Expander dapat menggunakan pengurangan tekanan untuk menggerakkan mesin berputar. Informasi tentang cara mengevaluasi manfaat potensial dari pemasangan extender dapat ditemukan di sini.
Biasanya dalam industri proses kimia (CPI), “sejumlah besar energi terbuang sia -sia dalam katup kontrol tekanan di mana cairan tekanan tinggi harus depresi” [1]. Bergantung pada berbagai faktor teknis dan ekonomi, mungkin diinginkan untuk mengubah energi ini menjadi energi mekanik yang berputar, yang dapat digunakan untuk mendorong generator atau mesin berputar lainnya. Untuk cairan yang tidak dapat dimampatkan (cairan), ini dicapai dengan menggunakan turbin pemulihan energi hidrolik (HPRT; lihat referensi 1). Untuk cairan kompresibel (gas), expander adalah mesin yang cocok.
Expander adalah teknologi dewasa dengan banyak aplikasi yang sukses seperti cairan katalitik retak (FCC), pendingin, katup kota gas alam, pemisahan udara atau emisi buang. Pada prinsipnya, aliran gas apa pun dengan tekanan yang berkurang dapat digunakan untuk menggerakkan expander, tetapi “output energi berbanding lurus dengan rasio tekanan, suhu dan laju aliran aliran gas” [2], serta kelayakan teknis dan ekonomi. Implementasi Expander: Proses tergantung pada faktor -faktor ini dan lainnya, seperti harga energi lokal dan ketersediaan peralatan yang sesuai dengan pabrikan.
Meskipun turboexpander (berfungsi mirip dengan turbin) adalah jenis expander yang paling terkenal (Gambar 1), ada jenis lain yang cocok untuk kondisi proses yang berbeda. Artikel ini memperkenalkan jenis -jenis utama Expander dan komponennya dan merangkum bagaimana manajer operasi, konsultan atau auditor energi di berbagai divisi CPI dapat mengevaluasi potensi manfaat ekonomi dan lingkungan dari pemasangan expander.
Ada banyak jenis pita resistensi yang sangat bervariasi dalam geometri dan fungsi. Jenis utama ditunjukkan pada Gambar 2, dan masing -masing jenis dijelaskan secara singkat di bawah ini. Untuk informasi lebih lanjut, serta grafik yang membandingkan status operasi masing -masing jenis berdasarkan diameter spesifik dan kecepatan spesifik, lihat Bantuan. 3.
Piston Turboexpander. Piston dan rotary piston turboexpanders beroperasi seperti mesin pembakaran internal yang berputar, menyerap gas tekanan tinggi dan mengubah energi yang disimpan menjadi energi rotasi melalui poros engkol.
Seret Expander Turbo. Expander turbin rem terdiri dari ruang aliran konsentris dengan sirip bucket yang melekat pada pinggiran elemen berputar. Mereka dirancang dengan cara yang sama seperti roda air, tetapi penampang ruang konsentris meningkat dari saluran masuk ke outlet, memungkinkan gas untuk mengembang.
Radial Turboexpander. Turboekspander aliran radial memiliki inlet aksial dan outlet radial, memungkinkan gas untuk mengembang secara radial melalui impeller turbin. Demikian pula, turbin aliran aksial memperluas gas melalui roda turbin, tetapi arah aliran tetap sejajar dengan sumbu rotasi.
Artikel ini berfokus pada radial dan aksial turboexpanders, membahas berbagai subtipe, komponen, dan ekonomi mereka.
Turboexpander mengekstraksi energi dari aliran gas bertekanan tinggi dan mengubahnya menjadi beban drive. Biasanya beban adalah kompresor atau generator yang terhubung ke poros. Turboexpander dengan kompresor mengompres cairan di bagian lain dari aliran proses yang membutuhkan cairan terkompresi, sehingga meningkatkan efisiensi keseluruhan tanaman dengan menggunakan energi yang sebaliknya terbuang. Turboexpander dengan beban generator mengubah energi menjadi listrik, yang dapat digunakan dalam proses pabrik lain atau dikembalikan ke jaringan lokal untuk dijual.
Generator TurboExpander dapat dilengkapi dengan poros penggerak langsung dari roda turbin ke generator, atau melalui gearbox yang secara efektif mengurangi kecepatan input dari roda turbin ke generator melalui rasio gigi. TurboExpander drive langsung menawarkan keuntungan dalam efisiensi, jejak kaki dan biaya pemeliharaan. Gearbox Turboexpanders lebih berat dan membutuhkan jejak yang lebih besar, peralatan tambahan pelumasan, dan pemeliharaan rutin.
Turboekspander aliran-melalui dapat dibuat dalam bentuk turbin radial atau aksial. Expander aliran radial mengandung inlet aksial dan outlet radial sehingga aliran gas keluar dari turbin secara radial dari sumbu rotasi. Turbin aksial memungkinkan gas mengalir secara aksial di sepanjang sumbu rotasi. Turbin aliran aksial mengekstrak energi dari aliran gas melalui baling-baling pemandu saluran masuk ke roda expander, dengan luas penampang ruang ekspansi secara bertahap meningkat untuk mempertahankan kecepatan konstan.
Generator Turboexpander terdiri dari tiga komponen utama: roda turbin, bantalan khusus dan generator.
Roda turbin. Roda turbin sering dirancang khusus untuk mengoptimalkan efisiensi aerodinamik. Variabel aplikasi yang mempengaruhi desain roda turbin termasuk tekanan saluran masuk/outlet, suhu saluran masuk/outlet, aliran volume, dan sifat fluida. Ketika rasio kompresi terlalu tinggi untuk dikurangi dalam satu tahap, diperlukan turboxpander dengan beberapa roda turbin. Roda turbin radial dan aksial dapat dirancang sebagai yang multi-tahap, tetapi roda turbin aksial memiliki panjang aksial yang jauh lebih pendek dan karenanya lebih kompak. Turbin aliran radial multistage membutuhkan gas untuk mengalir dari aksial ke radial dan kembali ke aksial, menciptakan kehilangan gesekan yang lebih tinggi daripada turbin aliran aksial.
bantalan. Desain bantalan sangat penting untuk operasi yang efisien dari turboexpander. Jenis bantalan yang terkait dengan desain turboekspander sangat bervariasi dan dapat mencakup bantalan minyak, bantalan film cair, bantalan bola tradisional, dan bantalan magnetik. Setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Banyak produsen Turboexpander memilih bantalan magnetik sebagai "bantalan pilihan" karena keunggulan unik mereka. Bantalan magnetik memastikan operasi bebas gesekan dari komponen dinamis Turboexpander, secara signifikan mengurangi biaya operasi dan pemeliharaan selama umur mesin. Mereka juga dirancang untuk menahan berbagai muatan aksial dan radial dan kondisi overstress. Biaya awal mereka yang lebih tinggi diimbangi dengan biaya siklus hidup yang jauh lebih rendah.
dinamo. Generator mengambil energi rotasi turbin dan mengubahnya menjadi energi listrik yang berguna menggunakan generator elektromagnetik (yang dapat berupa generator induksi atau generator magnet permanen). Generator induksi memiliki kecepatan peringkat yang lebih rendah, sehingga aplikasi turbin kecepatan tinggi memerlukan gearbox, tetapi dapat dirancang agar sesuai dengan frekuensi kisi, menghilangkan kebutuhan untuk drive frekuensi variabel (VFD) untuk memasok listrik yang dihasilkan. Generator magnet permanen, di sisi lain, dapat secara langsung poros digabungkan ke turbin dan mengirimkan daya ke jaringan melalui penggerak frekuensi variabel. Generator dirancang untuk memberikan daya maksimum berdasarkan daya poros yang tersedia dalam sistem.
Segel. Segel ini juga merupakan komponen penting saat merancang sistem TurboExpander. Untuk mempertahankan efisiensi tinggi dan memenuhi standar lingkungan, sistem harus disegel untuk mencegah potensi proses kebocoran gas. Turboexpanders dapat dilengkapi dengan segel dinamis atau statis. Segel dinamis, seperti segel labirin dan segel gas kering, menyediakan segel di sekitar poros berputar, biasanya antara roda turbin, bantalan dan sisa mesin tempat generator berada. Segel dinamis aus seiring waktu dan membutuhkan pemeliharaan dan inspeksi rutin untuk memastikan mereka berfungsi dengan baik. Ketika semua komponen Turboexpander terkandung dalam satu perumahan, segel statis dapat digunakan untuk melindungi setiap lead yang keluar dari perumahan, termasuk ke generator, drive bantalan magnetik, atau sensor. Segel kedap udara ini memberikan perlindungan permanen terhadap kebocoran gas dan tidak memerlukan pemeliharaan atau perbaikan.
Dari sudut pandang proses, persyaratan utama untuk memasang expander adalah untuk memasok gas kompres yang dapat dikompres tekanan tinggi (tidak dapat dikondensasi) ke sistem tekanan rendah dengan aliran, penurunan tekanan, dan pemanfaatan yang cukup untuk mempertahankan pengoperasian peralatan yang normal. Parameter operasi dipertahankan pada tingkat yang aman dan efisien.
Dalam hal fungsi pereduksi tekanan, expander dapat digunakan untuk menggantikan katup Joule-Thomson (JT), juga dikenal sebagai katup throttle. Karena katup JT bergerak di sepanjang jalur isentropik dan expander bergerak di sepanjang jalur yang hampir isentropik, yang terakhir mengurangi entalpi gas dan mengubah perbedaan entalpi menjadi daya poros, sehingga menghasilkan suhu outlet yang lebih rendah daripada katup JT. Ini berguna dalam proses cryogenic di mana tujuannya adalah untuk mengurangi suhu gas.
Jika ada batas bawah pada suhu gas outlet (misalnya, di stasiun dekompresi di mana suhu gas harus dipertahankan di atas pembekuan, hidrasi, atau suhu desain material minimum), setidaknya satu pemanas harus ditambahkan. mengontrol suhu gas. Ketika preheater terletak di hulu dari expander, beberapa energi dari gas pakan juga ditemukan di expander, sehingga meningkatkan output daya. Dalam beberapa konfigurasi di mana kontrol suhu outlet diperlukan, reheater kedua dapat dipasang setelah expander untuk memberikan kontrol yang lebih cepat.
Pada Gambar. Gambar 3 menunjukkan diagram yang disederhanakan dari diagram aliran umum generator expander dengan preheater yang digunakan untuk mengganti katup JT.
Dalam konfigurasi proses lain, energi yang dipulihkan dalam expander dapat ditransfer langsung ke kompresor. Mesin -mesin ini, kadang -kadang disebut "komandan", biasanya memiliki tahap ekspansi dan kompresi yang dihubungkan oleh satu atau lebih poros, yang juga dapat mencakup gearbox untuk mengatur perbedaan kecepatan antara kedua tahap. Ini juga dapat mencakup motor tambahan untuk memberikan lebih banyak daya pada tahap kompresi.
Di bawah ini adalah beberapa komponen terpenting yang memastikan operasi dan stabilitas sistem yang tepat.
Katup bypass atau katup pereduksi tekanan. Katup bypass memungkinkan operasi untuk melanjutkan ketika turboexpander tidak beroperasi (misalnya, untuk pemeliharaan atau keadaan darurat), sedangkan katup pereduksi tekanan digunakan untuk operasi kontinu untuk memasok kelebihan gas ketika aliran total melebihi kapasitas desain Expander.
Katup shutdown darurat (ESD). Katup ESD digunakan untuk memblokir aliran gas ke dalam expander dalam keadaan darurat untuk menghindari kerusakan mekanis.
Instrumen dan kontrol. Variabel penting untuk dipantau termasuk tekanan saluran masuk dan outlet, laju aliran, kecepatan rotasi, dan output daya.
Mengemudi dengan kecepatan berlebihan. Perangkat memotong aliran ke turbin, menyebabkan rotor turbin melambat, sehingga melindungi peralatan dari kecepatan berlebihan karena kondisi proses yang tidak terduga yang dapat merusak peralatan.
Katup pengaman tekanan (PSV). PSV sering dipasang setelah turboexpander untuk melindungi jaringan pipa dan peralatan bertekanan rendah. PSV harus dirancang untuk menahan kontinjensi paling parah, yang biasanya mencakup kegagalan katup bypass untuk dibuka. Jika expander ditambahkan ke stasiun pengurangan tekanan yang ada, tim desain proses harus menentukan apakah PSV yang ada memberikan perlindungan yang memadai.
Pemanas. Pemanas mengimbangi penurunan suhu yang disebabkan oleh gas yang melewati turbin, sehingga gas harus dipanaskan sebelumnya. Fungsi utamanya adalah meningkatkan suhu aliran gas yang meningkat untuk mempertahankan suhu gas yang meninggalkan expander di atas nilai minimum. Manfaat lain dari menaikkan suhu adalah untuk meningkatkan output daya serta mencegah korosi, kondensasi, atau hidrat yang dapat mempengaruhi nozel peralatan. Dalam sistem yang mengandung penukar panas (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3), suhu gas biasanya dikendalikan dengan mengatur aliran cairan yang dipanaskan ke dalam preheater. Dalam beberapa desain, pemanas api atau pemanas listrik dapat digunakan sebagai pengganti penukar panas. Pemanas mungkin sudah ada di stasiun katup JT yang ada, dan menambahkan expander mungkin tidak perlu memasang pemanas tambahan, tetapi lebih meningkatkan aliran cairan yang dipanaskan.
Sistem Gas Minyak dan Segel Pelumasan. Seperti disebutkan di atas, Expander dapat menggunakan desain segel yang berbeda, yang mungkin memerlukan pelumas dan gas penyegelan. Jika berlaku, minyak pelumas harus mempertahankan kualitas dan kemurnian yang tinggi saat bersentuhan dengan gas proses, dan tingkat viskositas minyak harus tetap berada dalam kisaran operasi yang diperlukan dari bantalan yang dilumasi. Sistem gas yang disegel biasanya dilengkapi dengan perangkat pelumasan minyak untuk mencegah minyak dari kotak bantalan memasuki kotak ekspansi. Untuk aplikasi khusus dari pengompauan yang digunakan dalam industri hidrokarbon, sistem pelumas minyak dan gas segel biasanya dirancang untuk spesifikasi API 617 [5] Bagian 4.
Variabel Frekuensi Drive (VFD). Ketika generator induksi, VFD biasanya dihidupkan untuk menyesuaikan sinyal arus bolak -balik (AC) agar sesuai dengan frekuensi utilitas. Biasanya, desain berdasarkan drive frekuensi variabel memiliki efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi daripada desain yang menggunakan gearbox atau komponen mekanis lainnya. Sistem berbasis VFD juga dapat mengakomodasi berbagai perubahan proses yang dapat mengakibatkan perubahan kecepatan poros expander.
Penularan. Beberapa desain expander menggunakan gearbox untuk mengurangi kecepatan expander ke kecepatan pengenal generator. Biaya menggunakan gearbox adalah efisiensi keseluruhan yang lebih rendah dan karenanya output daya yang lebih rendah.
Saat menyiapkan permintaan kutipan (RFQ) untuk expander, insinyur proses harus terlebih dahulu menentukan kondisi operasi, termasuk informasi berikut:
Insinyur mesin sering melengkapi spesifikasi dan spesifikasi generator expander menggunakan data dari disiplin teknik lainnya. Input ini mungkin termasuk yang berikut:
Spesifikasi juga harus mencakup daftar dokumen dan gambar yang disediakan oleh pabrikan sebagai bagian dari proses tender dan ruang lingkup pasokan, serta prosedur pengujian yang berlaku seperti yang dipersyaratkan oleh proyek.
Informasi teknis yang diberikan oleh pabrikan sebagai bagian dari proses tender umumnya harus mencakup elemen -elemen berikut:
Jika ada aspek proposal yang berbeda dari spesifikasi asli, pabrikan juga harus memberikan daftar penyimpangan dan alasan penyimpangan.
Setelah proposal diterima, tim pengembangan proyek harus meninjau permintaan untuk kepatuhan dan menentukan apakah varian secara teknis dibenarkan.
Pertimbangan teknis lain yang perlu dipertimbangkan saat mengevaluasi proposal meliputi:
Akhirnya, analisis ekonomi perlu dilakukan. Karena opsi yang berbeda dapat menghasilkan biaya awal yang berbeda, disarankan agar arus kas atau analisis biaya siklus hidup dilakukan untuk membandingkan ekonomi jangka panjang proyek dan pengembalian investasi. Misalnya, investasi awal yang lebih tinggi dapat diimbangi dalam jangka panjang dengan meningkatkan produktivitas atau berkurangnya persyaratan pemeliharaan. Lihat “Referensi” untuk instruksi tentang jenis analisis ini. 4.
Semua aplikasi turboexpander-generator memerlukan perhitungan daya potensial total awal untuk menentukan jumlah total energi yang tersedia yang dapat dipulihkan dalam aplikasi tertentu. Untuk generator turboexpander, potensi daya dihitung sebagai proses isentropik (entropi konstan). Ini adalah situasi termodinamika yang ideal untuk mempertimbangkan proses adiabatik yang dapat dibalik tanpa gesekan, tetapi ini adalah proses yang benar untuk memperkirakan potensi energi aktual.
Isentropic Potential Energy (IPP) dihitung dengan mengalikan perbedaan entalpi spesifik di inlet dan outlet turboexpander dan mengalikan hasil dengan laju aliran massa. Energi potensial ini akan dinyatakan sebagai kuantitas isentropik (Persamaan (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
Di mana H (I, E) adalah entalpi spesifik dengan mempertimbangkan suhu outlet isentropik dan ṁ adalah laju aliran massa.
Meskipun energi potensial isentropik dapat digunakan untuk memperkirakan energi potensial, semua sistem nyata melibatkan gesekan, panas, dan kehilangan energi tambahan lainnya. Dengan demikian, ketika menghitung potensi daya aktual, data input tambahan berikut harus diperhitungkan:
Dalam sebagian besar aplikasi turboexpander, suhunya terbatas minimum untuk mencegah masalah yang tidak diinginkan seperti pembekuan pipa yang disebutkan sebelumnya. Di mana aliran gas alam, hidrat hampir selalu ada, yang berarti bahwa pipa di hilir katup turboekspander atau throttle akan membeku secara internal dan eksternal jika suhu outlet turun di bawah 0 ° C. Pembentukan ICE dapat mengakibatkan pembatasan aliran dan akhirnya mematikan sistem untuk mencairkan. Dengan demikian, suhu outlet "yang diinginkan" digunakan untuk menghitung skenario daya potensial yang lebih realistis. Namun, untuk gas seperti hidrogen, batas suhu jauh lebih rendah karena hidrogen tidak berubah dari gas menjadi cairan sampai mencapai suhu kriogenik (-253 ° C). Gunakan suhu outlet yang diinginkan ini untuk menghitung entalpi spesifik.
Efisiensi sistem TurboExpander juga harus dipertimbangkan. Bergantung pada teknologi yang digunakan, efisiensi sistem dapat bervariasi secara signifikan. Misalnya, turboexpander yang menggunakan gigi reduksi untuk mentransfer energi rotasi dari turbin ke generator akan mengalami kerugian gesekan yang lebih besar daripada sistem yang menggunakan drive langsung dari turbin ke generator. Efisiensi keseluruhan dari sistem turboekspander dinyatakan sebagai persentase dan diperhitungkan ketika menilai potensi kekuatan aktual turboexpander. Potensi Daya Aktual (PP) dihitung sebagai berikut:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Mari kita lihat penerapan bantuan tekanan gas alam. ABC mengoperasikan dan memelihara stasiun pengurangan tekanan yang mengangkut gas alam dari pipa utama dan mendistribusikannya ke kota setempat. Di stasiun ini, tekanan saluran masuk gas adalah 40 bar dan tekanan outlet adalah 8 bar. Suhu gas saluran masuk yang sudah dipanaskan adalah 35 ° C, yang lebih dulu memanaskan gas untuk mencegah pembekuan pipa. Oleh karena itu, suhu gas outlet harus dikontrol sehingga tidak jatuh di bawah 0 ° C. Dalam contoh ini kita akan menggunakan 5 ° C sebagai suhu outlet minimum untuk meningkatkan faktor keamanan. Laju aliran gas volumetrik yang dinormalisasi adalah 50.000 nm3/jam. Untuk menghitung potensi daya, kami akan mengasumsikan bahwa semua gas mengalir melalui Turbo Expander dan menghitung output daya maksimum. Perkirakan potensi output daya total menggunakan perhitungan berikut:
Waktu pos: Mei-25-2024