مجموعة هانغتشو نوزو للتكنولوجيا المحدودة

يمكن للموسّعات استخدام خاصية تخفيض الضغط لتشغيل الآلات الدوارة. يمكنك الاطلاع على معلومات حول كيفية تقييم الفوائد المحتملة لتركيب موسّع هنا.
عادةً ما تُهدر في صناعة العمليات الكيميائية (CPI) كمية كبيرة من الطاقة في صمامات التحكم في الضغط، حيث يتعين تخفيف ضغط السوائل عالية الضغط [1]. وتبعًا لعوامل تقنية واقتصادية مختلفة، قد يكون من المستحسن تحويل هذه الطاقة إلى طاقة ميكانيكية دوارة، تُستخدم لتشغيل المولدات أو غيرها من الآلات الدوارة. بالنسبة للسوائل غير القابلة للانضغاط، يتم تحقيق ذلك باستخدام توربين استعادة الطاقة الهيدروليكي (HPRT؛ انظر المرجع 1). أما بالنسبة للسوائل القابلة للانضغاط (الغازات)، فيُعد الموسّع آلة مناسبة.
تُعدّ الموسّعات تقنيةً متطورةً ذات تطبيقاتٍ ناجحةٍ عديدة، مثل التكسير التحفيزي للسوائل (FCC)، والتبريد، وصمامات الغاز الطبيعي، وفصل الهواء، وانبعاثات العادم. من حيث المبدأ، يُمكن استخدام أي تيار غازي منخفض الضغط لتشغيل الموسّع، ولكن "يتناسب ناتج الطاقة طرديًا مع نسبة الضغط، ودرجة الحرارة، ومعدل تدفق تيار الغاز" [2]، بالإضافة إلى الجدوى التقنية والاقتصادية. تطبيق الموسّع: تعتمد العملية على هذه العوامل وغيرها، مثل أسعار الطاقة المحلية، وتوافر المعدات المناسبة لدى المُصنّع.
على الرغم من أن موسعات التوربينات (التي تعمل بشكل مشابه للتوربينات) هي أشهر أنواع موسعات التوربينات (الشكل 1)، إلا أن هناك أنواعًا أخرى مناسبة لظروف عمليات مختلفة. تُقدم هذه المقالة الأنواع الرئيسية للموسعات ومكوناتها، وتُلخص كيف يُمكن لمديري العمليات أو الاستشاريين أو مُدققي الطاقة في مختلف أقسام CPI تقييم الفوائد الاقتصادية والبيئية المُحتملة لتركيب موسعات التوربينات.
هناك أنواع عديدة من أشرطة المقاومة، تختلف اختلافًا كبيرًا في هندستها ووظيفتها. الأنواع الرئيسية موضحة في الشكل 2، ويرد وصف موجز لكل نوع أدناه. لمزيد من المعلومات، وللحصول على رسوم بيانية تقارن حالة تشغيل كل نوع بناءً على أقطار وسرعات محددة، راجع قسم "المساعدة". 3.
موسّع توربيني مكبسي. يعمل موسّع التوربين المكبسي والدوار كمحرك احتراق داخلي يدور عكسيًا، حيث يمتص الغاز عالي الضغط ويحوّل طاقته المخزنة إلى طاقة دورانية عبر العمود المرفقي.
اسحب مُوسِّع التوربين. يتكون مُوسِّع توربينات الفرامل من حجرة تدفق متحدة المركز مع زعانف دلوية مُثبَّتة على محيط العنصر الدوار. صُمِّمت هذه الزعانف بنفس طريقة عجلات المياه، إلا أن المقطع العرضي للحجرات متحدة المركز يزداد من المدخل إلى المخرج، مما يسمح بتمدد الغاز.
مُوسِّع توربيني شعاعي. مُوسِّع التوربين الشعاعي التدفق مزود بمدخل محوري ومخرج شعاعي، مما يسمح للغاز بالتمدد شعاعيًا عبر دافع التوربين. وبالمثل، تُوسِّع التوربينات المحورية التدفق الغاز عبر عجلة التوربين، لكن يبقى اتجاه التدفق موازيًا لمحور الدوران.
تسلط هذه المقالة الضوء على المتوسعات التوربينية الشعاعية والمحورية، وتناقش أنواعها الفرعية المختلفة ومكوناتها واقتصادها.
يستخرج التوربين الموسّع الطاقة من تيار غاز عالي الضغط ويحوّلها إلى حمل تشغيل. عادةً ما يكون الحمل ضاغطًا أو مولدًا متصلًا بعمود. يضغط التوربين الموسّع المزود بضاغط السوائل في أجزاء أخرى من تيار العملية التي تتطلب سوائل مضغوطة، مما يزيد من الكفاءة الكلية للمصنع باستخدام الطاقة التي تُهدر. أما التوربين الموسّع المزود بحمل مولد، فيحوّل الطاقة إلى كهرباء، يمكن استخدامها في عمليات أخرى بالمصنع أو إعادتها إلى الشبكة المحلية للبيع.
يمكن تجهيز مولدات التوربينات الموسّعة إما بعمود دفع مباشر من عجلة التوربين إلى المولد، أو بعلبة تروس تُخفّض سرعة الإدخال من عجلة التوربين إلى المولد بفعالية من خلال نسبة تروس. تتميز موسعات التوربينات ذات الدفع المباشر بمزايا من حيث الكفاءة والمساحة وتكاليف الصيانة. أما موسعات التوربينات ذات علبة التروس فهي أثقل وزنًا وتتطلب مساحة أكبر، ومعدات تزييت مساعدة، وصيانة دورية.
يمكن تصنيع موسعات التوربينات ذات التدفق الشعاعي على شكل توربينات شعاعية أو محورية. تحتوي موسعات التدفق الشعاعي على مدخل محوري ومخرج شعاعي، بحيث يخرج تدفق الغاز من التوربين شعاعيًا من محور الدوران. تسمح التوربينات المحورية للغاز بالتدفق محوريًا على طول محور الدوران. تستخرج توربينات التدفق المحوري الطاقة من تدفق الغاز عبر ريشات توجيه المدخل إلى عجلة التمديد، مع زيادة مساحة المقطع العرضي لغرفة التمدد تدريجيًا للحفاظ على سرعة ثابتة.
يتكون مولد التوربين المتوسع من ثلاثة مكونات رئيسية: عجلة توربينية ومحامل خاصة ومولد.
عجلة توربينية. غالبًا ما تُصمم عجلات التوربينات خصيصًا لتحسين الكفاءة الديناميكية الهوائية. تشمل متغيرات التطبيق التي تؤثر على تصميم عجلة التوربينات ضغط الدخول/الخروج، ودرجة حرارة الدخول/الخروج، وتدفق الحجم، وخصائص السوائل. عندما تكون نسبة الانضغاط عالية جدًا بحيث لا يمكن تخفيضها في مرحلة واحدة، يلزم استخدام مُوسِّع توربيني مزود بعجلات توربينية متعددة. يمكن تصميم كل من عجلات التوربينات الشعاعية والمحورية كعجلات متعددة المراحل، إلا أن عجلات التوربينات المحورية تتميز بطول محوري أقصر بكثير، وبالتالي فهي أكثر إحكامًا. تتطلب توربينات التدفق الشعاعي متعددة المراحل تدفق الغاز من محوري إلى آخر ثم العودة إلى المحوري، مما يُسبب خسائر احتكاك أعلى من توربينات التدفق المحوري.
المحامل. يُعد تصميم المحامل أمرًا بالغ الأهمية لضمان كفاءة تشغيل مُوسِّع التوربين. تتنوع أنواع المحامل المتعلقة بتصميمات مُوسِّع التوربين بشكل كبير، وتشمل محامل الزيت، ومحامل الغشاء السائل، ومحامل الكرات التقليدية، والمحامل المغناطيسية. لكل طريقة مزاياها وعيوبها، كما هو موضح في الجدول 1.
يختار العديد من مصنعي التوربينات المتوسعة المحامل المغناطيسية "كمحمل مفضل" نظرًا لمزاياها الفريدة. تضمن المحامل المغناطيسية تشغيلًا سلسًا للمكونات الديناميكية للتوربو المتوسع، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل والصيانة طوال عمر الآلة. كما أنها مصممة لتحمل مجموعة واسعة من الأحمال المحورية والشعاعية وظروف الإجهاد الزائد. وتُعوّض تكاليفها الأولية المرتفعة بتكاليف دورة حياة أقل بكثير.
دينامو. يأخذ المولد الطاقة الدورانية للتوربين ويحولها إلى طاقة كهربائية مفيدة باستخدام مولد كهرومغناطيسي (يمكن أن يكون مولد حثي أو مولد مغناطيسي دائم). تتميز مولدات الحث بسرعة مُصنّفة أقل، لذا تتطلب تطبيقات التوربينات عالية السرعة علبة تروس، ولكن يمكن تصميمها لتتوافق مع تردد الشبكة، مما يُغني عن استخدام محرك تردد متغير (VFD) لتوفير الكهرباء المولدة. من ناحية أخرى، يمكن توصيل مولدات المغناطيس الدائم مباشرةً بالتوربين عن طريق عمود الدوران، ونقل الطاقة إلى الشبكة عبر محرك تردد متغير. صُمم المولد لتوفير أقصى طاقة بناءً على طاقة عمود الدوران المتاحة في النظام.
الأختام. يُعدّ الختم أيضًا عنصرًا أساسيًا عند تصميم نظام توسيع التوربينات. وللحفاظ على كفاءة عالية والوفاء بالمعايير البيئية، يجب إحكام إغلاق الأنظمة لمنع تسربات غازات العمليات المحتملة. يمكن تجهيز أجهزة التوسيع التوربينية بأختام ديناميكية أو ثابتة. تُوفّر الأختام الديناميكية، مثل أختام المتاهة وأختام الغاز الجاف، ختمًا حول عمود دوار، عادةً بين عجلة التوربين والمحامل وباقي أجزاء الآلة حيث يوجد المولد. تتآكل الأختام الديناميكية بمرور الوقت وتتطلب صيانة وفحصًا دوريين لضمان عملها بشكل صحيح. عند وضع جميع مكونات جهاز التوسيع التوربيني في غلاف واحد، يمكن استخدام الأختام الثابتة لحماية أي أسلاك تخرج من الغلاف، بما في ذلك تلك المتجهة إلى المولد أو محركات المحامل المغناطيسية أو المستشعرات. توفر هذه الأختام المحكمة حماية دائمة ضد تسرب الغاز ولا تتطلب أي صيانة أو إصلاح.
من منظور العملية، يتمثل الشرط الأساسي لتركيب موسّع في إمداد نظام ضغط منخفض بغاز قابل للانضغاط (غير قابل للتكثيف) عالي الضغط، مع تدفق كافٍ وانخفاض في الضغط واستغلال كافٍ للحفاظ على التشغيل العادي للمعدات. ويتم الحفاظ على معايير التشغيل عند مستوى آمن وفعال.
من حيث وظيفة خفض الضغط، يُمكن استخدام المُوسِّع ليحل محل صمام جول-ثومسون (JT)، المعروف أيضًا بصمام الخانق. بما أن صمام JT يتحرك على مسار متساوي الحرارة، بينما يتحرك المُوسِّع على مسار شبه متساوي الحرارة، فإن الأخير يُخفِّض محتوى الغاز الحراري، ويُحوِّل فرق المحتوى الحراري إلى طاقة عمود، مما يُنتج درجة حرارة مخرج أقل من صمام JT. يُعدّ هذا مفيدًا في العمليات المُبرَّدة حيث يكون الهدف هو خفض درجة حرارة الغاز.
إذا كان هناك حد أدنى لدرجة حرارة غاز المخرج (على سبيل المثال، في محطة تخفيف الضغط حيث يجب الحفاظ على درجة حرارة الغاز أعلى من درجة التجمد أو الترطيب أو الحد الأدنى لدرجة حرارة تصميم المادة)، فيجب إضافة سخان واحد على الأقل. للتحكم في درجة حرارة الغاز. عند وضع جهاز التسخين المسبق أمام جهاز التمديد، يُسترد جزء من طاقة غاز التغذية في جهاز التمديد، مما يزيد من قدرته الإنتاجية. في بعض التكوينات التي تتطلب التحكم في درجة حرارة المخرج، يمكن تركيب سخان إعادة تسخين ثانٍ بعد جهاز التمديد لتوفير تحكم أسرع.
يوضح الشكل 3 مخططًا مبسطًا لمخطط التدفق العام لمولد التمدد مع سخان مسبق يستخدم لاستبدال صمام JT.
في تكوينات عمليات أخرى، يمكن نقل الطاقة المستعادة من المُوسِّع مباشرةً إلى الضاغط. عادةً ما تحتوي هذه الآلات، التي تُسمى أحيانًا "الوحدات القيادية"، 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 المكونات الأكثر أهمية التي تضمن التشغيل السليم واستقرار النظام.
صمام التجاوز أو صمام تخفيض الضغط. يسمح صمام التجاوز بمواصلة التشغيل عند توقف الموسّع التوربيني (على سبيل المثال، للصيانة أو في حالات الطوارئ)، بينما يُستخدم صمام تخفيض الضغط للتشغيل المستمر لتوفير فائض الغاز عندما يتجاوز التدفق الإجمالي السعة التصميمية للموسّع.
صمام الإغلاق في حالات الطوارئ (ESD). تُستخدم صمامات الإغلاق في حالات الطوارئ لمنع تدفق الغاز إلى الموسّع لتجنب التلف الميكانيكي.
الأجهزة والضوابط. من المتغيرات المهمة التي يجب مراقبتها ضغط الدخول والخروج، ومعدل التدفق، وسرعة الدوران، وقوة الإخراج.
القيادة بسرعة مفرطة. يقطع الجهاز تدفق الهواء إلى التوربين، مما يُبطئ دواره، وبالتالي يحمي المعدات من السرعات الزائدة الناتجة عن ظروف تشغيل غير متوقعة قد تُلحق الضرر بها.
صمام أمان الضغط (PSV). غالبًا ما تُركَّب صمامات أمان الضغط بعد مُوسِّع توربيني لحماية خطوط الأنابيب ومعدات الضغط المنخفض. يجب تصميم صمام أمان الضغط لتحمل أشدّ الظروف، والتي عادةً ما تشمل تعطل صمام التجاوز. في حال إضافة مُوسِّع إلى محطة تخفيض ضغط قائمة، يجب على فريق تصميم العملية تحديد ما إذا كان صمام أمان الضغط الحالي يوفر حماية كافية.
السخان. تُعوّض السخانات انخفاض درجة الحرارة الناتج عن مرور الغاز عبر التوربين، لذا يجب تسخين الغاز مُسبقًا. وظيفتها الرئيسية هي زيادة درجة حرارة تدفق الغاز المُتصاعد للحفاظ على درجة حرارة الغاز الخارج من المُوسّع فوق الحد الأدنى. ومن فوائد رفع درجة الحرارة أيضًا زيادة خرج الطاقة، بالإضافة إلى منع التآكل والتكثف والهيدرات التي قد تؤثر سلبًا على فوهات المعدات. في الأنظمة التي تحتوي على مبادلات حرارية (كما هو موضح في الشكل 3)، عادةً ما يتم التحكم في درجة حرارة الغاز عن طريق تنظيم تدفق السائل المُسخّن إلى المُسخّن المُسبق. في بعض التصميمات، يُمكن استخدام سخان لهب أو سخان كهربائي بدلًا من المبادل الحراري. قد توجد سخانات بالفعل في محطة صمام JT قائمة، وقد لا تتطلب إضافة مُوسّع تركيب سخانات إضافية، بل زيادة تدفق السائل المُسخّن.
أنظمة زيت التشحيم وغازات الختم. كما ذُكر سابقًا، يمكن أن تستخدم الموسّعات تصاميم مختلفة للختم، مما قد يتطلب زيوت تشحيم وغازات ختم. عند الاقتضاء، يجب أن يحافظ زيت التشحيم على جودة ونقاء عاليين عند ملامسته لغازات العمليات، ويجب أن يبقى مستوى لزوجة الزيت ضمن نطاق التشغيل المطلوب للمحامل المُشحّمة. عادةً ما تُجهّز أنظمة الغازات المُشحّمة بجهاز تزييت بالزيت لمنع دخول الزيت من صندوق المحامل إلى صندوق التمدد. بالنسبة للتطبيقات الخاصة للمكابس المُستخدمة في صناعة الهيدروكربونات، عادةً ما تُصمّم أنظمة زيت التشحيم وغازات الختم وفقًا لمواصفات API 617 [5] الجزء 4.
محرك التردد المتغير (VFD). عند تشغيل المولد بالحث، يُشغّل محرك التردد المتغير عادةً لضبط إشارة التيار المتردد (AC) لتتوافق مع تردد الخدمة. عادةً، 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 التمديد.
ناقل الحركة. تستخدم بعض تصميمات الموسّعات علبة تروس لخفض سرعتها إلى السرعة الاسمية للمولد. وتتمثل تكلفة استخدام علبة التروس في انخفاض الكفاءة الكلية، وبالتالي انخفاض إنتاج الطاقة.
عند إعداد طلب عرض أسعار (RFQ) للموسع، يجب على مهندس العملية أولاً تحديد ظروف التشغيل، بما في ذلك المعلومات التالية:
غالبًا ما يُكمل المهندسون الميكانيكيون مواصفات مولدات التمديد ومواصفاتها باستخدام بيانات من تخصصات هندسية أخرى. قد تشمل هذه المدخلات ما يلي:
ويجب أن تتضمن المواصفات أيضًا قائمة بالوثائق والرسومات التي قدمها المصنع كجزء من عملية العطاء ونطاق التوريد، بالإضافة إلى إجراءات الاختبار المعمول بها حسبما يقتضيه المشروع.
ينبغي أن تتضمن المعلومات الفنية التي يقدمها المصنع كجزء من عملية تقديم العطاءات بشكل عام العناصر التالية:
إذا اختلف أي جانب من جوانب الاقتراح 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 الاختلافات مبررة من الناحية الفنية.
وتشمل الاعتبارات الفنية الأخرى التي ينبغي مراعاتها عند تقييم المقترحات ما يلي:
وأخيرًا، يجب إجراء تحليل اقتصادي. نظرًا لأن اختلاف الخيارات قد يؤدي إلى اختلاف التكاليف الأولية، يُنصح بإجراء تحليل للتدفق النقدي أو تكاليف دورة الحياة لمقارنة الأداء الاقتصادي طويل الأجل للمشروع وعائد الاستثمار. على سبيل المثال، قد يُعوّض ارتفاع الاستثمار الأولي على المدى الطويل بزيادة الإنتاجية أو انخفاض متطلبات الصيانة. راجع "المراجع" للاطلاع على تعليمات هذا النوع من التحليل.
تتطلب جميع تطبيقات المولدات التوربينية المتوسعة حسابًا أوليًا لإجمالي الطاقة الكامنة لتحديد إجمالي الطاقة المتاحة التي يمكن استعادتها في تطبيق معين. في المولدات التوربينية المتوسعة، يُحسب جهد الطاقة كعملية متساوية الحرارة (إنتروبيا ثابتة). هذا هو الوضع الديناميكي الحراري الأمثل لدراسة عملية عكسية أديباتية بدون احتكاك، ولكنه العملية الصحيحة لتقدير جهد الطاقة الفعلي.
تُحسب طاقة الوضع الأيزنتروبي (IPP) بضرب فرق المحتوى الحراري النوعي عند مدخل ومخرج الموسّع التوربيني، ثم ضرب الناتج في معدل تدفق الكتلة. تُعبَّر هذه الطاقة الكامنة عن كمية أيزنتروبية (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 الأيزنتروبي وṁ هو معدل تدفق الكتلة.
على الرغم من إمكانية استخدام طاقة الوضع الأيزنتروبي لتقدير طاقة الوضع، إلا أن جميع الأنظمة الحقيقية تنطوي على احتكاك وحرارة وفواقد طاقة إضافية أخرى. لذلك، عند حساب طاقة الوضع الفعلية، يجب مراعاة بيانات الإدخال الإضافية التالية:
في معظم تطبيقات الموسع التوربيني، تُحدد درجة الحرارة عند أدنى حد لتجنب المشاكل غير المرغوب فيها، مثل تجمد الأنابيب المذكورة سابقًا. عند تدفق الغاز الطبيعي، تتواجد الهيدرات دائمًا تقريبًا، مما يعني أن خط الأنابيب الواقع أسفل الموسع التوربيني أو صمام الخانق سيتجمد داخليًا وخارجيًا إذا انخفضت درجة حرارة المخرج عن 0 درجة مئوية. قد يؤدي تكوّن الجليد إلى تقييد التدفق، وفي النهاية إلى إيقاف تشغيل النظام لإزالة الجليد. لذلك، تُستخدم درجة حرارة المخرج "المرغوبة" لحساب سيناريو طاقة محتملة أكثر واقعية. ومع ذلك، بالنسبة للغازات مثل الهيدروجين، يكون حد درجة الحرارة أقل بكثير، لأن الهيدروجين لا يتحول من غاز إلى سائل إلا عند درجة حرارة منخفضة جدًا (-253 درجة مئوية). استخدم درجة حرارة المخرج المرغوبة هذه لحساب المحتوى الحراري النوعي.
يجب أيضًا مراعاة كفاءة نظام التوربين المتوسع. تختلف كفاءة النظام اختلافًا كبيرًا باختلاف التقنية المستخدمة. على سبيل المثال، يُعاني التوربين المتوسع الذي يستخدم ترسًا مخفضًا لنقل الطاقة الدورانية من التوربين إلى المولد من خسائر احتكاك أكبر مقارنةً بالنظام الذي يستخدم الدفع المباشر من التوربين إلى المولد. تُعبَّر الكفاءة الكلية لنظام التوربين المتوسع كنسبة مئوية، وتُؤخذ في الاعتبار عند تقييم إمكانات القدرة الفعلية للتوربو المتوسع. تُحسب إمكانات القدرة الفعلية (PP) كما يلي:
PP = (هينليت – سداسي) × ṁ x ṅ (2)
لنلقِ نظرة على تطبيق تخفيف ضغط الغاز الطبيعي. تُشغّل شركة ABC وتُصان محطة لتخفيض الضغط تنقل الغاز الطبيعي من خط الأنابيب الرئيسي وتوزّعه على البلديات المحلية. في هذه المحطة، يبلغ ضغط دخول الغاز 40 بارًا وضغط خروجه 8 بارات. تبلغ درجة حرارة دخول الغاز المُسخّن مسبقًا 35 درجة مئوية، مما يُسخّن الغاز مُسبقًا لمنع تجمد خط الأنابيب. لذلك، يجب التحكم في درجة حرارة خروج الغاز بحيث لا تقل عن 0 درجة مئوية. في هذا المثال، سنستخدم 5 درجات مئوية كحد أدنى لدرجة حرارة خروج الغاز لزيادة عامل الأمان. يبلغ معدل تدفق الغاز الحجمي المُوحّد 50,000 نيوتن متر مكعب/ساعة. لحساب جهد الطاقة، سنفترض أن جميع الغاز يتدفق عبر مُوسّع التوربو، ونحسب أقصى قدرة خرج. قدّر جهد خرج الطاقة الإجمالي باستخدام العملية الحسابية التالية: