Bộ giãn nở có thể sử dụng giảm áp suất để vận hành máy móc quay. Thông tin về cách đánh giá lợi ích tiềm năng của việc lắp đặt bộ giãn nở có thể được tìm thấy tại đây.
Thông thường trong ngành công nghiệp quy trình hóa học (CPI), “một lượng lớn năng lượng bị lãng phí trong các van điều khiển áp suất, nơi chất lỏng áp suất cao phải được giảm áp” [1]. Tùy thuộc vào các yếu tố kỹ thuật và kinh tế khác nhau, có thể mong muốn chuyển đổi năng lượng này thành năng lượng cơ học quay, có thể được sử dụng để vận hành máy phát điện hoặc các máy quay khác. Đối với chất lỏng không nén được (chất lỏng), điều này được thực hiện bằng cách sử dụng tua-bin thu hồi năng lượng thủy lực (HPRT; xem tài liệu tham khảo 1). Đối với chất lỏng nén được (khí), bộ giãn nở là một thiết bị phù hợp.
Thiết bị giãn nở là một công nghệ đã hoàn thiện với nhiều ứng dụng thành công như cracking xúc tác lưu chất (FCC), làm lạnh, van khí đốt tự nhiên, tách khí hoặc khí thải. Về nguyên tắc, bất kỳ dòng khí nào có áp suất thấp đều có thể được sử dụng để vận hành thiết bị giãn nở, nhưng “năng lượng đầu ra tỷ lệ thuận với tỷ lệ áp suất, nhiệt độ và lưu lượng của dòng khí” [2], cũng như tính khả thi về mặt kỹ thuật và kinh tế. Việc triển khai thiết bị giãn nở: Quy trình phụ thuộc vào những yếu tố này và các yếu tố khác, chẳng hạn như giá năng lượng tại địa phương và khả năng cung cấp thiết bị phù hợp của nhà sản xuất.
Mặc dù turboexpander (hoạt động tương tự như tuabin) là loại giãn nở phổ biến nhất (Hình 1), nhưng vẫn còn nhiều loại khác phù hợp với các điều kiện quy trình khác nhau. Bài viết này giới thiệu các loại giãn nở chính và các thành phần của chúng, đồng thời tóm tắt cách các nhà quản lý vận hành, chuyên gia tư vấn hoặc kiểm toán viên năng lượng tại các bộ phận khác nhau của CPI có thể đánh giá các lợi ích kinh tế và môi trường tiềm năng của việc lắp đặt giãn nở.
Có nhiều loại dây kháng lực khác nhau, với hình dạng và chức năng rất đa dạng. Các loại chính được thể hiện trong Hình 2, và mỗi loại được mô tả ngắn gọn bên dưới. Để biết thêm thông tin, cũng như biểu đồ so sánh trạng thái hoạt động của từng loại dựa trên đường kính và tốc độ cụ thể, hãy xem Trợ giúp. 3.
Turboexpander piston. Turboexpander piston và piston quay hoạt động giống như động cơ đốt trong quay ngược, hấp thụ khí áp suất cao và chuyển đổi năng lượng dự trữ thành năng lượng quay thông qua trục khuỷu.
Kéo giãn tua bin. Bộ giãn tua bin phanh bao gồm một buồng dòng chảy đồng tâm với các cánh quạt gầu gắn vào chu vi của phần tử quay. Chúng được thiết kế tương tự như bánh xe nước, nhưng tiết diện của các buồng đồng tâm tăng dần từ đầu vào đến đầu ra, cho phép khí giãn nở.
Tua bin giãn nở hướng tâm. Tua bin giãn nở hướng tâm có một cửa vào hướng trục và một cửa ra hướng tâm, cho phép khí giãn nở theo hướng xuyên tâm qua cánh quạt tuabin. Tương tự, tuabin dòng hướng trục giãn nở khí qua bánh tuabin, nhưng hướng dòng chảy vẫn song song với trục quay.
Bài viết này tập trung vào các tuabin giãn nở hướng tâm và hướng trục, thảo luận về các loại phụ, thành phần và kinh tế khác nhau của chúng.
Turboexpander trích xuất năng lượng từ dòng khí áp suất cao và chuyển đổi thành tải dẫn động. Thông thường, tải này là máy nén hoặc máy phát điện được kết nối với trục. Turboexpander với máy nén sẽ nén chất lỏng ở các bộ phận khác của dòng quy trình cần chất lỏng nén, do đó tăng hiệu suất tổng thể của nhà máy bằng cách sử dụng năng lượng bị lãng phí. Turboexpander với tải máy phát điện sẽ chuyển đổi năng lượng thành điện năng, có thể được sử dụng trong các quy trình khác của nhà máy hoặc được trả lại lưới điện địa phương để bán.
Máy phát điện Turboexpander có thể được trang bị trục truyền động trực tiếp từ bánh tua-bin đến máy phát điện, hoặc thông qua hộp số giúp giảm hiệu quả tốc độ đầu vào từ bánh tua-bin đến máy phát điện thông qua tỷ số truyền. Turboexpander truyền động trực tiếp mang lại lợi thế về hiệu suất, diện tích lắp đặt và chi phí bảo trì. Turboexpander hộp số nặng hơn và đòi hỏi diện tích lắp đặt lớn hơn, thiết bị phụ trợ bôi trơn và bảo trì thường xuyên.
Tua bin giãn nở dòng chảy có thể được chế tạo dưới dạng tua bin hướng tâm hoặc hướng trục. Bộ giãn nở dòng chảy hướng tâm có một cửa vào hướng tâm và một cửa ra hướng tâm sao cho dòng khí thoát ra khỏi tua bin theo hướng xuyên tâm từ trục quay. Tua bin hướng trục cho phép dòng khí chảy theo hướng trục dọc theo trục quay. Tua bin dòng chảy hướng trục trích xuất năng lượng từ dòng khí qua các cánh dẫn hướng đầu vào đến bánh giãn nở, với diện tích mặt cắt ngang của buồng giãn nở tăng dần để duy trì tốc độ không đổi.
Máy phát điện tua bin giãn nở bao gồm ba thành phần chính: bánh tua bin, ổ trục đặc biệt và máy phát điện.
Bánh xe tua-bin. Bánh xe tua-bin thường được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa hiệu suất khí động học. Các biến số ứng dụng ảnh hưởng đến thiết kế bánh xe tua-bin bao gồm áp suất đầu vào/đầu ra, nhiệt độ đầu vào/đầu ra, lưu lượng thể tích và các đặc tính chất lỏng. Khi tỷ số nén quá cao không thể giảm trong một cấp, cần phải sử dụng bộ giãn nở tua-bin với nhiều bánh xe tua-bin. Cả bánh xe tua-bin hướng tâm và hướng trục đều có thể được thiết kế thành bánh xe tua-bin nhiều cấp, nhưng bánh xe tua-bin hướng trục có chiều dài trục ngắn hơn nhiều và do đó nhỏ gọn hơn. Tua-bin dòng hướng tâm nhiều cấp yêu cầu khí phải chảy từ hướng trục sang hướng tâm và ngược lại hướng trục, tạo ra tổn thất ma sát cao hơn so với tua-bin dòng hướng trục.
Vòng bi. Thiết kế vòng bi đóng vai trò quan trọng đối với hoạt động hiệu quả của bộ giãn nở tua bin. Các loại vòng bi liên quan đến thiết kế bộ giãn nở tua bin rất đa dạng, bao gồm vòng bi dầu, vòng bi màng lỏng, vòng bi bi truyền thống và vòng bi từ. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, như được thể hiện trong Bảng 1.
Nhiều nhà sản xuất tuabin giãn nở lựa chọn ổ trục từ tính làm "ổ trục lựa chọn" nhờ những ưu điểm độc đáo của chúng. Ổ trục từ tính đảm bảo các bộ phận động của tuabin giãn nở hoạt động không ma sát, giảm đáng kể chi phí vận hành và bảo trì trong suốt vòng đời của máy. Chúng cũng được thiết kế để chịu được nhiều loại tải trọng dọc trục, hướng tâm và điều kiện ứng suất quá mức. Chi phí ban đầu cao hơn của chúng được bù đắp bởi chi phí vòng đời thấp hơn nhiều.
Máy phát điện. Máy phát điện lấy năng lượng quay của tuabin và chuyển đổi nó thành năng lượng điện hữu ích bằng máy phát điện điện từ (có thể là máy phát điện cảm ứng hoặc máy phát điện nam châm vĩnh cửu). Máy phát điện cảm ứng có tốc độ định mức thấp hơn, vì vậy các ứng dụng tuabin tốc độ cao cần hộp số, nhưng có thể được thiết kế để phù hợp với tần số lưới điện, loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ biến tần (VFD) để cung cấp điện được tạo ra. Mặt khác, máy phát điện nam châm vĩnh cửu có thể được nối trục trực tiếp với tuabin và truyền công suất lên lưới điện thông qua bộ biến tần. Máy phát điện được thiết kế để cung cấp công suất tối đa dựa trên công suất trục có sẵn trong hệ thống.
Phớt. Phớt cũng là một thành phần quan trọng khi thiết kế hệ thống turboexpander. Để duy trì hiệu suất cao và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường, hệ thống phải được bịt kín để ngăn ngừa rò rỉ khí quy trình tiềm ẩn. Turboexpander có thể được trang bị phớt động hoặc phớt tĩnh. Phớt động, chẳng hạn như phớt mê cung và phớt khí khô, tạo ra một lớp đệm kín xung quanh trục quay, thường là giữa bánh tuabin, ổ trục và phần còn lại của máy nơi đặt máy phát điện. Phớt động bị mòn theo thời gian và cần được bảo trì và kiểm tra thường xuyên để đảm bảo chúng hoạt động bình thường. Khi tất cả các bộ phận của turboexpander được chứa trong một vỏ duy nhất, có thể sử dụng phớt tĩnh để bảo vệ mọi dây dẫn ra khỏi vỏ, bao gồm cả dây dẫn đến máy phát điện, ổ trục từ tính hoặc cảm biến. Những phớt kín khí này cung cấp khả năng bảo vệ vĩnh viễn chống rò rỉ khí và không cần bảo trì hoặc sửa chữa.
Về mặt quy trình, yêu cầu chính khi lắp đặt bộ giãn nở là cung cấp khí nén áp suất cao (không ngưng tụ) cho hệ thống áp suất thấp với lưu lượng, độ sụt áp và hiệu suất sử dụng đủ để duy trì hoạt động bình thường của thiết bị. Các thông số vận hành được duy trì ở mức an toàn và hiệu quả.
Về chức năng giảm áp, bộ giãn nở có thể được sử dụng để thay thế van Joule-Thomson (JT), còn được gọi là van tiết lưu. Vì van JT di chuyển theo đường đẳng entropy và bộ giãn nở di chuyển theo đường gần đẳng entropy, bộ giãn nở làm giảm enthalpy của khí và chuyển đổi chênh lệch enthalpy thành công suất trục, do đó tạo ra nhiệt độ đầu ra thấp hơn van JT. Điều này hữu ích trong các quy trình đông lạnh, nơi mục tiêu là giảm nhiệt độ của khí.
Nếu có giới hạn dưới về nhiệt độ khí đầu ra (ví dụ, trong trạm giảm áp, nơi nhiệt độ khí phải được duy trì trên mức đóng băng, hydrat hóa hoặc nhiệt độ thiết kế vật liệu tối thiểu), ít nhất phải bổ sung một bộ gia nhiệt. Để kiểm soát nhiệt độ khí, cần lắp đặt bộ gia nhiệt sơ bộ ở phía thượng lưu của bộ giãn nở, một phần năng lượng từ khí cấp cũng được thu hồi trong bộ giãn nở, do đó tăng công suất đầu ra. Trong một số cấu hình yêu cầu kiểm soát nhiệt độ đầu ra, có thể lắp đặt thêm một bộ gia nhiệt thứ hai sau bộ giãn nở để kiểm soát nhanh hơn.
Trong Hình 3, sơ đồ đơn giản hóa của sơ đồ dòng chảy chung của máy phát điện giãn nở có bộ gia nhiệt trước được sử dụng để thay thế van JT.
Trong các cấu hình quy trình khác, năng lượng thu được trong bộ giãn nở có thể được truyền trực tiếp đến máy nén. Những máy này, đôi khi được gọi là "bộ chỉ huy", thường có các giai đoạn giãn nở và nén được kết nối bằng một hoặc nhiều trục, cũng có thể bao gồm hộp số để điều chỉnh chênh lệch tốc độ giữa hai giai đoạn. Nó cũng có thể bao gồm một động cơ bổ sung để cung cấp thêm công suất cho giai đoạn nén.
Dưới đây là một số thành phần quan trọng nhất đảm bảo hệ thống hoạt động bình thường và ổn định.
Van bypass hoặc van giảm áp. Van bypass cho phép tiếp tục vận hành khi bộ giãn nở tua bin không hoạt động (ví dụ, để bảo trì hoặc khẩn cấp), trong khi van giảm áp được sử dụng để vận hành liên tục nhằm cung cấp khí dư khi tổng lưu lượng vượt quá công suất thiết kế của bộ giãn nở.
Van ngắt khẩn cấp (ESD). Van ESD được sử dụng để chặn dòng khí vào bộ giãn nở trong trường hợp khẩn cấp nhằm tránh hư hỏng cơ học.
Thiết bị và bộ điều khiển. Các biến số quan trọng cần theo dõi bao gồm áp suất đầu vào và đầu ra, lưu lượng, tốc độ quay và công suất đầu ra.
Lái xe ở tốc độ quá cao. Thiết bị này sẽ cắt dòng chảy đến tua-bin, khiến rô-to tua-bin chậm lại, do đó bảo vệ thiết bị khỏi tốc độ quá cao do các điều kiện quy trình bất ngờ có thể làm hỏng thiết bị.
Van An toàn Áp suất (PSV). PSV thường được lắp đặt sau bộ giãn nở tua bin để bảo vệ đường ống và thiết bị áp suất thấp. PSV phải được thiết kế để chịu được những tình huống bất trắc nghiêm trọng nhất, thường bao gồm cả việc van bypass không mở. Nếu lắp thêm bộ giãn nở vào trạm giảm áp hiện có, nhóm thiết kế quy trình phải xác định xem PSV hiện có có đủ khả năng bảo vệ hay không.
Bộ gia nhiệt. Bộ gia nhiệt bù cho sự giảm nhiệt độ do khí đi qua tua-bin, do đó khí phải được gia nhiệt trước. Chức năng chính của nó là tăng nhiệt độ của dòng khí tăng lên để duy trì nhiệt độ của khí rời khỏi bộ giãn nở ở trên giá trị tối thiểu. Một lợi ích khác của việc tăng nhiệt độ là tăng công suất đầu ra cũng như ngăn ngừa ăn mòn, ngưng tụ hoặc hydrat có thể ảnh hưởng xấu đến vòi phun của thiết bị. Trong các hệ thống có bộ trao đổi nhiệt (như thể hiện trong Hình 3), nhiệt độ khí thường được kiểm soát bằng cách điều chỉnh lưu lượng chất lỏng được làm nóng vào bộ gia nhiệt trước. Trong một số thiết kế, có thể sử dụng bộ gia nhiệt ngọn lửa hoặc bộ gia nhiệt điện thay cho bộ trao đổi nhiệt. Bộ gia nhiệt có thể đã có sẵn trong trạm van JT hiện có và việc thêm bộ giãn nở có thể không yêu cầu lắp đặt thêm bộ gia nhiệt mà chỉ cần tăng lưu lượng chất lỏng được làm nóng.
Hệ thống dầu bôi trơn và khí làm kín. Như đã đề cập ở trên, bộ giãn nở có thể sử dụng các thiết kế phớt khác nhau, có thể yêu cầu chất bôi trơn và khí làm kín. Khi áp dụng, dầu bôi trơn phải duy trì chất lượng và độ tinh khiết cao khi tiếp xúc với khí quy trình, và độ nhớt của dầu phải nằm trong phạm vi hoạt động yêu cầu của ổ trục được bôi trơn. Hệ thống khí kín thường được trang bị thiết bị bôi trơn bằng dầu để ngăn dầu từ hộp ổ trục tràn vào hộp giãn nở. Đối với các ứng dụng đặc biệt của bộ giãn nở được sử dụng trong ngành công nghiệp hydrocarbon, hệ thống dầu bôi trơn và khí làm kín thường được thiết kế theo thông số kỹ thuật API 617 [5] Phần 4.
Biến tần (VFD). Khi máy phát điện ở chế độ cảm ứng, VFD thường được bật để điều chỉnh tín hiệu dòng điện xoay chiều (AC) cho phù hợp với tần số lưới điện. Thông thường, các thiết kế dựa trên biến tần có hiệu suất tổng thể cao hơn so với các thiết kế sử dụng hộp số hoặc các thành phần cơ khí khác. Các hệ thống dựa trên VFD cũng có thể đáp ứng phạm vi thay đổi quy trình rộng hơn, dẫn đến thay đổi tốc độ trục giãn nở.
Truyền động. Một số thiết kế máy giãn nở sử dụng hộp số để giảm tốc độ của máy giãn nở xuống tốc độ định mức của máy phát điện. Chi phí sử dụng hộp số làm giảm hiệu suất tổng thể và do đó giảm công suất đầu ra.
Khi chuẩn bị yêu cầu báo giá (RFQ) cho máy giãn nở, kỹ sư quy trình trước tiên phải xác định các điều kiện vận hành, bao gồm thông tin sau:
Các kỹ sư cơ khí thường hoàn thiện thông số kỹ thuật máy phát giãn nở và thông số kỹ thuật bằng cách sử dụng dữ liệu từ các ngành kỹ thuật khác. Những thông tin đầu vào này có thể bao gồm:
Các thông số kỹ thuật cũng phải bao gồm danh sách các tài liệu và bản vẽ do nhà sản xuất cung cấp như một phần của quá trình đấu thầu và phạm vi cung cấp, cũng như các quy trình thử nghiệm áp dụng theo yêu cầu của dự án.
Thông tin kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp trong quá trình đấu thầu thường bao gồm các yếu tố sau:
Nếu bất kỳ khía cạnh nào của đề xuất khác với thông số kỹ thuật ban đầu, nhà sản xuất cũng phải cung cấp danh sách các sai lệch và lý do cho các sai lệch đó.
Sau khi nhận được đề xuất, nhóm phát triển dự án phải xem xét yêu cầu tuân thủ và xác định xem sự khác biệt có hợp lý về mặt kỹ thuật hay không.
Những cân nhắc kỹ thuật khác cần xem xét khi đánh giá đề xuất bao gồm:
Cuối cùng, cần tiến hành phân tích kinh tế. Vì các lựa chọn khác nhau có thể dẫn đến chi phí ban đầu khác nhau, nên tiến hành phân tích dòng tiền hoặc chi phí vòng đời để so sánh hiệu quả kinh tế dài hạn và lợi tức đầu tư của dự án. Ví dụ, khoản đầu tư ban đầu cao hơn có thể được bù đắp về lâu dài nhờ năng suất tăng hoặc nhu cầu bảo trì giảm. Xem phần “Tài liệu tham khảo” để biết hướng dẫn về loại phân tích này. 4.
Tất cả các ứng dụng máy phát điện tua bin giãn nở đều yêu cầu tính toán tổng công suất tiềm năng ban đầu để xác định tổng lượng năng lượng khả dụng có thể thu hồi trong một ứng dụng cụ thể. Đối với máy phát điện tua bin giãn nở, công suất tiềm năng được tính toán như một quá trình đẳng entropy (entropy không đổi). Đây là tình huống nhiệt động lực học lý tưởng để xem xét một quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch không có ma sát, nhưng cũng là quá trình chính xác để ước tính thế năng năng lượng thực tế.
Thế năng đẳng entropy (IPP) được tính bằng cách nhân hiệu số enthalpy riêng tại đầu vào và đầu ra của tuabin giãn nở và nhân kết quả với lưu lượng khối lượng. Thế năng này sẽ được biểu thị dưới dạng một đại lượng đẳng entropy (Phương trình (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
trong đó h(i,e) là nhiệt lượng riêng có tính đến nhiệt độ đầu ra đẳng entropy và ṁ là lưu lượng khối lượng.
Mặc dù thế năng đẳng entropy có thể được sử dụng để ước tính thế năng, tất cả các hệ thống thực đều có ma sát, nhiệt và các tổn thất năng lượng phụ trợ khác. Do đó, khi tính toán thế năng công suất thực tế, cần xem xét các dữ liệu đầu vào bổ sung sau:
Trong hầu hết các ứng dụng turboexpander, nhiệt độ được giới hạn ở mức tối thiểu để tránh các vấn đề không mong muốn như đóng băng đường ống đã đề cập trước đó. Khi khí tự nhiên chảy qua, hydrat gần như luôn hiện diện, nghĩa là đường ống hạ lưu của turboexpander hoặc van tiết lưu sẽ đóng băng cả bên trong lẫn bên ngoài nếu nhiệt độ đầu ra giảm xuống dưới 0°C. Sự hình thành băng có thể dẫn đến hạn chế dòng chảy và cuối cùng là tắt hệ thống để rã đông. Do đó, nhiệt độ đầu ra "mong muốn" được sử dụng để tính toán kịch bản công suất tiềm năng thực tế hơn. Tuy nhiên, đối với các loại khí như hydro, giới hạn nhiệt độ thấp hơn nhiều vì hydro không chuyển từ dạng khí sang dạng lỏng cho đến khi đạt đến nhiệt độ cực thấp (-253°C). Sử dụng nhiệt độ đầu ra mong muốn này để tính toán enthalpy riêng.
Hiệu suất của hệ thống tua bin giãn nở cũng cần được xem xét. Tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng, hiệu suất hệ thống có thể thay đổi đáng kể. Ví dụ, một tua bin giãn nở sử dụng hộp số giảm tốc để truyền năng lượng quay từ tua bin đến máy phát điện sẽ chịu tổn thất ma sát lớn hơn so với hệ thống sử dụng truyền động trực tiếp từ tua bin đến máy phát điện. Hiệu suất tổng thể của một hệ thống tua bin giãn nở được biểu thị bằng phần trăm và được tính đến khi đánh giá tiềm năng công suất thực tế của tua bin giãn nở. Tiềm năng công suất thực tế (PP) được tính như sau:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Hãy cùng xem xét ứng dụng của việc giảm áp suất khí thiên nhiên. ABC vận hành và bảo trì một trạm giảm áp, vận chuyển khí thiên nhiên từ đường ống chính và phân phối đến các đô thị địa phương. Tại trạm này, áp suất khí đầu vào là 40 bar và áp suất khí đầu ra là 8 bar. Nhiệt độ khí đầu vào được làm nóng trước là 35°C, giúp làm nóng khí trước để ngăn ngừa tình trạng đóng băng đường ống. Do đó, nhiệt độ khí đầu ra phải được kiểm soát sao cho không xuống dưới 0°C. Trong ví dụ này, chúng ta sẽ sử dụng 5°C làm nhiệt độ đầu ra tối thiểu để tăng hệ số an toàn. Lưu lượng khí thể tích chuẩn hóa là 50.000 Nm3/h. Để tính toán tiềm năng công suất, chúng ta sẽ giả định rằng toàn bộ khí chảy qua bộ giãn nở turbo và tính toán công suất đầu ra tối đa. Ước tính tiềm năng công suất đầu ra tổng thể bằng cách sử dụng phép tính sau:
Thời gian đăng: 25-05-2024