يمكن للموسع استخدام تقليل الضغط لدفع آلات الدوران. يمكن العثور على معلومات حول كيفية تقييم الفوائد المحتملة لتثبيت الموسع هنا.
عادةً في صناعة العمليات الكيميائية (CPI) ، "يتم إهدار كمية كبيرة من الطاقة في صمامات التحكم في الضغط حيث يجب أن تكون سوائل الضغط العالية ضبابيًا" [1]. اعتمادًا على مختلف العوامل التقنية والاقتصادية ، قد يكون من المستحسن تحويل هذه الطاقة إلى طاقة ميكانيكية دوارة ، والتي يمكن استخدامها لدفع المولدات أو الآلات الدوارة الأخرى. بالنسبة للسوائل غير القابلة للضغط (السوائل) ، يتم تحقيق ذلك باستخدام توربين استرداد الطاقة الهيدروليكية (HPRT ؛ انظر المرجع 1). بالنسبة للسوائل القابلة للضغط (الغازات) ، فإن الموسع هو آلة مناسبة.
الموسعات هي تقنية ناضجة مع العديد من التطبيقات الناجحة مثل تكسير الحفاز السائل (FCC) ، والتبريد ، وصمامات مدينة الغاز الطبيعي ، وفصل الهواء أو انبعاثات العادم. من حيث المبدأ ، يمكن استخدام أي تيار غاز مع انخفاض ضغط لدفع موسع ، ولكن "ناتج الطاقة يتناسب بشكل مباشر مع نسبة الضغط ودرجة الحرارة ومعدل تدفق تيار الغاز" [2] ، وكذلك الجدوى التقنية والاقتصادية. تنفيذ الموسع: تعتمد العملية على هذه العوامل وغيرها من العوامل ، مثل أسعار الطاقة المحلية وتوافر الشركة المصنعة للمعدات المناسبة.
على الرغم من أن TurboExpander (يعمل بشكل مشابه للتوربين) هو النوع الأكثر شهرة من الموسع (الشكل 1) ، هناك أنواع أخرى مناسبة لظروف العملية المختلفة. تقدم هذه المقالة الأنواع الرئيسية من الموسعين ومكوناتها وتلخص كيف يمكن لمديري العمليات أو الاستشاريين أو مدقبي الطاقة في مختلف أقسام مؤشر أسعار المستهلك تقييم الفوائد الاقتصادية والبيئية المحتملة لتثبيت موسع.
هناك العديد من أنواع فرق المقاومة المختلفة التي تختلف اختلافًا كبيرًا في الهندسة والوظيفة. يتم عرض الأنواع الرئيسية في الشكل 2 ، ويتم وصف كل نوع لفترة وجيزة أدناه. لمزيد من المعلومات ، وكذلك الرسوم البيانية التي تقارن حالة التشغيل لكل نوع بناءً على أقطار محددة وسرعات محددة ، انظر المساعدة. 3.
مكبس TurboExpander. تعمل المكبس والمكبس التوربويكباندرز مثل محرك الاحتراق الداخلي العكسي ، ويمتص غاز الضغط العالي ويحول طاقته المخزنة إلى طاقة الدوران عبر العمود المرفقي.
اسحب توربو موسع. يتكون موسع توربينات الفرامل من غرفة تدفق متحدة المركز مع زعانف دلو متصلة بمحاط للعنصر الدوار. وهي مصممة بنفس طريقة عجلات الماء ، لكن المقطع العرضي للغرف المركز يزداد من المدخل إلى المخرج ، مما يسمح للغاز بالتوسع.
TurboExpander الشعاعي. تربط توربوكسبرز التدفق الشعاعي مدخل محوري ومنفذ شعاعي ، مما يسمح للغاز بالتوسع شعاعيًا من خلال المكره التوربيني. وبالمثل ، توسع توربينات التدفق المحوري الغاز من خلال عجلة التوربينات ، لكن اتجاه التدفق يظل موازيًا لمحور الدوران.
تركز هذه المقالة على TurboExpanders الشعاعي والمحوري ، ومناقشة أنواعها الفرعية المختلفة والمكونات والاقتصاد.
يستخلص TurboExpander الطاقة من تيار غاز عالي الضغط ويحوله إلى حمل محرك. عادةً ما يكون الحمل ضاغطًا أو مولدًا متصلاً بعمود. يقوم TurboExpander مع ضاغط ضغوط السائل في أجزاء أخرى من مجرى العملية الذي يتطلب سائل مضغوط ، مما يزيد من الكفاءة الكلية للمصنع باستخدام الطاقة التي تضيع خلاف ذلك. يحول TurboExpander مع تحميل المولد الطاقة إلى الكهرباء ، والتي يمكن استخدامها في عمليات النبات الأخرى أو إرجاعها إلى الشبكة المحلية للبيع.
يمكن تزويد مولدات TurboExpander إما بعمود محرك مباشرة من عجلة التوربين إلى المولد ، أو من خلال علبة تروس تقلل بشكل فعال من سرعة الإدخال من عجلة التوربين إلى المولد من خلال نسبة التروس. يقدم TurboExpanders Direct Drive مزايا في تكاليف الكفاءة والبصمة والصيانة. تعتبر TurboExpanders صندوق التروس أثقل وتتطلب بصمة أكبر ، وأجهزة تزييت ، وصيانة منتظمة.
يمكن إجراء تدفق توربويكسباندرز في شكل توربينات شعاعية أو محورية. تحتوي موسعات التدفق الشعاعي على مدخل محوري ومنفذ شعاعي بحيث يخرج تدفق الغاز من التوربين شعاعيًا من محور الدوران. توربينات المحورية تسمح للغاز بالتدفق محوريًا على طول محور الدوران. توربينات التدفق المحوري تستخرج الطاقة من تدفق الغاز عبر دوارات دليل المدخل إلى عجلة الموسعة ، مع زيادة المساحة المقطعية لغرفة التوسع تدريجياً للحفاظ على سرعة ثابتة.
يتكون مولد TurboExpander من ثلاثة مكونات رئيسية: عجلة التوربينات ، محامل خاصة ومولد.
عجلة التوربين. غالبًا ما يتم تصميم عجلات التوربينات خصيصًا لتحسين الكفاءة الديناميكية الهوائية. تشمل متغيرات التطبيق التي تؤثر على تصميم عجلة التوربينات ضغط المدخل/المخرج ، ودرجة حرارة المدخل/المخرج ، وتدفق الحجم ، وخصائص السوائل. عندما تكون نسبة الضغط مرتفعة للغاية بحيث لا يمكن تقليلها في مرحلة واحدة ، يلزم حاجة إلى TurboExpander بعجلات توربينية متعددة. يمكن تصميم كل من عجلات التوربينات الشعاعية والمحورية على أنها عجلات متعددة المراحل ، ولكن عجلات التوربينات المحورية لها طول محوري أقصر بكثير وبالتالي فهي أكثر إحكاما. تتطلب توربينات التدفق الشعاعي متعددة المراحل أن يتدفق الغاز من المحوري إلى الشعاعي والعودة إلى المحوري ، مما يخلق خسائر احتكاك أعلى من توربينات التدفق المحوري.
المحامل. يعد التصميم المحمول أمرًا بالغ الأهمية للتشغيل الفعال لـ TurboExpander. تختلف أنواع المحامل المتعلقة بتصميمات TurboExpander على نطاق واسع ويمكن أن تشمل محامل الزيت ، ومحامل الأفلام السائلة ، ومحامل الكرات التقليدية ، والمحامل المغناطيسية. كل طريقة لها مزاياها وعيوبها ، كما هو موضح في الجدول 1.
يختار العديد من الشركات المصنعة لـ TurboExpander المحامل المغناطيسية باعتبارها "محملًا للاختيار" بسبب مزاياها الفريدة. تضمن المحامل المغناطيسية التشغيل الخالي من الاحتكاك للمكونات الديناميكية لـ TurboExpander ، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل والصيانة على مدى عمر الماكينة. وهي مصممة أيضًا لتحمل مجموعة واسعة من الأحمال المحورية والشعاعية وظروف الإفراط في الإجهاد. يتم تعويض تكاليفها الأولية الأعلى بتكاليف دورة الحياة المنخفضة بكثير.
دينامو. يأخذ المولد الطاقة الدورانية للتوربين ويحولها إلى طاقة كهربائية مفيدة باستخدام مولد كهرومغناطيسي (والذي يمكن أن يكون مولدًا تحريبيًا أو مولد مغناطيس دائم). لدى مولدات الحث سرعة أقل مصنفة ، لذلك تتطلب تطبيقات التوربينات عالية السرعة صندوق تروس ، ولكن يمكن تصميمها لمطابقة تردد الشبكة ، مما يلغي الحاجة إلى محرك تردد متغير (VFD) لتزويد الكهرباء المولدة. من ناحية أخرى ، يمكن أن تكون مولدات المغناطيس الدائمة مقترنة مباشرة بالتوربينات وتنقل طاقة الشبكة من خلال محرك تردد متغير. تم تصميم المولد لتقديم أقصى قدر من الطاقة بناءً على قوة العمود المتوفرة في النظام.
الأختام. يعد الختم أيضًا مكونًا مهمًا عند تصميم نظام TurboExpander. للحفاظ على الكفاءة العالية وتلبية المعايير البيئية ، يجب إغلاق الأنظمة لمنع تسرب غاز العملية المحتملة. يمكن تجهيز TurboExpanders بأختام ديناميكية أو ثابتة. توفر الأختام الديناميكية ، مثل أختام المتاهة وختمات الغاز الجاف ، ختمًا حول عمود دوار ، عادةً بين عجلة التوربينات والمحامل وبقية الماكينة التي يوجد بها المولد. تلبس الأختام الديناميكية مع مرور الوقت وتتطلب صيانة وتفتيشًا منتظمين لضمان عملها بشكل صحيح. عندما يتم احتواء جميع مكونات TurboExpander في سكن واحد ، يمكن استخدام الأختام الثابتة لحماية أي خيوط تخرج من السكن ، بما في ذلك المولد أو محركات تحمل المغناطيسية أو أجهزة الاستشعار. توفر أختام محكمة الإغلاق هذه حماية دائمة ضد تسرب الغاز ولا تتطلب أي صيانة أو إصلاح.
من وجهة نظر العملية ، فإن المتطلبات الأساسية لتثبيت الموسع هو توفير غاز عالي الضغط (غير قابل للضغط) إلى نظام منخفض الضغط مع تدفق كافي وانخفاض الضغط والاستخدام للحفاظ على التشغيل الطبيعي للمعدات. يتم الحفاظ على معلمات التشغيل على مستوى آمن وفعال.
من حيث وظيفة الحد من الضغط ، يمكن استخدام الموسع لاستبدال صمام Joule-Thomson (JT) ، والمعروف أيضًا باسم صمام الخانق. نظرًا لأن صمام JT يتحرك على طول مسار متصور ويتحرك الموسع على طول مسار متزايد تقريبًا ، فإن هذا الأخير يقلل من المحتوى الحراري للغاز ويحول الفرق الحراري إلى قوة العمود ، مما ينتج عنه درجة حرارة منفذ أقل من صمام JT. هذا مفيد في العمليات المبردة حيث الهدف هو تقليل درجة حرارة الغاز.
إذا كان هناك حد أدنى لدرجة حرارة غاز المخرج (على سبيل المثال ، في محطة إزالة الضغط حيث يجب الحفاظ على درجة حرارة الغاز أعلى من درجة الحرارة أو الترطيب أو الحد الأدنى من درجة حرارة تصميم المواد) ، يجب إضافة سخان واحد على الأقل. التحكم في درجة حرارة الغاز. عندما يقع المؤثر المسبق في اتجاه المنبع من الموسع ، يتم أيضًا استرداد بعض الطاقة من غاز التغذية في الموسع ، مما يزيد من إنتاج الطاقة. في بعض التكوينات التي تكون فيها التحكم في درجة حرارة المخرج مطلوبة ، يمكن تثبيت refreate الثاني بعد الموسع لتوفير تحكم أسرع.
في الشكل 3 ، يوضح الشكل 3 مخططًا مبسطًا لمخطط التدفق العام لمولد موسع مع مسبق يستخدم لاستبدال صمام JT.
في تكوينات العمليات الأخرى ، يمكن نقل الطاقة المستردة في الموسع مباشرة إلى الضاغط. هذه الآلات ، التي تسمى أحيانًا "القادة" ، لها عادة مراحل التوسع والضغط المتصل بواسطة مهاوي واحدة أو أكثر ، والتي قد تتضمن أيضًا علبة تروس لتنظيم فرق السرعة بين المرحلتين. يمكن أن يشمل أيضًا محركًا إضافيًا لتوفير المزيد من الطاقة لمرحلة الضغط.
فيما يلي بعض المكونات الأكثر أهمية التي تضمن التشغيل المناسبين للثبات والاستقرار للنظام.
صمام الالتفاف أو الصمام تقليل الضغط. يسمح صمام الالتفاف للتشغيل بالاستمرار عندما لا يعمل TurboExpander (على سبيل المثال ، للصيانة أو حالة الطوارئ) ، في حين يتم استخدام صمام تقليل الضغط لتوفير الغاز الزائد عندما يتجاوز التدفق الكلي قدرة تصميم Expander.
صمام إيقاف الطوارئ (ESD). تُستخدم صمامات ESD لمنع تدفق الغاز في الموسع في حالة الطوارئ لتجنب الأضرار الميكانيكية.
الأدوات والضوابط. تشمل المتغيرات المهمة التي يجب مراقبتها ضغط المدخل والمخرج ، ومعدل التدفق ، وسرعة الدوران ، وإخراج الطاقة.
القيادة بسرعة مفرطة. يقطع الجهاز التدفق إلى التوربينات ، مما يؤدي إلى إبطاء دوار التوربينات ، وبالتالي حماية المعدات من السرعات المفرطة بسبب ظروف العملية غير المتوقعة التي قد تلحق الضرر بالمعدات.
صمام سلامة الضغط (PSV). غالبًا ما يتم تثبيت PSVs بعد توربوكباندر لحماية خطوط الأنابيب ومعدات الضغط المنخفض. يجب تصميم PSV لتحمل أكثر حالات الطوارئ حادة ، والتي تتضمن عادة فشل صمام الالتفاف لفتحها. إذا تمت إضافة موسع إلى محطة تقليل الضغط الحالية ، فيجب على فريق تصميم العملية تحديد ما إذا كان PSV الحالي يوفر حماية كافية.
سخان. تعوض السخانات عن انخفاض درجة الحرارة الناتجة عن الغاز الذي يمر عبر التوربينات ، لذلك يجب تسخين الغاز. تتمثل وظيفتها الرئيسية في زيادة درجة حرارة تدفق الغاز المتزايد للحفاظ على درجة حرارة الغاز تاركًا الموسع أعلى من الحد الأدنى من القيمة. هناك فائدة أخرى لرفع درجة الحرارة وهي زيادة إنتاج الطاقة وكذلك منع التآكل أو التكثيف أو الهيدرات التي يمكن أن تؤثر سلبًا على فوهات المعدات. في الأنظمة التي تحتوي على مبادلات حرارية (كما هو مبين في الشكل 3) ، يتم التحكم في درجة حرارة الغاز عادة عن طريق تنظيم تدفق السائل الساخن في مسبق. في بعض التصميمات ، يمكن استخدام سخان اللهب أو سخان كهربائي بدلاً من مبادل حراري. قد تكون السخانات موجودة بالفعل في محطة صمام JT الموجودة ، وقد لا تتطلب إضافة موسع تثبيت سخانات إضافية ، بل تزيد من تدفق السائل الساخن.
تشحيم أنظمة الغاز والختم. كما ذكر أعلاه ، يمكن للموسع استخدام تصميمات ختم مختلفة ، والتي قد تتطلب مواد التشحيم وغازات الختم. عند الاقتضاء ، يجب أن يحافظ زيت التشحيم على جودة عالية ونقاء عند ملامسة غازات العملية ، ويجب أن يظل مستوى لزوجة الزيت ضمن نطاق التشغيل المطلوب من المحامل المشحمة. عادةً ما يتم تجهيز أنظمة الغاز المختومة بجهاز تزييت الزيت لمنع زيت الزيت من مربع الحمل من دخول صندوق التوسع. للتطبيقات الخاصة للمجتمعات المستخدمة في صناعة الهيدروكربون ، عادة ما يتم تصميم أنظمة غاز زيت اللوب والختم إلى مواصفات API 617 [5] الجزء 4.
محرك التردد المتغير (VFD). عندما يكون المولد تحفيزًا ، يتم تشغيل VFD عادةً لضبط إشارة التيار المتناوب (AC) لمطابقة تردد الأداة المساعدة. عادةً ما يكون للتصميمات المستندة إلى محركات التردد المتغيرة كفاءة إجمالية أعلى من التصميمات التي تستخدم علب التروس أو المكونات الميكانيكية الأخرى. يمكن أن تستوعب الأنظمة المستندة إلى VFD أيضًا مجموعة واسعة من التغييرات التي يمكن أن تؤدي إلى تغييرات في سرعة عمود التوسع.
الانتقال. تستخدم بعض تصميمات Expander علبة تروس لتقليل سرعة الموسع إلى السرعة المقدرة للمولد. تكلفة استخدام علبة التروس أقل الكفاءة بشكل عام وبالتالي انخفاض ناتج الطاقة.
عند إعداد طلب للاقتباس (RFQ) للموسع ، يجب على مهندس العملية أولاً تحديد شروط التشغيل ، بما في ذلك المعلومات التالية:
غالبًا ما يكمل المهندسون الميكانيكيون مواصفات ومواصفات مولد موسع الموسع باستخدام البيانات من التخصصات الهندسية الأخرى. قد تتضمن هذه المدخلات ما يلي:
يجب أن تتضمن المواصفات أيضًا قائمة بالوثائق والرسومات التي توفرها الشركة المصنعة كجزء من عملية العطاء ونطاق العرض ، وكذلك إجراءات الاختبار المعمول بها كما هو مطلوب من قبل المشروع.
يجب أن تتضمن المعلومات الفنية التي توفرها الشركة المصنعة كجزء من عملية العطاء العناصر التالية بشكل عام:
إذا كان أي جانب من جوانب الاقتراح يختلف عن المواصفات الأصلية ، فيجب على الشركة المصنعة أيضًا تقديم قائمة بالانحرافات وأسباب الانحرافات.
بمجرد استلام الاقتراح ، يجب على فريق تطوير المشروع مراجعة طلب الامتثال وتحديد ما إذا كانت الفروق مبررة تقنيًا.
تشمل الاعتبارات الفنية الأخرى التي يجب مراعاتها عند تقييم المقترحات:
أخيرًا ، يجب إجراء التحليل الاقتصادي. نظرًا لأن الخيارات المختلفة قد تؤدي إلى تكاليف أولية مختلفة ، يوصى بإجراء تحليل تكلفة التدفق النقدي أو دورة الحياة لمقارنة الاقتصاد طويل الأجل للمشروع والعائد على الاستثمار. على سبيل المثال ، قد يتم تعويض ارتفاع الاستثمار الأولي على المدى الطويل عن طريق زيادة الإنتاجية أو متطلبات الصيانة المخفضة. انظر "المراجع" للحصول على تعليمات حول هذا النوع من التحليل. 4.
تتطلب جميع تطبيقات المولد TurboExpander حسابًا أوليًا إجماليًا للطاقة المحتملة لتحديد إجمالي كمية الطاقة المتاحة التي يمكن استردادها في تطبيق معين. بالنسبة لمولد TurboExpander ، يتم حساب إمكانات الطاقة كعملية (إنتروبيا ثابتة). هذا هو الوضع الديناميكي الحراري المثالي للنظر في عملية عكسية قابلة للانعكاس دون احتكاك ، لكنها العملية الصحيحة لتقدير إمكانات الطاقة الفعلية.
يتم حساب الطاقة المحتملة المتساقطة (IPP) عن طريق ضرب اختلاف المحتوى الحراري المحدد في مدخل ومنفذ TurboExpander وضرب النتيجة بمعدل تدفق الكتلة. سيتم التعبير عن هذه الطاقة المحتملة ككمية متماثلة (المعادلة (1)):
IPP = (Hinlet - H (i ، e)) × ṁ x ŋ (1)
عندما يكون H (i ، e) هو المحتوى الحراري المحدد مع مراعاة درجة حرارة المخرج المتساوي و ṁ هو معدل تدفق الكتلة.
على الرغم من أنه يمكن استخدام الطاقة المحتملة المتناسقة لتقدير الطاقة الكامنة ، إلا أن جميع الأنظمة الحقيقية تتضمن الاحتكاك والحرارة وفقدان الطاقة الإضافي الأخرى. وبالتالي ، عند حساب إمكانات الطاقة الفعلية ، يجب أخذ بيانات الإدخال الإضافية التالية في الاعتبار:
في معظم تطبيقات TurboExpander ، تقتصر درجة الحرارة على الحد الأدنى لمنع المشكلات غير المرغوب فيها مثل تجميد الأنابيب المذكورة سابقًا. عندما تتدفق الغاز الطبيعي ، تكون الهيدرات موجودة دائمًا تقريبًا ، مما يعني أن خط الأنابيب في اتجاه مجرى النهر التوربوية أو صمام الخانق سوف يتجمد داخليًا وخارجيًا إذا انخفضت درجة حرارة المخرج إلى أقل من 0 درجة مئوية. يمكن أن يؤدي تكوين ICE إلى تقييد التدفق وإغلاق النظام في النهاية. وبالتالي ، يتم استخدام درجة حرارة المخرج "المطلوب" لحساب سيناريو الطاقة المحتملة الأكثر واقعية. ومع ذلك ، بالنسبة للغازات مثل الهيدروجين ، يكون حد درجة الحرارة أقل بكثير لأن الهيدروجين لا يتغير من الغاز إلى السائل حتى يصل إلى درجة حرارة المبردة (-253 درجة مئوية). استخدم درجة حرارة المخرج المطلوبة لحساب المحتوى الحراري المحدد.
يجب أيضًا النظر في كفاءة نظام TurboExpander. اعتمادًا على التكنولوجيا المستخدمة ، يمكن أن تختلف كفاءة النظام بشكل كبير. على سبيل المثال ، سيواجه TurboExpander الذي يستخدم معدات تخفيض لنقل الطاقة الدورانية من التوربين إلى المولد خسائر احتكاك أكبر من النظام الذي يستخدم محركًا مباشرًا من التوربين إلى المولد. يتم التعبير عن الكفاءة الإجمالية لنظام TurboExpander كنسبة مئوية ويتم أخذها في الاعتبار عند تقييم إمكانات الطاقة الفعلية لـ TurboExpander. يتم حساب إمكانات الطاقة الفعلية (PP) على النحو التالي:
pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
دعونا نلقي نظرة على تطبيق تخفيف ضغط الغاز الطبيعي. تدير ABC وتحافظ على محطة الحد من الضغط تنقل الغاز الطبيعي من خط الأنابيب الرئيسي وتوزيعه على البلديات المحلية. في هذه المحطة ، يكون ضغط مدخل الغاز 40 بارًا وضغط المخرج 8 بار. تبلغ درجة حرارة غاز مدخل مدخل التسخين مسبقًا 35 درجة مئوية ، مما يؤدي إلى تسخين الغاز لمنع تجميد خط الأنابيب. لذلك ، يجب التحكم في درجة حرارة غاز المخرج بحيث لا تقل عن 0 درجة مئوية. في هذا المثال ، سوف نستخدم 5 درجات مئوية كحد أدنى لدرجة حرارة المخرج لزيادة عامل الأمان. معدل تدفق الغاز الحجمي الطبيعي هو 50000 نانومتر/ساعة. لحساب إمكانات الطاقة ، سوف نفترض أن جميع تدفقات الغاز من خلال موسع التوربو وحساب الحد الأقصى لمخرج الطاقة. تقدير إجمالي إمكانية إنتاج الطاقة باستخدام الحساب التالي:
وقت النشر: مايو -25-2024