شركة هانغتشو نوزو للتكنولوجيا المحدودة

يمكن استخدام موسعات الضغط لتشغيل الآلات الدوارة. تجدون هنا معلومات حول كيفية تقييم الفوائد المحتملة لتركيب موسع الضغط.
في صناعة العمليات الكيميائية، يُهدر عادةً قدر كبير من الطاقة في صمامات التحكم بالضغط، حيث يجب تخفيض ضغط السوائل عالية الضغط [1]. وبناءً على عوامل تقنية واقتصادية مختلفة، قد يكون من المستحسن تحويل هذه الطاقة إلى طاقة ميكانيكية دورانية، والتي يمكن استخدامها لتشغيل المولدات أو الآلات الدوارة الأخرى. بالنسبة للسوائل غير القابلة للانضغاط، يتم تحقيق ذلك باستخدام توربين استعادة الطاقة الهيدروليكية (انظر المرجع 1). أما بالنسبة للسوائل القابلة للانضغاط، فيُعدّ جهاز التمديد مناسبًا.
تُعدّ الموسّعات تقنية ناضجة ذات تطبيقات ناجحة عديدة، مثل التكسير التحفيزي للسوائل، والتبريد، وصمامات الغاز الطبيعي في المدن، وفصل الهواء، وانبعاثات العادم. من حيث المبدأ، يُمكن استخدام أي تيار غازي منخفض الضغط لتشغيل الموسّع، ولكن "تتناسب الطاقة الناتجة طرديًا مع نسبة الضغط ودرجة الحرارة ومعدل تدفق تيار الغاز" [2]، فضلًا عن الجدوى التقنية والاقتصادية. تطبيق الموسّع: تعتمد العملية على هذه العوامل وغيرها، مثل أسعار الطاقة المحلية وتوافر المعدات المناسبة لدى الشركة المصنّعة.
على الرغم من أن التوربين التوسعي (الذي يعمل بطريقة مشابهة للتوربين) هو النوع الأكثر شهرة من أجهزة التوسعة (الشكل 1)، إلا أن هناك أنواعًا أخرى مناسبة لظروف تشغيل مختلفة. تُعرّف هذه المقالة بالأنواع الرئيسية لأجهزة التوسعة ومكوناتها، وتلخص كيفية تقييم مديري العمليات أو الاستشاريين أو مدققي الطاقة في مختلف أقسام مؤشر أداء العمليات للفوائد الاقتصادية والبيئية المحتملة لتركيب جهاز توسعة.
توجد أنواع عديدة من أشرطة المقاومة تختلف اختلافًا كبيرًا في الشكل والوظيفة. يوضح الشكل 2 الأنواع الرئيسية، ويرد وصف موجز لكل نوع أدناه. لمزيد من المعلومات، بالإضافة إلى الرسوم البيانية التي تقارن حالة تشغيل كل نوع بناءً على أقطار وسرعات محددة، راجع قسم المساعدة 3.
التوربين التمددي ذو المكبس. تعمل التوربينات التمددية ذات المكبس والتوربينات التمددية ذات المكبس الدوار مثل محرك الاحتراق الداخلي ذي الدوران العكسي، حيث تمتص الغاز عالي الضغط وتحول طاقته المخزنة إلى طاقة دورانية من خلال عمود المرفق.
اسحب موسع التوربين. يتكون موسع توربين الفرامل من حجرة تدفق متحدة المركز مزودة بزعانف دلوية مثبتة على محيط العنصر الدوار. وهي مصممة بنفس طريقة عجلات المياه، ولكن المقطع العرضي للحجرات متحدة المركز يزداد من المدخل إلى المخرج، مما يسمح للغاز بالتمدد.
التوربينات التوسعية الشعاعية. تتميز التوربينات التوسعية ذات التدفق الشعاعي بمدخل محوري ومخرج شعاعي، مما يسمح للغاز بالتمدد شعاعيًا عبر دافعة التوربين. وبالمثل، تعمل التوربينات ذات التدفق المحوري على تمديد الغاز عبر عجلة التوربين، ولكن يظل اتجاه التدفق موازيًا لمحور الدوران.
تركز هذه المقالة على التوربينات التوسعية الشعاعية والمحورية، وتناقش أنواعها الفرعية المختلفة ومكوناتها وجدواها الاقتصادية.
يستخلص التوربين التوسعي الطاقة من تيار غاز عالي الضغط ويحولها إلى حمل تشغيلي. عادةً ما يكون هذا الحمل عبارة عن ضاغط أو مولد كهربائي متصل بعمود. يقوم التوربين التوسعي المزود بضاغط بضغط السوائل في أجزاء أخرى من تيار العملية التي تتطلب سوائل مضغوطة، مما يزيد من الكفاءة الإجمالية للمصنع من خلال استخدام الطاقة التي كانت ستُهدر لولا ذلك. أما التوربين التوسعي المزود بمولد كهربائي، فيحول الطاقة إلى كهرباء، والتي يمكن استخدامها في عمليات أخرى بالمصنع أو إعادتها إلى الشبكة المحلية لبيعها.
يمكن تجهيز مولدات التوربينات التوسعية إما بعمود إدارة مباشر من عجلة التوربين إلى المولد، أو عبر علبة تروس تعمل على تقليل سرعة الدوران الداخلة من عجلة التوربين إلى المولد بنسبة تروس محددة. توفر التوربينات التوسعية ذات الدفع المباشر مزايا من حيث الكفاءة والحجم وتكاليف الصيانة. أما التوربينات التوسعية المزودة بعلبة تروس فهي أثقل وزنًا وتتطلب مساحة أكبر ومعدات مساعدة للتشحيم وصيانة دورية.
يمكن تصنيع التوربينات التوسعية ذات التدفق المستمر على شكل توربينات شعاعية أو محورية. تحتوي التوربينات التوسعية ذات التدفق الشعاعي على مدخل محوري ومخرج شعاعي، بحيث يخرج تدفق الغاز من التوربين شعاعيًا من محور الدوران. أما التوربينات المحورية فتسمح بتدفق الغاز محوريًا على طول محور الدوران. تستخلص التوربينات المحورية الطاقة من تدفق الغاز عبر ريش توجيه المدخل إلى عجلة التوسع، مع زيادة مساحة المقطع العرضي لغرفة التوسع تدريجيًا للحفاظ على سرعة ثابتة.
يتكون مولد التوربين التوسعي من ثلاثة مكونات رئيسية: عجلة التوربين، والمحامل الخاصة، والمولد.
عجلة التوربين. تُصمم عجلات التوربين عادةً خصيصًا لتحسين الكفاءة الديناميكية الهوائية. تشمل متغيرات التطبيق التي تؤثر على تصميم عجلة التوربين ضغط المدخل/المخرج، ودرجة حرارة المدخل/المخرج، ومعدل التدفق الحجمي، وخصائص المائع. عندما تكون نسبة الانضغاط عالية جدًا بحيث لا يمكن تخفيضها في مرحلة واحدة، يلزم استخدام توربين توسعي متعدد العجلات. يمكن تصميم كل من عجلات التوربين الشعاعية والمحورية كمتعددة المراحل، ولكن عجلات التوربين المحورية تتميز بطول محوري أقصر بكثير، وبالتالي فهي أكثر إحكامًا. تتطلب توربينات التدفق الشعاعي متعددة المراحل تدفق الغاز من المحور إلى الشعاعي ثم العودة إلى المحور، مما يؤدي إلى خسائر احتكاك أعلى من توربينات التدفق المحوري.
المحامل. يُعد تصميم المحامل عاملاً حاسماً في التشغيل الفعال للتوربينات التوسعية. وتتنوع أنواع المحامل المستخدمة في تصميمات التوربينات التوسعية تنوعاً واسعاً، وتشمل المحامل الزيتية، ومحامل الأغشية السائلة، والمحامل الكروية التقليدية، والمحامل المغناطيسية. ولكل نوع من هذه الأنواع مزاياه وعيوبه، كما هو موضح في الجدول 1.
يختار العديد من مصنعي التوربينات التوسعية المحامل المغناطيسية كخيارهم الأمثل لما تتمتع به من مزايا فريدة. تضمن هذه المحامل تشغيلًا سلسًا للمكونات الديناميكية للتوربين التوسعي، مما يقلل بشكل ملحوظ من تكاليف التشغيل والصيانة طوال عمر الآلة. كما أنها مصممة لتحمل نطاقًا واسعًا من الأحمال المحورية والشعاعية وظروف الإجهاد الزائد. وتُعوَّض تكلفتها الأولية المرتفعة بانخفاض كبير في تكاليف دورة حياتها.
المولد. يحوّل المولد الطاقة الدورانية للتوربين إلى طاقة كهربائية مفيدة باستخدام مولد كهرومغناطيسي (قد يكون مولد حثي أو مولد مغناطيسي دائم). تتميز المولدات الحثية بسرعة دوران منخفضة، لذا تتطلب تطبيقات التوربينات عالية السرعة علبة تروس، ولكن يمكن تصميمها لتتوافق مع تردد الشبكة، مما يلغي الحاجة إلى محرك تردد متغير (VFD) لتزويد الكهرباء المولدة. أما المولدات المغناطيسية الدائمة، فيمكن توصيلها مباشرةً بمحور التوربين ونقل الطاقة إلى الشبكة عبر محرك تردد متغير. يُصمم المولد لتوفير أقصى طاقة ممكنة بناءً على طاقة المحور المتاحة في النظام.
الأختام. يُعدّ الختم عنصرًا بالغ الأهمية عند تصميم نظام التوربينات التوسعية. وللحفاظ على كفاءة عالية والامتثال للمعايير البيئية، يجب إحكام إغلاق الأنظمة لمنع أي تسرب محتمل لغازات العملية. يمكن تجهيز التوربينات التوسعية بأختام ديناميكية أو ثابتة. توفر الأختام الديناميكية، مثل أختام المتاهة وأختام الغاز الجاف، إحكامًا حول عمود الدوران، عادةً بين عجلة التوربين والمحامل وبقية أجزاء الآلة حيث يوجد المولد. تتآكل الأختام الديناميكية بمرور الوقت وتتطلب صيانة وفحصًا دوريين لضمان عملها بشكل سليم. عندما تكون جميع مكونات التوربين التوسعي موجودة في غلاف واحد، يمكن استخدام الأختام الثابتة لحماية أي أسلاك تخرج من الغلاف، بما في ذلك تلك المتصلة بالمولد أو محركات المحامل المغناطيسية أو أجهزة الاستشعار. توفر هذه الأختام المحكمة حماية دائمة ضد تسرب الغاز ولا تتطلب أي صيانة أو إصلاح.
من الناحية العملية، يتمثل الشرط الأساسي لتركيب جهاز التمديد في تزويد نظام الضغط المنخفض بغاز قابل للانضغاط (غير قابل للتكثيف) عالي الضغط، مع توفير تدفق كافٍ وانخفاض ضغط مناسب واستخدام مناسب للحفاظ على التشغيل الطبيعي للمعدات. ويتم الحفاظ على معايير التشغيل عند مستوى آمن وفعال.
فيما يتعلق بوظيفة خفض الضغط، يمكن استخدام الموسع بدلاً من صمام جول-طومسون (JT)، المعروف أيضاً بصمام الخنق. ولأن صمام جول-طومسون يتحرك على مسار متساوي الإنتروبيا، بينما يتحرك الموسع على مسار شبه متساوي الإنتروبيا، فإن الأخير يقلل من إنثالبي الغاز ويحول فرق الإنثالبي إلى طاقة دورانية، مما ينتج عنه درجة حرارة مخرج أقل من صمام جول-طومسون. وهذا مفيد في العمليات المبردة حيث يكون الهدف هو خفض درجة حرارة الغاز.
إذا كان هناك حد أدنى لدرجة حرارة الغاز الخارج (على سبيل المثال، في محطة تخفيف الضغط حيث يجب الحفاظ على درجة حرارة الغاز أعلى من درجة التجمد أو درجة حرارة التميؤ أو الحد الأدنى لدرجة حرارة تصميم المادة)، فيجب إضافة سخان واحد على الأقل للتحكم في درجة حرارة الغاز. عندما يكون السخان المسبق موجودًا قبل الموسع، يتم استعادة جزء من طاقة غاز التغذية في الموسع، مما يزيد من إنتاجه للطاقة. في بعض التكوينات التي تتطلب التحكم في درجة حرارة الغاز الخارج، يمكن تركيب سخان إعادة تسخين ثانٍ بعد الموسع لتوفير تحكم أسرع.
يوضح الشكل 3 مخططًا مبسطًا لمخطط التدفق العام لمولد التمدد مع سخان مسبق يستخدم لاستبدال صمام JT.
في تكوينات معالجة أخرى، يمكن نقل الطاقة المستعادة في وحدة التمدد مباشرةً إلى الضاغط. هذه الآلات، التي تُسمى أحيانًا "وحدات التحكم"، تحتوي عادةً على مرحلتي تمدد وضغط متصلتين بعمود واحد أو أكثر، وقد تتضمن أيضًا علبة تروس لتنظيم فرق السرعة بين المرحلتين. كما يمكن أن تتضمن محركًا إضافيًا لتوفير طاقة أكبر لمرحلة الضغط.
فيما يلي بعض أهم المكونات التي تضمن التشغيل السليم واستقرار النظام.
صمام تحويل أو صمام تخفيض الضغط. يسمح صمام التحويل باستمرار التشغيل عندما لا يكون التوربين الموسع قيد التشغيل (على سبيل المثال، للصيانة أو في حالة الطوارئ)، بينما يُستخدم صمام تخفيض الضغط للتشغيل المستمر لتوفير الغاز الزائد عندما يتجاوز التدفق الكلي سعة تصميم الموسع.
صمام الإغلاق الطارئ (ESD). تُستخدم صمامات الإغلاق الطارئ لمنع تدفق الغاز إلى الموسع في حالات الطوارئ لتجنب التلف الميكانيكي.
الأجهزة والتحكم. تشمل المتغيرات المهمة التي يجب مراقبتها ضغط المدخل والمخرج، ومعدل التدفق، وسرعة الدوران، ومخرج الطاقة.
القيادة بسرعة مفرطة. يقوم الجهاز بقطع التدفق إلى التوربين، مما يؤدي إلى إبطاء دوران التوربين، وبالتالي حماية المعدات من السرعات المفرطة الناتجة عن ظروف التشغيل غير المتوقعة التي قد تتسبب في تلف المعدات.
صمام أمان الضغط (PSV). تُركّب صمامات أمان الضغط عادةً بعد التوربينات التمددية لحماية خطوط الأنابيب ومعدات الضغط المنخفض. يجب تصميم صمام أمان الضغط ليتحمل أشد الظروف الطارئة، والتي تشمل عادةً تعطل صمام التجاوز وعدم فتحه. في حال إضافة توربين تمددي إلى محطة تخفيض ضغط قائمة، يجب على فريق تصميم العمليات تحديد ما إذا كان صمام أمان الضغط الحالي يوفر الحماية الكافية.
السخان. يعوض السخان انخفاض درجة الحرارة الناتج عن مرور الغاز عبر التوربين، لذا يجب تسخين الغاز مسبقًا. وتتمثل وظيفته الرئيسية في رفع درجة حرارة تدفق الغاز الصاعد للحفاظ على درجة حرارة الغاز الخارج من الموسع فوق قيمة دنيا. ومن فوائد رفع درجة الحرارة أيضًا زيادة القدرة الناتجة، بالإضافة إلى منع التآكل والتكثيف وتكوّن الهيدرات التي قد تؤثر سلبًا على فوهات المعدات. في الأنظمة التي تحتوي على مبادلات حرارية (كما هو موضح في الشكل 3)، تُتحكم عادةً في درجة حرارة الغاز عن طريق تنظيم تدفق السائل الساخن إلى المسخن المسبق. في بعض التصاميم، يمكن استخدام سخان اللهب أو السخان الكهربائي بدلًا من المبادل الحراري. قد تكون السخانات موجودة بالفعل في محطة صمامات JT الحالية، وقد لا تتطلب إضافة موسع تركيب سخانات إضافية، بل زيادة تدفق السائل الساخن.
