Les expanseurs peuvent utiliser la réduction de la pression pour entraîner des machines rotatives. Des informations sur la façon d'évaluer les avantages potentiels de l'installation d'un extenseur peuvent être trouvés ici.
En règle générale, dans l'industrie des processus chimiques (IPC), «une grande quantité d'énergie est gaspillée dans les soupapes de contrôle de pression où les liquides 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, qui peut être utilisée pour conduire des générateurs ou d'autres machines rotatives. Pour les liquides incompressibles (liquides), ceci est réalisé à l'aide d'une turbine de récupération d'énergie hydraulique (HPRT; voir référence 1). Pour les liquides compressibles (gaz), un expanseur est une machine appropriée.
Les expanseurs sont une technologie mature avec de nombreuses applications réussies telles que la fissuration catalytique fluide (FCC), la réfrigération, les vannes de la ville au gaz naturel, la séparation de l'air ou les émissions d'échappement. En principe, tout flux de gaz avec une pression réduite peut être utilisé pour conduire un expanseur, mais «la production d'énergie est directement proportionnelle au rapport de pression, à la température et au débit du flux de gaz» [2], ainsi que de la faisabilité technique et économique. Mise en œuvre de l'expandeur: Le processus dépend de ces facteurs et d'autres, tels que les prix de l'énergie locaux et la disponibilité par le fabricant d'équipements appropriés.
Bien que le turboexpander (fonctionnant de manière similaire à une turbine) soit le type d'expanseur le plus connu (figure 1), il existe d'autres types adaptés à différentes conditions de processus. Cet article présente les principaux types d'extensions et leurs composants et résume comment les gestionnaires des opérations, les consultants ou les auditeurs énergétiques dans diverses divisions IPC peuvent évaluer les avantages économiques et environnementaux potentiels de l'installation d'un expannage.
Il existe de nombreux types de bandes de résistance qui varient considérablement en géométrie et en fonction. Les principaux types sont illustrés à la figure 2, et chaque type est brièvement décrit ci-dessous. Pour plus d'informations, ainsi que des graphiques comparant l'état de fonctionnement de chaque type basé sur des diamètres spécifiques et des vitesses spécifiques, voir l'aide. 3 et 3
Piston Turboexpander. Les turboexpandeurs de piston et de piston rotatif fonctionnent comme un moteur à combustion interne rotatif inversé, absorbant le gaz à haute pression et convertissant son énergie stockée en énergie rotationnelle à travers le vilebrequin.
Faites glisser le turbo Expander. L'expanseur de turbine de frein se compose d'une chambre d'écoulement concentrique avec des nageoires de seau attachées à la périphérie de l'élément rotatif. Ils sont conçus de la même manière que les roues à eau, mais la coupe transversale des chambres concentriques passe de l'entrée à la prise, permettant au gaz de se développer.
Turboexpander radial. Les turboexpandeurs à débit radial ont une entrée axiale et une sortie radiale, permettant au gaz de se développer radialement à travers la turbine. De même, les turbines à débit axiales développent 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 turboexpandeurs radiaux et axiaux, discutant de leurs différents sous-types, composants et économies.
Un turboexpander extrait l'énergie d'un flux de gaz à haute pression et le convertit en charge d'entraînement. En règle générale, la charge est un compresseur ou un générateur connecté à un arbre. Un turboexpander avec un compresseur compresse le liquide dans d'autres parties du flux de processus qui nécessitent du liquide comprimé, augmentant ainsi l'efficacité globale de la plante en utilisant l'énergie autrement gaspillée. Un turboexpander avec une charge de générateur convertit l'énergie en électricité, qui peut être utilisé dans d'autres processus de plantes ou retourné au réseau local à vendre.
Les générateurs de turboexpandes peuvent être équipés soit d'un arbre d'entraînement direct de la roue de la turbine au générateur, soit via une boîte de vitesses qui réduit efficacement la vitesse d'entrée de la roue de la turbine au générateur via un rapport de vitesse. Les turboexpandeurs directs offrent des avantages en matière d'efficacité, d'empreinte et de maintenance. Les turboexpandeurs de boîte de vitesses sont plus lourds et nécessitent une empreinte plus grande, un équipement auxiliaire de lubrification et un entretien régulier.
Les turboexpandeurs à écoulement peuvent être fabriqués sous la forme de turbines radiales ou axiales. Les expanseurs de débit radial contiennent une entrée axiale et une sortie radiale de telle sorte que le débit de gaz quitte la turbine radialement à partir de l'axe de rotation. Les turbines axiales permettent au gaz de s'écouler axialement le long de l'axe de rotation. Les turbines à débit axial extraient l'énergie du flux de gaz à travers les aubes de guidage d'entrée vers la roue d'expanseur, la zone transversale de la chambre d'expansion augmentant progressivement pour maintenir une vitesse constante.
Un générateur de 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 affectent la conception des roues de la turbine comprennent la pression d'entrée / sortie, la température d'entrée / sortie, le débit de volume et les propriétés du fluide. Lorsque le rapport de compression est trop élevé pour être réduit à une étape, un turboexpander avec plusieurs roues de turbine est nécessaire. Les roues de turbine radiale et axiale peuvent être conçues comme des roues à plusieurs étages, mais les roues de turbine axiale ont une longueur axiale beaucoup plus courte et sont donc plus compactes. Les turbines à débit radial à plusieurs étages nécessitent que le gaz s'écoule de l'axial au radial et du dos à axial, créant des pertes de frottement plus élevées que les turbines à débit axiales.
Roulements. La conception de roulements est essentielle au fonctionnement efficace d'un turboexpander. Les types de roulements liés aux conceptions de turboexpandes varient considérablement et peuvent inclure des roulements à huile, des roulements de films liquides, des roulements à billes traditionnels et des roulements magnétiques. Chaque méthode présente ses propres avantages et inconvénients, comme le montre le tableau 1.
De nombreux fabricants de turboexpandes sélectionnent les roulements magnétiques comme leur «roulement de choix» en raison de leurs avantages uniques. Les roulements magnétiques garantissent le fonctionnement sans frottement des composants dynamiques du turboexpander, ce qui réduit considérablement les coûts d'exploitation et de maintenance pendant la durée de vie de la machine. Ils sont également conçus pour résister à un large éventail de charges axiales et radiales et de conditions de surprise. Leurs coûts initiaux plus élevés sont compensés par des coûts de cycle de vie beaucoup plus bas.
dynamo. Le générateur prend l'énergie de rotation de la turbine et le convertit en énergie électrique utile à l'aide d'un générateur électromagnétique (qui peut être un générateur d'induction ou un générateur d'aimant permanent). Les générateurs d'induction ont une vitesse inférieure, donc les applications de turbine à grande vitesse nécessitent une boîte de vitesses, mais peuvent être conçues pour correspondre à la fréquence du réseau, éliminant le besoin d'un entraînement de fréquence variable (VFD) pour fournir l'électricité générée. Les générateurs d'aimant permanent, en revanche, peuvent être directement couplés à l'arbre à la turbine et transmettre la puissance à la grille via un entraînement de fréquence variable. Le générateur est conçu pour fournir une puissance maximale en fonction de la puissance de l'arbre disponible dans le système.
Scellés. Le sceau est également un composant critique lors de la conception d'un système de turboexpander. Pour maintenir une efficacité élevée et respecter les normes environnementales, les systèmes doivent être scellés pour empêcher les fuites de gaz de processus potentiels. Les turboexpandeurs peuvent être équipés de joints dynamiques ou statiques. Les joints dynamiques, tels que les joints de labyrinthe et les joints de gaz sec, fournissent un joint autour d'un arbre rotatif, généralement entre la roue de la 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 une inspection réguliers pour s'assurer qu'ils fonctionnent correctement. Lorsque tous les composants de turboexpander sont contenus dans un seul boîtier, des joints statiques peuvent être utilisés pour protéger tous les pistes sortant du boîtier, y compris au générateur, à des entraînements magnétiques ou à des capteurs. Ces joints étanches offrent une protection permanente contre les fuites de gaz et ne nécessitent aucune entretien ni réparation.
Du point de vue du processus, la principale exigence d'installation d'un expanseur est de fournir du gaz compressible (non condensable) à haute pression (non condensable) à un système à basse pression avec un débit, une chute de pression et une utilisation suffisants pour maintenir un fonctionnement normal de l'équipement. Les paramètres de fonctionnement sont maintenus à un niveau sûr et efficace.
En termes de fonction de réduction de la pression, l'expanseur peut être utilisé pour remplacer la valve Joule-Thomson (JT), également connue sous le nom de valve d'accélérateur. Étant donné que la valve JT se déplace le long d'un chemin isentropique et que l'expanseur se déplace le long d'un chemin presque isentropique, ce dernier réduit l'enthalpie du gaz et convertit la différence d'enthalpie en puissance de la tige, produisant ainsi une température de sortie plus basse que la valve JT. Ceci est utile dans les processus cryogéniques où l'objectif est de réduire la température du gaz.
S'il y a une limite inférieure à la température du gaz de sortie (par exemple, dans une station de décompression où la température du gaz doit être maintenue au-dessus de la congélation, de l'hydratation ou de la température minimale de conception du matériau), au moins un radiateur doit être ajouté. contrôler la température du gaz. Lorsque le préchauffeur est situé en amont de l'expanseur, une partie de l'énergie du gaz d'alimentation est également récupérée dans l'expanseur, augmentant ainsi sa puissance. Dans certaines configurations où le contrôle de la température de sortie est requis, un deuxième réchauffeur peut être installé après l'expanseur pour fournir un contrôle plus rapide.
Sur la figure. La figure 3 montre un diagramme simplifié du diagramme d'écoulement général d'un générateur d'expansion avec préchauffeur utilisé pour remplacer une valve JT.
Dans d'autres configurations de processus, l'énergie récupérée dans l'expanseur peut être transférée directement au compresseur. Ces machines, parfois appelées «commandants», ont généralement des étapes d'extension et de compression connectées par un ou plusieurs arbres, qui peuvent également inclure une boîte de vitesses pour réguler la différence de vitesse entre les deux étapes. Il peut également inclure un moteur supplémentaire pour fournir plus de puissance au stade de compression.
Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des composants les plus importants qui garantissent un fonctionnement et une stabilité appropriés du système.
Contauage de la soupape ou de la soupape de réduction de la pression. La soupape de dérivation permet au fonctionnement de continuer lorsque le turboexpander ne fonctionne pas (par exemple, pour l'entretien ou une urgence), tandis que la soupape de réduction de pression est utilisée pour un fonctionnement continu afin de fournir un excès de gaz lorsque le débit total dépasse la capacité de conception de l'expanseur.
Vanne d'arrêt d'urgence (ESD). Les soupapes ESD sont utilisées pour bloquer le flux de gaz dans l'expanseur en cas d'urgence afin d'éviter les dommages mécaniques.
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.
Conduire à une vitesse excessive. L'appareil coupe le débit vers la turbine, provoquant le ralentissement du rotor de turbine, protégeant ainsi l'équipement contre des vitesses excessives en raison de conditions de processus inattendues qui pourraient endommager l'équipement.
Vanne de sécurité sous pression (PSV). Les PSV sont souvent installés après un turboexpander pour protéger les pipelines et l'équipement à basse pression. Le PSV doit être conçu pour résister aux contingences les plus graves, qui incluent généralement la défaillance de la vanne de dérivation à ouvrir. Si un expanseur est ajouté à une station de réduction de pression existante, l'équipe de conception de processus doit déterminer si le PSV existant offre une protection adéquate.
Chauffage. Les radiateurs compensent la chute de température causée par le gaz traversant la turbine, de sorte que le gaz doit être préchauffé. Sa fonction principale est d'augmenter la température du flux de gaz augmentant pour maintenir la température du gaz, laissant l'expanseur au-dessus d'une valeur minimale. Un autre avantage de l'augmentation de la température consiste à augmenter la puissance de puissance et à empêcher la corrosion, la condensation ou les hydrates qui pourraient nuire aux buses d'équipement. Dans les systèmes contenant des échangeurs de chaleur (comme le montre la figure 3), la température du gaz est généralement contrôlée en régulant l'écoulement de liquide chauffé dans le préchauffeur. Dans certains modèles, un radiateur à flamme ou un radiateur électrique peut être utilisé à la place d'un échangeur de chaleur. Les radiateurs peuvent déjà exister dans une station de soupape JT existante, et l'ajout d'un expanseur peut ne pas nécessiter d'installation de radiateurs supplémentaires, mais plutôt d'augmenter l'écoulement du fluide chauffé.
Lubrifier les systèmes de gaz de pétrole et de phoque. Comme mentionné ci-dessus, les expanseurs peuvent utiliser différentes conceptions de joints, qui peuvent nécessiter des lubrifiants et des gaz d'étanchéité. Le cas échéant, l'huile de lubrification doit maintenir une qualité et une pureté de haute qualité lorsqu'elles sont en contact avec les gaz de processus, et le niveau de viscosité de l'huile doit rester dans la plage de fonctionnement requise des roulements lubrifiés. Les systèmes de gaz scellés sont généralement équipés d'un dispositif de lubrification du pétrole pour empêcher l'huile de la boîte de roulement de pénétrer dans la boîte d'extension. Pour les applications spéciales des compandeurs utilisées dans l'industrie des hydrocarbures, les systèmes de gaz de l'huile de lubrification et de phoque sont généralement conçus pour les spécifications de l'API 617 [5] partie 4.
Drive de fréquence variable (VFD). Lorsque le générateur est induction, un VFD est généralement activé pour ajuster le signal de courant alternatif (AC) pour correspondre à la fréquence d'utilité. En règle générale, les conceptions basées sur des lecteurs de fréquence variables ont une efficacité globale plus élevée que les conceptions qui utilisent des boîtes de vitesses ou d'autres composants mécaniques. Les systèmes basés sur les VFD peuvent également s'adapter à une gamme plus large de changements de processus qui peuvent entraîner des changements dans la vitesse de l'arbre d'expansion.
Transmission. Certains conceptions d'expanneur utilisent une boîte de vitesses pour réduire la vitesse de l'expanseur vers la vitesse nominale du générateur. Le coût de l'utilisation d'une boîte de vitesses est une efficacité globale plus faible et donc une puissance de sortie plus faible.
Lors de la préparation d'une demande de devis (RFQ) pour un expanseur, l'ingénieur du processus doit d'abord déterminer les conditions de fonctionnement, y compris les informations suivantes:
Les ingénieurs en mécanique complètent souvent les spécifications et les spécifications du générateur d'expandeurs en utilisant les données d'autres disciplines d'ingénierie. Ces entrées peuvent inclure les éléments suivants:
Les spécifications doivent également inclure une liste de documents et dessins fournis par le fabricant dans le cadre du processus d'appel d'offres et de la portée de l'offre, ainsi que des procédures de test applicables, comme l'exige 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 d'origine, le fabricant doit également fournir une liste d'écarts et les raisons des écarts.
Une fois une proposition reçue, l'équipe de développement du projet doit examiner la demande de conformité et déterminer si les variances sont techniquement justifiées.
Les autres considérations techniques à considérer lors de l'évaluation des propositions comprennent:
Enfin, une analyse économique doit être effectuée. Étant donné que différentes options peuvent entraîner des coûts initiaux différents, il est recommandé qu'une analyse des coûts de trésorerie ou un cycle de vie soit effectuée pour comparer l'économie à long terme du projet et le retour sur investissement. Par exemple, un investissement initial plus élevé peut être compensé à long terme par une productivité accrue ou une réduction des exigences de maintenance. Voir «Références» pour des instructions sur ce type d'analyse. 4
Toutes les applications de générateur de turboexpander nécessitent un calcul initial de puissance potentielle totale pour déterminer la quantité totale d'énergie disponible qui peut être récupérée dans une application particulière. Pour un générateur de turboexpander, le potentiel de puissance est calculé comme un processus isentropique (entropie constante). Il s'agit de la situation thermodynamique idéale pour considérer un processus adiabatique réversible sans frottement, mais c'est le processus correct pour estimer le potentiel énergétique réel.
L'énergie potentielle isentropique (IPP) est calculée en multipliant la différence d'enthalpie spécifique à l'entrée et à la sortie du turboexpander et en multipliant le résultat par le débit massique. Cette énergie potentielle sera exprimée en quantité isentropique (équation (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
où h (i, e) est l'enthalpie spécifique qui tient compte de 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 la friction, la chaleur et d'autres pertes d'énergie auxiliaires. Ainsi, 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 turboexpander, la température est limitée à un minimum pour empêcher les problèmes indésirables tels que la congélation des tuyaux mentionnés précédemment. Lorsque les flux de gaz naturel, les hydrates sont presque toujours présents, ce qui signifie que le pipeline en aval d'un turboexpander ou d'une valve de papillon se figera à l'intérieur et à l'extérieur si la température de sortie baisse en dessous de 0 ° C. La formation de glace peut entraîner une restriction d'écoulement et finalement arrêter le système pour décongeler. Ainsi, la température de sortie «souhaitée» est utilisée pour calculer un scénario de puissance potentiel plus réaliste. Cependant, pour les gaz tels que l'hydrogène, la limite de température est beaucoup plus faible car l'hydrogène ne passe pas du gaz au liquide jusqu'à ce qu'il atteigne la température cryogénique (-253 ° C). Utilisez cette température de sortie souhaitée pour calculer l'enthalpie spécifique.
L'efficacité du système turboexpander doit également être envisagée. Selon la technologie utilisée, l'efficacité du système peut varier considérablement. Par exemple, un turboexpander qui utilise un engrenage de réduction pour transférer l'énergie de rotation de la turbine vers le générateur subira des pertes de frottement plus importantes qu'un système qui utilise un entraînement direct de la turbine vers le générateur. L'efficacité globale d'un système de turboexpander est exprimée en pourcentage et est prise en compte lors de l'évaluation du potentiel de puissance réel du turboexpander. Le potentiel de puissance réel (PP) est calculé comme suit:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Examinons l'application du soulagement de la pression du gaz naturel. ABC exploite et maintient une station de réduction de pression qui transporte le gaz naturel du pipeline principal et le distribue aux municipalités locales. À cette station, la pression d'entrée au gaz est de 40 bar et la pression de sortie est de 8 bar. La température préchauffée du gaz d'entrée est de 35 ° C, ce qui préchauffe le gaz pour empêcher la congélation du pipeline. Par conséquent, la température du gaz de sortie doit être contrôlée afin qu'elle ne tombe pas en dessous de 0 ° C. Dans cet exemple, nous utiliserons 5 ° C comme température minimale de sortie pour augmenter le facteur de sécurité. Le débit de gaz volumétrique normalisé est de 50 000 nm3 / h. Pour calculer le potentiel de puissance, nous supposerons que tout le gaz passe à travers le turbo Expander et calcule la puissance maximale. Estimer le potentiel de puissance totale de puissance en utilisant le calcul suivant:
Heure du poste: mai 25-2024