GRUPPU TECNULUGICU HANGZHOU NUZHUO CO., LTD.

L'espansori ponu aduprà a riduzione di pressione per azionà e macchine rotanti. L'infurmazioni nantu à cumu valutà i putenziali benefici di l'installazione di un estensore ponu esse truvate quì.
Tipicamente in l'industria di i prucessi chimichi (CPI), "una grande quantità d'energia hè sprecata in e valvole di cuntrollu di pressione induve i fluidi à alta pressione devenu esse depressurizati" [1]. Sicondu diversi fattori tecnichi è ecunomichi, pò esse desiderabile cunvertisce sta energia in energia meccanica rotante, chì pò esse aduprata per accionà generatori o altre macchine rotanti. Per i fluidi incomprimibili (liquidi), questu hè ottenutu aduprendu una turbina di recuperu di energia idraulica (HPRT; vede a riferenza 1). Per i liquidi comprimibili (gas), un espansore hè una macchina adatta.
L'espansori sò una tecnulugia matura cù parechje applicazioni riesciute cum'è u cracking cataliticu fluidu (FCC), a refrigerazione, e valvole di gas naturale di a cità, a separazione di l'aria o l'emissioni di scaricu. In principiu, qualsiasi flussu di gas cù pressione ridutta pò esse adupratu per alimentà un espansore, ma "a pruduzzione di energia hè direttamente proporzionale à u rapportu di pressione, a temperatura è a portata di u flussu di gas" [2], è ancu à a fattibilità tecnica è ecunomica. Implementazione di l'espansore: U prucessu dipende da questi è altri fattori, cum'è i prezzi lucali di l'energia è a dispunibilità di u fabricatore di apparecchiature adatte.
Ancu s'è u turboespansore (chì funziona in modu simile à una turbina) hè u tipu d'espansore u più cunnisciutu (Figura 1), ci sò altri tipi adatti à diverse cundizioni di prucessu. Questu articulu presenta i principali tipi d'espansori è i so cumpunenti è riassume cumu i gestori di l'operazioni, i consulenti o l'auditori energetichi in varie divisioni CPI ponu valutà i putenziali benefici ecunomichi è ambientali di l'installazione di un espansore.
Ci sò parechji tippi diffirenti di bande di resistenza chì varianu assai in geometria è funzione. I tippi principali sò mostrati in a Figura 2, è ogni tipu hè discrittu brevemente quì sottu. Per più infurmazioni, è ancu grafichi chì paragunanu u statutu operativu di ogni tipu basatu annantu à diametri specifichi è velocità specifiche, vede Aiutu. 3.
Turboespansore à pistone. I turboespansori à pistone è à pistone rotativu funzionanu cum'è un mutore à combustione interna à rotazione inversa, assorbendu gasu à alta pressione è cunvertendu a so energia immagazzinata in energia rotazionale attraversu l'alberu motore.
Trascinate u turboespansore. L'espansore di a turbina di frenu hè custituitu da una camera di flussu concentrica cù alette di secchio attaccate à a periferia di l'elementu rotante. Sò cuncipiti in u listessu modu cum'è e rote idrauliche, ma a sezione trasversale di e camere concentriche aumenta da l'entrata à l'uscita, permettendu à u gasu di espandesi.
Turboespansore radiale. I turboespansori à flussu radiale anu un'entrata assiale è una uscita radiale, chì permettenu à u gasu di espande si radialmente attraversu a girante di a turbina. In listessu modu, e turbine à flussu assiale espandenu u gasu attraversu a rota di a turbina, ma a direzzione di u flussu ferma parallela à l'asse di rotazione.
Questu articulu si cuncentra nantu à i turboespansori radiali è assiali, discutendu i so vari sottotipi, cumpunenti è ecunumia.
Un turboespansore estrae energia da un flussu di gas à alta pressione è a cunverte in un caricu di trasmissione. Tipicamente, u caricu hè un compressore o un generatore cunnessu à un alberu. Un turboespansore cù un compressore comprime u fluidu in altre parti di u flussu di prucessu chì necessitanu fluidu cumpressu, aumentendu cusì l'efficienza generale di l'impianto utilizendu energia chì altrimenti seria sprecata. Un turboespansore cù un caricu di generatore cunverte l'energia in elettricità, chì pò esse aduprata in altri prucessi di l'impianto o restituita à a rete lucale per a vendita.
I generatori di turboespansori ponu esse dotati sia di un albero di trasmissione diretta da a rota di a turbina à u generatore, sia per mezu di una scatula di cambiu chì riduce efficacemente a velocità d'entrata da a rota di a turbina à u generatore per mezu di un rapportu di trasmissione. I turboespansori à trasmissione diretta offrenu vantaghji in termini di efficienza, ingombro è costi di manutenzione. I turboespansori à scatula di cambiu sò più pesanti è richiedenu un ingombro più grande, apparecchiature ausiliarie di lubrificazione è manutenzione regulare.
I turboespansori à flussu continuu ponu esse fabbricati in forma di turbine radiali o assiali. L'espansori à flussu radiale cuntenenu un'entrata assiale è una uscita radiale in modu chì u flussu di gas esce da a turbina radialmente da l'asse di rotazione. E turbine assiali permettenu à u gas di scorrere assialmente longu l'asse di rotazione. E turbine à flussu assiale estraenu energia da u flussu di gas attraversu e palette di guida d'entrata à a rota di l'espansore, cù l'area di a sezione trasversale di a camera di espansione chì aumenta gradualmente per mantene una velocità costante.
Un generatore turboespansore hè custituitu da trè cumpunenti principali: una rota di turbina, cuscinetti speciali è un generatore.
Rota di turbina. E rote di turbina sò spessu cuncepite specificamente per ottimizà l'efficienza aerodinamica. E variabili d'applicazione chì influenzanu u disignu di a rota di turbina includenu a pressione d'entrata/uscita, a temperatura d'entrata/uscita, u flussu di volume è e proprietà di u fluidu. Quandu u rapportu di compressione hè troppu altu per esse riduttu in una fase, hè necessariu un turboespansore cù parechje rote di turbina. Sia e rote di turbina radiali sia quelle assiali ponu esse cuncepite cum'è multistadio, ma e rote di turbina assiali anu una lunghezza assiale assai più corta è sò dunque più compatte. E turbine à flussu radiale multistadio richiedenu chì u gas scorri da assiale à radiale è torna à assiale, creendu perdite di attritu più elevate cà e turbine à flussu assiale.
cuscinetti. U cuncepimentu di i cuscinetti hè criticu per u funziunamentu efficiente di un turboespansore. I tipi di cuscinetti ligati à i cuncepimenti di i turboespansori varianu assai è ponu include cuscinetti à oliu, cuscinetti à film liquidu, cuscinetti à sfera tradiziunali è cuscinetti magnetichi. Ogni metudu hà i so vantaghji è svantaghji, cum'è mostratu in a Tabella 1.
Parechji pruduttori di turboespansori sceglienu i cuscinetti magnetichi cum'è u so "cuscinettu di scelta" per via di i so vantaghji unichi. I cuscinetti magnetichi assicuranu u funziunamentu senza attritu di i cumpunenti dinamichi di u turboespansore, riducendu significativamente i costi operativi è di manutenzione durante a vita di a macchina. Sò ancu cuncipiti per sustene una vasta gamma di carichi assiali è radiali è cundizioni di sovraccaricu. I so costi iniziali più elevati sò compensati da costi di u ciclu di vita assai più bassi.
dinamo. U generatore piglia l'energia rotazionale di a turbina è a cunverte in energia elettrica utile aduprendu un generatore elettromagneticu (chì pò esse un generatore à induzione o un generatore à magneti permanenti). I generatori à induzione anu una velocità nominale più bassa, dunque l'applicazioni di turbine à alta velocità richiedenu una scatula di cambiu, ma ponu esse cuncepiti per currisponde à a frequenza di a rete, eliminendu a necessità di un azionamentu à frequenza variabile (VFD) per furnisce l'elettricità generata. I generatori à magneti permanenti, invece, ponu esse direttamente accoppiati à l'arbre à a turbina è trasmette a putenza à a rete attraversu un azionamentu à frequenza variabile. U generatore hè cuncipitu per furnisce a massima putenza basata annantu à a putenza di l'arbre dispunibule in u sistema.
Guarnizioni. A guarnizione hè ancu un cumpunente criticu quandu si cuncepisce un sistema di turboespansore. Per mantene una alta efficienza è rispettà i standard ambientali, i sistemi devenu esse sigillati per prevene potenziali perdite di gas di prucessu. I turboespansori ponu esse dotati di guarnizioni dinamiche o statiche. E guarnizioni dinamiche, cum'è e guarnizioni à labirintu è e guarnizioni à gas seccu, furniscenu una guarnizione intornu à un alberu rotante, tipicamente trà a rota di a turbina, i cuscinetti è u restu di a macchina induve si trova u generatore. E guarnizioni dinamiche si consumanu cù u tempu è richiedenu una manutenzione è un'ispezione regulare per assicurà chì funzionanu currettamente. Quandu tutti i cumpunenti di u turboespansore sò cuntenuti in un unicu alloggiamentu, e guarnizioni statiche ponu esse aduprate per prutege qualsiasi conduttore chì esce da l'alloggiamentu, cumpresu u generatore, i cuscinetti magnetichi o i sensori. Queste guarnizioni ermetiche furniscenu una prutezzione permanente contr'à e perdite di gas è ùn richiedenu alcuna manutenzione o riparazione.
Da un puntu di vista di prucessu, u requisitu principale per l'installazione di un espansore hè di furnisce gasu comprimibile (micca condensabile) à alta pressione à un sistema à bassa pressione cù un flussu, una caduta di pressione è un'utilizazione sufficienti per mantene u funziunamentu nurmale di l'attrezzatura. I parametri operativi sò mantenuti à un livellu sicuru è efficiente.
In termini di funzione di riduzione di pressione, l'espansore pò esse adupratu per rimpiazzà a valvula Joule-Thomson (JT), cunnisciuta ancu cum'è valvula di farfalla. Siccomu a valvula JT si move longu un percorsu isentropicu è l'espansore si move longu un percorsu quasi isentropicu, quest'ultimu riduce l'entalpia di u gasu è cunverte a differenza d'entalpia in putenza à l'arbre, producendu cusì una temperatura di uscita più bassa chè a valvula JT. Questu hè utile in i prucessi criogenichi induve l'ubbiettivu hè di riduce a temperatura di u gasu.
S'ellu ci hè un limite inferiore à a temperatura di u gasu di uscita (per esempiu, in una stazione di decompressione induve a temperatura di u gasu deve esse mantenuta sopra à u fretu, l'idratazione, o a temperatura minima di cuncepimentu di u materiale), almenu un riscaldatore deve esse aghjuntu. cuntrullà a temperatura di u gasu. Quandu u preriscaldatore hè situatu à monte di l'espansore, una parte di l'energia di u gasu di alimentazione hè ancu recuperata in l'espansore, aumentendu cusì a so putenza. In alcune cunfigurazioni induve hè necessariu u cuntrollu di a temperatura di uscita, un secondu riscaldatore pò esse installatu dopu à l'espansore per furnisce un cuntrollu più veloce.
In Fig. A Figura 3 mostra un diagramma simplificatu di u diagramma di flussu generale di un generatore di espansione cù preriscaldatore utilizatu per rimpiazzà una valvula JT.
In altre cunfigurazioni di prucessu, l'energia recuperata in l'espansore pò esse trasferita direttamente à u compressore. Queste macchine, qualchì volta chjamate "cumandanti", di solitu anu stadii di espansione è di compressione cunnessi da unu o più alberi, chì ponu ancu include una scatula di cambiu per regulà a differenza di velocità trà i dui stadii. Pò ancu include un mutore supplementu per furnisce più putenza à u stadiu di compressione.
Quì sottu sò alcuni di i cumpunenti più impurtanti chì assicuranu u funziunamentu currettu è a stabilità di u sistema.
Valvula di bypass o valvula di riduzione di pressione. A valvula di bypass permette di cuntinuà u funziunamentu quandu u turboespansore ùn hè micca in funzione (per esempiu, per manutenzione o una emergenza), mentre chì a valvula di riduzione di pressione hè aduprata per un funziunamentu cuntinuu per furnisce gas in eccessu quandu u flussu tutale supera a capacità di cuncepimentu di l'espansore.
Valvula di chjusura d'emergenza (ESD). E valvule ESD sò aduprate per bluccà u flussu di gas in l'espansore in casu d'emergenza per evità danni meccanichi.
Strumenti è cuntrolli. E variabili impurtanti da monitorà includenu a pressione d'entrata è di uscita, a velocità di flussu, a velocità di rotazione è a putenza di uscita.
Cunduce à velocità eccessiva. U dispusitivu taglia u flussu versu a turbina, pruvucendu u rallentamentu di u rotore di a turbina, pruteggendu cusì l'equipaggiu da velocità eccessive per via di cundizioni di prucessu impreviste chì puderanu dannà l'equipaggiu.
Valvula di Sicurezza di Pressione (PSV). I PSV sò spessu installati dopu à un turboespansore per prutege e tubazioni è l'equipaggiamenti di bassa pressione. U PSV deve esse cuncipitu per resiste à e contingenze più gravi, chì includenu tipicamente u fallimentu di a valvula di bypass per apre. Se un espansore hè aghjuntu à una stazione di riduzione di pressione esistente, a squadra di cuncepimentu di u prucessu deve determinà se u PSV esistente furnisce una prutezzione adatta.
Riscaldatore. I riscaldatori compensanu a calata di temperatura causata da u gas chì passa per a turbina, dunque u gas deve esse preriscaldatu. A so funzione principale hè di aumentà a temperatura di u flussu di gas ascendente per mantene a temperatura di u gas chì esce da l'espansore sopra un valore minimu. Un altru benefiziu di l'aumentu di a temperatura hè di aumentà a putenza di pruduzzione è ancu di prevene a corrosione, a cundensazione o l'idrati chì puderanu influenzà negativamente l'ugelli di l'apparecchiature. In i sistemi chì cuntenenu scambiatori di calore (cum'è mostratu in a Figura 3), a temperatura di u gas hè generalmente cuntrullata regulendu u flussu di liquidu riscaldatu in u preriscaldatore. In certi disinni, un riscaldatore di fiamma o un riscaldatore elettricu pò esse adupratu invece di un scambiatore di calore. I riscaldatori ponu digià esiste in una stazione di valvula JT esistente, è l'aghjunta di un espansore pò ùn richiede micca l'installazione di riscaldatori supplementari, ma piuttostu l'aumentu di u flussu di fluidu riscaldatu.
Sistemi di oliu lubrificante è di gas di tenuta. Cum'è mintuvatu sopra, l'espansori ponu aduprà diversi disinni di tenuta, chì ponu richiede lubrificanti è gas di tenuta. Se applicabile, l'oliu lubrificante deve mantene una alta qualità è purezza quandu hè in cuntattu cù i gas di prucessu, è u livellu di viscosità di l'oliu deve rimanere in u range operativu richiestu di i cuscinetti lubrificati. I sistemi di gas sigillati sò generalmente dotati di un dispositivu di lubrificazione di l'oliu per impedisce à l'oliu da a scatula di cuscinetti di entre in a scatula di espansione. Per applicazioni speciali di compander utilizati in l'industria di l'idrocarburi, i sistemi di oliu lubrificante è di gas di tenuta sò tipicamente cuncepiti secondu e specifiche API 617 [5] Parte 4.
Azionamentu à frequenza variabile (VFD). Quandu u generatore hè à induzione, un VFD hè tipicamente attivatu per adattà u signale di corrente alternata (CA) per currisponde à a frequenza di l'utilità. Tipicamente, i disinni basati nantu à l'azionamenti à frequenza variabile anu una efficienza generale più alta cà i disinni chì utilizanu scatule di cambiu o altri cumpunenti meccanichi. I sistemi basati nantu à VFD ponu ancu accoglie una gamma più larga di cambiamenti di prucessu chì ponu purtà à cambiamenti in a velocità di l'arburu di espansione.
Trasmissione. Certi disinni di espansori utilizanu una scatula di cambiu per riduce a velocità di l'espansore à a velocità nominale di u generatore. U costu di l'usu di una scatula di cambiu hè una efficienza generale più bassa è dunque una putenza più bassa.
Quandu si prepara una dumanda di quotazione (RFQ) per un espansore, l'ingegnere di prucessu deve prima determinà e cundizioni operative, cumprese l'infurmazioni seguenti:
L'ingegneri meccanichi spessu cumpletanu e specificazioni di i generatori d'espansione è e specificazioni aduprendu dati da altre discipline ingegneristiche. Questi input ponu include i seguenti:
E specifiche devenu ancu include una lista di documenti è disegni furniti da u fabricatore cum'è parte di u prucessu di gara è u scopu di a fornitura, è ancu e procedure di prova applicabili cum'è previstu da u prugettu.
L'infurmazioni tecniche furnite da u fabricatore cum'è parte di u prucessu di gara d'appaltu devenu generalmente include i seguenti elementi:
Sè qualchì aspettu di a pruposta hè sfarente da e specificazioni uriginale, u fabricatore deve ancu furnisce una lista di deviazioni è e ragioni di e deviazioni.
Una volta ricevuta una pruposta, a squadra di sviluppu di u prugettu deve esaminà a dumanda di cunfurmità è determinà se e varianze sò tecnicamente ghjustificate.
Altre considerazioni tecniche da cunsiderà quandu si valutanu e pruposte includenu:
Infine, hè necessariu fà una analisi ecunomica. Siccomu diverse opzioni ponu purtà à costi iniziali diversi, hè cunsigliatu di fà una analisi di u flussu di cassa o di u costu di u ciclu di vita per paragunà l'ecunumia à longu andà di u prugettu è u ritornu di l'investimentu. Per esempiu, un investimentu iniziale più altu pò esse compensatu à longu andà da una maggiore produttività o da esigenze di manutenzione ridotte. Vede "Riferimenti" per istruzioni nantu à questu tipu d'analisi. 4.
Tutte l'applicazioni di turboespansori-generatori richiedenu un calculu iniziale di putenza potenziale totale per determinà a quantità totale di energia dispunibile chì pò esse recuperata in una applicazione particulare. Per un generatore turboespansore, u putenziale di putenza hè calculatu cum'è un prucessu isentropicu (entropia costante). Questa hè a situazione termodinamica ideale per cunsiderà un prucessu adiabaticu reversibile senza attritu, ma hè u prucessu currettu per stimà u putenziale energeticu attuale.
L'energia putenziale isentropica (IPP) hè calculata multiplicendu a diffarenza d'entalpia specifica à l'entrata è à l'uscita di u turboespansore è multiplicendu u risultatu per a portata di massa. Questa energia putenziale serà espressa cum'è una quantità isentropica (Equazione (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
induve h(i,e) hè l'entalpia specifica chì tene contu di a temperatura di uscita isentropica è ṁ hè a portata di massa.
Ancu s'è l'energia putenziale isentropica pò esse aduprata per stimà l'energia putenziale, tutti i sistemi reali implicanu attritu, calore è altre perdite d'energia ausiliarie. Cusì, quandu si calcula u putenziale di putenza attuale, i seguenti dati d'input supplementari devenu esse presi in contu:
In a maiò parte di l'applicazioni di turboespansori, a temperatura hè limitata à u minimu per impedisce prublemi indesiderati cum'è u congelamentu di i tubi citati prima. Induve scorri u gasu naturale, l'idrati sò guasi sempre presenti, ciò chì significa chì a pipeline à valle di un turboespansore o di una valvula di farfalla si congelerà internamente è esternamente se a temperatura di uscita scende sottu à 0 °C. A furmazione di ghiaccio pò purtà à una restrizione di u flussu è infine spegne u sistema per scongelallu. Cusì, a temperatura di uscita "desiderata" hè aduprata per calculà un scenariu di putenza potenziale più realisticu. Tuttavia, per i gasi cum'è l'idrogenu, u limite di temperatura hè assai più bassu perchè l'idrogenu ùn cambia da gasu à liquidu finu à chì ùn ghjunghje à a temperatura criogenica (-253 °C). Aduprate sta temperatura di uscita desiderata per calculà l'entalpia specifica.
L'efficienza di u sistema di turboespansore deve ancu esse cunsiderata. Sicondu a tecnulugia aduprata, l'efficienza di u sistema pò varià significativamente. Per esempiu, un turboespansore chì usa un riduttore per trasferisce l'energia rotazionale da a turbina à u generatore sperimenterà perdite di attritu più grande chè un sistema chì usa a trasmissione diretta da a turbina à u generatore. L'efficienza generale di un sistema di turboespansore hè espressa cum'è percentuale è hè presa in contu quandu si valuta u putenziale di putenza attuale di u turboespansore. U putenziale di putenza attuale (PP) hè calculatu cusì:
PP = (inlet – uscita) × ṁ x ṅ (2)
Fighjemu l'applicazione di u sollievu di a pressione di u gasu naturale. ABC gestisce è mantene una stazione di riduzione di a pressione chì trasporta u gasu naturale da a pipeline principale è u distribuisce à i municipi lucali. In questa stazione, a pressione d'entrata di u gasu hè di 40 bar è a pressione di uscita hè di 8 bar. A temperatura di u gasu d'entrata preriscaldatu hè di 35 °C, ciò chì preriscalda u gasu per impedisce u congelamentu di a pipeline. Dunque, a temperatura di u gasu di uscita deve esse cuntrullata in modu chì ùn scenda micca sottu à 0 °C. In questu esempiu useremu 5 °C cum'è temperatura minima di uscita per aumentà u fattore di sicurezza. A portata di gasu volumetrica nurmalizzata hè di 50.000 Nm3 / h. Per calculà u putenziale di putenza, supponeremu chì tuttu u gasu scorri attraversu u turboespansore è calculeremu a putenza massima di uscita. Stimate u putenziale di putenza tutale di uscita aduprendu u seguente calculu: