CÔNG TY TNHH TẬP ĐOÀN CÔNG NGHỆ HANGZHOU NUZHUO

Bộ giãn nở có thể sử dụng việc giảm áp suất để vận hành các máy quay. Thông tin về cách đánh giá lợi ích tiềm năng của việc lắp đặt bộ giãn nở có thể được tìm thấy ở đây.
Thông thường trong ngành công nghiệp chế biến hóa chất (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 tuabin thu hồi năng lượng thủy lực (HPRT; xem tài liệu tham khảo 1). Đối với chất lỏng nén được (khí), máy giãn nở là một thiết bị phù hợp.
Máy giãn nở là một công nghệ hoàn thiện với nhiều ứng dụng thành công như cracking xúc tác lỏng (FCC), làm lạnh, van khí tự nhiên trong thành phố, tách khí hoặc xử lý khí thải. Về nguyên tắc, bất kỳ dòng khí nào có áp suất giảm đều có thể được sử dụng để vận hành máy giãn nở, nhưng “sản lượng năng lượng tỷ lệ thuận với tỷ lệ áp suất, nhiệt độ và lưu lượng của dòng khí” [2], cũng như tính khả thi về kỹ thuật và kinh tế. Triển khai máy giãn nở: Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố này và các yếu tố khác, chẳng hạn như giá năng lượng địa phương và khả năng cung cấp thiết bị phù hợp của nhà sản xuất.
Mặc dù bộ giãn nở tuabin (hoạt động tương tự như tuabin) là loại bộ giãn nở được biết đến rộng rãi nhất (Hình 1), nhưng vẫn có các loại khác phù hợp với các điều kiện quy trình khác nhau. Bài viết này giới thiệu các loại bộ giãn nở chính và các thành phần của chúng, đồng thời tóm tắt cách các nhà quản lý vận hành, tư vấn viên hoặc kiểm toán viên năng lượng trong các bộ phận khác nhau của CPI có thể đánh giá lợi ích kinh tế và môi trường tiềm năng của việc lắp đặt bộ giãn nở.
Có rất 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 các 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.
Bộ giãn nở tuabin kiểu piston. Bộ giãn nở tuabin kiểu piston và piston quay hoạt động giống như một động cơ đốt trong quay ngược chiều, hấp thụ khí áp suất cao và chuyển đổi năng lượng tích trữ thành năng lượng quay thông qua trục khuỷu.
Kéo giãn tuabin. Bộ giãn nở tuabin phanh bao gồm một buồng dòng chảy đồng tâm với các cánh quạt gắn vào chu vi của phần tử quay. Chúng được thiết kế theo cách 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.
Bộ giãn nở tuabin hướng tâm. Bộ giãn nở tuabin hướng tâm có cửa hút hướng trục và cửa thoát hướng tâm, cho phép khí giãn nở theo hướng tâm qua cánh quạt tuabin. Tương tự, tuabin hướng trục giãn nở khí qua bánh xe tuabin, nhưng hướng dòng chảy vẫn song song với trục quay.
Bài viết này tập trung vào các bộ giãn nở tuabin hướng tâm và hướng trục, thảo luận về các loại, thành phần và khía cạnh kinh tế khác nhau của chúng.
Bộ giãn nở tuabin trích xuất năng lượng từ dòng khí áp suất cao và chuyển đổi nó thành tải trọng truyền động. Thông thường, tải trọng là một máy nén hoặc máy phát điện được kết nối với trục. Bộ giãn nở tuabin với máy nén sẽ nén chất lỏng trong các phần 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 lẽ ra bị lãng phí. Bộ giãn nở tuabin với tải trọng 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 trả lại lưới điện địa phương để bán.
Máy phát điện tuabin giãn nở có thể được trang bị trục truyền động trực tiếp từ bánh xe tuabin đến máy phát điện, hoặc thông qua hộp số giúp giảm tốc độ đầu vào từ bánh xe tuabin đến máy phát điện thông qua tỷ số truyền. Máy phát điện tuabin giãn nở truyền động trực tiếp có ưu điểm về hiệu suất, kích thước và chi phí bảo trì. Máy phát điện tuabin giãn nở có hộp số nặng hơn và yêu cầu kích thước lớn hơn, thiết bị phụ trợ bôi trơn và bảo trì thường xuyên hơn.
