Turboexpander - Turboexpander

Schéma turboexpanderu pohánějícího kompresor

A turboexpander, označovaný také jako a turboexpandér nebo expanzní turbína, je odstředivý nebo axiální tok turbína, jehož prostřednictvímtlak plyn je rozšířen na produkci práce, která se často používá k řízení a kompresor nebo generátor.[1][2][3]

Protože je práce extrahována z expandujícího vysokotlakého plynu, je expanze aproximována pomocí isentropic proces (tj. konstantníentropie proces) a nízkotlaký výfukový plyn z turbíny je na velmi nízké úrovni teplota, -150 ° C nebo méně, v závislosti na provozním tlaku a vlastnostech plynu. Částečné zkapalnění expandovaného plynu není neobvyklé.

Turboexpandery jsou široce používány jako zdroje chlazení v průmyslových procesech, jako je těžba etan a kapaliny na zemní plyn (NGL) z zemní plyn,[4] the zkapalňování plynů (jako kyslík, dusík, hélium, argon a krypton )[5][6] a další nízkoteplotní procesy.

Turboexpandery, které jsou v současné době v provozu, se pohybují ve velikosti od přibližně 750 Ž na přibližně 7,5 MW (1 hp na přibližně 10 000 hp).

Aplikace

Ačkoli se turboexpandéry běžně používají při nízkoteplotních procesech, používají se v mnoha dalších aplikacích. Tato část pojednává o jednom z nízkoteplotních procesů a také o některých dalších aplikacích.

Těžba uhlovodíkových kapalin ze zemního plynu

Schematický diagram demethanizéru, který extrahuje uhlovodíkové kapaliny ze zemního plynu

Surový zemní plyn sestává převážně z metanu (CH4), nejkratší a nejlehčí uhlovodík molekula, spolu s různými množstvími těžších uhlovodíkových plynů, jako je etan (C2H6), propan (C3H8), normální butan (n-C4H10), isobutan (i-C4H10), pentany a ještě vyššímolekulová hmotnost uhlovodíky. Surový plyn také obsahuje různá množství kyselé plyny jako oxid uhličitý (CO.)2), sirovodík (H2S) a merkaptany jako methanthiol (CH3SH) a ethanethiol (C2H5SH).

Při zpracování na hotové vedlejší produkty (viz Zpracování zemního plynu ), jsou tyto těžší uhlovodíky souhrnně označovány jako NGL (kapaliny na zemní plyn). Extrakce NGL často zahrnuje turboexpander[7] a nízká teplota destilační kolona (nazývá se a demethanizer), jak je znázorněno na obrázku. Vstupní plyn do demethanizátoru se nejprve ochladí na asi -51 ° C v a výměník tepla (dále jen a chladicí box), který částečně kondenzuje vstupní plyn. Výsledná směs plyn-kapalina se poté rozdělí na proud plynu a proud kapaliny.

Proud kapaliny z odlučovač plynu a kapaliny protéká ventilem a prochází a škrticí expanze z absolutního tlaku 62 bar na 21 barů (6,2 až 2,1 MPa), což je isenthalpic proces (tj. proces s konstantní entalpií), který vede ke snížení teploty proudu z přibližně -51 ° C na přibližně -81 ° C, když proud vstupuje do demethanizátoru.

Proud plynu ze separátoru plyn-kapalina vstupuje do turboexpanderu, kde prochází isentropic expanze z absolutního tlaku 62 bar na 21 bar (6,2 až 2,1 MPa), která snižuje teplotu proudu plynu z přibližně -51 ° C na přibližně -91 ° C, když vstupuje do demethanizátoru, aby sloužil jako destilace reflux.

Kapalina shora podnos demethanizátoru (při teplotě asi -90 ° C) je veden přes studený box, kde se při ochlazení vstupního plynu ohřeje na asi 0 ° C a poté se vrací do spodní části demethanizátoru. Další proud kapaliny ze spodní části demethanizátoru (při teplotě přibližně 2 ° C) je veden přes studený box a vrácen do demethanizátoru při teplotě přibližně 12 ° C. Vstupní plyn ve skutečnosti poskytuje teplo je zapotřebí k „opětovnému vaření“ spodní části demethanizátoru a turboexpander odebírá teplo potřebné k zajištění zpětného toku v horní části demethanizátoru.

Režijní plynový produkt z demethanizéru při teplotě asi -90 ° C je zpracovaný zemní plyn, který má vhodnou kvalitu pro distribuci koncovým spotřebitelům potrubí. Je veden studeným boxem, kde se ohřívá, když ochlazuje vstupní plyn. Poté se stlačuje v plynovém kompresoru poháněném turboexpandérem a dále se stlačuje v plynovém kompresoru druhého stupně poháněném elektrický motor před vstupem do distribučního potrubí.

Spodní produkt z demethanizéru se také zahřívá ve studené komoře, protože ochlazuje vstupní plyn, než opustí systém jako NGL.

Provozní podmínky turboexpandéru / rekompresoru pro úpravu plynu na moři jsou následující[8]:

TurboexpandérRekompresor
VstupOutletVstupOutlet
Teplota ° C11.0–13.022.040.0
Tlak barg75.039.3138.6247.24
Průtok kg / hod2772820658
Molekulární váha22.0820.74
Obnovená / použitá energie kW345345

Výroba elektřiny

Schéma systému výroby energie pomocí turboexpanderu

Na obrázku je znázorněn systém výroby elektrické energie, který využívá zdroj tepla, chladicí médium (vzduch, vodu nebo jiné), cirkulující pracovní kapalinu a turboexpandér. Systém může pojmout širokou škálu zdrojů tepla, jako například:

Cirkulující pracovní kapalina (obvykle an organická sloučenina jako je R-134a) je čerpána na vysoký tlak a poté odpařena ve výparníku pomocí výměna tepla s dostupným zdrojem tepla. Výsledná vysokotlaká pára proudí do turboexpanderu, kde prochází isentropickou expanzí a vystupuje jako směs pára-kapalina, která se poté kondenzuje na kapalinu výměnou tepla s dostupným chladicím médiem. Kondenzovaná kapalina je čerpána zpět do výparníku, aby se dokončil cyklus.

Systém na obrázku implementuje a Rankinův cyklus jak se používá v elektrárny na fosilní paliva, kde voda je pracovní tekutina a zdroj tepla pochází z spalování zemního plynu, topný olej nebo uhlí slouží k výrobě vysokotlaké páry. Vysokotlaká pára poté prochází isentropickou expanzí v konvenčním provedení parní turbína. Výfuková pára z parní turbíny se dále kondenzuje na kapalnou vodu, která se poté čerpá zpět do parního generátoru, aby dokončil cyklus.

Pokud se v Rankinově cyklu používá organická pracovní kapalina, jako je R-134a, je tento cyklus někdy označován jako organický Rankinův cyklus (ORC).[9][10][11]

Chladicí systém

Schéma chladicího systému využívajícího turboexpandér, kompresor a motor

Chladicí systém využívá kompresor, turboexpandér a elektrický motor.

V závislosti na provozních podmínkách snižuje turboexpandér zatížení elektromotoru o 6–15% ve srovnání s konvenčními parní kompresní chlazení systém, který používá a škrticí expanze spíše než turboexpander.[12] V zásadě to lze považovat za formu turbo složení.

Systém využívá vysokotlaké chladivo (tj. S nízkým normální bod varu ) jako:[12]

Jak je znázorněno na obrázku, páry chladiva se stlačují na vyšší tlak, což má za následek také vyšší teplotu. Pak je horká stlačená pára zhuštěný do kapaliny. The kondenzátor je místo, kde je teplo odváděno z cirkulujícího chladiva a je odváděno jakýmkoli chladicím médiem použitým v kondenzátoru (vzduch, voda atd.).

Chladicí kapalina protéká turboexpandérem, kde se odpařuje, a pára prochází isentropickou expanzí, což vede k nízkoteplotní směsi páry a kapaliny. Směs pára-kapalina je poté směrována přes výparník, kde se odpařuje teplem absorbovaným z chlazeného prostoru. Odpařené chladivo proudí na vstup kompresoru, aby dokončil cyklus.

Obnova energie v kapalném katalytickém krakování

Schematický diagram systému zpětného získávání energie v jednotce fluidního katalytického krakování

The spalování spalin z regenerátoru katalyzátoru a tekutý katalytický krak je při teplotě asi 715 ° C a při tlaku asi 2,4 smlouva (Rozchod 240 kPa). Jeho plynné složky jsou většinou kysličník uhelnatý (CO), oxid uhličitý (CO.)2) a dusík (N2). Přestože spaliny prošly dvěma fázemi cyklóny (umístěný v regenerátoru), aby odstranil unášené jemné podíly katalyzátoru, stále obsahuje zbytkové jemné podíly katalyzátoru.

Obrázek ukazuje, jak se získává a využívá energie směrováním spalin regenerátoru turboexpandérem. Poté, co spaliny opustí regenerátor, jsou směrovány sekundárním odlučovačem katalyzátoru obsahujícím vířivé trubky navržen tak, aby odstranil 70–90% zbytkových jemných katalyzátorů.[13] To je nutné, aby se zabránilo poškození turboexpanderu erozí.

Jak je znázorněno na obrázku, expanze spalin turboexpandérem poskytuje dostatečný výkon k pohonu kompresoru spalovacího vzduchu regenerátoru. Elektrický motor-generátor v systému zpětného získávání energie může spotřebovávat nebo vyrábět elektrickou energii. Pokud expanze spalin neposkytuje dostatek energie pro pohon vzduchového kompresoru, dodává elektrický motor-generátor potřebnou dodatečnou energii. Pokud expanze spalin poskytuje více energie, než je potřeba k pohonu vzduchového kompresoru, pak elektromotor-generátor převádí přebytečnou energii na elektrickou energii a exportuje ji do elektrického systému rafinerie.[14] The parní turbína se používá k pohonu kompresoru spalovacího vzduchu regenerátoru během spouštění fluidního katalytického kraku, dokud není k dispozici dostatek spalin ze spalování k převzetí tohoto úkolu.

Expandované spaliny jsou poté směrovány výrobou páry kotel (dále jen a CO kotel ), kde se oxid uhelnatý ve spalinách spaluje jako palivo za účelem výroby páry pro použití v rafinérii.[14]

Spaliny z CO kotle se zpracovávají prostřednictvím elektrostatický odlučovač (ESP) k odstranění zbytků částice. ESP odstraňuje částice v rozmezí velikostí 2 až 20 mikrometry ze spalin.[14]

Dějiny

Možné použití expanzního stroje pro isentropické vytváření nízkých teplot navrhl Carl Wilhelm Siemens (Siemensův cyklus ), a Němec inženýr v roce 1857. Asi o tři desetiletí později, v roce 1885, Ernest Solvay z Belgie se pokusil použít vratný expandér, ale nemohl dosáhnout žádných teplot nižších než -98 ° C kvůli problémům s mazáním stroje při těchto teplotách.[2]

V roce 1902 Georges Claude, a francouzština inženýr, úspěšně použil vratný expanzní stroj ke zkapalnění vzduchu. Jako těsnění pístu bez jakéhokoli mazání použil odmaštěný, spálený kožený obal. S tlakem vzduchu pouze 40 bar (4 MPa) dosáhl Claude téměř izentropické expanze vedoucí k nižší teplotě, než bylo dříve možné.[2]

Zdá se, že první turboexpandéry navrhl asi v letech 1934 nebo 1935 Guido Zerkowitz, italský inženýr pracující pro německou firmu Linde AG.[15][16]

V roce 1939 ruština fyzik Petr Kapitsa zdokonalil design odstředivých turbodmychadel. Jeho první praktický prototyp byl vyroben z Monel kov, měl vnější průměr pouze 8 cm (3,1 palce), pracoval při 40 000 otáčkách za minutu a expandoval 1 000 kubických metrů vzduchu za hodinu. Jako brzdu používalo vodní čerpadlo a mělo účinnost 79–83%.[2][16] Většina turboexpandérů v průmyslovém použití od té doby vychází z designu společnosti Kapitsa a odstředivé turboexpandéry převzaly téměř 100% požadavků na zkapalňování průmyslového plynu a nízkoteplotní procesy.[2][16] Dostupnost kapaliny kyslík revoluci ve výrobě oceli pomocí základní výroba kyslíkové oceli proces.

V roce 1978 získal Petr Kapitsa Nobelovu cenu za fyziku za práci v oblasti fyziky nízkých teplot.[17]

V roce 1983 byla společnost San Diego Gas and Electric mezi prvními, kdo instalovali turboexpandér do spouštěcí stanice zemního plynu pro obnovení energie.[18]

Typy

Turboexpandery lze klasifikovat podle nakládacího zařízení nebo ložisek.

Tři hlavní nakládací zařízení používaná v turboexpandérech jsou odstředivé kompresory, elektrické generátory nebo hydraulické brzdy. U odstředivých kompresorů a elektrických generátorů se síla hřídele z turboexpanderu získává buď pro rekompresi procesního plynu, nebo pro generování elektrické energie, což snižuje účty za služby.

Hydraulické brzdy se používají, když je turboexpander velmi malý a získávání výkonu hřídele není ekonomicky ospravedlnitelné.

Použitá ložiska jsou buď olejová, nebo magnetická ložiska.

Jeden by si měl také všimnout nového Quasiturbine technologie [19], což je objemový typ rotační turbíny.

Viz také

Reference

  1. ^ Heinz Bloch a Claire Soares (2001). Turboexpandery a procesní aplikace. Gulf Professional Publishing. ISBN  0-88415-509-9.
  2. ^ A b C d E Frank G. Kerry (2007). Příručka pro průmyslový plyn: Separace a čištění plynu. CRC Press. ISBN  0-8493-9005-2.
  3. ^ Thomas Flynn (2004). Kryogenické inženýrství (Druhé vydání.). CRC Press. ISBN  0-8247-5367-4.
  4. ^ Demethanzer.
  5. ^ Publikace BOC (NZ): použijte funkci vyhledávání pro klíčové slovo „expanze“.
  6. ^ Americké ministerstvo energetického vodíkového programu.
  7. ^ Plynové procesy 2002„Zpracování uhlovodíků, strany 83–84, květen 2002 (schematické vývojové diagramy a popisy procesů obnovy NGL-Pro a NGL).
  8. ^ Vývojový diagram procesu NW Hutton 1987
  9. ^ Technologie ORC pro aplikace odpadního tepla
  10. ^ Projekt integrovaného Rankinova cyklu.
  11. ^ Rankinův cyklický turbogenerátor v Altheimu v Rakousku.
  12. ^ A b Chladicí zařízení s expanzní turbínou, Evropský patent EP 0 676 600 B1, 6. září 2000, Joost J. Brasz, Carrier Corporation EP 0 676 600 B1 (tento web vyžaduje registraci).
  13. ^ Alex C. Hoffnab a Lewis E. Stein (2002). Plynové cyklóny a vířivé trubice: principy, design a provoz (1. vyd.). Springer. ISBN  3-540-43326-0.
  14. ^ A b C Reza Sadeghbeigi (2000). Příručka pro fluidní katalytické krakování (2. vyd.). Gulf Publishing. ISBN  0-88415-289-8.
  15. ^ Turbína pro nízkoteplotní separaci plynůPatent USA 2 165 994, červenec 1939 (pokračování přihlášky v březnu 1934), Guido Zerkowitz, Linde AG Patent Spojených států amerických US2165994 (tento web vyžaduje registraci).
  16. ^ A b C Ebbe Almqvist (2002). Historie průmyslových plynů (První vydání). Springer. p. 165. ISBN  0-306-47277-5.
  17. ^ Petr Kapitsa, Nobelova cena za fyziku 1978.
  18. ^ Turboexpanders: Využití skrytého potenciálu našeho systému distribuce zemního plynu.
  19. ^ Quasiturbine Expander: Využití mechanické energie ze systému stlačeného plynu a páry.

externí odkazy