Wapanuzi wanaweza kutumia kupunguza shinikizo kuendesha mashine zinazozunguka. Maelezo kuhusu jinsi ya kutathmini faida zinazowezekana za kusakinisha kirefushi kinaweza kupatikana hapa.
Kwa kawaida katika tasnia ya mchakato wa kemikali (CPI), "kiasi kikubwa cha nishati hupotea katika vali za kudhibiti shinikizo ambapo vimiminiko vya shinikizo la juu lazima vipunguzwe" [1]. Kulingana na mambo mbalimbali ya kiufundi na kiuchumi, inaweza kuhitajika kubadili nishati hii katika nishati ya mitambo inayozunguka, ambayo inaweza kutumika kuendesha jenereta au mashine nyingine zinazozunguka. Kwa vimiminiko visivyoshinikizwa (kimiminiko), hii inafanikiwa kwa kutumia turbine ya kurejesha nishati ya majimaji (HPRT; tazama rejeleo 1). Kwa liquids compressible (gesi), expander ni mashine inayofaa.
Vipanuzi ni teknolojia iliyokomaa iliyo na matumizi mengi yaliyofaulu kama vile kupasuka kwa kichocheo cha maji (FCC), friji, vali za jiji la gesi asilia, kutenganisha hewa au utoaji wa moshi. Kimsingi, mkondo wowote wa gesi ulio na shinikizo lililopunguzwa unaweza kutumika kuendesha kipanuzi, lakini "pato la nishati linalingana moja kwa moja na uwiano wa shinikizo, joto na kiwango cha mtiririko wa mkondo wa gesi" [2], pamoja na uwezekano wa kiufundi na kiuchumi. Utekelezaji wa Kipanuzi: Mchakato hutegemea mambo haya na mengine, kama vile bei za nishati za ndani na upatikanaji wa mtengenezaji wa vifaa vinavyofaa.
Ingawa turboexpander (inayofanya kazi sawa na turbine) ndiyo aina inayojulikana zaidi ya kipanuzi (Mchoro 1), kuna aina zingine zinazofaa kwa hali tofauti za mchakato. Makala haya yanatanguliza aina kuu za vipanuzi na vijenzi vyao na muhtasari wa jinsi wasimamizi wa utendakazi, washauri au wakaguzi wa nishati katika vitengo mbalimbali vya CPI wanaweza kutathmini manufaa ya kiuchumi na kimazingira ya kusakinisha kipanuzi.
Kuna aina nyingi tofauti za bendi za upinzani ambazo hutofautiana sana katika jiometri na kazi. Aina kuu zinaonyeshwa kwenye Mchoro 2, na kila aina imeelezwa kwa ufupi hapa chini. Kwa maelezo zaidi, pamoja na grafu zinazolinganisha hali ya uendeshaji ya kila aina kulingana na kipenyo maalum na kasi maalum, angalia Usaidizi. 3.
Piston turboexpander. Pistoni na turboexpanders za pistoni za mzunguko hufanya kazi kama injini ya mwako ya ndani inayozunguka kinyume, inachukua gesi yenye shinikizo la juu na kubadilisha nishati yake iliyohifadhiwa kuwa nishati ya mzunguko kupitia crankshaft.
Buruta kipanuzi cha turbo. Kipanuzi cha turbine ya breki kina chumba cha mtiririko kilicho makini na mapezi ya ndoo yaliyounganishwa kwenye ukingo wa kipengele kinachozunguka. Zimeundwa kwa njia sawa na magurudumu ya maji, lakini sehemu ya msalaba ya vyumba vya kuzingatia huongezeka kutoka kwa pembejeo hadi kwenye, kuruhusu gesi kupanua.
Turboexpander ya radial. Radial flow turboexpanders ina ingizo la axial na plagi ya radial, kuruhusu gesi kupanua radially kupitia impela ya turbine. Vile vile, turbine za mtiririko wa axial hupanua gesi kupitia gurudumu la turbine, lakini mwelekeo wa mtiririko unabaki sambamba na mhimili wa mzunguko.
Nakala hii inaangazia turboexpander za radial na axial, zinazojadili aina zao ndogo, vipengee, na uchumi.
Turboexpander hutoa nishati kutoka kwa mkondo wa gesi ya shinikizo la juu na kuibadilisha kuwa mzigo wa gari. Kawaida mzigo ni compressor au jenereta iliyounganishwa na shimoni. Turboexpander yenye kikandamizaji hubana kiowevu katika sehemu nyingine za mkondo zinazohitaji umajimaji uliobanwa, na hivyo kuongeza ufanisi wa jumla wa mmea kwa kutumia nishati ambayo hupotea vinginevyo. Turboexpander yenye mzigo wa jenereta hubadilisha nishati kuwa umeme, ambayo inaweza kutumika katika michakato mingine ya mimea au kurudi kwenye gridi ya ndani kwa ajili ya kuuza.
Jenereta za turboexpander zinaweza kuwekwa na shimoni la gari la moja kwa moja kutoka kwa gurudumu la turbine hadi jenereta, au kupitia sanduku la gia ambalo hupunguza kasi ya uingizaji kutoka kwa gurudumu la turbine hadi jenereta kupitia uwiano wa gia. Direct drive turboexpanders hutoa faida katika ufanisi, nyayo na gharama za matengenezo. Gearbox turboexpanders ni nzito na zinahitaji nyayo kubwa zaidi, vifaa vya usaidizi vya ulainishaji, na matengenezo ya mara kwa mara.
Flow-through turboexpanders inaweza kufanywa kwa namna ya turbine za radial au axial. Vipanuzi vya mtiririko wa radial vina kiingilio cha axial na mkondo wa radial hivi kwamba mtiririko wa gesi hutoka kwenye turbine kwa radi kutoka kwa mhimili wa mzunguko. Mitambo ya axial huruhusu gesi kutiririka kwa axial kwenye mhimili wa mzunguko. Mitambo ya mtiririko wa axial huchota nishati kutoka kwa mtiririko wa gesi kupitia vani za mwongozo wa ghuba hadi gurudumu la kipanuzi, na eneo la sehemu ya msalaba ya chumba cha upanuzi huongezeka polepole ili kudumisha kasi isiyobadilika.
Jenereta ya turboexpander ina vipengele vitatu kuu: gurudumu la turbine, fani maalum na jenereta.
Gurudumu la turbine. Magurudumu ya turbine mara nyingi hutengenezwa mahususi ili kuboresha ufanisi wa aerodynamic. Vigezo vya programu vinavyoathiri muundo wa gurudumu la turbine ni pamoja na shinikizo la kuingiza/kutoa, halijoto ya kuingiza/kutoa, mtiririko wa kiasi na sifa za umajimaji. Wakati uwiano wa compression ni wa juu sana kupunguzwa katika hatua moja, turboexpander yenye magurudumu mengi ya turbine inahitajika. Magurudumu ya turbine ya radial na axial yanaweza kuundwa kama yale ya hatua nyingi, lakini magurudumu ya axial turbine yana urefu mfupi zaidi wa axial na kwa hivyo ni kongamano zaidi. Mitambo ya mtiririko wa radial ya hatua nyingi huhitaji gesi kutiririka kutoka kwa axial hadi radial na kurudi kwa axial, na kusababisha hasara kubwa zaidi ya msuguano kuliko turbines za axial.
fani. Ubunifu wa kuzaa ni muhimu kwa uendeshaji mzuri wa turboexpander. Aina za kuzaa zinazohusiana na miundo ya turboexpander hutofautiana sana na zinaweza kujumuisha fani za mafuta, fani za filamu za kioevu, fani za jadi za mpira, na fani za sumaku. Kila njia ina faida na hasara zake, kama inavyoonyeshwa kwenye Jedwali 1.
Watengenezaji wengi wa turboexpander huchagua fani za sumaku kama "kubeba chaguo" kwa sababu ya faida zao za kipekee. Fani za sumaku huhakikisha uendeshaji usio na msuguano wa vipengele vya nguvu vya turboexpander, kwa kiasi kikubwa kupunguza gharama za uendeshaji na matengenezo katika maisha ya mashine. Pia zimeundwa kuhimili mizigo mbalimbali ya axial na radial na hali ya overstress. Gharama zao za juu za awali hupunguzwa na gharama za chini sana za mzunguko wa maisha.
nguvu. Jenereta huchukua nishati ya mzunguko wa turbine na kuibadilisha kuwa nishati muhimu ya umeme kwa kutumia jenereta ya umeme (ambayo inaweza kuwa jenereta ya induction au jenereta ya kudumu ya sumaku). Jenereta za utangulizi zina kasi ya chini iliyokadiriwa, kwa hivyo utumaji wa turbine ya kasi ya juu huhitaji kisanduku cha gia, lakini inaweza kuundwa ili kuendana na mzunguko wa gridi ya taifa, kuondoa hitaji la kiendeshi cha masafa tofauti (VFD) ili kusambaza umeme unaozalishwa. Jenereta za sumaku za kudumu, kwa upande mwingine, zinaweza kuunganishwa moja kwa moja kwenye turbine na kusambaza nguvu kwenye gridi ya taifa kupitia kiendeshi cha masafa ya kutofautiana. Jenereta imeundwa kutoa nguvu ya juu kulingana na nguvu ya shimoni inayopatikana kwenye mfumo.
Mihuri. Muhuri pia ni sehemu muhimu wakati wa kuunda mfumo wa turboexpander. Ili kudumisha ufanisi wa juu na kufikia viwango vya mazingira, mifumo lazima imefungwa ili kuzuia uvujaji wa mchakato wa gesi unaowezekana. Turboexpanders inaweza kuwa na vifaa vya mihuri ya nguvu au tuli. Mihuri inayobadilika, kama vile labyrinth na sili kavu za gesi, hutoa muhuri karibu na shimoni inayozunguka, kwa kawaida kati ya gurudumu la turbine, fani na mashine nyingine ambapo jenereta iko. Mihuri inayobadilika huchakaa baada ya muda na huhitaji matengenezo na ukaguzi wa mara kwa mara ili kuhakikisha kuwa zinafanya kazi ipasavyo. Wakati vipengele vyote vya turboexpander viko katika nyumba moja, mihuri tuli inaweza kutumika kulinda njia zozote zinazotoka kwenye nyumba, ikiwa ni pamoja na jenereta, viendeshi vya kuzaa sumaku, au vitambuzi. Mihuri hii isiyopitisha hewa hutoa ulinzi wa kudumu dhidi ya kuvuja kwa gesi na hauhitaji matengenezo au ukarabati.
Kutoka kwa mtazamo wa mchakato, mahitaji ya msingi ya kufunga kipanuzi ni kusambaza gesi ya shinikizo la juu (isiyo ya condensable) kwa mfumo wa shinikizo la chini na mtiririko wa kutosha, kushuka kwa shinikizo na matumizi ili kudumisha uendeshaji wa kawaida wa vifaa. Vigezo vya uendeshaji vinasimamiwa kwa kiwango salama na cha ufanisi.
Kwa upande wa utendakazi wa kupunguza shinikizo, kipanuzi kinaweza kutumika kuchukua nafasi ya vali ya Joule-Thomson (JT), inayojulikana pia kama vali ya kununa. Kwa kuwa vali ya JT husogea kwenye njia ya isentropiki na kipanuzi husogea kwenye njia karibu ya isentropiki, mwisho huo hupunguza enthalpy ya gesi na kubadilisha tofauti ya enthalpy kuwa nguvu ya shimoni, na hivyo kutoa joto la chini la bomba kuliko valve ya JT. Hii ni muhimu katika michakato ya cryogenic ambapo lengo ni kupunguza joto la gesi.
Ikiwa kuna kikomo cha chini cha joto la gesi ya plagi (kwa mfano, katika kituo cha mtengano ambapo joto la gesi lazima lihifadhiwe juu ya kufungia, uhamishaji, au joto la chini la muundo wa nyenzo), angalau heater moja lazima iongezwe. kudhibiti joto la gesi. Wakati preheater iko juu ya mkondo wa kipanuzi, baadhi ya nishati kutoka kwa gesi ya malisho pia hurejeshwa kwenye kipanuzi, na hivyo kuongeza pato lake la nguvu. Katika baadhi ya usanidi ambapo udhibiti wa halijoto unahitajika, kichemshia cha pili kinaweza kusakinishwa baada ya kipanuzi ili kutoa udhibiti wa haraka.
Katika Mchoro wa 3 unaonyesha mchoro uliorahisishwa wa mchoro wa mtiririko wa jumla wa jenereta ya kipanuzi na hita ya awali inayotumiwa kuchukua nafasi ya vali ya JT.
Katika usanidi mwingine wa mchakato, nishati iliyopatikana kwenye kipanuzi inaweza kuhamishwa moja kwa moja kwa compressor. Mashine hizi, wakati mwingine huitwa "makamanda", kwa kawaida huwa na hatua za upanuzi na za kukandamiza zilizounganishwa na shafts moja au zaidi, ambayo inaweza pia kujumuisha sanduku la gia ili kudhibiti tofauti ya kasi kati ya hatua mbili. Inaweza pia kujumuisha motor ya ziada ili kutoa nguvu zaidi kwa hatua ya kushinikiza.
Chini ni baadhi ya vipengele muhimu zaidi vinavyohakikisha uendeshaji sahihi na utulivu wa mfumo.
Valve ya bypass au valve ya kupunguza shinikizo. Valve ya bypass inaruhusu operesheni kuendelea wakati turboexpander haifanyi kazi (kwa mfano, kwa ajili ya matengenezo au dharura), wakati valve ya kupunguza shinikizo inatumiwa kwa operesheni ya kuendelea kusambaza gesi ya ziada wakati mtiririko wa jumla unazidi uwezo wa kubuni wa kipanuzi.
Valve ya kuzima kwa dharura (ESD). Vali za ESD hutumiwa kuzuia mtiririko wa gesi kwenye kipanuzi kwa dharura ili kuepuka uharibifu wa mitambo.
Vyombo na vidhibiti. Vigezo muhimu vya kufuatilia ni pamoja na shinikizo la kuingiza na kutoka, kasi ya mtiririko, kasi ya mzunguko, na pato la nishati.
Kuendesha gari kwa kasi kupita kiasi. Kifaa hukata mtiririko wa turbine, na kusababisha rota ya turbine kupunguza kasi, na hivyo kulinda vifaa kutoka kwa kasi kubwa kutokana na hali zisizotarajiwa za mchakato ambazo zinaweza kuharibu vifaa.
Valve ya Usalama wa Shinikizo (PSV). PSV mara nyingi huwekwa baada ya turboexpander ili kulinda mabomba na vifaa vya shinikizo la chini. PSV lazima iundwe ili kuhimili dharura kali zaidi, ambazo kwa kawaida hujumuisha kushindwa kwa vali ya bypass kufunguka. Ikiwa kipanuzi kinaongezwa kwa kituo kilichopo cha kupunguza shinikizo, timu ya kubuni mchakato lazima iamue ikiwa PSV iliyopo inatoa ulinzi wa kutosha.
Hita. Hita hulipa fidia kwa kushuka kwa joto kunakosababishwa na gesi kupita kwenye turbine, hivyo gesi lazima iwe moto. Kazi yake kuu ni kuongeza joto la mtiririko wa gesi unaoongezeka ili kudumisha joto la gesi na kuacha kipanuzi juu ya thamani ya chini. Faida nyingine ya kuongeza halijoto ni kuongeza pato la nishati na pia kuzuia kutu, kufidia, au maji ambayo yanaweza kuathiri vibaya pua za kifaa. Katika mifumo iliyo na vibadilishaji joto (kama inavyoonyeshwa kwenye Mchoro 3), joto la gesi kawaida hudhibitiwa kwa kudhibiti mtiririko wa kioevu moto kwenye heater ya awali. Katika miundo fulani, hita ya moto au heater ya umeme inaweza kutumika badala ya mchanganyiko wa joto. Hita zinaweza kuwa tayari zipo katika kituo cha valve cha JT kilichopo, na kuongeza kipanuzi huenda usihitaji kusakinisha hita za ziada, lakini badala yake kuongeza mtiririko wa maji ya joto.
Mifumo ya kulainisha ya mafuta na gesi ya muhuri. Kama ilivyoelezwa hapo juu, vipanuzi vinaweza kutumia miundo tofauti ya muhuri, ambayo inaweza kuhitaji mafuta na gesi za kuziba. Inapohitajika, mafuta ya kulainisha lazima yadumishe ubora na usafi wa hali ya juu inapogusana na gesi za mchakato, na kiwango cha mnato wa mafuta lazima kibaki ndani ya safu ya uendeshaji inayohitajika ya fani za lubricated. Mifumo ya gesi iliyofungwa kawaida huwa na kifaa cha kulainisha mafuta ili kuzuia mafuta kutoka kwa sanduku la kuzaa kuingia kwenye sanduku la upanuzi. Kwa matumizi maalum ya vilinganishi vinavyotumika katika tasnia ya hidrokaboni, mifumo ya mafuta ya luba na gesi ya muhuri kwa kawaida huundwa kwa vipimo vya API 617 [5] Sehemu ya 4.
Kiendeshi cha masafa ya kubadilika (VFD). Jenereta inapoanzishwa, VFD huwashwa kwa kawaida ili kurekebisha mawimbi ya sasa (AC) ili kuendana na masafa ya matumizi. Kwa kawaida, miundo kulingana na viendeshi vya masafa tofauti ina ufanisi wa juu wa jumla kuliko miundo inayotumia sanduku za gia au vipengee vingine vya kiufundi. Mifumo inayotegemea VFD pia inaweza kubeba anuwai kubwa ya mabadiliko ya mchakato ambayo yanaweza kusababisha mabadiliko katika kasi ya shimoni ya kupanua.
Uambukizaji. Miundo mingine ya upanuzi hutumia sanduku la gia kupunguza kasi ya kipanuzi hadi kasi iliyokadiriwa ya jenereta. Gharama ya kutumia sanduku la gia ni chini ya ufanisi wa jumla na kwa hivyo pato la chini la nguvu.
Wakati wa kuandaa ombi la nukuu (RFQ) kwa mpanuzi, mhandisi wa mchakato lazima kwanza aamue hali ya kufanya kazi, pamoja na habari ifuatayo:
Wahandisi wa mitambo mara nyingi hukamilisha vipimo na vipimo vya jenereta ya kipanuzi kwa kutumia data kutoka taaluma zingine za uhandisi. Pembejeo hizi zinaweza kujumuisha zifuatazo:
Vigezo lazima pia vijumuishe orodha ya hati na michoro iliyotolewa na mtengenezaji kama sehemu ya mchakato wa zabuni na wigo wa usambazaji, pamoja na taratibu zinazotumika za majaribio kama inavyotakiwa na mradi.
Taarifa za kiufundi zinazotolewa na mtengenezaji kama sehemu ya mchakato wa zabuni kwa ujumla zinapaswa kujumuisha vipengele vifuatavyo:
Ikiwa kipengele chochote cha pendekezo kinatofautiana na maelezo ya awali, mtengenezaji lazima pia atoe orodha ya kupotoka na sababu za kupotoka.
Pindi pendekezo linapopokelewa, timu ya ukuzaji mradi lazima ikague ombi la utiifu na kubaini kama tofauti zinahalalishwa kiufundi.
Mambo mengine ya kiufundi ya kuzingatia wakati wa kutathmini mapendekezo ni pamoja na:
Hatimaye, uchambuzi wa kiuchumi unahitaji kufanywa. Kwa sababu chaguo tofauti zinaweza kusababisha gharama tofauti za awali, inashauriwa kuwa uchanganuzi wa mtiririko wa pesa au gharama ya mzunguko wa maisha ufanywe ili kulinganisha uchumi wa muda mrefu wa mradi na kurudi kwenye uwekezaji. Kwa mfano, uwekezaji wa juu zaidi wa awali unaweza kupunguzwa kwa muda mrefu na ongezeko la tija au mahitaji ya matengenezo yaliyopunguzwa. Tazama "Marejeleo" kwa maagizo juu ya aina hii ya uchanganuzi. 4.
Programu zote za jenereta za turboexpander zinahitaji hesabu ya awali ya jumla ya uwezo ili kubainisha jumla ya kiasi cha nishati inayopatikana inayoweza kurejeshwa katika programu mahususi. Kwa jenereta ya turboexpander, uwezo wa nishati huhesabiwa kama mchakato wa isentropic (mara kwa mara entropy). Hii ndiyo hali bora ya hali ya joto kwa kuzingatia mchakato wa adiabatic unaoweza kutenduliwa bila msuguano, lakini ni mchakato sahihi wa kukadiria uwezo halisi wa nishati.
Nishati ya uwezo wa Isentropiki (IPP) hukokotolewa kwa kuzidisha tofauti mahususi ya enthalpy kwenye mlango na kutoka kwa turboexpander na kuzidisha matokeo kwa kasi ya mtiririko wa wingi. Nishati hii inayoweza kutokea itaonyeshwa kama wingi wa isentropiki (Equation (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
ambapo h(i,e) ni enthalpy mahususi ikizingatia halijoto ya sehemu ya istropiki na ṁ ni kiwango cha mtiririko wa wingi.
Ijapokuwa nishati inayoweza kutumika kwa istropiki inaweza kutumika kukadiria nishati inayoweza kutokea, mifumo yote halisi inahusisha msuguano, joto na upotevu mwingine wa nishati. Kwa hivyo, wakati wa kuhesabu uwezo halisi wa nguvu, data ya ziada ifuatayo inapaswa kuzingatiwa:
Katika programu nyingi za turboexpander, halijoto hupunguzwa kwa kiwango cha chini kabisa ili kuzuia shida zisizohitajika kama vile kufungia kwa bomba zilizotajwa hapo awali. Ambapo gesi asilia inatiririka, hidrati huwa karibu kila wakati, kumaanisha kuwa bomba la chini la maji la turboexpander au vali ya mshipa itaganda ndani na nje ikiwa halijoto ya kituo itashuka chini ya 0°C. Uundaji wa barafu unaweza kusababisha kizuizi cha mtiririko na hatimaye kuzima mfumo ili kuyeyusha. Kwa hivyo, halijoto "inayohitajika" ya plagi hutumiwa kukokotoa hali halisi ya uwezo wa nguvu. Hata hivyo, kwa gesi kama vile hidrojeni, kikomo cha halijoto ni cha chini sana kwa sababu hidrojeni haibadiliki kutoka gesi hadi kioevu hadi ifikie halijoto ya cryogenic (-253°C). Tumia halijoto hii inayohitajika ili kukokotoa enthalpy maalum.
Ufanisi wa mfumo wa turboexpander lazima pia uzingatiwe. Kulingana na teknolojia iliyotumiwa, ufanisi wa mfumo unaweza kutofautiana kwa kiasi kikubwa. Kwa mfano, turboexpander ambayo hutumia gia ya kupunguza kuhamisha nishati ya mzunguko kutoka kwa turbine hadi jenereta itapata hasara kubwa za msuguano kuliko mfumo unaotumia kiendeshi cha moja kwa moja kutoka kwa turbine hadi jenereta. Ufanisi wa jumla wa mfumo wa turboexpander unaonyeshwa kwa asilimia na huzingatiwa wakati wa kutathmini uwezo halisi wa nguvu wa turboexpander. Uwezo halisi wa nguvu (PP) huhesabiwa kama ifuatavyo:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Hebu tuangalie matumizi ya misaada ya shinikizo la gesi asilia. ABC huendesha na kudumisha kituo cha kupunguza shinikizo ambacho husafirisha gesi asilia kutoka kwa bomba kuu na kuisambaza kwa manispaa za mitaa. Katika kituo hiki, shinikizo la kuingiza gesi ni bar 40 na shinikizo la paa ni 8 bar. Joto la gesi inayoingia kabla ya joto ni 35 ° C, ambayo hutangulia gesi ili kuzuia kufungia kwa bomba. Kwa hiyo, joto la gesi la plagi lazima lidhibitiwe ili lisianguke chini ya 0 ° C. Katika mfano huu tutatumia 5°C kama kiwango cha chini cha halijoto cha nje ili kuongeza kipengele cha usalama. Kiwango cha kawaida cha mtiririko wa gesi ya volumetric ni 50,000 Nm3 / h. Ili kuhesabu uwezo wa nguvu, tutafikiri kwamba gesi yote inapita kupitia kipanuzi cha turbo na kuhesabu pato la juu la nguvu. Kadiria jumla ya uwezo wa kutoa nishati kwa kutumia hesabu ifuatayo:
Muda wa kutuma: Mei-25-2024