Máy giãn nở tuabin kiểu dòng chảy có thể được chế tạo dưới dạng tuabin hướng tâm hoặc hướng trục. Máy giãn nở dòng chảy hướng tâm có cửa hút hướng trục và cửa thoát hướng tâm sao cho dòng khí thoát ra khỏi tuabin theo hướng tâm từ trục quay. Tuabin hướng trục cho phép khí chảy theo hướng trục dọc theo trục quay. Tuabin hướng trục trích xuất năng lượng từ dòng khí thông qua các cánh dẫn hướng cửa hút vào bánh xe giãn nở, với diện tích mặt cắt ngang của buồng giãn nở tăng dần để duy trì tốc độ không đổi.
Máy phát điện kiểu tuabin giãn nở bao gồm ba thành phần chính: bánh xe tuabin, ổ trục đặc biệt và máy phát điện.
Bánh xe tuabin. Bánh xe tuabin 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 tuabin bao gồm áp suất đầu vào/đầu ra, nhiệt độ đầu vào/đầu ra, lưu lượng thể tích và các đặc tính của chất lỏng. Khi tỷ số nén quá cao để giảm trong một giai đoạn, cần sử dụng bộ giãn nở tuabin với nhiều bánh xe tuabin. Cả bánh xe tuabin hướng tâm và hướng trục đều có thể được thiết kế nhiều tầng, nhưng bánh xe tuabin hướng trục có chiều dài trục ngắn hơn nhiều và do đó nhỏ gọn hơn. Tuabin dòng hướng tâm nhiều tầng yêu cầu khí chảy từ hướng trục sang hướng tâm và ngược lại, tạo ra tổn thất ma sát cao hơn so với tuabin dòng hướng trục.
Thiết kế ổ trục rất quan trọng đối với hoạt động hiệu quả của máy giãn nở tuabin. Các loại ổ trục liên quan đến thiết kế máy giãn nở tuabin rất đa dạng và có thể bao gồm ổ trục dầu, ổ trục màng chất lỏng, ổ trục bi truyền thống và ổ trục từ tính. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm 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 “lựa chọn ưu tiên” do những ưu điểm độc đáo của chúng. Ổ trục từ tính đảm bảo hoạt động không ma sát của các bộ phận động trong tuabin giãn nở, 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 hướng trục và hướng tâm cũng như các điều kiện quá tải. Chi phí ban đầu cao hơn 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 cách sử dụng máy phát điện từ trường (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 yêu cầu hộp số, nhưng có thể được thiết kế để phù hợp với tần số lưới điện, loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ điều khiển tần số biến đổi (VFD) để cung cấp điện năng được tạo ra. Mặt khác, máy phát điện nam châm vĩnh cửu có thể được nối trực tiếp trục với tuabin và truyền tải điện năng đến lưới điện thông qua bộ điều khiển tần số biến đổi. Máy phát điện được thiết kế để cung cấp công suất tối đa dựa trên công suất trục có sẵn trong hệ thống.
Các vòng đệm kín. Vòng đệm kín cũng là một bộ phận quan trọng khi thiết kế hệ thống tuabin giãn nở. Để duy trì hiệu suất cao và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường, hệ thống phải được làm kín để ngăn ngừa rò rỉ khí trong quá trình. Tuabin giãn nở có thể được trang bị vòng đệm kín động hoặc tĩnh. Vòng đệm kín động, chẳng hạn như vòng đệm kín mê cung và vòng đệm kín khí khô, tạo ra lớp bịt kín xung quanh trục quay, thường là giữa bánh xe tuabin, ổ trục và phần còn lại của máy nơi đặt máy phát điện. Vòng đệm kín động bị mòn theo thời gian và cần được bảo trì và kiểm tra thường xuyên để đảm bảo chúng hoạt động đúng cách. Khi tất cả các bộ phận của tuabin giãn nở được chứa trong một vỏ duy nhất, vòng đệm kín tĩnh có thể được sử dụng để bảo vệ bất kỳ đường dẫn nào thoát ra khỏi vỏ, bao gồm cả đến máy phát điện, bộ truyền động ổ trục từ tính hoặc cảm biến. Các vòng đệm 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 để lắp đặt bộ giãn nở là cung cấp khí nén (không ngưng tụ) áp suất cao cho hệ thống áp suất thấp với lưu lượng, độ giảm 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 suất, 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 hoạt động theo đường đẳng entropy và bộ giãn nở hoạt động theo đường gần đẳng entropy, nên bộ giãn nở làm giảm enthalpy của khí và chuyển đổi sự chênh lệch enthalpy thành công suất trục, do đó tạo ra nhiệt độ đầu ra thấp hơn so với van JT. Điều này rất 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, nhiệt độ hydrat hóa hoặc nhiệt độ thiết kế tối thiểu của vật liệu), thì phải bổ sung ít nhất một bộ gia nhiệt để kiểm soát nhiệt độ khí. Khi bộ gia nhiệt sơ bộ được đặt ở phía trước bộ giãn nở, một phần năng lượng từ khí cấp cũng được thu hồi trong bộ giãn nở, do đó làm tăng công suất đầu ra của nó. 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.
Hình 3 thể hiện sơ đồ đơn giản hóa của lưu đồ tổng quát của máy phát giãn nở có bộ phận gia nhiệt sơ bộ được sử dụng để thay thế van JT.
Trong các cấu hình quy trình khác, năng lượng thu hồi được trong bộ giãn nở có thể được truyền trực tiếp đến máy nén. Những máy này, đôi khi được gọi là "máy điều khiển", thường có các giai đoạn giãn nở và nén được kết nối bằng một hoặc nhiều trục, có thể bao gồm cả hộp số để điều chỉnh sự chênh lệch tốc độ giữa hai giai đoạn. Nó cũng có thể bao gồm một động cơ bổ sung để cung cấp thêm năng lượng cho giai đoạn nén.
Dưới đây là một số thành phần quan trọng nhất đảm bảo hoạt động đúng đắn và ổn định của hệ thống.
Van bypass hoặc van giảm áp. Van bypass cho phép hoạt động tiếp tục khi bộ giãn nở tuabin không hoạt động (ví dụ: để bảo trì hoặc trường hợp khẩn cấp), trong khi van giảm áp được sử dụng để vận hành liên tục nhằm cung cấp lượng khí dư thừa 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.
Các thiết bị và hệ thống 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.
Vận hành ở tốc độ quá cao. Thiết bị này ngắt dòng chảy đến tuabin, làm cho rôto tuabin giảm tốc độ, nhờ đó bảo vệ thiết bị khỏi tốc độ quá cao do các điều kiện vận hành bất ngờ có thể gây hư hỏng thiết bị.
Van an toàn áp suất (PSV). PSV thường được lắp đặt sau bộ giãn nở tuabin để bảo vệ đường ống và thiết bị áp suất thấp. PSV phải được thiết kế để chịu được những sự cố nghiêm trọng nhất, thường bao gồm việc van bypass không mở. Nếu một bộ giãn nở được thêm vào trạm giảm áp hiện có, nhóm thiết kế quy trình phải xác định xem PSV hiện có có cung cấp sự bảo vệ đầy đủ hay không.
Bộ gia nhiệt. Bộ gia nhiệt bù lại sự giảm nhiệt độ do khí đi qua tuabin gây ra, vì vậy khí phải được làm nóng trước. Chức năng chính của nó là tăng nhiệt độ của dòng khí đang tăng lên để duy trì nhiệt độ của khí thoát ra khỏi bộ giãn nở trên một 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 hình thành hydrat có thể ảnh hưởng xấu đến các vòi phun của thiết bị. Trong các hệ thống có chứa bộ trao đổi nhiệt (như thể hiện trong Hình 3), nhiệt độ khí thường được điều khiển bằng cách điều chỉnh lưu lượng chất lỏng được làm nóng vào bộ gia nhiệt sơ bộ. Trong một số thiết kế, có thể sử dụng bộ gia nhiệt bằng ngọn lửa hoặc bộ gia nhiệt điện thay cho bộ trao đổi nhiệt. Bộ gia nhiệt có thể đã tồn tại trong trạm van JT hiện có, và việc bổ sung 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 làm kín khác nhau, có thể yêu cầu chất bôi trơn và khí làm kín. Trong trường hợp áp dụng, dầu bôi trơn phải duy trì chất lượng và độ tinh khiết cao khi tiếp xúc với khí xử lý và độ nhớt của dầu phải nằm trong phạm vi hoạt động yêu cầu của các ổ trục được bôi trơn. Hệ thống khí làm kín thường được trang bị thiết bị bôi trơn dầu để ngăn dầu từ hộp ổ trục xâm nhập vào hộp giãn nở. Đối với các ứng dụng đặc biệt của bộ nén 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 là loại cảm ứng, biến tần thường được bật để điều chỉnh tín hiệu dòng điện xoay chiều (AC) sao cho phù hợp với tần số điện lưới. 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 bộ phận cơ khí khác. Hệ thống dựa trên biến tần cũng có thể đáp ứng được nhiều thay đổi trong quy trình, dẫn đến thay đổi tốc độ trục của máy giãn nở.
Hệ thống 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. Nhược điểm của việc sử dụng hộp số là hiệu suất tổng thể thấp hơn và do đó công suất đầu ra thấp hơn.
Khi lập yêu cầu báo giá (RFQ) cho một thiết bị giãn nở, kỹ sư quy trình trước tiên phải xác định các điều kiện vận hành, bao gồm các thông tin sau:
Các kỹ sư cơ khí thường hoàn thiện các thông số kỹ thuật của máy phát điện giãn nở bằng cách sử dụng dữ liệu từ các ngành kỹ thuật khác. Các dữ liệu 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 trong 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 của những 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 các sai lệch có được biện minh về mặt kỹ thuật hay không.
Các yếu tố kỹ thuật khác cần xem xét khi đánh giá đề xuất bao gồm:
Cuối cùng, cần tiến hành phân tích kinh tế. Vì các phương án khác nhau có thể dẫn đến chi phí ban đầu khác nhau, nên khuyến nghị thực hiện 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, chi phí đầu tư ban đầu cao hơn có thể được bù đắp trong dài hạn bằng năng suất tăng hoặc yêu 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 giãn nở tuabin đều yêu cầu tính toán công suất tiềm năng tổng thể ban đầu để xác định tổng lượng năng lượng có thể thu hồi được trong một ứng dụng cụ thể. Đối với máy phát điện giãn nở tuabin, công suất tiềm năng được tính toán như một quá trình đẳng entropy (entropy không đổi). Đây là tình huống nhiệt động học lý tưởng để xem xét một quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch không ma sát, nhưng đó là quá trình chính xác để ước tính tiềm năng năng lượng thực tế.
Năng lượng tiềm năng đẳng entropy (IPP) được tính bằng cách nhân hiệu số enthalpy riêng tại đầu vào và đầu ra của bộ giãn nở tuabin với lưu lượng khối. Năng lượng tiềm năng này sẽ được biểu thị dưới dạng đại lượng đẳng entropy (Phương trình (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
trong đó h(i,e) là enthalpy 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, nhưng tất cả các hệ thống thực tế đều liên quan đến ma sát, nhiệt và các tổn thất năng lượng phụ trợ khác. Do đó, khi tính toán thế năng thực tế, cần phải xem xét thêm các dữ liệu đầu vào sau:
Trong hầu hết các ứng dụng tuabin giãn nở, nhiệt độ được giới hạn ở mức tối thiểu để ngăn ngừa các sự cố không mong muốn như đóng băng đường ống đã đề cập trước đó. Ở những nơi có dòng khí tự nhiên, hầu như luôn có sự hiện diện của hydrat, có nghĩa là đường ống phía sau tuabin giãn nở hoặc van tiết lưu sẽ bị đóng băng bên trong và 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 làm ngừng hoạt động 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 đông lạnh (-253°C). Sử dụng nhiệt độ đầu ra mong muốn này để tính toán enthalpy riêng.
Hiệu suất của hệ thống tuabin giãn nở cũng cần được xem xét. Tùy thuộc vào công nghệ sử dụng, hiệu suất hệ thống có thể thay đổi đáng kể. Ví dụ, một hệ thống tuabin giãn nở sử dụng hộp giảm tốc để truyền năng lượng quay từ tuabin đến máy phát điện sẽ chịu tổn thất ma sát lớn hơn so với hệ thống sử dụng truyền động trực tiếp từ tuabin đến máy phát điện. Hiệu suất tổng thể của hệ thống tuabin giãn nở được biểu thị bằng phần trăm và được tính đến khi đánh giá tiềm năng công suất thực tế của tuabin giãn nở. Tiềm năng công suất thực tế (PP) được tính như sau:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Hãy xem xét ứng dụng của việc giảm áp suất khí tự nhiên. ABC vận hành và bảo trì một trạm giảm áp, vận chuyển khí tự 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 đầu ra là 8 bar. Nhiệt độ khí đầu vào được làm nóng trước là 35°C, nhằm ngăn ngừa hiện tượng đóng băng trong đường ống. Do đó, nhiệt độ khí đầu ra phải được kiểm soát để không giảm 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 tất cả khí đều chảy qua bộ giãn nở tuabin và tính toán công suất đầu ra tối đa. Ước tính tổng tiềm năng công suất đầu ra bằng cách sử dụng phép tính sau: