HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO., LTD.

Les extenseurs peuvent utiliser la réduction de pression pour entraîner des machines rotatives. Vous trouverez ici des informations sur l'évaluation des avantages potentiels de l'installation d'un extenseur.
Généralement, dans l'industrie des procédés chimiques (IPC), « une grande quantité d'énergie est gaspillée dans les vannes de régulation de pression où les fluides à haute pression doivent être dépressurisés » [1]. Selon divers facteurs techniques et économiques, il peut être souhaitable de convertir cette énergie en énergie mécanique rotative, laquelle peut être utilisée pour entraîner des générateurs ou d'autres machines rotatives. Pour les fluides incompressibles (liquides), cette conversion est réalisée à l'aide d'une turbine de récupération d'énergie hydraulique (HPRT ; voir référence 1). Pour les liquides compressibles (gaz), un détendeur est une machine appropriée.
Les détendeurs sont une technologie mature avec de nombreuses applications réussies telles que le craquage catalytique fluide (FCC), la réfrigération, les vannes de gaz naturel, la séparation de l'air ou les émissions de gaz d'échappement. En principe, tout flux de gaz à pression réduite peut être utilisé pour alimenter un détendeur, mais « la production d'énergie est directement proportionnelle au rapport de pression, à la température et au débit du flux de gaz » [2], ainsi qu'à la faisabilité technique et économique. Mise en œuvre de l'expandeur : Le procédé dépend de ces facteurs et d'autres, tels que les prix locaux de l'énergie et la disponibilité d'équipements adaptés par le fabricant.
Bien que le turbodétendeur (fonctionnant de manière similaire à une turbine) soit le type de détendeur le plus connu (figure 1), il en existe d'autres adaptés à différentes conditions de procédé. Cet article présente les principaux types de détendeurs et leurs composants, et résume comment les responsables d'exploitation, les consultants ou les auditeurs énergétiques de différentes divisions de CPI peuvent évaluer les avantages économiques et environnementaux potentiels de l'installation d'un détendeur.
Il existe de nombreux types de bandes de résistance, dont la géométrie et la fonction varient considérablement. Les principaux types sont présentés à la figure 2, et chaque type est brièvement décrit ci-dessous. Pour plus d'informations, ainsi que pour consulter des graphiques comparant l'état de fonctionnement de chaque type en fonction de diamètres et de vitesses spécifiques, consultez l'Aide.
Turbodétendeur à piston. Les turbodétendeurs à piston et à piston rotatif fonctionnent comme un moteur à combustion interne à rotation inversée, absorbant le gaz à haute pression et convertissant l'énergie stockée en énergie de rotation via le vilebrequin.
Faites glisser le turbo-détendeur. Le détendeur à turbine de frein est constitué d'une chambre d'écoulement concentrique avec des ailettes fixées à la périphérie de l'élément rotatif. Il est conçu de la même manière que les roues hydrauliques, mais la section transversale des chambres concentriques augmente de l'entrée à la sortie, permettant ainsi la détente du gaz.
Turbodétendeur radial. Les turbodétendeurs à flux radial possèdent une entrée axiale et une sortie radiale, permettant au gaz de se détendre radialement à travers la roue de la turbine. De même, les turbines à flux axial détendent le gaz à travers la roue de la turbine, mais la direction de l'écoulement reste parallèle à l'axe de rotation.
Cet article se concentre sur les turbodétendeurs radiaux et axiaux, discutant de leurs différents sous-types, composants et aspects économiques.
Un turbodétendeur extrait l'énergie d'un flux de gaz à haute pression et la convertit en charge motrice. Cette charge est généralement un compresseur ou un générateur relié à un arbre. Un turbodétendeur équipé d'un compresseur comprime le fluide dans d'autres parties du flux de procédé nécessitant un fluide comprimé, augmentant ainsi le rendement global de l'usine en utilisant l'énergie autrement gaspillée. Un turbodétendeur équipé d'un générateur convertit l'énergie en électricité, laquelle peut être utilisée dans d'autres procédés de l'usine ou restituée au réseau local pour être vendue.
Les turbodétendeurs peuvent être équipés soit d'un arbre d'entraînement direct reliant la roue de turbine à l'alternateur, soit d'un réducteur réduisant efficacement la vitesse d'entrée de la roue de turbine à l'alternateur grâce à un rapport de démultiplication. Les turbodétendeurs à entraînement direct offrent des avantages en termes d'efficacité, d'encombrement et de coûts de maintenance. Les turbodétendeurs à réducteur sont plus lourds et nécessitent un encombrement plus important, des équipements auxiliaires de lubrification et un entretien régulier.
Les turbodétendeurs à flux continu peuvent être des turbines radiales ou axiales. Les détendeurs à flux radial comportent une entrée axiale et une sortie radiale, de sorte que le flux de gaz sort de la turbine radialement par rapport à l'axe de rotation. Les turbines axiales permettent au gaz de s'écouler axialement le long de l'axe de rotation. Les turbines à flux axial extraient l'énergie du flux de gaz par les aubes directrices d'entrée jusqu'à la roue du détendeur, la section transversale de la chambre de détente augmentant progressivement pour maintenir une vitesse constante.
Un générateur turboexpander se compose de trois composants principaux : une roue de turbine, des roulements spéciaux et un générateur.
Roue de turbine. Les roues de turbine sont souvent conçues spécifiquement pour optimiser l'efficacité aérodynamique. Les variables d'application qui influencent la conception des roues de turbine comprennent la pression d'entrée/sortie, la température d'entrée/sortie, le débit volumique et les propriétés du fluide. Lorsque le taux de compression est trop élevé pour être réduit en un seul étage, un turbodétendeur à plusieurs roues de turbine est nécessaire. Les roues de turbine radiales et axiales peuvent être conçues comme des roues multi-étages, mais les roues axiales ont une longueur axiale beaucoup plus courte et sont donc plus compactes. Les turbines à flux radial multi-étages nécessitent un flux de gaz d'un axe à l'autre, puis de retour à l'axe, ce qui génère des pertes par frottement plus importantes que les turbines à flux axial.
Roulements. La conception des roulements est essentielle au bon fonctionnement d'un turbodétendeur. Les types de roulements utilisés varient considérablement selon la conception du turbodétendeur : paliers à huile, paliers à film liquide, roulements à billes traditionnels et paliers magnétiques. Chaque méthode présente ses avantages et ses inconvénients, comme indiqué dans le tableau 1.
De nombreux fabricants de turbodétendeurs choisissent les paliers magnétiques comme « paliers de prédilection » en raison de leurs avantages uniques. Ils assurent un fonctionnement sans frottement des composants dynamiques du turbodétendeur, réduisant ainsi considérablement les coûts d'exploitation et de maintenance tout au long de la durée de vie de la machine. Ils sont également conçus pour résister à une large gamme de charges axiales et radiales, ainsi qu'à des conditions de surcharge. Leur coût initial plus élevé est compensé par des coûts de cycle de vie bien inférieurs.
Dynamo. Le générateur récupère l'énergie de rotation de la turbine et la convertit en énergie électrique utile grâce à un générateur électromagnétique (qui peut être un générateur à induction ou un générateur à aimant permanent). Les générateurs à induction ont une vitesse nominale plus faible ; les turbines à grande vitesse nécessitent donc un réducteur. Cependant, ils peuvent être conçus pour s'adapter à la fréquence du réseau, éliminant ainsi le recours à un variateur de fréquence (VFD) pour fournir l'électricité produite. Les générateurs à aimant permanent, quant à eux, peuvent être directement couplés à l'arbre de la turbine et transmettre l'énergie au réseau via un variateur de fréquence. Le générateur est conçu pour fournir une puissance maximale en fonction de la puissance à l'arbre disponible dans le système.
Joints. Le joint est également un élément essentiel lors de la conception d'un turbodétendeur. Pour maintenir un rendement élevé et respecter les normes environnementales, les systèmes doivent être étanches afin d'éviter d'éventuelles fuites de gaz de procédé. Les turbodétendeurs peuvent être équipés de joints dynamiques ou statiques. Les joints dynamiques, tels que les joints labyrinthes et les joints à gaz sec, assurent l'étanchéité autour d'un arbre rotatif, généralement entre la roue de turbine, les roulements et le reste de la machine où se trouve le générateur. Les joints dynamiques s'usent avec le temps et nécessitent un entretien et des inspections réguliers pour garantir leur bon fonctionnement. Lorsque tous les composants du turbodétendeur sont regroupés dans un seul boîtier, des joints statiques peuvent être utilisés pour protéger les câbles sortant du boîtier, notamment ceux reliant le générateur, les entraînements par paliers magnétiques ou les capteurs. Ces joints étanches à l'air offrent une protection permanente contre les fuites de gaz et ne nécessitent ni entretien ni réparation.
D'un point de vue process, l'installation d'un détendeur exige avant tout l'alimentation en gaz compressible (non condensable) à haute pression d'un système basse pression, avec un débit, une perte de charge et une utilisation suffisants pour assurer le fonctionnement normal de l'équipement. Les paramètres de fonctionnement sont maintenus à un niveau sûr et efficace.
En termes de fonction de réduction de pression, le détendeur peut remplacer la vanne Joule-Thomson (JT), également appelée vanne papillon. Comme la vanne JT se déplace sur un trajet isentropique et le détendeur sur un trajet quasi isentropique, ce dernier réduit l'enthalpie du gaz et convertit la différence d'enthalpie en puissance à l'arbre, produisant ainsi une température de sortie inférieure à celle de la vanne JT. Ceci est utile dans les procédés cryogéniques où l'objectif est de réduire la température du gaz.
Si la température du gaz de sortie est inférieure à la limite (par exemple, dans une station de décompression où la température du gaz doit être maintenue au-dessus du point de congélation, de l'hydratation ou de la température minimale de conception du matériau), au moins un réchauffeur doit être ajouté pour contrôler la température du gaz. Lorsque le préchauffeur est situé en amont du détendeur, une partie de l'énergie du gaz d'alimentation est également récupérée dans le détendeur, augmentant ainsi sa puissance de sortie. Dans certaines configurations nécessitant un contrôle de la température de sortie, un deuxième réchauffeur peut être installé après le détendeur pour une régulation plus rapide.
La figure 3 montre un schéma simplifié du schéma de flux général d'un générateur d'expansion avec préchauffeur utilisé pour remplacer une vanne JT.
Dans d'autres configurations de procédé, l'énergie récupérée dans le détendeur peut être transférée directement au compresseur. Ces machines, parfois appelées « commandeurs », comportent généralement des étages de détente et de compression reliés par un ou plusieurs arbres, qui peuvent également inclure un réducteur pour réguler la différence de vitesse entre les deux étages. Elles peuvent également inclure un moteur supplémentaire pour fournir davantage de puissance à l'étage de compression.
Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des composants les plus importants qui assurent le bon fonctionnement et la stabilité du système.
Vanne de dérivation ou détendeur. La vanne de dérivation permet de poursuivre le fonctionnement du turbodétendeur lorsque celui-ci est à l'arrêt (par exemple, pour maintenance ou en cas d'urgence), tandis que le détendeur assure un fonctionnement continu afin de fournir un surplus de gaz lorsque le débit total dépasse la capacité nominale du détendeur.
Vanne d'arrêt d'urgence (ESD). Les vannes ESD servent à bloquer l'arrivée de gaz dans le détendeur en cas d'urgence afin d'éviter tout dommage mécanique.
Instruments et commandes. Les variables importantes à surveiller comprennent la pression d'entrée et de sortie, le débit, la vitesse de rotation et la puissance de sortie.
Conduite à vitesse excessive. Le dispositif coupe le débit vers la turbine, ce qui ralentit son rotor et protège ainsi l'équipement des vitesses excessives dues à des conditions de processus imprévues susceptibles de l'endommager.
Soupape de sécurité de pression (PSV). Les PSV sont souvent installées après un turbodétendeur pour protéger les canalisations et les équipements basse pression. La PSV doit être conçue pour résister aux aléas les plus graves, notamment la défaillance de la vanne de dérivation. Si un détendeur est ajouté à une station de réduction de pression existante, l'équipe de conception du procédé doit déterminer si la PSV existante offre une protection adéquate.
Réchauffeur. Les réchauffeurs compensent la chute de température provoquée par le passage du gaz dans la turbine ; le gaz doit donc être préchauffé. Leur fonction principale est d'augmenter la température du flux de gaz ascendant afin de maintenir la température du gaz sortant du détendeur au-dessus d'une valeur minimale. L'augmentation de la température permet également d'augmenter la puissance de sortie et de prévenir la corrosion, la condensation ou les hydrates qui pourraient endommager les buses de l'équipement. Dans les systèmes équipés d'échangeurs de chaleur (comme illustré à la figure 3), la température du gaz est généralement régulée en régulant le débit de liquide chauffé dans le préchauffeur. Dans certaines conceptions, un réchauffeur à flamme ou un réchauffeur électrique peut remplacer l'échangeur de chaleur. Des réchauffeurs peuvent déjà être présents dans une station de vannes JT existante, et l'ajout d'un détendeur peut ne pas nécessiter l'installation de réchauffeurs supplémentaires, mais plutôt une augmentation du débit de fluide chauffé.
Systèmes de lubrification à l'huile et de gaz d'étanchéité. Comme mentionné précédemment, les détendeurs peuvent utiliser différentes conceptions de joints, ce qui peut nécessiter des lubrifiants et des gaz d'étanchéité. Le cas échéant, l'huile de lubrification doit conserver une qualité et une pureté élevées au contact des gaz de procédé, et sa viscosité doit rester dans la plage de fonctionnement requise des paliers lubrifiés. Les systèmes de lubrification à l'huile sont généralement équipés d'un dispositif de lubrification à l'huile pour empêcher l'huile du boîtier de palier de pénétrer dans le boîtier de dilatation. Pour les applications spécifiques des compresseurs-extenseurs utilisés dans l'industrie des hydrocarbures, les systèmes de lubrification à l'huile et de gaz d'étanchéité sont généralement conçus selon les spécifications de la norme API 617 [5] Partie 4.
Variateur de fréquence (VFD). Lorsque le générateur est à induction, un VFD est généralement activé pour ajuster le signal de courant alternatif (CA) à la fréquence du réseau. Les conceptions basées sur des variateurs de fréquence présentent généralement un rendement global supérieur à celles utilisant des réducteurs ou d'autres composants mécaniques. Les systèmes basés sur des VFD peuvent également s'adapter à un plus large éventail de modifications de processus pouvant entraîner des variations de vitesse de l'arbre d'expansion.
Transmission. Certains modèles de détendeurs utilisent un réducteur pour réduire leur vitesse à la vitesse nominale du générateur. L'utilisation d'un réducteur entraîne une baisse du rendement global et donc de la puissance de sortie.
Lors de la préparation d'une demande de devis (RFQ) pour un détendeur, l'ingénieur de procédé doit d'abord déterminer les conditions de fonctionnement, y compris les informations suivantes :
Les ingénieurs mécaniciens établissent souvent les spécifications des générateurs d'expansion et les spécifications à partir de données provenant d'autres disciplines d'ingénierie. Ces données peuvent inclure les éléments suivants :
Les spécifications doivent également inclure une liste des documents et des dessins fournis par le fabricant dans le cadre du processus d'appel d'offres et de l'étendue de la fourniture, ainsi que les procédures d'essai applicables requises par le projet.
Les informations techniques fournies par le fabricant dans le cadre du processus d’appel d’offres doivent généralement inclure les éléments suivants :
Si un aspect de la proposition diffère des spécifications originales, le fabricant doit également fournir une liste des écarts et les raisons de ces écarts.
Une fois la proposition reçue, l’équipe de développement du projet doit examiner la demande de conformité et déterminer si les écarts sont techniquement justifiés.
D’autres considérations techniques à prendre en compte lors de l’évaluation des propositions comprennent :
Enfin, une analyse économique doit être réalisée. Étant donné que différentes options peuvent entraîner des coûts initiaux différents, il est recommandé de réaliser une analyse des flux de trésorerie ou du coût du cycle de vie afin de comparer les aspects économiques et le retour sur investissement à long terme du projet. Par exemple, un investissement initial plus élevé peut être compensé à long terme par une productivité accrue ou des besoins de maintenance réduits. Voir la section « Références » pour des instructions sur ce type d'analyse.
Toutes les applications de turbodétendeur-générateur nécessitent un calcul initial de la puissance potentielle totale afin de déterminer la quantité totale d'énergie récupérable dans une application donnée. Pour un turbodétendeur, le potentiel de puissance est calculé selon un processus isentropique (à entropie constante). Il s'agit de la situation thermodynamique idéale pour envisager un processus adiabatique réversible sans frottement, mais c'est également la méthode appropriée pour estimer le potentiel énergétique réel.
L'énergie potentielle isentropique (IPP) se calcule en multipliant la différence d'enthalpie spécifique à l'entrée et à la sortie du turbodétendeur par le débit massique. Cette énergie potentielle est exprimée sous forme de grandeur isentropique (équation (1)) :
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
où h(i,e) est l'enthalpie spécifique prenant en compte la température de sortie isentropique et ṁ est le débit massique.
Bien que l'énergie potentielle isentropique puisse être utilisée pour estimer l'énergie potentielle, tous les systèmes réels impliquent des frottements, de la chaleur et d'autres pertes d'énergie auxiliaires. Par conséquent, lors du calcul du potentiel de puissance réel, les données d'entrée supplémentaires suivantes doivent être prises en compte :
Dans la plupart des applications de turbodétendeurs, la température est limitée au minimum afin d'éviter les problèmes indésirables tels que le gel des conduites mentionnés précédemment. Dans les écoulements de gaz naturel, des hydrates sont presque toujours présents, ce qui signifie que la conduite en aval d'un turbodétendeur ou d'un papillon gèlera intérieurement et extérieurement si la température de sortie descend en dessous de 0 °C. La formation de glace peut entraîner une restriction du débit et, à terme, l'arrêt du système pour dégivrage. Ainsi, la température de sortie « souhaitée » est utilisée pour calculer un scénario de puissance potentielle plus réaliste. Cependant, pour les gaz comme l'hydrogène, la limite de température est beaucoup plus basse, car l'hydrogène ne passe de l'état gazeux à l'état liquide qu'à une température cryogénique (-253 °C). Utilisez cette température de sortie souhaitée pour calculer l'enthalpie spécifique.
Le rendement du turbodétendeur doit également être pris en compte. Selon la technologie utilisée, le rendement du système peut varier considérablement. Par exemple, un turbodétendeur utilisant un réducteur pour transférer l'énergie de rotation de la turbine à l'alternateur subira des pertes par frottement plus importantes qu'un système utilisant un entraînement direct de la turbine à l'alternateur. Le rendement global d'un turbodétendeur est exprimé en pourcentage et est pris en compte pour évaluer le potentiel de puissance réel du turbodétendeur. Le potentiel de puissance réel (PP) est calculé comme suit :
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Examinons l'application de la décompression du gaz naturel. ABC exploite et entretient une station de détente qui transporte le gaz naturel du gazoduc principal vers les municipalités locales. Dans cette station, la pression d'entrée du gaz est de 40 bars et la pression de sortie de 8 bars. La température d'entrée du gaz préchauffé est de 35 °C, ce qui prévient le gel du gaz. Par conséquent, la température de sortie du gaz doit être contrôlée afin de ne pas descendre en dessous de 0 °C. Dans cet exemple, nous utiliserons 5 °C comme température de sortie minimale afin d'augmenter le facteur de sécurité. Le débit volumétrique normalisé du gaz est de 50 000 Nm³/h. Pour calculer le potentiel de puissance, nous supposerons que tout le gaz traverse le turbo-détendeur et calculerons la puissance de sortie maximale. Estimez le potentiel de puissance totale à l'aide du calcul suivant :