أنظمة زيت التشحيم وغاز منع التسرب. كما ذُكر سابقًا، يمكن أن تستخدم أجهزة التمدد تصاميم مختلفة لمنع التسرب، مما قد يتطلب استخدام مواد تشحيم وغازات منع تسرب. عند الاقتضاء، يجب أن يحافظ زيت التشحيم على جودة ونقاء عاليتين عند ملامسته لغازات العملية، ويجب أن تبقى لزوجة الزيت ضمن نطاق التشغيل المطلوب للمحامل المشحمة. عادةً ما تُجهز أنظمة الغازات المغلقة بجهاز تشحيم بالزيت لمنع دخول الزيت من صندوق المحمل إلى صندوق التمدد. بالنسبة للتطبيقات الخاصة لأجهزة التمدد المستخدمة في صناعة الهيدروكربونات، تُصمم أنظمة زيت التشحيم وغاز منع التسرب عادةً وفقًا لمواصفات API 617 [5] الجزء 4.
محرك التردد المتغير (VFD). عند تشغيل المولد بالحث، يُشغَّل محرك التردد المتغير عادةً لضبط إشارة التيار المتردد (AC) لتتوافق مع تردد الشبكة الكهربائية. تتميز التصاميم القائمة على محركات التردد المتغير بكفاءة إجمالية أعلى من التصاميم التي تستخدم علب التروس أو المكونات الميكانيكية الأخرى. كما يمكن للأنظمة القائمة على محركات التردد المتغير استيعاب نطاق أوسع من تغييرات العمليات التي قد تؤدي إلى تغييرات في سرعة عمود التمدد.
ناقل الحركة. تستخدم بعض تصميمات الموسعات علبة تروس لخفض سرعة الموسع إلى السرعة المقدرة للمولد. ويكمن ثمن استخدام علبة التروس في انخفاض الكفاءة الإجمالية، وبالتالي انخفاض القدرة الناتجة.
عند إعداد طلب عرض أسعار (RFQ) لجهاز التوسيع، يجب على مهندس العمليات أولاً تحديد ظروف التشغيل، بما في ذلك المعلومات التالية:
غالباً ما يُكمل مهندسو الميكانيكا مواصفات مولدات التمدد باستخدام بيانات من تخصصات هندسية أخرى. وقد تشمل هذه المدخلات ما يلي:
يجب أن تتضمن المواصفات أيضًا قائمة بالوثائق والرسومات التي يقدمها المصنع كجزء من عملية المناقصة ونطاق التوريد، بالإضافة إلى إجراءات الاختبار المطبقة حسب متطلبات المشروع.
ينبغي أن تتضمن المعلومات الفنية التي يقدمها المصنّع كجزء من عملية المناقصة العناصر التالية بشكل عام:
إذا اختلف أي جانب من جوانب الاقتراح عن المواصفات الأصلية، فيجب على الشركة المصنعة أيضًا تقديم قائمة بالانحرافات وأسبابها.
بمجرد استلام الاقتراح، يجب على فريق تطوير المشروع مراجعة طلب الامتثال وتحديد ما إذا كانت الاختلافات مبررة من الناحية الفنية.
تشمل الاعتبارات الفنية الأخرى التي يجب مراعاتها عند تقييم المقترحات ما يلي:
أخيرًا، يلزم إجراء تحليل اقتصادي. نظرًا لأن الخيارات المختلفة قد تُؤدي إلى تكاليف أولية متفاوتة، يُوصى بإجراء تحليل للتدفقات النقدية أو تحليل لتكاليف دورة حياة المشروع لمقارنة جدواه الاقتصادية على المدى الطويل وعائد الاستثمار. على سبيل المثال، قد يُعوَّض ارتفاع الاستثمار الأولي على المدى الطويل بزيادة الإنتاجية أو انخفاض متطلبات الصيانة. راجع قسم "المراجع" للاطلاع على إرشادات هذا النوع من التحليل. 4.
تتطلب جميع تطبيقات مولدات التوربينات التوسعية حسابًا أوليًا للطاقة الكامنة الكلية لتحديد إجمالي الطاقة المتاحة التي يمكن استعادتها في تطبيق معين. بالنسبة لمولد التوربينات التوسعية، تُحسب الطاقة الكامنة كعملية متساوية الإنتروبيا (ثابتة الإنتروبيا). هذه هي الحالة الديناميكية الحرارية المثالية لدراسة عملية كظيمة قابلة للانعكاس دون احتكاك، ولكنها العملية الصحيحة لتقدير الطاقة الكامنة الفعلية.
تُحسب طاقة الوضع المتساوية الإنتروبيا (IPP) بضرب فرق المحتوى الحراري النوعي عند مدخل ومخرج التوربين التوسعي، ثم ضرب الناتج في معدل تدفق الكتلة. وسيتم التعبير عن طاقة الوضع هذه ككمية متساوية الإنتروبيا (المعادلة (1)).
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
حيث h(i,e) هي المحتوى الحراري النوعي مع الأخذ في الاعتبار درجة حرارة المخرج المتساوية الإنتروبيا و ṁ هو معدل تدفق الكتلة.
على الرغم من إمكانية استخدام طاقة الوضع المتساوية الإنتروبيا لتقدير طاقة الوضع، إلا أن جميع الأنظمة الحقيقية تتضمن احتكاكًا وحرارة وفقدانًا آخر للطاقة الثانوية. لذا، عند حساب طاقة الوضع الفعلية، ينبغي مراعاة بيانات الإدخال الإضافية التالية:
في معظم تطبيقات التوربينات التوسعية، تُحدَّد درجة الحرارة عند أدنى حد ممكن لتجنب مشاكل غير مرغوب فيها، مثل تجمُّد الأنابيب المذكور سابقًا. عند تدفق الغاز الطبيعي، تتواجد الهيدرات دائمًا تقريبًا، مما يعني أن خط الأنابيب أسفل التوربين التوسعي أو صمام الخنق سيتجمد داخليًا وخارجيًا إذا انخفضت درجة حرارة المخرج إلى ما دون الصفر المئوي. يمكن أن يؤدي تكوّن الجليد إلى تقييد التدفق، وفي النهاية إيقاف النظام لإزالة الجليد. لذا، تُستخدم درجة حرارة المخرج "المطلوبة" لحساب سيناريو طاقة محتمل أكثر واقعية. مع ذلك، بالنسبة لغازات مثل الهيدروجين، يكون حد درجة الحرارة أقل بكثير لأن الهيدروجين لا يتحول من غاز إلى سائل إلا عند وصوله إلى درجة حرارة منخفضة جدًا (-253 درجة مئوية). استخدم درجة حرارة المخرج المطلوبة هذه لحساب المحتوى الحراري النوعي.
يجب أيضًا مراعاة كفاءة نظام التوربين التوسعي. فبحسب التقنية المستخدمة، قد تختلف كفاءة النظام اختلافًا كبيرًا. على سبيل المثال، سيُعاني التوربين التوسعي الذي يستخدم علبة تروس تخفيض لنقل الطاقة الدورانية من التوربين إلى المولد من خسائر احتكاك أكبر من النظام الذي يستخدم نقلًا مباشرًا للطاقة من التوربين إلى المولد. تُعبّر الكفاءة الإجمالية لنظام التوربين التوسعي كنسبة مئوية، وتُؤخذ في الحسبان عند تقييم القدرة الفعلية المحتملة للتوربين التوسعي. تُحسب القدرة الفعلية المحتملة (PP) كما يلي:
PP = (هينليت – سداسي) × ṁ x ṅ (2)
لنلقِ نظرة على تطبيق تخفيف ضغط الغاز الطبيعي. تقوم شركة ABC بتشغيل وصيانة محطة تخفيض ضغط تنقل الغاز الطبيعي من خط الأنابيب الرئيسي وتوزعه على البلديات المحلية. في هذه المحطة، يبلغ ضغط الغاز الداخل 40 بارًا، وضغط الغاز الخارج 8 بارات. تبلغ درجة حرارة الغاز الداخل المسخن مسبقًا 35 درجة مئوية، وذلك لتسخين الغاز ومنع تجمد خط الأنابيب. لذلك، يجب التحكم في درجة حرارة الغاز الخارج بحيث لا تقل عن 0 درجة مئوية. في هذا المثال، سنستخدم 5 درجات مئوية كحد أدنى لدرجة حرارة الغاز الخارج لزيادة عامل الأمان. يبلغ معدل تدفق الغاز الحجمي المعياري 50,000 متر مكعب قياسي/ساعة. لحساب إمكانية الطاقة، سنفترض أن جميع الغاز يتدفق عبر التوربين الموسع، وسنحسب أقصى قدرة خرج. قدّر إجمالي إمكانية خرج الطاقة باستخدام الحساب التالي: