L'espanteru ponu aduprà a riduzione di a pressione per guidà e macchine rotanti. L'infurmazione nantu à a valutazione di i benefici potenzali di stallà un extestru di pudè esse truvatu quì.
Tipicamenti in l'industria di u prucessu chimicu (CPI), "una quantità maiò di energia hè scartata in i valvi di cuntrollu di a pressione induve i fluidi di a pressione hè depressa" [1]. Sicondu parechji Fatti tecnichi è ecunomichi, pò esse desiruffità di sta energia meccanica, chì pò esse usata per guidà i generatori o altre macchine rotanti. Per fluidi incompressibili (liquidi), questu hè ottenutu utilizendu una turbina di ricuperazione d'energia idraulica (HPRT; vede a riferenza 1). Per i liquidi compressibili (gasi), un espansione hè una macchina adattata.
Expanders sò una tecnulugia maturu cù parechje applicazioni ripressi cum'è a Cracking Catalyticali fluidi (FCC), frigorifero, valvole di città naturali, separazione di gas, naturali. In principiu, qualsiasi viru rossu cù prispustura a pressione pò cunversione un espancordu, ma "l'pruduzzione energetica, u ratiodu di energia, à a basa di u gas" [2; A freigenza tecnica di u gas "[2], cume è ecunomicu fatti tecnichi è ecunomichi. Implementamentu Expander: U prucessu dipende da questi è altri fattori, cum'è i prezzi d'energia lucali è di a dispunibilità di u fabricazione.
Eppuru, u Turbinu (funziunendu simile à una turbina) hè u tippu di spandatore più ben cunnisciutu (Figura 1), ci sò altri tipi adattati per e diverse cundizioni di prucessu. Stu articulu introduce i principali tipi di spassardini è summaci cumu regulanti e operazioni di i prudutti CPI è ambientale
Ci sò parechji tipi diffirenti di bandi resistenza chì varianu assai in geometria è funzione. I tipi principali sò mostrati in a Figura 2, è ogni tipu hè brevemente descrittu quì sottu. Per più infurmazione, cume i grafici paragunanu à l'statu di operazione di ogni tippu secondu nantu à e diametri specificu è veleria specifica, vede aiutu. 3.
Pistone turboxerder. Piston è Piston Rotary I Turboxpers cum'è un mutore di combustione interna infernale, assorbendu u gasu di alta pressione è a cunversione di a so energia guardata in l'energia rotazionale.
Arraste u Turbo Expander. L'espansione Turbina di fragina hè cumpostu di una camera di flussu cuncentricu cù bucket fins attaccati à a periferia di l'elementu rotante. Sò numeri per a listessa manera cum'è rote d'acqua, ma a sezione traffiche di i Camere Concentrici aumenta da l'inchet à outling.
Radiale turboxpander. U flussu radiale turboxepanders anu un inlet di un exiale è un outlet radiale, chì permette à u gasu per espansione radiale attraversu u turbinu impone. Similmente cù turbini spicianificati chì apandanu u gasu à traversu a rota di turbina, ma a direzzione di flussu resta parallelu à l'omu di rotazione.
Questa articulu si trova nantu à radial è ansial tribunale, discuciazioni di e so diverse subtene, cumpunenti, è l'economia.
Un turboepander estratti energia da un flussu di gas di alta pressione è cunverta in una carica di unità. Tipicamenti a carica hè un cumpressore o generatore cunnessu à un arbulu. Un turboxpander cun un cumpressore cumpressu in altre parte di u flussu cumpressu, ci hè bisognu di fluidu cumpressu, dunque aumentendu l'efficienza generale di a pianta chì hè altrimenti. Un turboxpander cun un carica generatore convertisce l'energia in l'emergenza, chì pò esse usata in altre prucessi o riturnati à a griglia lucale in vendita.
I generatori di turboxpander ponu esse equipati da una rota di l'unità diretta da u generatore à u generatore, o à traversu un gearbox chì reduce a velocità di u turbinu à u generatore à u generu. Drive direttu turboxpanders offre vantaghji in efficienza, i costi di u mutore è di mantenimentu. L'ingranaghju turboboxberers sò più pesanti è necessitanu una impronta di pettine, lubrilazione, equipaggiu ausiliari, è di mantenimentu regulare.
U flussu di u turbattus pò esse fattu in forma di turbini radiali o unaxiali. L'espansione di u flussu radiale cuntenenu una investita di un evidenu è un outlet radiale chì u flussu di gasu esce a turbina radiale da l'assi di a rotazione. I turbini Axiali permettenu di gasu per flussu axially longu l'assi di rotazione. I turbini Axiali limitati energia da u flussu di gas attraversanu l'incurità guida
Un generatore turboxepander hè custituitu da trè cumpunenti principali: una rota turbina, cuscinetti speciali è un generatore.
Rota turbina. I roti di a turbina sò spessu designati specificamente per ottimisà l'efficienza aerodinamica. Variables d'applicazione chì afecta u disignu di rota di turbina include a pressione inlet / Outlet, Inlet / Outlet di a temperatura, u flussu di volume è di u fluidu. Quandu u rapportu di cumpressione hè troppu alta per esse ridutta in una tappa, un turbopander cù i rote turbinali di turbini hè necessaria. Tramindui roti torbi radiali è axiali ponu esse cunfinizione multi-tappa, ma e rotule turbine chì anu una lunghezza più corta è dunque più compacte. I turbinii radiali di u gasu Multistaled à u gasu da u flussu per un bial per radiale è di ritornu à a pezza di friczione superiore cà i turbini di flussu
Cuscinetti. U disignu di cuscinetti hè criticu à l'operazione efficiente di un turboepander. I tipi di cuscinetti ligati à i disinni di u TurboExpander varianu assai è ponu include cuscinetti d'oliu, cuscinetti di film liquidu, cuscinetti di pallina tradiziunale, è di e cuscinetti Ogni metudu hà i so vantaghji è i svantaghji, cum'è mostra a Tabella 1.
Parechji fabbricanti turboxpander selezziunate cuscinetti magnetichi cum'è a so "purtata di scelta" à causa di i so vantaghji unichi. U cuscinetti magnetichi assicurà un cumpunenti di friczione di cumpunenti dinamici turisuledicatore, ridutti significative è u mantenimentu opertante è di mantenimentu significativu è di mantenimentu. Sò ancu pensati per risistiri una larga gamma di carichi axiali è radiali è cundizioni di overstress. I so costi iniziali più grandi sò offset da assai costi di ciclu di vita più bassa.
Dinnamo. U generatore piglia l'energia rotazionale di a turbina è a cunverta in l'energia elettrica utile aduprendu un generatore elettromagneticu (chì pò esse un generatore di induzione o di un magnetu di induzione). I generatori di induzione anu una velocità di turbine più bassu, cusì una tarpe di gear necessitanu una frequenza di gear, ma pò esse pensatu à a frequenza griglia, eliminendu a necessità di una variazione di frequenza. I magneti permenenti, invece pò esse direttamente arbulatu à u torbinu è trasmette a putenza à a reta à traversu una furia di frequenza variabile. U generatore hè pensatu per furnisce u massimu di putere basatu annantu à u putere di u sbuffu dispunibule in u sistema.
Sigilli. U segnu hè ancu un cumpunente criticu quandu cuncepisce un sistema turboxpander. Per mantene l'efficienza alta è scontre i normi ambientali, i sistemi deve esse sigillati per impedisce chì i fucili di gas di produttu potenziale. Turboxpanders ponu esse equipati di sigilli dinamichi o statici. U settentiti Dinamichi, cum'è Labirintu siethi è seali di gas è secchi, furnisce un segnu intornu à una rsa rotatrice, tipicamenti trà u generatrice induve u generatore I sigilli dinamichi portanu cù u tempu è esigenu a mantenimentu regulare è l'ispezione per assicurà chì funzionanu bè. Quandu tutti i cumpunenti turboxexper sò cuntenuti in un unicu locu, sepulte si pò usà per prutege qualsiasi porta usendu l'alloghju, cumpresu à u generatore, o sensori. Questi sigilli aerei furnisce a prutezzione permanente contra a fuga di gas è ùn esige micca mantenimentu o riparazione.
Da un puntu di travagliu, u requisitu primariu per installà un espansione hè di furnisce una pressione di alta pressione (un sistema di bassa pressione è a pressione per mantene l'operazione normale di l'equipaggiu. I paràmetri di operazione sò mantinuti à un livellu sicuru è efficiente.
In termini di funzione ridutendu, l'espanditu pò esse usatu per rimpiazzà u Joule-Thomson (STt) A valvola di throttle. Dapoi u jt di valvata si u muvenu lungo isentrò è l'expanditore si lungo una strada quasi isentropicu, a lattora rece deferisce in u putere l'intestazione, thatyby a basso. Questu hè utile in prucessi criogenichi induve u scopu hè di riduce a temperatura di u gasu.
Se ci hè un limitu più bassu nantu a temperatura di u gasu di u sutlet (per esempiu, in a stazzione di decomponie induve a temperatura a congelazione, a temperatura di u gasu, o un pocu di cuncepimentu), almenu un riscettatu deve esse aghjuntu. cuntrullà a temperatura di u gasu. Quandu u preeater hè situatu à u sopra u supanter, alcune di l'energia da l'alimentazione hè ritruvata ancu in u espanditu, aumenzionò per u so output a so putenza. In certe cunfigurazioni induve cuncorsu di temperatura di Outlet hè necessaria, un secondu di chì pò esse stallatu dopu à l'espanditore à furnisce u cuntrollu più veloce.
In Fig. Figura 3 mostra un diagrama simplificatu di u diagramma di u flussu generale di un generatore di espansione cù u preaater usatu per rimpiazzà una valve jt.
In altre cunfigurazioni di prucessu, l'energia si recuperta in l'expander pò esse trasfirutu direttamente à u compressore. Sti machini, a volte chjamanu "cumandamenti", generalmente anu cunnessu e tappe di compressione è di più arbuli, chì pò ancu include una scossa di gear per regulà trà e duie tappe. Pò ancu include un mutore supplementu per furnisce più putere à a tappa di cumpressione.
Quì sottu sò alcuni di i cumpunenti più impurtanti chì assicuranu funzione curretta è stabilità di u sistema.
Bypass valve o pressione riduzzione di a valvula. A valvola Bypass permette di cuntinuà quandu u TurboessPander ùn hà micca opera (per esempiu, per una valvula di riduzzione cuntinua per furnisce a capacità di u disignu di l'espanditore.
Valve di chjude d'emergenza (ESD). I valvi ESD sò usati per bluccà u flussu di gas in l'expander in una emergenza per evità danni meccanichi.
Strumenti è cuntrolli. I variabili impurtanti per u monitor includenu a pressione inlet è l'uscita, a velocità di u flussu, è a vitezza di u putere.
Cunducendu à a velocità eccessiva. U dispusitivu cice cù u turbinu, ingucendu à u torbinu, dogliottu, per dì chì prutegge l'equipaghji per via di e vite sottariamente chì puderia dannu l'equipamentu.
Valve di sicurità di a pressione (psv). PSV sò spessu installati dopu à un turboepander per prutegge i pipeline è l'equipaggiu di bassa pressione. U PSV deve esse cuncepitu per resistenza di e contingenze più severi, chì tipicamenti includenu fallimentu di a valvula di bypass per apre. Se un esparteru hè aghjuntu à una stazione di riduzzione di a pressione esistente, a squadra di design di prucessu deve determinà se u psv esistente furnisce una prutezzione adatta.
Riscaldatore. U riscaldatore compensà a goccia di temperatura causata da u gas chì passa attraversu a turbina, cusì u gasu deve esse preditu. A so funzione principale hè di aumentà a temperatura di u flussu di gasu chì cresce a temperatura di u gas chì abbanduneghja l'expander sopra un valore minimu. Un altru benefiziu di a crescita di a temperatura hè di aumentà a so obligazione di u putere, ancu impedisce a corrosione, o l'idrati chì puderanu affettà l'equipaggiu di l'equipaggiu. In i sistemi chì cuntenenu scambiatori di calore (cum'è mostratu in a Figura 3), a temperatura di u gas hè di solitu cuntrullata da u flussu di u liquidu caldu in u preaater. In certi disegni, un riscaldatore di flame o calefactoru elettrica pò esse usatu invece di un scambiatore di calore. I riscaldatori ponu digià esistenu in una stazione di a Valve esistente, è aghjunghjendu un espergatore ùn pò micca bisognu di riscaldà i riscaldatori supplementari, ma piuttostu aumentendu u flussu di u fluidu cale.
I sistemi di gasu è sigillante di u petroliu. Cumu mencionatu sopra, l'esposizioni ponu usà diverse disinni sigillanti, chì ponu esse bisognu di lubricanti è i gasi di sigillà. Induva l'applicabile, u oliu Lucricamentu deve mantene a alta qualità è a puzione quandu in cuntattu cù i gasi di prucessu, è u livellu di viscosità oliu duverà restà in u interanzamentu di u opertante ricunnisciute di Lubricate. I sistemi di gasu sigillati sò generalmente equipati cun un dispositivu di lubricuzione di oliu per impedisce l'oliu da a scatula di l'intesa da entra in a casella di espansione. Per l'applicazioni speciali di i companderi utilizonu in l'industria di idrocarbon, l'oripugli è i so sementi si sò tipicati cunziunatu à Api 617 [5] parte 4 specificazioni.
Drive di frequenza di a variità (VFD). Quandu u generatore hè induzione, un vfd hè tipicamente attivatu per aghjustà l'alternante (Ac) Signale (AC) per currisponde à a frequenza di l'utilità. Tipicamenti, disegni basati nantu à i dischi frequenti di a variabile chì anu più altu efficienza opertore cà i disegni chì utilizanu un gearboxes o altri cumpunenti meccanichi. I sistemi basati in vfd ponu ancu accoglie una larga serva di cambiamenti di prucessu chì ponu risultà à i cambiamenti in a velocità di u sbuffatore expander.
Trasmissione. Alcuni disegni di Expander usanu una tarpa per riduce a velocità di l'expander à a velocità valutata di u generatore. U costu di aduprà un gearbox hè più bassu efficienza di l'efficienza è per quessa
Quandu si prepara una dumanda di citazione (RFQ) per un espannu, l'ingegnere di u prucessu deve prima determinà e cundizioni di operazione, cumprese l'infurmazioni seguenti:
Ingegneri meccanichi spessu cumpletamente e specificazioni di u generatore di l'espander è e specificazioni cù dati da altre discipline di ingenieria. Questi inputs ponu include i seguenti:
I Specificazioni anu ancu includendu una Lista di documenti è di disegni furnete da u prudutti di u prucessu è a parte di l'offictura teneru è e so prucegere di prova applicabile cumu dumandatu à u prugettu.
L'infurmazioni tecniche furnite da u fabricatore cum'è parte di u prucessu di licitazione deve generalmente include l'elementi seguenti:
Se ci alcun aspettu di ififici di modu di e specificazioni originali, u fabricatore deve ancu furnisce una Lista di di deviazione è di i mutivi.
Una volta una pruposta hè ricevuta, u squadra di sviluppu di u prugettu deve revue a dumanda di rispettu è determinate se variazioni sò justificate tecnicamente.
Altre cunsiderazioni tecniche di cunsiderà quandu e valutazioni di e pruposte include:
Infine, una analisi ecunomica deve esse realizata. Perchè diverse opzioni ponu purtà in diverse costi iniziali, hè cunsigliatu chì un flussu di costu o l'analisi di u costu di a vita hè stata realizata per paragunà l'ecunumia à longu andà. Per esempiu, un investimentu più altu iniziale pò esse offset in u longu termini a aumentata a produtividade o esigenze di mantenimentu riforatu. Vede "Referenze" per struzzioni nantu à stu tipu di analisi. 4.
Tutti l'applicazioni turboxepander-generator necessaria un calculu tutale tutale di putenziale tutale per determinà a quantità totale di energia dispunibule chì pò esse recuperata in una applicazione particulare. Per un generatore turboxpander, u putenziale putenziale hè calculatu cum'è un prucessu isentropicu (entropia constante). Questa hè a situazione terminiale ideale per cunsiderà un prucessu adiabaticu reversibile senza grandezza, ma hè u prucessu currettu per stima u potenziale propiu enerzio.
L'energia putenziale isentropica (IPP) si calculanu à multiplicà a diffarenza entalpula specifica in l'incula è l'entrata di u turbattulu è multiplicata u risultatu di u fiore. Questa putenziale energia serà spressu cum'è una quantità isentropica (equazione (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Induva H (I, E) hè u Entalpy specificu chì ripiglià a temperatura isentropica è ṁ hè a tarifa di massa.
Ancu se l'energia putenziale isentropa pò esse aduprata per stima l'energia potenziale, tutti i sistemi veri implicanu a friczione, calore, è altri perditi d'energia ancillaria. Cusì, quandu u calculu di u putenziale attuale di u putere, i seguenti dati di l'input addiziunali duveranu esse pigliati:
In a maiò parte di l'applicazioni turboxpander, a temperatura hè limitata à un minimu per prevene prublemi indesiderati cum'è a pipa aumentante citatu prima. Induva scalle di gasu naturali, idrati sò sempre presente, significatu chì u pipeline o a valvella Turboxpers o sfarente è esternamente a temperatura di partenza sottu à 0 ° C. A furmazione di ghiaccio pò risultà in restrizzione di u flussu è in fine, chjude u sistema per defrost. Cusì, u "temperatura" desiderata "outlet hè usatu per calculà un scenariu di u putenziale più realistu. Eppuru, per i gasi cum'è idrogenu, u limitu di temperatura hè assai più bassa ùn cambia da u liquide in u liume finu à arigenziu (-23) C). Aduprate questa temperatura di u risultatu desideratu per calculà l'enthalpy specificu.
L'efficienza di u sistema turboxpander deve esse cunsideratu ancu. Sicondu a tecnulugia usata, l'efficienza di u sistema pò varià significativamente. Per esempiu, un turbopander chì usa un ingegninu di riduzione per trasferite l'enercia rotazionale da a turbina à u generatore à u generu direttu da a turbina à u generatore à u generatore à u generatore. L'efficienza generale di un sistema turboxpander hè spressu cum'è un percentuale è hè pigliatu in contu quandu valutà u putenziale attuale di u putenza di u Turboxpander. U potenziale propiu putenza (PP) hè calculatu cum'è seguente:
PP = (Hinlet - HINTIT) × ṁ x ṅ (2)
Fighjemu l'applicazione di u sollievu di a pressione di u gasu naturale. Abc opera è mantene una stazione di riduzzione di riduzzioni di a pressione chì furnì u gasi naturale da u principale pipeline è a distribuisce micca in municipalità lucali. À sta stazione, a pressione di l'intretta di gas hè 40 bar è a pressione di l'outlet hè di 8 bar. A temperatura di u gas predicatu hè di 35 ° C, chì pree copre u gasu per prevene a pipeline si congelante. Dunque, a temperatura di u gasu di Sutlet deve esse cuntrollatu per quessa, cascanu sottu 0 ° C. In questu esempiu useremu 5 ° C cum'è a temperatura minima di Outlet per aumentà u fattore di sicurità. A tarifa di u flussu di gas volumetricu nurmale hè 50.000 nm3 / h. Per calculà u putenziale di u putere, assumemu chì tutti i gasu flussi à u Turbo Expander è calculà a pruduzzione massima di u putere. Stima u putenziale tutale di u putenza utilizendu u seguente calculu:
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