten als bei Axialturbinen führt.
Lager. Die Lagerkonstruktion ist entscheidend für den effizienten Betrieb eines Turboexpanders. Die für Turboexpander verwendeten Lagertypen sind sehr vielfältig und umfassen Öllager, Gleitlager, herkömmliche Kugellager und Magnetlager. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile, wie in Tabelle 1 dargestellt.
Viele Turboexpanderhersteller wählen Magnetlager aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile als bevorzugte Lagerlösung. Magnetlager gewährleisten einen reibungsfreien Lauf der dynamischen Komponenten des Turboexpanders und reduzieren so die Betriebs- und Wartungskosten über die gesamte Lebensdauer der Maschine erheblich. Sie sind zudem so konstruiert, dass sie einem breiten Spektrum an axialen und radialen Belastungen sowie Überbeanspruchungen standhalten. Die höheren Anschaffungskosten werden durch die deutlich niedrigeren Lebenszykluskosten kompensiert.
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, daher benötigen Anwendungen mit schnelllaufenden Turbinen ein Getriebe. Sie können jedoch so ausgelegt werden, dass sie der Netzfrequenz entsprechen, wodurch ein Frequenzumrichter zur Stromversorgung entfällt. Permanentmagnetgeneratoren hingegen können direkt mit der Turbine gekoppelt werden und speisen die Energie über einen Frequenzumrichter ins Netz ein. Der Generator ist so ausgelegt, dass er die maximale Leistung basierend auf der im System verfügbaren Wellenleistung liefert.
Dichtungen. Die Dichtung ist eine entscheidende Komponente bei der Konstruktion eines Turboexpandersystems. Um einen hohen Wirkungsgrad zu gewährleisten und Umweltauflagen zu erfüllen, müssen die Systeme abgedichtet sein, um potenzielle Prozessgaslecks zu verhindern. Turboexpander können mit dynamischen oder statischen Dichtungen ausgestattet werden. Dynamische Dichtungen, wie Labyrinthdichtungen und Trockengasdichtungen, dichten eine rotierende Welle ab, typischerweise zwischen Turbinenrad, Lagern und dem restlichen Maschinenteil, in dem sich der Generator befindet. Dynamische Dichtungen verschleißen mit der Zeit und erfordern regelmäßige Wartung und Inspektion, um ihre einwandfreie Funktion sicherzustellen. Sind alle Turboexpanderkomponenten in einem einzigen Gehäuse untergebracht, können statische Dichtungen verwendet werden, um alle aus dem Gehäuse austretenden Leitungen, beispielsweise zum Generator, zu Magnetlagerantrieben oder Sensoren, zu schützen. Diese luftdichten Dichtungen bieten dauerhaften Schutz vor Gaslecks und sind wartungs- und reparaturfrei.
Aus verfahrenstechnischer Sicht besteht die Hauptvoraussetzung für den Einbau eines Expanders darin, einem Niederdrucksystem kompressibles (nicht kondensierbares) Hochdruckgas mit ausreichendem Durchfluss, Druckabfall und Ausnutzung zuzuführen, um den normalen Betrieb der Anlage aufrechtzuerhalten. Die Betriebsparameter werden auf einem sicheren und effizienten Niveau gehalten.
Hinsichtlich der Druckreduzierung kann der Expander das Joule-Thomson-Ventil (JT-Ventil), auch Drosselventil genannt, ersetzen. Da sich das JT-Ventil isentrop und der Expander nahezu isentrop bewegt, reduziert letzterer die Enthalpie des Gases und wandelt die Enthalpiedifferenz in Wellenleistung um. Dadurch wird eine niedrigere Austrittstemperatur als beim JT-Ventil erzielt. Dies ist in kryogenen Prozessen von Vorteil, bei denen die Gastemperatur gesenkt werden soll.
Wenn eine untere Grenze für die Austrittsgastemperatur besteht (z. B. in einer Dekompressionsstation, wo die Gastemperatur über dem Gefrierpunkt, der Hydratationstemperatur oder der minimalen Auslegungstemperatur des Materials gehalten werden muss), ist mindestens ein Vorwärmer zur Regelung der Gastemperatur erforderlich. 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 nach dem Expander ein zweiter Nachwärmer installiert werden, um eine schnellere Regelung zu ermöglichen.
In Abb. 3 ist ein vereinfachtes Diagramm des allgemeinen Fließschemas eines Expandergenerators mit Vorwärmer dargestellt, der anstelle eines JT-Ventils 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 über eine oder mehrere Wellen verbunden sind. Ein Getriebe zur Regelung der Drehzahldifferenz zwischen den beiden Stufen kann ebenfalls integriert sein. Zusätzlich kann ein Motor zur Leistungssteigerung der Kompressionsstufe vorhanden sein.
Nachfolgend sind einige der wichtigsten Komponenten aufgeführt, die den ordnungsgemäßen Betrieb und die Stabilität des Systems gewährleisten.
Bypassventil oder Druckminderventil. Das Bypassventil ermöglicht den Weiterbetrieb, wenn der Turboexpander nicht in Betrieb ist (z. B. bei Wartungsarbeiten oder im Notfall), während das Druckminderventil für den Dauerbetrieb dient, 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 unterbrechen und so mechanische Schäden zu vermeiden.
Instrumente und Steuerungen. Wichtige zu überwachende Variablen sind Einlass- und Auslassdruck, Durchflussrate, Drehzahl und Leistungsabgabe.
Fahren mit überhöhter Geschwindigkeit. Die Vorrichtung unterbricht den Durchfluss zur Turbine, wodurch der Turbinenrotor abgebremst wird und die Anlage vor zu hohen Drehzahlen aufgrund unerwarteter Prozessbedingungen geschützt wird, die die Anlage beschädigen könnten.
Sicherheitsventil (PSV). Sicherheitsventile werden häufig nach einem Turboexpander installiert, um Rohrleitungen und Niederdruckanlagen zu schützen. Das Sicherheitsventil muss so ausgelegt sein, dass es auch extremen Störfällen standhält, wie beispielsweise dem Ausfall des Bypassventils. Wird ein Expander an eine bestehende Druckreduzierstation angeschlossen, muss das Verfahrenstechnikteam prüfen, ob das vorhandene Sicherheitsventil einen ausreichenden Schutz bietet.
Vorwärmer. Vorwärmer gleichen den Temperaturabfall des Gases beim Durchströmen der Turbine aus, daher muss das Gas vorgewärmt werden. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Temperatur des aufsteigenden Gasstroms zu erhöhen, um die Temperatur des aus dem Expander austretenden Gases über einem Mindestwert zu halten. Ein weiterer Vorteil der Temperaturerhöhung ist die Steigerung der Leistung sowie die Vermeidung von Korrosion, Kondensation oder Hydratbildung, die die Düsen der Anlagen beeinträchtigen könnten. In Systemen mit Wärmetauschern (siehe Abbildung 3) wird die Gastemperatur üblicherweise durch die Regelung des Zuflusses der erwärmten Flüssigkeit in den Vorwärmer gesteuert. In manchen Ausführungen kann anstelle eines Wärmetauschers ein Flammen- oder Elektroheizer eingesetzt werden. In einer bestehenden JT-Ventilstation können bereits Vorwärmer vorhanden sein, sodass der Einbau eines Expanders unter Umständen keine zusätzlichen Vorwärmer erfordert, sondern lediglich eine Erhöhung des Zuflusses der erwärmten Flüssigkeit.
Schmieröl- und Dichtungsgassysteme. Wie bereits erwähnt, können Expander unterschiedliche Dichtungskonstruktionen verwenden, die Schmierstoffe und Dichtungsgase erfordern. Gegebenenfalls muss das Schmieröl beim Kontakt mit Prozessgasen eine hohe Qualität und Reinheit aufweisen, und die Ölviskosität muss innerhalb des erforderlichen Betriebsbereichs der geschmierten Lager liegen. Dichtungsgassysteme 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 Dichtungsgassysteme typischerweise gemäß den Spezifikationen von API 617 [5] Teil 4 ausgelegt.
Frequenzumrichter (FU). Bei einem Induktionsgenerator wird üblicherweise ein FU zugeschaltet, um das Wechselstromsignal an die Netzfrequenz anzupassen. Konstruktionen mit Frequenzumrichtern weisen in der Regel einen höheren Gesamtwirkungsgrad auf als solche mit Getrieben oder anderen mechanischen Komponenten. FU-basierte Systeme können zudem ein breiteres Spektrum an Prozessänderungen bewältigen, die zu Änderungen der Drehzahl der Expanderwelle führen können.
Getriebe. Einige Expanderkonstruktionen verwenden ein Getriebe, um die Drehzahl des Expanders auf die Nenndrehzahl des Generators zu reduzieren. Der Nachteil des Getriebes besteht in einem geringeren Gesamtwirkungsgrad und damit in einer geringeren Ausgangsleistung.
Bei der Erstellung einer Angebotsanfrage (RFQ) für einen Expander muss der Verfahrenstechniker zunächst die Betriebsbedingungen ermitteln, einschließlich der folgenden Informationen:
Maschinenbauingenieure erstellen Spezifikationen und Anforderungen für Expandergeneratoren häufig unter Verwendung von Daten aus anderen Ingenieursdisziplinen. Diese Daten können beispielsweise 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 Prüfverfahren enthalten.
Die vom Hersteller im Rahmen des Ausschreibungsverfahrens bereitgestellten technischen Informationen sollten im Allgemeinen folgende Elemente enthalten:
Weicht irgendein Aspekt des Angebots von den ursprünglichen Spezifikationen ab, muss der Hersteller auch eine Liste der Abweichungen und die Gründe für die Abweichungen vorlegen.
Sobald ein Vorschlag eingegangen ist, muss das Projektentwicklungsteam den Antrag auf Einhaltung der Vorschriften prüfen und feststellen, ob Abweichungen technisch gerechtfertigt sind.
Weitere technische Aspekte, die bei der Bewertung von Vorschlägen zu berücksichtigen sind, umfassen:
Abschließend ist eine Wirtschaftlichkeitsanalyse erforderlich. Da unterschiedliche Optionen zu unterschiedlichen Anfangskosten führen können, empfiehlt sich eine Cashflow- oder Lebenszykluskostenanalyse, um die langfristige Wirtschaftlichkeit und den Return on Investment des Projekts zu vergleichen. Beispielsweise können höhere Anfangsinvestitionen langfristig durch gesteigerte Produktivität oder geringeren Wartungsaufwand kompensiert werden. Hinweise zu dieser Art von Analyse finden Sie im Abschnitt „Referenzen“. 4.
Alle Anwendungen von Turboexpander-Generatoren erfordern eine anfängliche Berechnung des gesamten potenziellen Leistungsvermögens, um die insgesamt nutzbare Energiemenge für die jeweilige Anwendung zu ermitteln. Bei einem Turboexpander-Generator wird das Leistungspotenzial als isentroper (konstanter Entropie-)Prozess berechnet. Dies ist die thermodynamisch ideale Situation für einen reversiblen, adiabatischen Prozess ohne Reibung und stellt das korrekte Verfahren zur Abschätzung des tatsächlichen Energiepotenzials dar.
Die isentrope potenzielle Energie (IPP) wird berechnet, indem die spezifische Enthalpiedifferenz am Ein- und Auslass des Turboexpanders mit dem Massenstrom multipliziert wird. Diese potenzielle 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 Auslasstemperatur und ṁ der Massenstrom ist.
Obwohl die isentrope potenzielle Energie zur Abschätzung der potenziellen Energie herangezogen werden kann, weisen alle realen Systeme Reibung, Wärme und andere Nebenenergieverluste auf. Daher sollten bei der Berechnung des tatsächlichen Leistungspotenzials die folgenden zusätzlichen Eingangsdaten berücksichtigt werden:
In den meisten Turboexpander-Anwendungen ist die Temperatur auf ein Minimum begrenzt, um unerwünschte Probleme wie das bereits erwähnte Einfrieren der Rohrleitungen zu vermeiden. Bei Erdgasleitungen sind fast immer Hydrate vorhanden. Das bedeutet, dass die Rohrleitung nach einem Turboexpander oder Drosselventil innen und außen einfriert, wenn die Austrittstemperatur unter 0 °C sinkt. Eisbildung kann zu Durchflussbehinderungen führen und letztendlich das System zum Abtauen abschalten. Daher wird die gewünschte Austrittstemperatur verwendet, um ein realistischeres Leistungsszenario zu berechnen. Bei Gasen wie Wasserstoff ist die Temperaturgrenze jedoch deutlich niedriger, da Wasserstoff erst bei kryogenen Temperaturen (-253 °C) vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht. Verwenden Sie diese gewünschte Austrittstemperatur zur Berechnung der spezifischen Enthalpie.
Auch der Wirkungsgrad des Turboexpandersystems muss berücksichtigt werden. Je nach eingesetzter 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 Bewertung 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 Erdgasdruckentlastung. ABC betreibt und wartet eine Druckreduzierstation, die Erdgas von der Hauptleitung transportiert und an die umliegenden Gemeinden verteilt. An dieser Station beträgt der Gaseintrittsdruck 40 bar und der Ausgangsdruck 8 bar. Die Vorwärmtemperatur des Eintrittsgases liegt bei 35 °C, wodurch ein Einfrieren der Leitung verhindert wird. Daher muss die Ausgangsgastemperatur so geregelt werden, dass sie nicht unter 0 °C fällt. In diesem Beispiel verwenden wir 5 °C als minimale Ausgangstemperatur, um den Sicherheitsfaktor zu erhöhen. Der normierte Volumenstrom des Gases beträgt 50.000 Nm³/h. Zur Berechnung des Leistungspotenzials gehen wir davon aus, dass das gesamte Gas durch den Turboexpander strömt, und berechnen die maximale Leistungsabgabe. Schätzen Sie das gesamte Leistungspotenzial mithilfe der folgenden Berechnung: