Hangzhou Nuzhuo Technology Group co., Ltd.

Os expansores podem usar a redução de pressão para acionar as máquinas rotativas. Informações sobre como avaliar os benefícios potenciais da instalação de um extensor podem ser encontrados aqui.
Normalmente, na indústria de processos químicos (CPI), “uma grande quantidade de energia é desperdiçada nas válvulas de controle de pressão, onde os fluidos de alta pressão devem ser despressurizados” [1]. Dependendo de vários fatores técnicos e econômicos, pode ser desejável converter essa energia em energia mecânica rotativa, que pode ser usada para impulsionar geradores ou outras máquinas rotativas. Para fluidos incompressíveis (líquidos), isso é alcançado usando uma turbina de recuperação de energia hidráulica (HPRT; ver referência 1). Para líquidos compressíveis (gases), um expansor é uma máquina adequada.
Os expansores são uma tecnologia madura, com muitas aplicações bem -sucedidas, como rachaduras catalíticas de fluido (FCC), refrigeração, válvulas da cidade de gás natural, separação de ar ou emissões de escape. Em princípio, qualquer corrente de gás com pressão reduzida pode ser usada para impulsionar um expansor, mas “a produção de energia é diretamente proporcional à taxa de pressão, temperatura e taxa de fluxo da corrente de gás” [2], bem como a viabilidade técnica e econômica. Implementação de expansores: O processo depende desses e de outros fatores, como os preços da energia local e a disponibilidade do fabricante de equipamentos adequados.
Embora o turboexpander (funcionando de maneira semelhante a uma turbina) seja o tipo de expansão mais conhecido (Figura 1), existem outros tipos adequados para diferentes condições do processo. Este artigo apresenta os principais tipos de expansores e seus componentes e resume como gerentes de operações, consultores ou auditores de energia em várias divisões de CPI podem avaliar os potenciais benefícios econômicos e ambientais da instalação de um expansor.
Existem muitos tipos diferentes de bandas de resistência que variam muito em geometria e função. Os principais tipos são mostrados na Figura 2 e cada tipo é descrito brevemente abaixo. Para obter mais informações, bem como gráficos comparando o status operacional de cada tipo com base em diâmetros específicos e velocidades específicas, consulte Ajuda. 3.
Pistão turboexpander. Os turboexpanders de pistão e pistão rotativo operam como um motor de combustão interna de rotatividade reversa, absorvendo gás de alta pressão e convertendo sua energia armazenada em energia rotacional através do eixo de manivela.
Arraste o expansor turbo. O expansor de turbina do freio consiste em uma câmara de fluxo concêntrica com aletas de balde presas à periferia do elemento rotativo. Eles são projetados da mesma maneira que as rodas de água, mas a seção transversal das câmaras concêntricas aumenta de entrada para saída, permitindo que o gás se expanda.
Turboexpander radial. Os turboexpanders de fluxo radial têm uma entrada axial e uma tomada radial, permitindo que o gás se expanda radialmente através do impulsor da turbina. Da mesma forma, as turbinas de fluxo axial expandem o gás através da roda da turbina, mas a direção do fluxo permanece paralela ao eixo de rotação.
Este artigo se concentra em turboexpanders radiais e axiais, discutindo seus vários subtipos, componentes e economia.
Um turboexpander extrai energia de uma corrente de gás de alta pressão e a converte em uma carga de acionamento. Normalmente, a carga é um compressor ou gerador conectado a um eixo. Um turboexpander com um compressor comprime o fluido em outras partes do fluxo de processo que requerem fluido comprimido, aumentando assim a eficiência geral da planta usando energia que é desperdiçada. Um turboexpander com uma carga de gerador converte a energia em eletricidade, que pode ser usada em outros processos de plantas ou retornou à grade local para venda.
Os geradores turboxpander podem ser equipados com um eixo de acionamento direto da roda da turbina para o gerador, ou através de uma caixa de engrenagens que reduz efetivamente a velocidade de entrada da roda da turbina para o gerador através de uma relação de transmissão. Os turboexpanders de acionamento direto oferecem vantagens nos custos de eficiência, pegada e manutenção. Os turboexpanders da caixa de velocidades são mais pesados ​​e requerem uma pegada maior, equipamento auxiliar de lubrificação e manutenção regular.
Os turboexpanders de fluxo podem ser feitos na forma de turbinas radiais ou axiais. Os expansores de fluxo radial contêm uma entrada axial e uma saída radial, de modo que o fluxo de gás saia da turbina radialmente do eixo de rotação. As turbinas axiais permitem que o gás flua axialmente ao longo do eixo de rotação. As turbinas de fluxo axial extraem energia do fluxo de gás através das palhetas guia de entrada para a roda expansiva, com a área de seção transversal da câmara de expansão aumentando gradualmente para manter uma velocidade constante.
Um gerador turboxpander consiste em três componentes principais: uma roda de turbina, rolamentos especiais e um gerador.
Roda de turbina. As rodas da turbina geralmente são projetadas especificamente para otimizar a eficiência aerodinâmica. As variáveis ​​de aplicação que afetam o projeto da roda da turbina incluem pressão de entrada/saída, temperatura de entrada/saída, fluxo de volume e propriedades de fluido. Quando a taxa de compressão é muito alta para ser reduzida em um estágio, é necessário um turboexpander com várias rodas de turbina. As rodas de turbina radial e axial podem ser projetadas como várias etapas, mas as rodas da turbina axial têm um comprimento axial muito mais curto e, portanto, são mais compactas. As turbinas de fluxo radial de vários estágios exigem que o gás flua de axial para radial e de volta ao axial, criando maiores perdas de atrito do que as turbinas de fluxo axial.
rolamentos. O design do rolamento é fundamental para a operação eficiente de um turboexpander. Os tipos de rolamentos relacionados aos desenhos de turboexpander variam muito e podem incluir rolamentos de óleo, rolamentos de filme líquido, rolamentos tradicionais de esferas e rolamentos magnéticos. Cada método tem suas próprias vantagens e desvantagens, conforme mostrado na Tabela 1.
Muitos fabricantes de turboexpander selecionam rolamentos magnéticos como seu "rolamento de escolha" devido às suas vantagens únicas. Os rolamentos magnéticos garantem a operação livre de atrito dos componentes dinâmicos do turboexpander, reduzindo significativamente os custos de operação e manutenção ao longo da vida útil da máquina. Eles também foram projetados para suportar uma ampla gama de cargas axiais e radiais e condições excessivas. Seus custos iniciais mais altos são compensados ​​por custos de ciclo de vida muito mais baixos.
dínamo. O gerador pega a energia rotacional da turbina e a converte em energia elétrica útil usando um gerador eletromagnético (que pode ser um gerador de indução ou um gerador de ímã permanente). Os geradores de indução têm uma velocidade mais baixa, portanto, as aplicações de turbinas de alta velocidade requerem uma caixa de engrenagens, mas podem ser projetadas para corresponder à frequência da grade, eliminando a necessidade de uma unidade de frequência variável (VFD) para fornecer a eletricidade gerada. Os geradores de ímãs permanentes, por outro lado, podem ser diretamente acoplados à turbina e transmitir energia para a grade através de uma unidade de frequência variável. O gerador foi projetado para fornecer energia máxima com base na energia do eixo disponível no sistema.
