מרחיבים יכולים להשתמש בהפחתת לחץ כדי להניע מכונות מסתובבות. מידע כיצד להעריך את היתרונות הפוטנציאליים של התקנת מאריך ניתן למצוא כאן.
בדרך כלל בענף התהליכים הכימיים (CPI), "כמות גדולה של אנרגיה מבוזבזת בשסתומי בקרת לחץ שבהם יש לדכא נוזלי לחץ גבוה" [1]. תלוי בגורמים טכניים וכלכליים שונים, יתכן רצוי להמיר אנרגיה זו לאנרגיה מכנית מסתובבת, אשר ניתן להשתמש בה כדי להניע גנרטורים או מכונות מסתובבות אחרות. עבור נוזלים בלתי דחוסים (נוזלים), זה מושג באמצעות טורבינת התאוששות אנרגיה הידראולית (HPRT; ראה הפניה 1). עבור נוזלים דחוסים (גזים), מרחיב הוא מכונה מתאימה.
מרחיבים הם טכנולוגיה בוגרת עם יישומים מצליחים רבים כמו פיצוח קטליטי נוזלי (FCC), קירור, שסתומי עיר טבעיים, הפרדת אוויר או פליטת פליטה. באופן עקרוני, ניתן להשתמש בכל זרם גז עם לחץ מופחת כדי להניע את ההרחבה, אך "תפוקת האנרגיה היא ביחס ישר ליחס הלחץ, הטמפרטורה וקצב הזרימה של זרם הגז" [2], כמו גם כדאיות טכנית וכלכלית. יישום Expander: התהליך תלוי בגורמים אלה ואחרים, כמו מחירי אנרגיה מקומיים וזמינות היצרן של ציוד מתאים.
אף על פי שהטורבו-פנדר (התפקוד באופן דומה לטורבינה) הוא הסוג הידוע ביותר של מרחיב (איור 1), ישנם סוגים אחרים המתאימים לתנאי תהליכים שונים. מאמר זה מציג את הסוגים העיקריים של מרחיבים ומרכיביהם ומסכם כיצד מנהלי התפעול, היועצים או מבקרי האנרגיה בחטיבות מדד המחירים לצרכן יכולות להעריך את היתרונות הכלכליים והסביבתיים הפוטנציאליים של התקנת מרחיב.
ישנם סוגים רבים ושונים של להקות התנגדות המשתנות מאוד בגיאומטריה ובתפקוד. הסוגים העיקריים מוצגים באיור 2, וכל סוג מתואר בקצרה להלן. למידע נוסף, כמו גם גרפים המשווים את מצב ההפעלה של כל סוג על בסיס קוטרים ספציפיים ומהירויות ספציפיות, ראה עזרה. 3.
בוכנה טורבו -פנדר. בוכנה ובוכנה סיבובית טורבו-פנדי פועלים פועלים כמו מנוע בעירה פנימית המסתובבת הפוכה, סופגים גז בלחץ גבוה וממיר את האנרגיה המאוחסנת שלו לאנרגיה סיבובית דרך גל הארכובה.
גרור את מרחיב הטורבו. מרחיב טורבינת הבלמים מורכב מתא זרימה קונצנטרי עם סנפירי דלי המחוברים לפריפריה של האלמנט המסתובב. הם מתוכננים באותו אופן כמו גלגלי מים, אך חתך הרוחב של התאים הקונצנטריים עולה מכניסה לשקע, ומאפשר לגז להתרחב.
טורבו טורבו רדיאלי. לטורבו -מיקסים זרימה רדיאלית יש כניסה צירית ושקע רדיאלי, ומאפשר לגז להתרחב באופן רדיאלי דרך אימפלר הטורבינה. באופן דומה, טורבינות זרימה ציריות מרחיבות גז דרך גלגל הטורבינה, אך כיוון הזרימה נשאר במקביל לציר הסיבוב.
מאמר זה מתמקד בתנאי טורבו -טורבו רדיאליים וציריים, דנים בתת -סוגים, רכיבים וכלכלה שונים שלהם.
טורבו-פנדר מחלץ אנרגיה מזרם גז בלחץ גבוה וממיר אותו לעומס כונן. בדרך כלל העומס הוא מדחס או גנרטור המחובר לפיר. טורבו -מפקד עם מדחס דוחס נוזל בחלקים אחרים של זרם התהליך הדורש נוזל דחוס, ובכך מגדיל את היעילות הכוללת של המפעל באמצעות אנרגיה שמבוזבזת אחרת. טורבו -פנדר עם עומס גנרטור ממיר את האנרגיה לחשמל, אשר ניתן להשתמש בו בתהליכי צמח אחרים או להחזיר לרשת המקומית למכירה.
גנרטורים של טורבו -פנדר יכולים להיות מצוידים בפיר כונן ישיר מגלגל הטורבינה לגנרטור, או דרך תיבת הילוכים שמפחיתה ביעילות את מהירות הכניסה מגלגל הטורבינה לגנרטור דרך יחס הילוכים. כונן ישיר טורבו -פנדסרים מציעים יתרונות בעלויות יעילות, טביעת רגל ותחזוקה. תיבת הילוכים טורבו -מיקסים כבדים יותר ודורשים טביעת רגל גדולה יותר, ציוד עזר שימון ותחזוקה שוטפת.
ניתן לבצע טורבו-מיקסים זרימה בצורה של טורבינות רדיאליות או ציריות. מרחיבי זרימה רדיאליים מכילים כניסה צירית ושקע רדיאלי כך שזרימת הגז יוצאת מהטורבינה באופן רדיאלי מציר הסיבוב. טורבינות ציריות מאפשרות לגז לזרום צירית לאורך ציר הסיבוב. טורבינות זרימה ציריות מחלצות אנרגיה מזרימת הגז דרך מדריך כניסת טנדרים לגלגל המרחיב, כאשר שטח חתך הרוחב של תא ההתרחבות גדל בהדרגה לשמירה על מהירות קבועה.
גנרטור טורבו -פנדר מורכב משלושה רכיבים עיקריים: גלגל טורבינה, מיסבים מיוחדים וגנרטור.
גלגל טורבינה. גלגלי טורבינה מתוכננים לרוב במיוחד כדי לייעל את היעילות האווירודינמית. משתני יישום המשפיעים על תכנון גלגל הטורבינה כוללים לחץ כניסה/יציאה, טמפרטורת כניסה/יציאה, זרימת נפח ותכונות נוזלים. כאשר יחס הדחיסה גבוה מכדי להיות מופחת בשלב אחד, נדרש טורבו -מפקד עם גלגלי טורבינה מרובים. ניתן לתכנן את גלגלי הטורבינה הרדיאליים והצירים כאחד רב-שלבים, אך לגלגלי טורבינה צירי יש אורך צירי קצר בהרבה ולכן הם קומפקטיים יותר. טורבינות זרימה רדיאליות רב שלבי דורשות גז לזרום מהצירים לרדיאלי ובחזרה לצירים, ויוצרים הפסדי חיכוך גבוהים יותר מאשר טורבינות זרימה ציריות.
מיסבים. תכנון הנושא הוא קריטי להפעלה היעילה של טורבו -מפקד. סוגי מיסבים הקשורים לעיצובי טורבו -סנדר משתנים באופן נרחב ויכולים לכלול מיסבי שמן, מסבי סרט נוזלים, מיסבי כדור מסורתיים ומסבים מגנטיים. לכל שיטה יתרונות וחסרונות משלה, כפי שמוצג בטבלה 1.
יצרני טורבו -פנדר רבים בוחרים מיסבים מגנטיים כ"נושא הבחירה "שלהם בגלל היתרונות הייחודיים שלהם. מיסבים מגנטיים מבטיחים פעולה ללא חיכוך של הרכיבים הדינמיים של הטורבו-פנדר, ומפחיתה משמעותית את עלויות ההפעלה והתחזוקה לאורך חיי המכונה. הם נועדו גם לעמוד במגוון רחב של עומסים צירים ורדיאליים ותנאי אוברסטר. העלויות הראשוניות הגבוהות שלהם מתקזזות על ידי עלויות מחזור חיים נמוכות בהרבה.
דִינָמוֹ. הגנרטור לוקח את האנרגיה הסיבובית של הטורבינה וממיר אותה לאנרגיה חשמלית שימושית באמצעות גנרטור אלקטרומגנטי (שיכול להיות מחולל אינדוקציה או מחולל מגנט קבוע). לגנרטורי אינדוקציה יש מהירות מדורגת נמוכה יותר, ולכן יישומי טורבינה במהירות גבוהה דורשים תיבת הילוכים, אך ניתן לתכנן אותם כך שיתאימו לתדר הרשת, תוך ביטול הצורך בכונן תדר משתנה (VFD) לספק את החשמל שנוצר. לעומת זאת, ניתן לחבר ישירות את גנרטורי המגנט הקבועים לטורבינה ולהעביר כוח לרשת דרך כונן תדר משתנה. הגנרטור נועד לספק כוח מרבי על בסיס כוח הפיר הזמין במערכת.
כלבי ים. החותם הוא גם רכיב קריטי בעת תכנון מערכת טורבו -סנדר. כדי לשמור על יעילות גבוהה ולעמוד בסטנדרטים הסביבתיים, יש לאטום מערכות כדי למנוע דליפות גז פוטנציאליות. טורבו -פנדירים יכולים להיות מצוידים בחותמות דינאמיות או סטטיות. כלבי ים דינמיים, כמו אטמי מבוך ואטמי גז יבשים, מספקים חותם סביב פיר מסתובב, בדרך כלל בין גלגל הטורבינה, המסבים לשאר המכונה בה נמצא הגנרטור. חותמות דינמיות נשחקות לאורך זמן ודורשות תחזוקה ובדיקה שוטפת כדי להבטיח שהם פועלים כראוי. כאשר כל רכיבי הטורבו -פנדר כלולים בדיור יחיד, ניתן להשתמש בחותמות סטטיות כדי להגן על כל לידים היוצאים מהדיור, כולל לגנרטור, כונני מיסב מגנטיים או חיישנים. כלבי ים אטומים אלה מספקים הגנה קבועה מפני דליפת גז ואינם דורשים תחזוקה או תיקון.
מבחינה של תהליכים, הדרישה העיקרית להתקנת אקספרס היא לספק גז דחוס בלחץ גבוה (שאינו ניתן להמרה) למערכת בלחץ נמוך עם זרימה מספקת, ירידת לחץ וניצול כדי לשמור על פעולה תקינה של הציוד. פרמטרי הפעלה נשמרים ברמה בטוחה ויעילה.
מבחינת תפקוד הפחתת הלחץ, ניתן להשתמש במרחב להחלפת שסתום ג'ול-תומסון (JT), המכונה גם שסתום המצערת. מכיוון ששסתום ה- JT נע לאורך שביל איזנטרופי והמרחב נע בדרך כמעט איזנטרופית, האחרון מצמצם את האנטלפיה של הגז וממיר את ההבדל האנטלפי לכוח פיר, ובכך מייצר טמפרטורת יציאה נמוכה יותר מאשר שסתום JT. זה שימושי בתהליכים קריוגניים שבהם המטרה היא להפחית את טמפרטורת הגז.
אם יש גבול נמוך יותר על טמפרטורת הגז של השקע (לדוגמה, בתחנת דיכאון שבה יש לשמור על טמפרטורת הגז מעל הקפאה, הידרציה או טמפרטורת תכנון חומרים מינימלית), יש להוסיף לפחות מחמם אחד. לשלוט בטמפרטורת הגז. כאשר המקדמה נמצאת במעלה הזרם של המרחיב, חלק מהאנרגיה מגז ההזנה מתאוששת גם היא במרחב, ובכך מגדילה את תפוקת הכוח שלה. בכמה תצורות בהן נדרשת בקרת טמפרטורה של יציאה, ניתן להתקין מחדש שנייה לאחר ההרחבה כדי לספק שליטה מהירה יותר.
באיור איור 3 מציג תרשים מפושט של תרשים הזרימה הכללי של מחולל מרחיב עם תחום המקדמה המשמש להחלפת שסתום JT.
בתצורות תהליכים אחרות, ניתן להעביר את האנרגיה שהתאוששה במרחב ישירות למדחס. למכונות אלה, המכונות לעיתים "מפקדים", בדרך כלל יש שלבי הרחבה ודחיסה המחוברים לפי פירים אחד או יותר, אשר עשויים לכלול גם תיבת הילוכים לוויסות הפרש המהירות בין שני השלבים. זה יכול לכלול גם מנוע נוסף שיספק יותר כוח לשלב הדחיסה.
להלן כמה מהמרכיבים החשובים ביותר שמבטיחים תפעול ויציבות נאותה של המערכת.
שסתום עוקף או שסתום הפחתת לחץ. שסתום העוקף מאפשר לפעול להמשיך כאשר הטורבו -פנדר אינו פועל (לדוגמה, לתחזוקה או חירום), ואילו שסתום הפחתת הלחץ משמש להפעלה רציפה כדי לספק עודף גז כאשר הזרימה הכוללת עולה על יכולת התכנון של האקספר.
שסתום כיבוי חירום (ESD). שסתומי ESD משמשים לחסימת זרימת הגז למרחיב במצב חירום כדי למנוע נזק מכני.
מכשירים ובקרות. משתנים חשובים לפיקוח כוללים לחץ כניסה ויציאה, קצב זרימה, מהירות סיבוב ותפוקת כוח.
נוהג במהירות מוגזמת. המכשיר מנתק את הזרימה לטורבינה, וגורם לרוטור הטורבינה להאט, ובכך מגן על הציוד מפני מהירויות מוגזמות כתוצאה מתנאי תהליכים בלתי צפויים העלולים לפגוע בציוד.
שסתום בטיחות לחץ (PSV). PSVs מותקנים לרוב לאחר טורבו -פנדר להגנה על צינורות וציוד בלחץ נמוך. יש לתכנן את ה- PSV לעמוד במקומות החמורים ביותר, הכוללים בדרך כלל כישלון שסתום העוקף לפתוח. אם מתווסף מרחיב לתחנת הפחתת לחץ קיימת, על צוות תכנון התהליך לקבוע אם ה- PSV הקיים מספק הגנה נאותה.
מְחַמֵם. תנורי חימום מפצים על ירידת הטמפרטורה הנגרמת על ידי הגז שעובר בטורבינה, ולכן יש לחמם מראש את הגז. תפקידו העיקרי הוא להגדיל את הטמפרטורה של זרימת הגז העולה לשמירה על טמפרטורת הגז המותירה את המרחב מעל ערך מינימלי. יתרון נוסף בהעלאת הטמפרטורה הוא להגדיל את תפוקת החשמל כמו גם למנוע קורוזיה, עיבוי או הידרטים שיכולים להשפיע לרעה על חרירי ציוד. במערכות המכילות מחליפי חום (כפי שמוצג באיור 3), טמפרטורת הגז נשלטת בדרך כלל על ידי ויסות זרימת הנוזל המחומם למקדמה. בכמה עיצובים ניתן להשתמש בתנור להבה או בתנור חשמלי במקום מחליף חום. תנורי חימום עשויים להתקיים כבר בתחנת שסתום JT קיימת, והוספת מרחיב עשויה שלא לדרוש התקנת תנורי חימום נוספים, אלא להגדיל את זרימת הנוזל המחומם.
סיכה של מערכות גז נפט ואיטום. כאמור, מרחיבים יכולים להשתמש בעיצובי חותם שונים, העשויים לדרוש חומרי סיכה וגזים איטום. במידת הצורך, על שמן הסיכה לשמור על איכות וטוהר גבוהה כאשר הם במגע עם גזי תהליכים, ורמת צמיגות הנפט חייבת להישאר בטווח התפעול הנדרש של מיסבים משומנים. מערכות גז אטומות מצוידות בדרך כלל במכשיר שימון נפט כדי למנוע את כניסת תיבת הנפט לתיבת ההרחבה. עבור יישומים מיוחדים של קבוצות המשמשות בתעשיית הפחמימנים, מערכות שמן סיכה וגז חותם מתוכננות בדרך כלל למפרט API 617 [5] חלק 4.
כונן תדר משתנה (VFD). כאשר הגנרטור הוא אינדוקציה, בדרך כלל מופעל VFD כדי להתאים את אות הזרם המתחלף (AC) כדי להתאים לתדר השירות. בדרך כלל, לעיצובים המבוססים על כונני תדר משתנים יש יעילות כוללת גבוהה יותר מאשר עיצובים המשתמשים בתיבות הילוכים או ברכיבים מכניים אחרים. מערכות מבוססות VFD יכולות להתאים גם למגוון רחב יותר של שינויים בתהליכים שיכולים לגרום לשינויים במהירות פיר המרחיב.
הפצה. כמה עיצובים מרחיבים משתמשים בתיבת הילוכים כדי להפחית את מהירות המרחב למהירות המדורגת של הגנרטור. עלות השימוש בתיבת הילוכים היא היעילות הכוללת נמוכה יותר ולכן תפוקת ההספק הנמוכה.
בעת הכנת בקשת הצעת מחיר (RFQ) עבור מרחיב, על מהנדס התהליכים לקבוע תחילה את תנאי ההפעלה, כולל המידע הבא:
מהנדסי מכונות משלימים לרוב מפרט ומפרטים של גנרטור הרחבה באמצעות נתונים מתחומים הנדסיים אחרים. תשומות אלה עשויות לכלול את הדברים הבאים:
על המפרט לכלול גם רשימת מסמכים ורישומים המסופקים על ידי היצרן כחלק מתהליך המכרז והיקף האספקה, כמו גם נהלי בדיקה רלוונטיים כנדרש על ידי הפרויקט.
המידע הטכני שמספק היצרן כחלק מתהליך המכרז אמור לכלול בדרך כלל את האלמנטים הבאים:
אם היבט כלשהו בהצעה שונה מהמפרט המקורי, על היצרן לספק גם רשימת סטיות והסיבות לסטיות.
לאחר קבלת הצעה, על צוות פיתוח הפרויקטים לבחון את בקשת הציות ולקבוע אם השונות מוצדקות מבחינה טכנית.
שיקולים טכניים אחרים שיש לקחת בחשבון בעת הערכת ההצעות כוללים:
לבסוף, יש לבצע ניתוח כלכלי. מכיוון שאופציות שונות עשויות לגרום לעלויות ראשוניות שונות, מומלץ לבצע ניתוח עלות מחזור מזומנים או מחזור חיים כדי להשוות את הכלכלה לטווח הארוך של הפרויקט ולהחזרת ההשקעה. לדוגמה, השקעה ראשונית גבוהה יותר עשויה להתקזז לטווח הארוך על ידי מוגברת התפוקה או דרישות התחזוקה המופחתות. ראה "הפניות" לקבלת הוראות בנושא ניתוח מסוג זה. 4.
כל יישומי TurboExpander-Generator דורשים חישוב כוח פוטנציאלי סך הכל ראשוני כדי לקבוע את הכמות הכוללת של האנרגיה הזמינה שניתן לשחזר ביישום מסוים. עבור גנרטור טורבו -פנדר, פוטנציאל הכוח מחושב כתהליך איזנטרופי (אנטרופיה קבועה). זהו המצב התרמודינמי האידיאלי לבחינת תהליך אדיאבטי הפיך ללא חיכוך, אך זהו התהליך הנכון להערכת פוטנציאל האנרגיה בפועל.
אנרגיה פוטנציאלית איזנטרופית (IPP) מחושבת על ידי הכפלת ההבדל האנטלפיה הספציפי בכניסה ובמוצא של הטורבו -פנדר והכפלת התוצאה בקצב זרימת המסה. אנרגיה פוטנציאלית זו תביע ככמות איזנטרופית (משוואה (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
כאשר h (i, e) הוא האנטלפיה הספציפית תוך התחשבות בטמפרטורת השקע האיסנטרופי ו- ṁ הוא קצב זרימת המסה.
למרות שניתן להשתמש באנרגיה פוטנציאלית איזנטרופית כדי להעריך אנרגיה פוטנציאלית, כל המערכות הריאליות כרוכות בחיכוך, חום ואובדן אנרגיה נלווה אחרים. לפיכך, בעת חישוב פוטנציאל הכוח בפועל, יש לקחת בחשבון את נתוני הקלט הנוספים הבאים:
ברוב יישומי הטורבו -פנדר, הטמפרטורה מוגבלת למינימום כדי למנוע בעיות לא רצויות כמו הקפאת צינורות שהוזכרו קודם. במקום בו גז טבעי זורם, הידרטים כמעט תמיד קיימים, כלומר הצינור במורד הזרם של שסתום טורבו או שסתום מצערת יקפיא באופן פנימי וחיצוני אם טמפרטורת השקע יורדת מתחת ל 0 מעלות צלזיוס. היווצרות קרח יכולה לגרום להגבלת זרימה ובסופו של דבר לסגור את המערכת כדי להפשיר. לפיכך, טמפרטורת השקע "הרצויה" משמשת לחישוב תרחיש כוח פוטנציאלי מציאותי יותר. עם זאת, עבור גזים כמו מימן, מגבלת הטמפרטורה נמוכה בהרבה מכיוון שמימן אינו משתנה מגז לנוזל עד שהוא מגיע לטמפרטורה קריוגנית (-253 מעלות צלזיוס). השתמש בטמפרטורת השקע הרצויה הזו כדי לחשב את האנטלפיה הספציפית.
יש לקחת בחשבון גם את היעילות של מערכת הטורבו -סנדר. תלוי בטכנולוגיה המשמשת, יעילות המערכת יכולה להשתנות באופן משמעותי. לדוגמה, טורבו -פנקנדר המשתמש בציוד הפחתה להעברת אנרגיה סיבובית מהטורבינה לגנרטור יחווה הפסדי חיכוך גדולים יותר מאשר מערכת המשתמשת בכונן ישיר מהטורבינה לגנרטור. היעילות הכוללת של מערכת טורבו -פנדנדר באה לידי ביטוי כאחוז ונלקח בחשבון בעת הערכת פוטנציאל הכוח בפועל של הטורבו -פנדר. פוטנציאל הכוח בפועל (PP) מחושב כדלקמן:
Pp = (Hinlet - Hexit) × ṁ x ṅ (2)
בואו נסתכל על יישום הקלה בלחץ הגז הטבעי. ABC מפעילה ומתחזקת תחנת הפחתת לחץ המעבירה גז טבעי מהצינור הראשי ומפיצה אותה לעיריות מקומיות. בתחנה זו לחץ כניסת הגז הוא 40 בר ולחץ השקע הוא 8 בר. טמפרטורת הגז הכניסה המחוממת מראש היא 35 מעלות צלזיוס, המחממת את הגז מראש למניעת הקפאת צינור. לפיכך, יש לשלוט על טמפרטורת הגז של השקע כך שהיא לא תיפול מתחת ל 0 מעלות צלזיוס. בדוגמה זו נשתמש ב -5 מעלות צלזיוס כטמפרטורת השקע המינימלי כדי להגדיל את גורם הבטיחות. קצב זרימת הגז הנפחי הנורמלי הוא 50,000 ננומטר לשעה. כדי לחשב את פוטנציאל הכוח, נניח שכל הגז זורם דרך מרחיב הטורבו וחשב את תפוקת הכוח המרבית. הערך את פוטנציאל תפוקת החשמל הכולל באמצעות החישוב הבא:
זמן הודעה: מאי -25-2024