Mở rộng có thể sử dụng giảm áp lực để lái máy quay. Thông tin về cách đánh giá các lợi ích tiềm năng của việc cài đặt một bộ mở rộng có thể được tìm thấy ở đây.
Thông thường trong ngành công nghiệp quá trình hóa học (CPI), một lượng lớn năng lượng bị lãng phí trong các van kiểm soát áp suất trong đó chất lỏng áp suất cao phải bị giảm nhiệt [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 điều khiển máy phát điện hoặc các máy quay khác. Đối với chất lỏng không thể nén (chất lỏng), điều này đạt được bằng cách sử dụng tuabin phục hồi năng lượng thủy lực (HPRT; xem tham chiếu 1). Đối với chất lỏng có thể nén (khí), một máy mở rộng là một máy phù hợp.
Mở rộng là một công nghệ trưởng thành với nhiều ứng dụng thành công như nứt xúc tác chất lỏng (FCC), làm lạnh, van thành phố khí đốt tự nhiên, tách không khí hoặc khí thải. Về nguyên tắc, bất kỳ luồng khí nào có áp suất giảm đều có thể được sử dụng để điều khiển sự mở rộng, nhưng sản lượng năng lượng tỷ lệ thuận với tỷ lệ áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng chảy của dòng khí, [2], cũng như tính khả thi về kỹ thuật và kinh tế. Việc thực hiện mở rộng: Quá trình phụ thuộc vào các yếu tố này và các yếu tố khác, chẳng hạn như giá năng lượng địa phương và sự sẵn có của nhà sản xuất các thiết bị phù hợp.
Mặc dù turboExpander (hoạt động tương tự như tuabin) là loại mở rộng nổi tiếng nhất (Hình 1), có những loại khác phù hợp cho các điều kiện quy trình khác nhau. Bài viết này giới thiệu các loại mở rộng chính và các thành phần của họ và tóm tắt cách các nhà quản lý hoạt động, chuyên gia tư vấn hoặc kiểm toán năng lượng trong các bộ phận CPI khác nhau có thể đánh giá các lợi ích kinh tế và môi trường tiềm năng của việc cài đặt mở rộng.
Có nhiều loại dải kháng khác nhau khác nhau rất nhiều về hình học và chức năng. Các loại chính được hiển thị trong Hình 2 và mỗi loại được mô tả ngắn gọn dưới đây. Để biết thêm thông tin, cũng như các biểu đồ so sánh trạng thái hoạt động của từng loại dựa trên đường kính cụ thể và tốc độ cụ thể, xem trợ giúp. 3.
Piston TurboExpander. Piston và quay piston turboExpanders hoạt động giống như động cơ đốt trong quay ngược, hấp thụ khí áp suất cao và chuyển đổi năng lượng được lưu trữ của nó thành năng lượng quay thông qua trục khuỷu.
Kéo phần mở rộng turbo. Mở rộng tuabin phanh bao gồm một buồng dòng đồng tâm với vây xô được gắn vào ngoại vi của phần tử quay. Chúng được thiết kế theo cách tương tự như bánh xe nước, nhưng mặt cắt ngang của các buồng đồng tâm tăng từ đầu vào đến ổ cắm, cho phép khí mở rộng.
Radial TurboExpander. Dòng chảy xuyên tâm TurboExpanders có đầu vào trục và ổ cắm xuyên tâm, cho phép khí mở rộng triệt để thông qua công tác tuabin. Tương tự, các tuabin dòng chảy trục mở rộng khí qua bánh xe tuabin, nhưng hướng của dòng chảy vẫn song song với trục quay.
Bài viết này tập trung vào các thiết bị chuyển mạch xuyên tâm và trục, thảo luận về các phân nhóm, thành phần và kinh tế khác nhau của họ.
Một turboExpander chiết xuất năng lượng từ một luồng khí áp suất cao và chuyển đổi nó thành một ổ đĩa. Thông thường tải là một máy nén hoặc máy phát được kết nối với trục. Một turboexpander với máy nén nén chất lỏng trong các phần khác của luồng quá trình yêu cầu chất lỏng nén, do đó làm tăng hiệu quả tổng thể của nhà máy bằng cách sử dụng năng lượng bị lãng phí. Một turboExpander với tải trọng máy phát chuyển năng lượng thành điện, có thể được sử dụng trong các quy trình nhà máy khác hoặc được trả lại để bán.
Các máy phát TurboExpander 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 hiệu quả tốc độ đầu vào từ bánh xe tuabin đến máy phát thông qua tỷ lệ bánh răng. Drive Drive TurboExpanders mang lại lợi thế về hiệu quả, dấu chân và chi phí bảo trì. TurboExpanders hộp số nặng hơn và yêu cầu dấu chân lớn hơn, thiết bị phụ trợ bôi trơn và bảo trì thường xuyên.
TurboExpanders dòng chảy có thể được thực hiện dưới dạng tua-bin xuyên tâm hoặc trục. Các bộ mở rộng dòng xuyên tâm chứa một đầu vào trục và ổ cắm xuyên tâm sao cho dòng khí thoát ra khỏi tuabin từ trục quay. Tua bin trục cho phép khí chảy theo trục dọc theo trục quay. Tua bin lưu lượng trục chiết xuất năng lượng từ dòng khí qua các van hướng dẫn đầu vào đến bánh xe mở rộng, với diện tích mặt cắt ngang của buồng mở rộng tăng dần để duy trì tốc độ không đổi.
Một máy phát điện TurboExpander bao gồm ba thành phần chính: bánh xe tuabin, vòng bi đặc biệt và máy phát điện.
Bánh xe tuabin. Bánh xe tuabin thường được thiết kế đặc biệt để tối ưu hóa hiệu quả khí động học. Các biến 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 tính chất chất lỏng. Khi tỷ lệ nén quá cao để giảm trong một giai đoạn, cần có một động cơ turboExpander với nhiều bánh xe tuabin. Cả hai bánh xe tua bin xuyên tâm và trục đều có thể được thiết kế dưới dạng nhiều giai đoạn, nhưng bánh xe tua bin trục có chiều dài trục ngắn hơn nhiều và do đó nhỏ gọn hơn. Các tuabin dòng xuyên tâm nhiều tầng yêu cầu khí chảy từ trục đến hướng tâm và quay trở lại trục, tạo ra tổn thất ma sát cao hơn so với tuabin dòng trục.
Vòng bi. Thiết kế mang rất quan trọng đối với hoạt động hiệu quả của một turboExpander. Các loại ổ trục liên quan đến các thiết kế turboExpander rất khác nhau và có thể bao gồm vòng bi dầu, vòng bi màng lỏng, vòng bi truyền thống và vòng bi từ tính. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, như trong Bảng 1.
Nhiều nhà sản xuất TurboExpander chọn vòng bi từ tính là vòng bi của họ về sự lựa chọn của họ do những lợi thế độc đáo của họ. Vòng bi từ đảm bảo hoạt động không có ma sát của các thành phần động của TurboExpander, giảm đáng kể chi phí vận hành và bảo trì trong suốt vòng đời của máy. Chúng cũng được thiết kế để chịu được một loạt các tải trọng trục và hướng tâm và các điều kiện quá mức. Chi phí ban đầu cao hơn của họ được bù đắp bằng chi phí vòng đời thấp hơn nhiều.
Động lực học. 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 (có thể là máy phát cảm ứng hoặc máy phát nam châm vĩnh cửu). Các bộ tạo cảm ứng có tốc độ định mức thấp hơn, do đó các ứng dụng tuabin tốc độ cao yêu cầu hộp số, nhưng có thể được thiết kế để phù hợp với tần số lưới, loại bỏ sự cần thiết của ổ đĩa tần số thay đổi (VFD) để cung cấp điện được tạo ra. Mặt khác, các bộ tạo nam châm vĩnh cửu có thể được ghép trực tiếp với tuabin và truyền năng lượng đến lưới thông qua một ổ đĩa tần số thay đổi. Máy phát được thiết kế để cung cấp công suất tối đa dựa trên công suất trục có sẵn trong hệ thống.
Hải cẩu. Con dấu cũng là một thành phần quan trọng khi thiết kế một hệ thống turboExpander. Để duy trì hiệu quả cao và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường, các hệ thống phải được niêm phong để ngăn chặn rò rỉ khí tiềm năng. TurboExpanders có thể được trang bị các con dấu động hoặc tĩnh. Các con dấu động, chẳng hạn như niêm phong mê cung và niêm phong khí khô, cung cấp một con dấu xung quanh trục quay, thường là giữa bánh xe tuabin, vòng bi và phần còn lại của máy nơi đặt máy phát. Các con dấu động bị hao mòn theo thời gian và yêu cầu bảo trì và kiểm tra thường xuyên để đảm bảo chúng hoạt động đúng. Khi tất cả các thành phần TurboExpander được chứa trong một vỏ, các con dấu tĩnh có thể được sử dụng để bảo vệ bất kỳ khách hàng tiềm năng nào thoát ra khỏi vỏ, bao gồm cả máy phát điện, ổ trục từ hoặc cảm biến. Những con dấu kín này cung cấp bảo vệ vĩnh viễn chống rò rỉ khí và không cần bảo trì hoặc sửa chữa.
Từ quan điểm quy trình, yêu cầu chính để cài đặt một thiết bị mở rộng là cung cấp khí nén có thể nén cao (không thể) cho hệ thống áp suất thấp với đủ dòng chảy, giảm áp lực và sử dụng để duy trì hoạt động bình thường của thiết bị. Các thông số hoạt động được duy trì ở mức an toàn và hiệu quả.
Về chức năng giảm áp lực, bộ mở rộng có thể được sử dụng để thay thế van Joule-Thomson (JT), còn được gọi là van bướm ga. Do van JT di chuyển dọc theo đường dẫn đẳng hướng và phần mở rộng di chuyển dọc theo một đường dẫn gần như đẳng hướng, sau đó làm giảm entanpy của khí và chuyển đổi chênh lệch entanpy thành công suất trục, do đó tạo ra nhiệt độ đầu ra thấp hơn van JT. Điều này rất hữu ích trong các quá trình tạo lạnh trong đó mục tiêu là giảm nhiệt độ của khí.
Nếu có giới hạn thấp hơn đối với nhiệt độ khí đầu ra (ví dụ, trong một trạm giải nén trong đó nhiệt độ khí phải được duy trì trên mức đóng băng, hydrat hóa hoặc nhiệt độ thiết kế vật liệu tối thiểu), phải thêm một lò sưởi. Kiểm soát nhiệt độ khí. Khi bộ lọc trước nằm ở thượng nguồn của phần mở rộng, một số năng lượng từ khí nạp cũng được thu hồi trong phần mở rộng, do đó làm tăng công suất của nó. Trong một số cấu hình khi cần kiểm soát nhiệt độ đầu ra, có thể cài đặt lại lần phục hồi thứ hai sau khi mở rộng để cung cấp kiểm soát nhanh hơn.
Trong hình. Hình 3 cho thấy một sơ đồ đơn giản hóa của sơ đồ dòng chảy chung của bộ tạo mở rộng với bộ lọc sơ bộ được sử dụng để thay thế van JT.
Trong các cấu hình quy trình khác, năng lượng được phục hồi trong phần mở rộng có thể được chuyển trực tiếp đến máy nén. Các máy này, đôi khi được gọi là chỉ huy của người Hồi giáo, thường có các giai đoạn mở rộng và nén được kết nối bởi một hoặc nhiều trục, cũng có thể bao gồm một hộp số để điều chỉnh sự khác biệt 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 và sự ổn định đúng đắn của hệ thống.
Van bỏ van hoặc van giảm áp. Van bỏ qua cho phép hoạt động tiếp tục khi TurboExpander không hoạt động (ví dụ: để bảo trì hoặc khẩn cấp), trong khi van giảm áp lực được sử dụng để vận hành liên tục để cung cấp khí dư khi tổng lưu lượng vượt quá khả năng thiết kế của Expander.
Van tắt khẩn cấp (ESD). Van ESD được sử dụng để chặn dòng khí vào phần mở rộng trong trường hợp khẩn cấp để tránh thiệt hại cơ học.
Công cụ và điều khiển. Các biến quan trọng để theo dõi bao gồm áp suất đầu vào và đầu ra, tốc độ dòng, tốc độ quay và đầu ra điện.
Lái xe ở tốc độ quá mức. Thiết bị cắt đứt dòng chảy đến tuabin, khiến rôto tuabin chậm lại, do đó bảo vệ thiết bị khỏi tốc độ quá mức do các điều kiện quá trình không mong muốn có thể làm hỏng thiết bị.
Van an toàn áp suất (PSV). PSV thường được cài đặt sau khi một turboExpander để bảo vệ các đường ống và thiết bị áp suất thấp. PSV phải được thiết kế để chịu được các tình huống nghiêm trọng nhất, thường bao gồm sự cố của van bỏ qua để mở. Nếu một sự mở rộng được thêm vào một trạm giảm áp lực hiện có, nhóm thiết kế quy trình phải xác định xem PSV hiện tại có cung cấp bảo vệ đầy đủ hay không.
Nóng. Máy sưởi bù cho sự giảm nhiệt độ do khí đi qua tuabin, do đó khí phải được làm nóng trước. Chức năng chính của nó là tăng nhiệt độ của dòng khí tăng để duy trì nhiệt độ của khí để lại sự mở rộng trên giá trị tối thiểu. Một lợi ích khác của việc tăng nhiệt độ là tăng sản lượng điện cũng như ngăn ngừa ăn mòn, ngưng tụ hoặc hydrat có thể ảnh hưởng xấu đến vòi phun thiết bị. Trong các hệ thống chứa các bộ trao đổi nhiệt (như trong Hình 3), nhiệt độ khí thường được kiểm soát bằng cách điều chỉnh dòng chất lỏng được làm nóng vào bộ sấy sơ bộ. Trong một số thiết kế, có thể sử dụng lò sưởi ngọn lửa hoặc lò sưởi điện thay vì bộ trao đổi nhiệt. Máy sưởi có thể đã tồn tại trong một trạm van JT hiện có và thêm một thiết bị mở rộng có thể không yêu cầu lắp đặt máy sưởi bổ sung, mà là làm tăng dòng chảy của chất lỏng được làm nóng.
Dầu bôi trơn và hệ thống khí con dấu. Như đã đề cập ở trên, các trình mở rộng có thể sử dụng các thiết kế con dấu khác nhau, có thể yêu cầu chất bôi trơn và khí niêm phong. Khi áp dụng, dầu bôi trơn phải duy trì chất lượng cao và độ tinh khiết khi tiếp xúc với khí xử lý và mức độ nhớt của dầu phải nằm trong phạm vi hoạt động cần thiết của vòng bi bôi trơn. Các hệ thống khí kín thường được trang bị một thiết bị bôi trơn dầu để ngăn dầu từ hộp ổ trục vào hộp mở rộng. Đối với các ứng dụng đặc biệt của các chất tổng hợp được sử dụng trong ngành công nghiệp hydrocarbon, các hệ thống khí và dầu bôi trơn thường được thiết kế cho các thông số kỹ thuật API 617 [5] Phần 4.
Ổ đĩa tần số biến (VFD). Khi máy phát được cảm ứng, VFD thường được bật để điều chỉnh tín hiệu dòng điện (AC) xen kẽ để phù hợp với tần số tiện ích. Thông thường, các thiết kế dựa trên các ổ tần số thay đổi có hiệu suất tổng thể cao hơn so với các thiết kế sử dụng hộp số hoặc các thành phần cơ học khác. Các hệ thống dựa trên VFD cũng có thể phù hợp với phạm vi thay đổi quy trình rộng hơn có thể dẫn đến thay đổi tốc độ trục mở rộng.
Quá trình lây truyền. Một số thiết kế mở rộng sử dụng một hộp số để giảm tốc độ mở rộng xuống tốc độ định mức của máy phát điện. Chi phí sử dụng hộp số có hiệu quả tổng thể thấp hơn và do đó công suất thấp hơn.
Khi chuẩn bị yêu cầu báo giá (RFQ) cho một lần mở rộng, trước tiên, kỹ sư quy trình phải xác định các điều kiện hoạt động, bao gồm các thông tin sau:
Các kỹ sư cơ khí thường hoàn thành các thông số kỹ thuật và thông số kỹ thuật mở rộng bằng cách sử dụng dữ liệu từ các ngành kỹ thuật khác. Những đầu vào này có thể bao gồm những điều sau:
Các thông số kỹ thuật cũng phải bao gồm một danh sách các tài liệu và bản vẽ do nhà sản xuất cung cấp như là một phần của quy trình đấu thầu và phạm vi cung cấp, cũng như các quy trình kiểm tra hiện hành theo yêu cầu của dự án.
Thông tin kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp như là một phần của quy trình đấu thầu thường bao gồm các yếu tố sau:
Nếu bất kỳ khía cạnh nào của đề xuất khác với các thông số kỹ thuật ban đầu, nhà sản xuất cũng phải cung cấp một danh sách sai lệch và lý do cho các sai lệch.
Sau khi nhận được đề xuất, nhóm phát triển dự án phải xem xét yêu cầu tuân thủ và xác định xem các phương sai có hợp lý về mặt kỹ thuật hay không.
Các cân nhắc kỹ thuật khác cần xem xét khi đánh giá các đề xuất bao gồm:
Cuối cùng, một phân tích kinh tế cần phải được thực hiện. Bởi vì các tùy chọn khác nhau có thể dẫn đến các chi phí ban đầu khác nhau, nên thực hiện phân tích chi phí tiền mặt hoặc vòng đời để so sánh kinh tế dài hạn của dự án và lợi tức đầu tư. Ví dụ, một khoản đầu tư ban đầu cao hơn có thể được bù đắp trong dài hạn bằng cách tăng năng suất hoặc giảm yêu cầu bảo trì. Xem các tài liệu tham khảo của người Viking để biết hướng dẫn về loại phân tích này. 4.
Tất cả các ứng dụng máy phát điện turboExpander yêu cầu tính toán toàn bộ năng lượng tiềm năng ban đầu để xác định tổng lượng năng lượng có sẵn có thể được phục hồi trong một ứng dụng cụ thể. Đối với một máy phát TurboExpander, tiềm năng công suất được tính là một quá trình đẳng hướng (entropy không đổi). Đây là tình huống nhiệt động lý tưởng để xem xét một quá trình đáng tin cậy có thể đảo ngược mà không có ma sát, nhưng đó là quá trình chính xác để ước tính tiềm năng năng lượng thực tế.
Năng lượng tiềm năng isentropic (IPP) được tính toán bằng cách nhân sự khác biệt entanpy cụ thể ở đầu vào và đầu ra của turboExpander và nhân kết quả với tốc độ dòng khối. Năng lượng tiềm năng này sẽ được thể hiện dưới dạng một đại lượng đẳng hướng (phương trình (1)):
IPP = (Hinlet - H (I, E)) × x ŋ (1)
Trong đó H (I, E) là entanpy cụ thể có tính đến nhiệt độ đầu ra đẳng hướng và ṁ là tốc độ dòng chảy.
Mặc dù năng lượng tiềm năng đẳng hướng có thể được sử dụng để ước tính năng lượng tiềm năng, tất cả các hệ thống thực sự liên quan đến ma sát, nhiệt và các tổn thất năng lượng phụ trợ khác. Do đó, khi tính toán tiềm năng công suất thực tế, nên tính đến dữ liệu đầu vào bổ sung sau:
Trong hầu hết các ứng dụng TurboExpander, nhiệt độ được giới hạn ở mức tối thiểu để ngăn chặn các vấn đề không mong muốn như đóng băng đường ống được đề cập trước đó. Khi dòng khí tự nhiên chảy, hydrat hầu như luôn luôn có mặt, có nghĩa là đường ống ở hạ lưu của van turboExpander hoặc van tiết lưu sẽ 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 đóng cửa hệ thống để rã đông. Do đó, nhiệt độ đầu ra mong muốn của người Viking được sử dụng để tính toán một kịch bản năng lượng tiềm năng thực tế hơn. Tuy nhiên, đối với các loại khí như hydro, giới hạn nhiệt độ thấp hơn nhiều vì hydro không thay đổi từ khí này sang chất lỏng cho đến khi đạt đến nhiệt độ lạnh (-253 ° C). Sử dụng nhiệt độ đầu ra mong muốn này để tính toán entanpy cụ thể.
Hiệu quả của hệ thống TurboExpander cũng phải được xem xét. Tùy thuộc vào công nghệ được sử dụng, hiệu quả hệ thống có thể thay đổi đáng kể. Ví dụ, TurboExpander sử dụng thiết bị giảm để chuyển năng lượng quay từ tuabin sang máy phát sẽ gặp tổn thất ma sát lớn hơn so với hệ thống sử dụng ổ đĩa trực tiếp từ tuabin đến máy phát. Hiệu quả tổng thể của một hệ thống turboExpander được thể hiện dưới dạng phần trăm và được tính đến khi đánh giá tiềm năng sức mạnh thực tế của turboExpander. Tiềm năng năng lượng thực tế (PP) được tính như sau:
Pp = (hinlet - hexit) × x ṅ (2)
Hãy xem xét ứng dụng giảm áp lực khí tự nhiên. ABC vận hành và duy trì một trạm giảm áp lực vận chuyển khí đốt tự nhiên từ đường ống chính và phân phối nó cho các thành phố địa phương. Tại trạm này, áp suất đầu vào khí là 40 bar và áp suất đầu ra là 8 bar. Nhiệt độ khí đầu vào được làm nóng trước là 35 ° C, làm nóng khí để ngăn ngừa đóng băng đường ống. Do đó, nhiệt độ khí đầu ra phải được kiểm soát để nó không giảm xuống dưới 0 ° C. Trong ví dụ này, chúng tôi sẽ sử dụng 5 ° C làm nhiệt độ đầu ra tối thiểu để tăng hệ số an toàn. Tốc độ dòng khí thể tích được chuẩn hóa là 50.000nm3/h. Để tính toán điện thế, chúng tôi sẽ giả định rằng tất cả các luồng khí qua phần mở rộng turbo và tính toán công suất tối đa. Ước tính tổng tiềm năng sản lượng công suất bằng cách sử dụng tính toán sau:
Thời gian đăng: Tháng 5-25-2024