Vedações. O selo também é um componente crítico ao projetar um sistema TurboExpander. Para manter alta eficiência e atender aos padrões ambientais, os sistemas devem ser selados para evitar possíveis vazamentos de gás de processo. Os turboexpanders podem ser equipados com vedações dinâmicas ou estáticas. As vedações dinâmicas, como vedações de labirinto e vedações de gás seco, fornecem uma vedação em torno de um eixo rotativo, normalmente entre a roda da turbina, os rolamentos e o restante da máquina onde o gerador está localizado. As vedações dinâmicas se desgastam com o tempo e requerem manutenção e inspeção regulares para garantir que estejam funcionando corretamente. Quando todos os componentes do turboexpander estão contidos em um único alojamento, as vedações estáticas podem ser usadas para proteger quaisquer cabos que saem do alojamento, inclusive para o gerador, unidades de rolamento magnético ou sensores. Essas vedações herméticas fornecem proteção permanente contra o vazamento de gás e não requerem manutenção ou reparo.
Do ponto de vista do processo, o principal requisito para a instalação de um expansor é fornecer gás compressível de alta pressão (não condensável) a um sistema de baixa pressão com fluxo suficiente, queda de pressão e utilização para manter a operação normal do equipamento. Os parâmetros operacionais são mantidos em um nível seguro e eficiente.
Em termos de função de redução de pressão, o expansor pode ser usado para substituir a válvula Joule-Thomson (JT), também conhecida como válvula do acelerador. Como a válvula JT se move ao longo de um caminho isentrópico e o expansor se move ao longo de um caminho quase isentrópico, este último reduz a entalpia do gás e converte a diferença de entalpia em potência do eixo, produzindo assim uma temperatura de saída mais baixa que a válvula JT. Isso é útil em processos criogênicos em que o objetivo é reduzir a temperatura do gás.
Se houver um limite inferior na temperatura do gás de saída (por exemplo, em uma estação de descompressão onde a temperatura do gás deve ser mantida acima de zero, hidratação ou temperatura mínima de projeto de material), pelo menos um aquecedor deve ser adicionado. Controle a temperatura do gás. Quando o pré -aquecedor está localizado a montante do expansor, parte da energia do gás de alimentação também é recuperada no expansor, aumentando assim sua potência. Em algumas configurações em que o controle de temperatura da saída é necessário, um segundo reaquecedor pode ser instalado após o expansor para fornecer controle mais rápido.
Na Fig. A Figura 3 mostra um diagrama simplificado do diagrama de fluxo geral de um gerador expansor com o pré -aquecedor usado para substituir uma válvula JT.
Em outras configurações de processo, a energia recuperada no expansor pode ser transferida diretamente para o compressor. Essas máquinas, às vezes chamadas de "comandantes", geralmente têm estágios de expansão e compressão conectados por um ou mais eixos, que também podem incluir uma caixa de câmbio para regular a diferença de velocidade entre os dois estágios. Ele também pode incluir um motor adicional para fornecer mais energia ao estágio de compressão.
Abaixo estão alguns dos componentes mais importantes que garantem operação e estabilidade adequadas do sistema.
Itimpere a válvula ou a válvula de redução de pressão. A válvula de desvio permite que a operação continue quando o TurboExpander não estiver operando (por exemplo, para manutenção ou emergência), enquanto a válvula reduzida por pressão é usada para operação contínua para fornecer excesso de gás quando o fluxo total excede a capacidade de projeto do expansor.
Válvula de desligamento de emergência (ESD). As válvulas ESD são usadas para bloquear o fluxo de gás no expansor em uma emergência para evitar danos mecânicos.
Instrumentos e controles. Variáveis ​​importantes a serem monitoradas incluem pressão de entrada e saída, vazão, velocidade de rotação e saída de energia.
Dirigindo em velocidade excessiva. O dispositivo corta o fluxo para a turbina, fazendo com que o rotor da turbina diminua a velocidade, protegendo assim o equipamento contra velocidades excessivas devido a condições inesperadas do processo que podem danificar o equipamento.
Válvula de segurança de pressão (PSV). Os PSVs são frequentemente instalados após um turboexpander para proteger oleodutos e equipamentos de baixa pressão. O PSV deve ser projetado para suportar as contingências mais graves, que normalmente incluem a falha da válvula de desvio para abrir. Se um expansor for adicionado a uma estação de redução de pressão existente, a equipe de design de processos deve determinar se o PSV existente fornece proteção adequada.
Aquecedor. Os aquecedores compensam a queda de temperatura causada pelo gás que passa pela turbina, para que o gás seja pré -aquecido. Sua principal função é aumentar a temperatura do fluxo de gás crescente para manter a temperatura do gás, deixando o expansor acima de um valor mínimo. Outro benefício de aumentar a temperatura é aumentar a produção de energia e impedir a corrosão, condensação ou hidratos que possam afetar adversamente os bicos de equipamentos. Nos sistemas que contêm trocadores de calor (como mostrado na Figura 3), a temperatura do gás é geralmente controlada pela regulação do fluxo de líquido aquecido no pré -aquecedor. Em alguns projetos, um aquecedor de chama ou aquecedor elétrico pode ser usado em vez de um trocador de calor. Os aquecedores já podem existir em uma estação de válvula JT existente, e adicionar um expansor pode não exigir a instalação de aquecedores adicionais, mas aumentando o fluxo de fluido aquecido.
Sistemas lubrificantes de óleo e gás de vedação. Como mencionado acima, os expansores podem usar projetos de vedação diferentes, que podem exigir lubrificantes e gases de vedação. Quando aplicável, o óleo lubrificante deve manter a alta qualidade e a pureza quando em contato com os gases do processo, e o nível de viscosidade do óleo deve permanecer dentro da faixa operacional necessária de rolamentos lubrificados. Os sistemas de gás selados geralmente são equipados com um dispositivo de lubrificação por óleo para impedir que o óleo da caixa de rolamentos entre na caixa de expansão. Para aplicações especiais de compensadores usados ​​na indústria de hidrocarbonetos, os sistemas de óleo lubrificante e gás de vedação são normalmente projetados para API 617 [5] Parte 4 Especificações.
Unidade de frequência variável (VFD). Quando o gerador é indução, um VFD geralmente é ativado para ajustar o sinal de corrente alternada (AC) para corresponder à frequência da utilidade. Normalmente, os projetos baseados em unidades de frequência variáveis ​​têm maior eficiência geral do que os projetos que usam caixas de câmbio ou outros componentes mecânicos. Os sistemas baseados em VFD também podem acomodar uma gama mais ampla de alterações de processo que podem resultar em alterações na velocidade do eixo de expansão.
Transmissão. Alguns projetos de expansão usam uma caixa de câmbio para reduzir a velocidade do expansor para a velocidade nominal do gerador. O custo do uso de uma caixa de engrenagens é menor eficiência geral e, portanto, menor saída de potência.
Ao preparar uma solicitação de cotação (RFQ) para um expansor, o engenheiro de processo deve primeiro determinar as condições operacionais, incluindo as seguintes informações:
Os engenheiros mecânicos geralmente completam especificações e especificações do gerador de expansores usando dados de outras disciplinas de engenharia. Essas entradas podem incluir o seguinte:
As especificações também devem incluir uma lista de documentos e desenhos fornecidos pelo fabricante como parte do processo de licitação e o escopo da oferta, bem como os procedimentos de teste aplicáveis, conforme exigido pelo projeto.
As informações técnicas fornecidas pelo fabricante como parte do processo de licitação geralmente devem incluir os seguintes elementos:
Se algum aspecto da proposta difere das especificações originais, o fabricante também deve fornecer uma lista de desvios e os motivos dos desvios.
Depois que uma proposta é recebida, a equipe de desenvolvimento do projeto deve revisar a solicitação de conformidade e determinar se as variações são tecnicamente justificadas.
Outras considerações técnicas a serem consideradas ao avaliar as propostas incluem:
Finalmente, uma análise econômica precisa ser realizada. Como opções diferentes podem resultar em diferentes custos iniciais, é recomendável que seja realizada uma análise de fluxo de caixa ou custo de vida para comparar a economia de longo prazo do projeto e o retorno do investimento. Por exemplo, um investimento inicial mais alto pode ser compensado a longo prazo, aumentando a produtividade ou os requisitos de manutenção reduzidos. Consulte “Referências” para obter instruções sobre esse tipo de análise. 4.
Todas as aplicações do TurboExpander-Generator requerem um cálculo total inicial de energia potencial total para determinar a quantidade total de energia disponível que pode ser recuperada em uma aplicação específica. Para um gerador de turboexpander, o potencial de potência é calculado como um processo isentrópico (entropia constante). Esta é a situação termodinâmica ideal para considerar um processo adiabático reversível sem atrito, mas é o processo correto para estimar o potencial energético real.
A energia potencial isentrópica (IPP) é calculada multiplicando a diferença de entalpia específica na entrada e saída do turboexpander e multiplicando o resultado pela taxa de fluxo de massa. Essa energia potencial será expressa como uma quantidade isentrópica (Equação (1)):
Ipp = (hinlet - h (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
onde h (i, e) é a entalpia específica que leva em consideração a temperatura isentrópica de saída e ṁ é a taxa de fluxo de massa.
Embora a energia potencial isentrópica possa ser usada para estimar a energia potencial, todos os sistemas reais envolvem atrito, calor e outras perdas de energia auxiliares. Assim, ao calcular o potencial de energia real, os seguintes dados de entrada adicionais devem ser levados em consideração:
Na maioria das aplicações turboxpander, a temperatura é limitada ao mínimo para evitar problemas indesejados, como o congelamento de tubos mencionado anteriormente. Onde os fluxos de gás natural, os hidratos estão quase sempre presentes, o que significa que o oleoduto a jusante de uma válvula turboxpander ou acelerador congelará interna e externamente se a temperatura da saída cair abaixo de 0 ° C. A formação de gelo pode resultar em restrição de fluxo e, finalmente, desligar o sistema para descongelar. Assim, a temperatura da saída "desejada" é usada para calcular um cenário de poder potencial mais realista. No entanto, para gases como hidrogênio, o limite de temperatura é muito menor porque o hidrogênio não muda de gás para líquido até atingir a temperatura criogênica (-253 ° C). Use essa temperatura desejada de saída para calcular a entalpia específica.
A eficiência do sistema turboexpander também deve ser considerada. Dependendo da tecnologia usada, a eficiência do sistema pode variar significativamente. Por exemplo, um turboexpander que usa uma engrenagem de redução para transferir energia rotacional da turbina para o gerador experimentará maiores perdas de atrito do que um sistema que usa unidade direta da turbina para o gerador. A eficiência geral de um sistema turboexpander é expressa como uma porcentagem e é levada em consideração ao avaliar o potencial de poder real do turboexpander. O potencial de potência real (PP) é calculado da seguinte forma:
Pp = (hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
Vejamos a aplicação do alívio da pressão do gás natural. A ABC opera e mantém uma estação de redução de pressão que transporta gás natural do oleoduto principal e o distribui para os municípios locais. Nesta estação, a pressão da entrada de gás é de 40 bar e a pressão da saída é de 8 bar. A temperatura pré -aquecida do gás de entrada é de 35 ° C, que pré -aquece o gás para evitar o congelamento da tubulação. Portanto, a temperatura do gás de saída deve ser controlada para que não caia abaixo de 0 ° C. Neste exemplo, usaremos 5 ° C como a temperatura mínima de saída para aumentar o fator de segurança. A taxa de fluxo de gás volumétrica normalizada é de 50.000 nm3/h. Para calcular o potencial de potência, assumiremos que todos os gases fluem através do Turbo Expander e calcular a saída de potência máxima. Estime o potencial total de saída de energia usando o seguinte cálculo: