Кеңейткіштер айналмалы машиналарды жүргізу үшін қысымды төмендетуді пайдалана алады. Ұзартқышты орнатудың ықтимал артықшылықтарын бағалау әдісі туралы ақпаратты мына жерден табуға болады.
Әдетте химиялық өңдеу өнеркәсібінде (ТБИ) «жоғары қысымды сұйықтықтарды қысымсыздандыру қажет болатын қысымды реттейтін клапандарда энергияның көп мөлшері босқа кетеді» [1]. Әртүрлі техникалық және экономикалық факторларға байланысты бұл энергияны генераторларды немесе басқа айналмалы машиналарды басқаруға болатын айналмалы механикалық энергияға айналдыру қажет болуы мүмкін. Сығылмайтын сұйықтықтар (сұйықтар) үшін бұл гидравликалық энергияны қалпына келтіру турбинасы (HPRT; 1-анықтаманы қараңыз) арқылы қол жеткізіледі. Сығылатын сұйықтықтар (газдар) үшін экспандер қолайлы машина болып табылады.
Кеңейткіштер сұйық каталитикалық крекинг (FCC), салқындату, табиғи газдың қалалық клапандары, ауаны бөлу немесе пайдаланылған шығарындылар сияқты көптеген табысты қолданбалары бар жетілген технология. Негізінде қысымы төмендетілген кез келген газ ағыны экспандер жүргізу үшін пайдаланылуы мүмкін, бірақ «энергияның шығуы қысымның қатынасына, температурасына және газ ағынының ағынының жылдамдығына тікелей пропорционалды» [2], сонымен қатар техникалық және экономикалық орынды. Кеңейткіштерді іске асыру: процесс осы және басқа факторларға байланысты, мысалы, жергілікті энергия бағасы және өндірушінің қолайлы жабдықтың болуы.
Турбокеңейткіш (турбинаға ұқсас жұмыс істейді) кеңейткіштердің ең танымал түрі (1-сурет) болғанымен, әртүрлі технологиялық жағдайларға қолайлы басқа түрлері бар. Бұл мақала кеңейткіштердің негізгі түрлерімен және олардың құрамдас бөліктерімен таныстырады және әртүрлі CPI бөлімшелеріндегі операциялық менеджерлер, кеңесшілер немесе энергия аудиторлары экспандер орнатудың ықтимал экономикалық және экологиялық пайдасын қалай бағалай алатынын қорытындылайды.
Геометрияда және функцияда айтарлықтай өзгеретін қарсылық белдеулерінің көптеген түрлері бар. Негізгі түрлері 2-суретте көрсетілген және әр түрі төменде қысқаша сипатталған. Қосымша ақпаратты, сондай-ақ нақты диаметрлер мен нақты жылдамдықтарға негізделген әрбір түрдің жұмыс күйін салыстыратын графиктерді Анықтама бөлімінен қараңыз. 3.
Поршеньді турбокеңейткіш. Поршеньді және айналмалы поршеньді турбокеңейткіштер кері айналмалы ішкі жану қозғалтқышы сияқты жұмыс істейді, жоғары қысымды газды сіңіреді және оның жинақталған энергиясын иінді білік арқылы айналу энергиясына айналдырады.
Турбо кеңейткішін сүйреңіз. Тежегіш турбинаның кеңейткіші айналмалы элементтің шетіне бекітілген шелек қанаттары бар концентрлік ағынды камерадан тұрады. Олар су дөңгелектері сияқты жобаланған, бірақ концентрлік камералардың көлденең қимасы кірістен шығысқа дейін артып, газдың кеңеюіне мүмкіндік береді.
Радиалды турбокеңейткіш. Радиалды ағынды турбокеңейткіштердің осьтік кірісі және радиалды шығысы бар, бұл газдың турбиналық дөңгелек арқылы радиалды кеңеюіне мүмкіндік береді. Сол сияқты осьтік ағынды турбиналар турбиналық дөңгелек арқылы газды кеңейтеді, бірақ ағынның бағыты айналу осіне параллель болып қалады.
Бұл мақалада радиалды және осьтік турбокеңейткіштерге назар аударылады, олардың әртүрлі ішкі түрлері, құрамдас бөліктері және экономикасы талқыланады.
Турбокеңейткіш жоғары қысымды газ ағынынан энергияны алып, оны жетек жүктемесіне айналдырады. Әдетте жүктеме білікке қосылған компрессор немесе генератор болып табылады. Компрессоры бар турбокеңейткіш сығылған сұйықтықты қажет ететін технологиялық ағынның басқа бөліктеріндегі сұйықтықты сығымдайды, осылайша ысырап болатын энергияны пайдалану арқылы зауыттың жалпы тиімділігін арттырады. Генератор жүктемесі бар турбоэкспандер энергияны зауыттың басқа процестерінде пайдалануға немесе сату үшін жергілікті желіге қайтаруға болатын электр энергиясына түрлендіреді.
Турбокеңейткіш генераторлар турбиналық дөңгелектен генераторға тікелей жетек білігімен немесе беріліс қатынасы арқылы турбиналық дөңгелектен генераторға кіріс жылдамдығын тиімді төмендететін беріліс қорабы арқылы жабдықталуы мүмкін. Тікелей жетекті турбокеңейткіштер тиімділік, із қалдыру және техникалық қызмет көрсету шығындарында артықшылықтар ұсынады. Беріліс қорабының турбокеңейткіштері ауыр және үлкенірек ізді, майлаудың қосалқы жабдықтарын және тұрақты техникалық қызмет көрсетуді қажет етеді.
Ағынды турбокеңейткіштер радиалды немесе осьтік турбиналар түрінде жасалуы мүмкін. Радиалды ағын кеңейткіштер газ ағыны турбинадан айналу осінен радиалды түрде шығатындай осьтік кіріс пен радиалды шығысты қамтиды. Осьтік турбиналар газдың айналу осі бойымен осьтік ағуына мүмкіндік береді. Осьтік ағынды турбиналар газ ағынынан энергияны кіріс бағыттағыштары арқылы кеңейту дөңгелегіне шығарады, тұрақты жылдамдықты сақтау үшін кеңейту камерасының көлденең қимасының ауданы біртіндеп артады.
Турбоэкспандер генераторы үш негізгі компоненттен тұрады: турбиналық доңғалақ, арнайы мойынтіректер және генератор.
Турбиналық дөңгелек. Турбиналық дөңгелектер көбінесе аэродинамикалық тиімділікті оңтайландыру үшін арнайы әзірленген. Турбина дөңгелегі дизайнына әсер ететін қолданбалы айнымалыларға кіріс/шығыс қысымы, кіріс/шығыс температурасы, көлем ағыны және сұйықтық қасиеттері жатады. Қысу коэффициенті бір кезеңде азайту үшін тым жоғары болғанда, бірнеше турбиналық дөңгелектері бар турбокеңейткіш қажет. Радиалды және осьтік турбиналық доңғалақтарды көп сатылы ретінде жобалауға болады, бірақ осьтік турбиналық дөңгелектердің осьтік ұзындығы әлдеқайда қысқа, сондықтан ықшам. Көп сатылы радиалды ағынды турбиналар газдың осьтіктен радиалдыға және кері оське ағуын талап етеді, бұл осьтік ағынды турбиналарға қарағанда үйкеліс жоғалтуларын жоғарылатады.
подшипниктер. Мойынтіректер дизайны турбокеңейткіштің тиімді жұмыс істеуі үшін өте маңызды. Турбокеңейткіш конструкцияларына қатысты мойынтіректердің түрлері әртүрлі және майлы мойынтіректерді, сұйық пленкаларды, дәстүрлі шарикті мойынтіректерді және магнитті мойынтіректерді қамтуы мүмкін. Әрбір әдістің 1-кестеде көрсетілгендей өз артықшылықтары мен кемшіліктері бар.
Көптеген турбоэкспандер өндірушілері бірегей артықшылықтарына байланысты магниттік мойынтіректерді «таңдау тірегі» ретінде таңдайды. Магниттік подшипниктер турбокеңейткіштің динамикалық құрамдас бөліктерінің үйкеліссіз жұмысын қамтамасыз етеді, машинаның қызмет ету мерзімі ішінде пайдалану және техникалық қызмет көрсету шығындарын айтарлықтай азайтады. Олар сондай-ақ осьтік және радиалды жүктемелердің кең ауқымына және шамадан тыс кернеу жағдайларына төтеп беруге арналған. Олардың жоғары бастапқы шығындары өмірлік циклдің әлдеқайда төмен шығындарымен өтеледі.
динамо. Генератор турбинаның айналу энергиясын алады және оны электромагниттік генератордың көмегімен пайдалы электр энергиясына түрлендіреді (ол индукциялық генератор немесе тұрақты магнит генераторы болуы мүмкін). Индукциялық генераторлардың номиналды жылдамдығы төмен, сондықтан жоғары жылдамдықты турбиналық қолданбалар беріліс қорабын қажет етеді, бірақ өндірілген электр энергиясын беру үшін айнымалы жиілікті жетектің (VFD) қажеттілігін болдырмайтын тор жиілігіне сәйкес жобалануы мүмкін. Тұрақты магнит генераторлары, керісінше, турбинаға тікелей білікке қосылып, айнымалы жиіліктегі жетегі арқылы электр энергиясын желіге бере алады. Генератор жүйеде бар білік қуатына негізделген максималды қуатты беруге арналған.
Пломбалар. Сондай-ақ, тығыздауыш турбоэкспандер жүйесін жобалау кезінде маңызды компонент болып табылады. Жоғары тиімділікті сақтау және экологиялық стандарттарға сай болу үшін, технологиялық газдың ықтимал ағып кетуіне жол бермеу үшін жүйелер герметикалық болуы керек. Турбокеңейткіштер динамикалық немесе статикалық тығыздағыштармен жабдықталуы мүмкін. Динамикалық тығыздағыштар, мысалы, лабиринтті тығыздағыштар және құрғақ газ тығыздағыштар, әдетте турбина дөңгелегі, мойынтіректер және генератор орналасқан машинаның қалған бөлігі арасында айналмалы біліктің айналасындағы тығыздағышты қамтамасыз етеді. Динамикалық тығыздағыштар уақыт өте келе тозады және олардың дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін жүйелі техникалық қызмет көрсетуді және тексеруді қажет етеді. Турбокеңейткіштің барлық компоненттері бір корпуста болған кезде, генераторға, магниттік мойынтірек жетектеріне немесе сенсорларға қоса, корпустан шығатын кез келген сымдарды қорғау үшін статикалық тығыздағыштарды пайдалануға болады. Бұл герметикалық тығыздағыштар газдың ағуынан тұрақты қорғанысты қамтамасыз етеді және техникалық қызмет көрсетуді немесе жөндеуді қажет етпейді.
Технологиялық тұрғыдан алғанда, кеңейткішті орнатудың негізгі талабы жабдықтың қалыпты жұмысын қамтамасыз ету үшін жеткілікті ағыны, қысымның төмендеуі және пайдалануы бар төмен қысымды жүйеге жоғары қысымды сығымдалатын (конденсацияланбайтын) газды беру болып табылады. Жұмыс параметрлері қауіпсіз және тиімді деңгейде сақталады.
Қысымды төмендету функциясы тұрғысынан кеңейткішті дроссель клапаны деп те аталатын Джоуль-Томсон (JT) клапанын ауыстыру үшін пайдалануға болады. JT клапаны изонтропты жолмен қозғалатындықтан және экспандер дерлік изонтропты жол бойымен қозғалатындықтан, соңғысы газдың энтальпиясын азайтады және энтальпия айырмашылығын білік қуатына айналдырады, осылайша JT клапанына қарағанда төменірек шығыс температурасын шығарады. Бұл газдың температурасын төмендету мақсаты болатын криогендік процестерде пайдалы.
Шығатын газ температурасының төменгі шегі болса (мысалы, газ температурасы қату, гидратация немесе материалдың минималды дизайн температурасынан жоғары болуы керек декомпрессиялық станцияда), кем дегенде бір қыздырғышты қосу керек. газ температурасын бақылау. Алдын ала қыздырғыш кеңейткіштің жоғары жағында орналасқанда, қоректендіретін газдың энергиясының бір бөлігі де кеңейткіште қалпына келтіріледі, осылайша оның қуатын арттырады. Кейбір конфигурацияларда шығыс температурасын бақылау қажет болса, жылдамырақ басқаруды қамтамасыз ету үшін кеңейткіштен кейін екінші қыздырғышты орнатуға болады.
Суретте 3-суретте JT клапанын ауыстыру үшін қолданылатын алдын ала қыздырғышы бар кеңейткіш генератордың жалпы схемасының жеңілдетілген схемасы көрсетілген.
Басқа технологиялық конфигурацияларда кеңейткіште қалпына келтірілген энергия компрессорға тікелей берілуі мүмкін. Кейде «командерлер» деп аталатын бұл машиналарда әдетте бір немесе бірнеше біліктермен қосылған кеңейту және қысу кезеңдері болады, олар екі кезең арасындағы жылдамдық айырмашылығын реттеуге арналған беріліс қорабын да қамтуы мүмкін. Ол сонымен қатар қысу сатысына көбірек қуат беру үшін қосымша қозғалтқышты қамтуы мүмкін.
Төменде жүйенің дұрыс жұмыс істеуін және тұрақтылығын қамтамасыз ететін ең маңызды құрамдастардың кейбірі берілген.
Айналмалы клапан немесе қысымды төмендету клапаны. Айналма клапан турбокеңейткіш жұмыс істемей тұрғанда (мысалы, техникалық қызмет көрсету немесе апаттық жағдайда) жұмысты жалғастыруға мүмкіндік береді, ал қысымды төмендететін клапан жалпы ағын кеңейткіштің жобалық қуатынан асып кеткен кезде артық газды беру үшін үздіксіз жұмыс істеу үшін пайдаланылады.
Апаттық өшіру клапаны (ESD). ESD клапандары механикалық зақымдануды болдырмау үшін төтенше жағдайда экспандерге газ ағынын блоктау үшін қолданылады.
Құралдар мен басқару элементтері. Бақыланатын маңызды айнымалыларға кіріс және шығыс қысымы, ағын жылдамдығы, айналу жылдамдығы және шығыс қуат кіреді.
Шамадан тыс жылдамдықпен жүргізу. Құрылғы турбинаға келетін ағынды тоқтатып, турбина роторының баяулауын тудырады, осылайша жабдықты зақымдауы мүмкін күтпеген технологиялық жағдайларға байланысты жабдықты шамадан тыс жылдамдықтардан қорғайды.
Қысымның қауіпсіздік клапаны (PSV). PSV құбырлары мен төмен қысымды жабдықты қорғау үшін турбоэкспандерден кейін жиі орнатылады. PSV әдетте айналма клапанның ашылмауын қамтитын ең ауыр күтпеген жағдайларға төтеп беруге арналған болуы керек. Егер экспандер бар қысымды төмендету станциясына қосылса, технологиялық жобалау тобы бар PSV тиісті қорғанысты қамтамасыз ететінін анықтауы керек.
Жылытқыш. Қыздырғыштар турбина арқылы өтетін газдан туындаған температураның төмендеуін өтейді, сондықтан газды алдын ала қыздыру керек. Оның негізгі қызметі кеңейткіштен шығатын газдың температурасын минималды мәннен жоғары ұстап тұру үшін көтерілетін газ ағынының температурасын арттыру болып табылады. Температураны көтерудің тағы бір артықшылығы - қуат шығысын арттыру, сондай-ақ жабдық саңылауларына теріс әсер ететін коррозияны, конденсацияны немесе гидраттарды болдырмау. Жылу алмастырғыштары бар жүйелерде (3-суретте көрсетілгендей) газ температурасы әдетте қыздырылған сұйықтықтың алдын ала қыздырғышқа ағынын реттеу арқылы бақыланады. Кейбір конструкцияларда жылу алмастырғыштың орнына жалын жылытқышы немесе электр жылытқышы пайдаланылуы мүмкін. Жылытқыштар бұрыннан бар JT клапан станциясында болуы мүмкін және кеңейткішті қосу қосымша жылытқыштарды орнатуды қажет етпеуі мүмкін, керісінше қыздырылған сұйықтықтың ағынын арттырады.
Майлау майы мен газды тығыздау жүйелері. Жоғарыда айтылғандай, кеңейткіштер әртүрлі тығыздағыш конструкцияларын пайдалана алады, бұл майлау материалдарын және тығыздағыш газдарды қажет етуі мүмкін. Қажет болған жағдайда, майлау майы технологиялық газдармен байланыста болған кезде жоғары сапа мен тазалықты сақтауы керек, ал май тұтқырлығының деңгейі майланған мойынтіректердің қажетті жұмыс ауқымында қалуы керек. Тығыздалған газ жүйелері әдетте мойынтірек қорабынан майдың кеңейту қорабына түсуіне жол бермеу үшін маймен майлау құрылғысымен жабдықталған. Көмірсутек өнеркәсібінде қолданылатын компандерлердің арнайы қолданбалары үшін майлау майы және тығыздағыш газ жүйелері әдетте API 617 [5] 4-бөлім спецификацияларына сәйкес әзірленген.
Айнымалы жиілікті жетек (VFD). Генератор индукциялық күйде болғанда, қызмет жиілігіне сәйкес келетін айнымалы ток (AC) сигналын реттеу үшін VFD әдетте қосылады. Әдетте, айнымалы жиілікті жетектерге негізделген конструкциялар редукторларды немесе басқа механикалық компоненттерді пайдаланатын конструкцияларға қарағанда жалпы тиімділігі жоғары болады. VFD негізіндегі жүйелер сонымен қатар кеңейткіш білігінің жылдамдығының өзгеруіне әкелетін технологиялық өзгерістердің кең ауқымын қабылдай алады.
Берілу. Кейбір экспандер конструкциялары экспандердің жылдамдығын генератордың номиналды жылдамдығына дейін төмендету үшін беріліс қорабын пайдаланады. Беріліс қорабын пайдаланудың құны жалпы тиімділіктен төмен, сондықтан қуаттың аз болуы.
Экспандер үшін баға ұсыныстарына сұранысты (RFQ) дайындаған кезде, технологиялық инженер алдымен келесі ақпаратты қамтитын жұмыс шарттарын анықтауы керек:
Механикалық инженерлер көбінесе басқа инженерлік пәндер деректерін пайдалана отырып, кеңейткіш генератордың техникалық сипаттамалары мен техникалық сипаттамаларын толтырады. Бұл кірістер мыналарды қамтуы мүмкін:
Техникалық шарттарда сондай-ақ конкурстық процестің бөлігі ретінде өндіруші ұсынған құжаттар мен сызбалар тізбесі және жеткізу көлемі, сондай-ақ жоба талап ететін қолданылатын сынақ процедуралары қамтылуы керек.
Тендерлік процестің бөлігі ретінде өндіруші ұсынған техникалық ақпарат әдетте келесі элементтерді қамтуы керек:
Егер ұсыныстың қандай да бір аспектісі бастапқы спецификациядан өзгеше болса, өндіруші сондай-ақ ауытқулар тізімін және ауытқулардың себептерін көрсетуі керек.
Ұсыныс алғаннан кейін жобаны әзірлеу тобы сұранысты сәйкестікке қарап, ауытқулардың техникалық негізделген екенін анықтауы керек.
Ұсыныстарды бағалау кезінде ескерілетін басқа да техникалық мәселелерге мыналар жатады:
Соңында экономикалық талдау жасау керек. Әртүрлі опциялар әртүрлі бастапқы шығындарға әкелуі мүмкін болғандықтан, жобаның ұзақ мерзімді экономикасы мен инвестицияның қайтарымдылығын салыстыру үшін ақша ағыны немесе өмірлік цикл құнын талдауды орындау ұсынылады. Мысалы, жоғары бастапқы инвестиция ұзақ мерзімді перспективада өнімділікті арттыру немесе техникалық қызмет көрсету талаптарын азайту арқылы өтелуі мүмкін. Талдаудың осы түріне қатысты нұсқауларды «Сілтемелер» бөлімінен қараңыз. 4.
Барлық турбокеңейткіш-генератор қолданбалары белгілі бір қолданбада қалпына келтіруге болатын қол жетімді энергияның жалпы көлемін анықтау үшін бастапқы жалпы әлеуетті қуатты есептеуді қажет етеді. Турбокеңейткіш генератор үшін қуат потенциалы изентропты (тұрақты энтропия) процесс ретінде есептеледі. Бұл үйкеліссіз қайтымды адиабаталық процесті қарастыру үшін тамаша термодинамикалық жағдай, бірақ бұл нақты энергетикалық потенциалды бағалау үшін дұрыс процесс.
Изентропты потенциалдық энергия (IPP) турбокеңейткіштің кіріс және шығысындағы меншікті энтальпия айырмасын көбейту және нәтижені массалық ағын жылдамдығына көбейту арқылы есептеледі. Бұл потенциалдық энергия изонтропты шама ретінде көрсетіледі ((1) теңдеу):
IPP = ( хинлет – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
мұндағы h(i,e) - изонтропты шығу температурасын есепке алатын меншікті энтальпия және ṁ - массалық ағынның жылдамдығы.
Изентропты потенциалдық энергия потенциалдық энергияны бағалау үшін пайдаланылуы мүмкін болғанымен, барлық нақты жүйелер үйкеліс, жылу және басқа қосалқы энергия шығындарын қамтиды. Осылайша, нақты қуат потенциалын есептеу кезінде келесі қосымша кіріс деректерін ескеру қажет:
Турбокеңейткіш қолданбаларының көпшілігінде жоғарыда айтылған құбырдың қатып қалуы сияқты қажетсіз мәселелердің алдын алу үшін температура минимуммен шектеледі. Табиғи газ ағып жатқан жерде гидраттар әрдайым дерлік болады, яғни турбокеңейткіштің немесе дроссельдік клапанның төменгі ағынындағы құбыр құбыры шығыс температурасы 0°C төмен түссе, ішкі және сыртқы қатып қалады. Мұздың пайда болуы ағынның шектелуіне және ақырында жібіту үшін жүйенің жұмысын тоқтатуы мүмкін. Осылайша, «қажетті» шығыс температурасы нақтырақ ықтимал қуат сценарийін есептеу үшін пайдаланылады. Дегенмен, сутегі сияқты газдар үшін температура шегі әлдеқайда төмен, өйткені сутегі криогендік температураға (-253 ° C) жеткенше газдан сұйыққа өзгермейді. Меншікті энтальпияны есептеу үшін осы қажетті шығыс температурасын пайдаланыңыз.
Турбоэкспандер жүйесінің тиімділігін де ескеру қажет. Қолданылатын технологияға байланысты жүйенің тиімділігі айтарлықтай өзгеруі мүмкін. Мысалы, турбинадан генераторға айналу энергиясын беру үшін редукторды пайдаланатын турбокеңейткіш турбинадан генераторға тікелей жетекті пайдаланатын жүйеге қарағанда үйкеліс күшінің үлкен жоғалуына ұшырайды. Турбокеңейткіш жүйесінің жалпы тиімділігі пайызбен көрсетіледі және турбокеңейткіштің нақты қуат потенциалын бағалау кезінде ескеріледі. Нақты қуат потенциалы (PP) келесідей есептеледі:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Табиғи газдың қысымын төмендетуді қолдануды қарастырайық. ABC табиғи газды магистральдық құбырдан тасымалдайтын және оны жергілікті муниципалитеттерге тарататын қысымды төмендету станциясын басқарады және оған қызмет көрсетеді. Бұл станцияда газдың кіріс қысымы 40 бар, шығыс қысымы 8 бар. Алдын ала қыздырылған кіріс газының температурасы 35 ° C, ол құбырдың қатып қалуын болдырмау үшін газды алдын ала қыздырады. Сондықтан шығатын газдың температурасы 0°С-тан төмен түспеуі үшін реттелуі керек. Бұл мысалда қауіпсіздік коэффициентін арттыру үшін ең төменгі шығыс температурасы ретінде 5°C қолданамыз. Нормаланған көлемдік газ шығыны 50 000 Нм3/сағ. Қуат потенциалын есептеу үшін біз барлық газ турбо кеңейткіш арқылы өтеді деп есептейміз және максималды қуат шығысын есептейміз. Төмендегі есептеу арқылы жалпы қуаттың шығу потенциалын есептеңіз:
Хабарлама уақыты: 25 мамыр 2024 ж