קבוצת הטכנולוגיה של האנגז'ו נוז'ואו בע"מ

מרחיבים יכולים להשתמש בהפחתת לחץ כדי להניע מכונות מסתובבות. מידע על אופן הערכת היתרונות הפוטנציאליים של התקנת מאריך ניתן למצוא כאן.
בדרך כלל בתעשיית התהליכים הכימיים (CPI), "כמות גדולה של אנרגיה מבוזבזת בשסתומי בקרת לחץ שבהם יש להוריד את הלחץ בנוזלים בלחץ גבוה" [1]. בהתאם לגורמים טכניים וכלכליים שונים, ייתכן שיהיה רצוי להמיר אנרגיה זו לאנרגיה מכנית מסתובבת, אשר ניתן להשתמש בה להנעת גנרטורים או מכונות מסתובבות אחרות. עבור נוזלים בלתי דחיזים (נוזלים), הדבר מושג באמצעות טורבינת השבת אנרגיה הידראולית (HPRT; ראה מקור 1). עבור נוזלים דחיזים (גזים), מרחיב הוא מכונה מתאימה.
מרחיבים הם טכנולוגיה בוגרת עם יישומים מוצלחים רבים כגון פיצוח קטליטי נוזלי (FCC), קירור, שסתומי גז טבעי עירוניים, הפרדת אוויר או פליטות פליטה. באופן עקרוני, כל זרם גז עם לחץ מופחת יכול לשמש להנעת מרחיב, אך "תפוקת האנרגיה היא ביחס ישר ליחס הלחץ, הטמפרטורה וקצב הזרימה של זרם הגז" [2], כמו גם היתכנות טכנית וכלכלית. יישום מרחיב: התהליך תלוי בגורמים אלה ואחרים, כגון מחירי אנרגיה מקומיים וזמינות הציוד המתאים על ידי היצרן.
למרות שהטורבו-מרחיב (הפועל באופן דומה לטורבינה) הוא סוג המרחיב הידוע ביותר (איור 1), ישנם סוגים נוספים המתאימים לתנאי תהליך שונים. מאמר זה מציג את הסוגים העיקריים של מרחיבים ואת רכיביהם ומסכם כיצד מנהלי תפעול, יועצים או מבקרי אנרגיה במחלקות שונות של מדד המחירים לצרכן יכולים להעריך את היתרונות הכלכליים והסביבתיים הפוטנציאליים של התקנת מרחיב.
ישנם סוגים רבים ושונים של רצועות התנגדות, אשר נבדלות מאוד בגיאומטריה ובתפקוד. הסוגים העיקריים מוצגים באיור 2, וכל סוג מתואר בקצרה להלן. למידע נוסף, וכן גרפים המשווים את מצב הפעולה של כל סוג בהתבסס על קטרים ​​ספציפיים ומהירויות ספציפיות, עיינו בעזרה. 3.
טורבו-מרחיב בוכנה. טורבו-מרחיבים בעלי בוכנה ובוכנה סיבובית פועלים כמו מנוע בעירה פנימית סיבובית לאחור, סופגים גז בלחץ גבוה וממירים את האנרגיה האצורה בו לאנרגיה סיבובית דרך גל הארכובה.
גרור את מרחיב הטורבו. מרחיב טורבינת הבלם מורכב מתא זרימה קונצנטרי עם סנפירי דלי המחוברים להיקף הרכיב המסתובב. הם מתוכננים באותו אופן כמו גלגלי מים, אך חתך הרוחב של התאים הקונצנטריים גדל מהכניסה ליציאה, מה שמאפשר לגז להתפשט.
טורבו-מרחיב רדיאלי. טורבינות זרימה רדיאלית כוללות פתח כניסה צירי ופתח יציאה רדיאלי, המאפשרים לגז להתפשט רדיאלית דרך אימפלר הטורבינה. ​​באופן דומה, טורבינות זרימה צירית מרחיבות גז דרך גלגל הטורבינה, אך כיוון הזרימה נשאר מקביל לציר הסיבוב.
מאמר זה מתמקד במרחי טורבו רדיאליים וציריים, ודן בתת-הסוגים השונים שלהם, ברכיבים שלהם ובכלכלה שלהם.
מרחיב טורבו מפיק אנרגיה מזרם גז בלחץ גבוה וממיר אותה לעומס הנעה. בדרך כלל העומס הוא מדחס או גנרטור המחובר לפיר. מרחיב טורבו עם מדחס דוחס נוזל בחלקים אחרים של זרם התהליך הדורשים נוזל דחוס, ובכך מגביר את היעילות הכוללת של המפעל על ידי שימוש באנרגיה שבדרך כלל מבוזבזת. מרחיב טורבו עם עומס גנרטור ממיר את האנרגיה לחשמל, שניתן להשתמש בו בתהליכים אחרים במפעל או להחזירו לרשת החשמל המקומית למכירה.
גנרטורים עם טורבו-מרחיבים יכולים להיות מצוידים בציר הנעה ישיר מגלגל הטורבינה לגנרטור, או באמצעות תיבת הילוכים המפחיתה ביעילות את מהירות הקלט מגלגל הטורבינה לגנרטור באמצעות יחס הילוכים. גנרטורים עם טורבו-מרחיבים בהנעה ישירה מציעים יתרונות ביעילות, בשטח עבודה ובעלויות תחזוקה. גנרטורים עם תיבת הילוכים כבדים יותר ודורשים שטח עבודה גדול יותר, ציוד עזר לשימון ותחזוקה שוטפת.
טורבינות זרימה-דרך יכולות להתבצע בצורה של טורבינות רדיאליות או ציריות. טורבינות זרימה רדיאליות מכילות פתח כניסה צירי ופתח יציאה רדיאלי כך שזרימת הגז יוצאת מהטורבינה בצורה רדיאלית מציר הסיבוב. טורבינות ציריות מאפשרות לגז לזרום בצורה צירית לאורך ציר הסיבוב. טורבינות זרימה צירית מפיקות אנרגיה מזרימת הגז דרך כנפי הנחיה בכניסה אל גלגל ההרחבה, כאשר שטח החתך של תא ההרחבה גדל בהדרגה כדי לשמור על מהירות קבועה.
גנרטור טורבו-אקספנדר מורכב משלושה רכיבים עיקריים: גלגל טורבינה, מיסבים מיוחדים וגנרטור.
גלגל טורבינה. ​​גלגלי טורבינה מתוכננים לעיתים קרובות במיוחד כדי לייעל את היעילות האווירודינמית. משתני יישום המשפיעים על תכנון גלגל הטורבינה כוללים לחץ כניסה/יציאה, טמפרטורת כניסה/יציאה, זרימת נפח ותכונות נוזל. כאשר יחס הדחיסה גבוה מדי מכדי להפחיתו בשלב אחד, נדרש טורבו-מרחיב עם גלגלי טורבינה מרובים. ניתן לתכנן גלגלי טורבינה רדיאליים וגם גלגלי טורבינה ציריים כרב-שלביים, אך לגלגלי טורבינה ציריים יש אורך צירי קצר בהרבה ולכן הם קומפקטיים יותר. טורבינות זרימה רדיאלית רב-שלביות דורשות גז כדי לזרום מציר לרדיאלי וחזרה לציר, מה שיוצר הפסדי חיכוך גבוהים יותר מאשר טורבינות זרימה צירית.
מיסבים. תכנון מיסבים הוא קריטי להפעלה יעילה של טורבו-מרחיב. סוגי מיסבים הקשורים לתכנון טורבו-מרחיב משתנים מאוד ויכולים לכלול מיסבי שמן, מיסבי סרט נוזלי, מיסבי כדור מסורתיים ומיסבים מגנטיים. לכל שיטה יתרונות וחסרונות משלה, כפי שמוצג בטבלה 1.
יצרני טורבו-מרחיבים רבים בוחרים במיסבים מגנטיים כ"מיסב המועדף" שלהם בשל יתרונותיהם הייחודיים. מיסבים מגנטיים מבטיחים פעולה ללא חיכוך של הרכיבים הדינמיים של טורבו-מרחיב, ובכך מפחיתים משמעותית את עלויות התפעול והתחזוקה לאורך חיי המכונה. הם גם מתוכננים לעמוד במגוון רחב של עומסים ציריים ורדיאליים ותנאי מאמץ יתר. עלויותיהם הראשוניות הגבוהות יותר מקוזזות על ידי עלויות מחזור חיים נמוכות בהרבה.
דינמו. הגנרטור לוקח את אנרגיית הסיבוב של הטורבינה וממיר אותה לאנרגיה חשמלית שימושית באמצעות גנרטור אלקטרומגנטי (שיכול להיות גנרטור אינדוקציה או גנרטור מגנט קבוע). לגנרטורים אינדוקציה יש מהירות מדורגת נמוכה יותר, ולכן יישומי טורבינה במהירות גבוהה דורשים תיבת הילוכים, אך ניתן לתכנן אותם כך שיתאימו לתדר הרשת, ובכך לבטל את הצורך בהנעת תדר משתנה (VFD) לאספקת החשמל שנוצר. גנרטורים בעלי מגנט קבוע, לעומת זאת, יכולים להיות מחוברים ישירות לטורבינה באמצעות ציר ולהעביר חשמל לרשת באמצעות הנעת תדר משתנה. הגנרטור מתוכנן לספק הספק מרבי בהתבסס על הספק הציר הזמין במערכת.
אטמים. האטם הוא גם מרכיב קריטי בעת תכנון מערכת טורבו-מרחיב. כדי לשמור על יעילות גבוהה ולעמוד בתקני סביבה, יש לאטום את המערכות כדי למנוע דליפות גז פוטנציאליות בתהליך. ניתן לצייד טורבו-מרחיב באטמים דינמיים או סטטיים. אטמים דינמיים, כגון אטמי מבוך ואטמי גז יבשים, מספקים אטם סביב ציר מסתובב, בדרך כלל בין גלגל הטורבינה, המיסבים ושאר המכונה שבה נמצא הגנרטור. אטמים דינמיים נשחקים עם הזמן ודורשים תחזוקה ובדיקה שוטפות כדי להבטיח שהם פועלים כראוי. כאשר כל רכיבי טורבו-מרחיב כלולים במארז אחד, ניתן להשתמש באטמים סטטיים כדי להגן על כל חוט היוצא מהמארז, כולל לגנרטור, להנעות מיסבים מגנטיים או לחיישנים. אטמים אטומים אלה מספקים הגנה קבועה מפני דליפת גז ואינם דורשים תחזוקה או תיקון.
מנקודת מבט של תהליך, הדרישה העיקרית להתקנת מרחיב היא אספקת גז דחיס (לא ניתן לעיבוי) בלחץ גבוה למערכת בלחץ נמוך עם זרימה, ירידת לחץ וניצול מספיקים כדי לשמור על פעולה תקינה של הציוד. פרמטרי ההפעלה נשמרים ברמה בטוחה ויעילה.
מבחינת פונקציית הפחתת הלחץ, ניתן להשתמש במרחיב כדי להחליף את שסתום ג'אול-תומסון (JT), המכונה גם שסתום מצערת. מכיוון ששסתום ה-JT נע במסלול איזנטרופי והמרחיב נע במסלול כמעט איזנטרופי, האחרון מפחית את האנתלפיה של הגז וממיר את הפרש האנתלפיה להספק פיר, ובכך מייצר טמפרטורת יציאה נמוכה יותר מאשר שסתום ה-JT. זה שימושי בתהליכים קריוגניים שבהם המטרה היא להפחית את טמפרטורת הגז.
אם יש גבול תחתון לטמפרטורת גז היציאה (לדוגמה, בתחנת דקומפרסיה שבה יש לשמור על טמפרטורת הגז מעל נקודת הקיפאון, טמפרטורת הידרציה או טמפרטורת תכנון חומרים מינימלית), יש להוסיף לפחות גוף חימום אחד. לשלוט בטמפרטורת הגז. כאשר המחמם המקדים ממוקם במעלה הזרם של המרחיב, חלק מהאנרגיה מגז ההזנה מוחזרת גם במרחיב, ובכך מגדילה את תפוקת ההספק שלו. בתצורות מסוימות בהן נדרשת בקרת טמפרטורת היציאה, ניתן להתקין מחמם שני לאחר המרחיב כדי לספק בקרה מהירה יותר.
באיור 3, איור 3 מציג תרשים פשוט של תרשים זרימה כללי של מחולל הרחבה עם מחמם מקדים המשמש להחלפת שסתום JT.
בתצורות תהליך אחרות, ניתן להעביר את האנרגיה הממוחזרת במרחיב ישירות למדחס. מכונות אלו, המכונות לעיתים "מפקדים", כוללות בדרך כלל שלבי התפשטות ודחיסה המחוברים באמצעות ציר אחד או יותר, אשר עשויים לכלול גם תיבת הילוכים לוויסות הפרש המהירות בין שני השלבים. הן יכולות לכלול גם מנוע נוסף כדי לספק יותר כוח לשלב הדחיסה.
להלן כמה מהרכיבים החשובים ביותר המבטיחים פעולה תקינה ויציבות של המערכת.
שסתום מעקף או שסתום הפחתת לחץ. שסתום המעקף מאפשר המשך פעולה כאשר הטורבו-מרחיב אינו פועל (לדוגמה, לצורך תחזוקה או חירום), בעוד ששסתום הפחתת הלחץ משמש לפעולה רציפה לאספקת גז עודף כאשר הזרימה הכוללת עולה על קיבולת התכנון של הטורבו-מרחיב.
שסתום כיבוי חירום (ESD). שסתומי ESD משמשים לחסימת זרימת הגז לתוך המרחיב במקרה חירום כדי למנוע נזק מכני.
מכשירים ובקרות. משתנים חשובים לניטור כוללים לחץ כניסה ויציאה, קצב זרימה, מהירות סיבוב ותפוקת הספק.
נסיעה במהירות מופרזת. המכשיר מנתק את הזרימה לטורבינה, וגורם להאטת רוטור הטורבינה, ובכך מגן על הציוד מפני מהירויות מופרזות עקב תנאי תהליך בלתי צפויים שעלולים לגרום נזק לציוד.
שסתום בטיחות לחץ (PSV). שסתום PSV מותקנים לעיתים קרובות לאחר מרחיב טורבו כדי להגן על צינורות וציוד בלחץ נמוך. שסתום ה-PSV חייב להיות מתוכנן לעמוד בתנאים החמורים ביותר, הכוללים בדרך כלל כשל של פתיחת שסתום המעקף. אם נוסף מרחיב לתחנת הפחתת לחץ קיימת, צוות תכנון התהליך חייב לקבוע האם שסתום ה-PSV הקיים מספק הגנה מספקת.
מחמם. מחממים מפצים על ירידת הטמפרטורה הנגרמת על ידי הגז שעובר דרך הטורבינה, ולכן יש לחמם את הגז מראש. תפקידם העיקרי הוא להעלות את טמפרטורת זרימת הגז העולה כדי לשמור על טמפרטורת הגז היוצא מהמרחיב מעל ערך מינימלי. יתרון נוסף של העלאת הטמפרטורה הוא הגדלת תפוקת ההספק וכן מניעת קורוזיה, עיבוי או הידרטים שעלולים להשפיע לרעה על פיות הציוד. במערכות המכילות מחליפי חום (כפי שמוצג באיור 3), טמפרטורת הגז נשלטת בדרך כלל על ידי ויסות זרימת הנוזל המחומם לתוך המחמם המקדים. בתכנון מסוימים, ניתן להשתמש במחמם להבה או בתנור חשמלי במקום מחליף חום. מחממים עשויים להיות כבר קיימים בתחנת שסתומים קיימת של JT, והוספת מרחיב עשויה לא לדרוש התקנת מחממים נוספים, אלא להגדיל את זרימת הנוזל המחומם.
מערכות שמן סיכה וגז איטום. כפי שצוין לעיל, מערכות מרחיבות יכולות להשתמש בעיצובי אטמים שונים, אשר עשויים לדרוש חומרי סיכה וגזי איטום. במידת הצורך, שמן הסיכה חייב לשמור על איכות וטוהר גבוהים כאשר הוא במגע עם גזי תהליך, ורמת צמיגות השמן חייבת להישאר בטווח הפעולה הנדרש של מיסבים משומנים. מערכות גז אטומות מצוידות בדרך כלל בהתקן סיכה של שמן כדי למנוע כניסת שמן מתיבת המסבים לתיבת ההתפשטות. עבור יישומים מיוחדים של מערכות מרחיבות המשמשות בתעשיית הפחמימנים, מערכות שמן סיכה וגז איטום מתוכננות בדרך כלל לפי מפרטי API 617 [5] חלק 4.
הנעת תדר משתנה (VFD). כאשר הגנרטור הוא אינדוקטיבי, VFD מופעל בדרך כלל כדי להתאים את אות הזרם החילופין (AC) לתדר החשמל. בדרך כלל, לעיצובים המבוססים על הנעת תדר משתנה יש יעילות כוללת גבוהה יותר מאשר עיצובים המשתמשים בתיבות הילוכים או רכיבים מכניים אחרים. מערכות מבוססות VFD יכולות גם להכיל מגוון רחב יותר של שינויים בתהליך שיכולים לגרום לשינויים במהירות ציר ההרחבה.
תיבת הילוכים. חלק מתכנני ההרחבה משתמשים בתיבת הילוכים כדי להפחית את מהירות המרחיבה למהירות המדורגת של הגנרטור. עלות השימוש בתיבת הילוכים היא יעילות כוללת נמוכה יותר ולכן תפוקת הספק נמוכה יותר.
בעת הכנת בקשה להצעת מחיר (RFQ) עבור מרחיב, מהנדס התהליך חייב תחילה לקבוע את תנאי ההפעלה, כולל המידע הבא:
מהנדסי מכונות לעיתים קרובות משלימים מפרטים של גנרטור הרחבה ומפרטים באמצעות נתונים מתחומים הנדסיים אחרים. קלטים אלה עשויים לכלול את הפרטים הבאים:
המפרט חייב לכלול גם רשימה של מסמכים ושרטוטים שסופקו על ידי היצרן כחלק מתהליך המכרז ואת היקף האספקה, וכן נהלי בדיקה רלוונטיים כנדרש בפרויקט.
המידע הטכני שיסופק על ידי היצרן כחלק מתהליך המכרז צריך לכלול בדרך כלל את האלמנטים הבאים:
אם היבט כלשהו של ההצעה שונה מהמפרט המקורי, על היצרן לספק גם רשימה של סטיות ואת הסיבות לסטיות.
לאחר קבלת הצעה, צוות פיתוח הפרויקט חייב לבחון את בקשת הציות ולקבוע האם החריגות מוצדקות מבחינה טכנית.
שיקולים טכניים נוספים שיש לקחת בחשבון בעת ​​הערכת הצעות כוללים:
לבסוף, יש לבצע ניתוח כלכלי. מכיוון שאפשרויות שונות עשויות לגרום לעלויות ראשוניות שונות, מומלץ לבצע ניתוח תזרים מזומנים או ניתוח עלויות מחזור חיים כדי להשוות את הכלכלה ארוכת הטווח של הפרויקט ואת התשואה על ההשקעה. לדוגמה, השקעה ראשונית גבוהה יותר עשויה להתקזז בטווח הארוך על ידי עלייה בפריון או הפחתת דרישות התחזוקה. ראה "מקורות" לקבלת הוראות לסוג זה של ניתוח. 4.
כל יישומי גנרטור טורבו-מרחיב דורשים חישוב ראשוני של הספק פוטנציאלי כולל כדי לקבוע את כמות האנרגיה הכוללת הזמינה שניתן להפיק ביישום מסוים. עבור גנרטור טורבו-מרחיב, פוטנציאל ההספק מחושב כתהליך איזנטרופי (אנטרופיה קבועה). זהו המצב התרמודינמי האידיאלי לשקילת תהליך אדיאבטי הפיך ללא חיכוך, אך זהו התהליך הנכון להערכת פוטנציאל האנרגיה בפועל.
אנרגיה פוטנציאלית איזנטרופית (IPP) מחושבת על ידי הכפלת הפרש האנתלפיה הסגולית בכניסה וביציאה של הטורבו-מרחיב והכפלת התוצאה בקצב הזרימה המסה. אנרגיה פוטנציאלית זו תבוטא כגודל איזנטרופי (משוואה (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
כאשר h(i,e) היא האנתלפיה הספציפית תוך התחשבות בטמפרטורת היציאה האיזנטרופית ו-ṁ הוא קצב זרימת המסה.
למרות שניתן להשתמש באנרגיה פוטנציאלית איזנטרופית כדי להעריך אנרגיה פוטנציאלית, כל המערכות האמיתיות כרוכות בחיכוך, חום ואובדן אנרגיה נלווים אחרים. לכן, בעת חישוב פוטנציאל ההספק בפועל, יש לקחת בחשבון את נתוני הקלט הנוספים הבאים:
ברוב יישומי הטורבו-מרחיב, הטמפרטורה מוגבלת למינימום כדי למנוע בעיות לא רצויות כמו קפיאת צינורות שהוזכרו קודם לכן. במקומות בהם זורם גז טבעי, כמעט תמיד קיימים הידרטים, כלומר הצינור במורד הזרם של טורבו-מרחיב או שסתום מצערת יקפא פנימית וחיצונית אם טמפרטורת היציאה יורדת מתחת ל-0°C. היווצרות קרח עלולה לגרום להגבלת זרימה ובסופו של דבר לכבות את המערכת להפשרה. לכן, טמפרטורת היציאה "הרצויה" משמשת לחישוב תרחיש הספק פוטנציאלי ריאלי יותר. עם זאת, עבור גזים כמו מימן, מגבלת הטמפרטורה נמוכה בהרבה מכיוון שמימן אינו עובר מגז לנוזל עד שהוא מגיע לטמפרטורה קריוגנית (-253°C). השתמש בטמפרטורת יציאה רצויה זו כדי לחשב את האנתלפיה הספציפית.
יש לקחת בחשבון גם את יעילות מערכת הטורבו-מרחיב. בהתאם לטכנולוגיה שבה נעשה שימוש, יעילות המערכת יכולה להשתנות באופן משמעותי. לדוגמה, טורבו-מרחיב המשתמש בגיר הפחתה כדי להעביר אנרגיה סיבובית מהטורבינה לגנרטור יחווה הפסדי חיכוך גדולים יותר מאשר מערכת המשתמשת בהנעה ישירה מהטורבינה לגנרטור. היעילות הכוללת של מערכת טורבו-מרחיב מתבטאת באחוזים ונלקחת בחשבון בעת ​​הערכת פוטנציאל ההספק בפועל של הטורבו-מרחיב. פוטנציאל ההספק בפועל (PP) מחושב באופן הבא:
PP = (רמז - hexit) × ṁ x ṅ (2)
בואו נבחן את יישום הקלת הלחץ בגז טבעי. ABC מפעילה ומתחזקת תחנת הפחתת לחץ שמעבירה גז טבעי מהצינור הראשי ומפיצה אותו לרשויות המקומיות. בתחנה זו, לחץ כניסת הגז הוא 40 בר ולחץ היציאה הוא 8 בר. טמפרטורת הגז בכניסה שחומם מראש היא 35 מעלות צלזיוס, מה שמחמם מראש את הגז כדי למנוע קפיאה של הצינור. לכן, יש לשלוט בטמפרטורת גז היציאה כך שלא תרד מתחת ל-0 מעלות צלזיוס. בדוגמה זו נשתמש ב-5 מעלות צלזיוס כטמפרטורת יציאה מינימלית כדי להגדיל את מקדם הבטיחות. קצב זרימת הגז הנפחי המנורמל הוא 50,000 ניוטון מטר מעוקב/שעה. כדי לחשב את פוטנציאל ההספק, נניח שכל הגז זורם דרך מרחיב הטורבו ונחשב את תפוקת ההספק המקסימלית. הערך את פוטנציאל תפוקת ההספק הכולל באמצעות החישוב הבא: