GRUPO TECNOLÓGICO HANGZHOU NUZHUO CO.,LTD.

Os expansores podem usar a redução de pressão para acionar máquinas rotativas. Informações sobre como avaliar os benefícios potenciais da instalação de um expansor podem ser encontradas aqui.
Tipicamente, na indústria de processos químicos (IPC), “uma grande quantidade de energia é desperdiçada em válvulas de controle de pressão, onde fluidos de alta pressão precisam ser despressurizados” [1]. Dependendo de diversos fatores técnicos e econômicos, pode ser desejável converter essa energia em energia mecânica rotativa, que pode ser usada para acionar geradores ou outras máquinas rotativas. Para fluidos incompressíveis (líquidos), isso é obtido utilizando uma turbina de recuperação de energia hidráulica (TREH; ver referência 1). Para líquidos compressíveis (gases), um expansor é uma máquina adequada.
Os expansores são uma tecnologia consolidada com diversas aplicações bem-sucedidas, como craqueamento catalítico fluido (FCC), refrigeração, válvulas de gás natural para cidades, separação de ar ou emissões de gases de escape. Em princípio, qualquer fluxo de gás com pressão reduzida pode ser usado para acionar um expansor, mas “a produção de energia é diretamente proporcional à relação de pressão, temperatura e vazão do fluxo de gás” [2], bem como à viabilidade técnica e econômica. Implementação de expansores: O processo depende desses e de outros fatores, como os preços locais da energia e a disponibilidade de equipamentos adequados por parte do fabricante.
Embora o turboexpansor (que funciona de forma semelhante a uma turbina) seja o tipo de expansor mais conhecido (Figura 1), existem outros tipos adequados para diferentes condições de processo. Este artigo apresenta os principais tipos de expansores e seus componentes e resume como gerentes de operações, consultores ou auditores de energia em diversas divisões da CPI podem avaliar os potenciais benefícios econômicos e ambientais da instalação de um expansor.
Existem muitos tipos diferentes de faixas de resistência que variam bastante em geometria e função. Os principais tipos são mostrados na Figura 2, e cada tipo é brevemente descrito abaixo. Para obter mais informações, bem como gráficos comparando o estado operacional de cada tipo com base em diâmetros e velocidades específicos, consulte a Ajuda. 3.
Turboexpansor de pistão. Os turboexpansores de pistão e de pistão rotativo funcionam como um motor de combustão interna de rotação inversa, absorvendo gás de alta pressão e convertendo sua energia armazenada em energia rotacional através do virabrequim.
Arraste o turboexpansor. O turboexpansor de frenagem consiste em uma câmara de fluxo concêntrica com aletas em forma de concha fixadas na periferia do elemento rotativo. Eles são projetados da mesma forma que rodas d'água, mas a seção transversal das câmaras concêntricas aumenta da entrada para a saída, permitindo a expansão do gás.
Turboexpansor radial. Os turboexpansores de fluxo radial possuem uma entrada axial e uma saída radial, permitindo que o gás se expanda radialmente através do rotor da turbina. De forma semelhante, 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 aborda os turboexpansores radiais e axiais, discutindo seus vários subtipos, componentes e aspectos econômicos.
Um turboexpansor extrai energia de um fluxo de gás de alta pressão e a converte em energia para acionamento de uma carga. Normalmente, essa carga é um compressor ou gerador conectado a um eixo. Um turboexpansor com compressor comprime o fluido em outras partes do fluxo do processo que requerem fluido comprimido, aumentando assim a eficiência geral da planta ao utilizar energia que, de outra forma, seria desperdiçada. Um turboexpansor com gerador converte a energia em eletricidade, que pode ser utilizada em outros processos da planta ou devolvida à rede elétrica local para venda.
Os turboexpansores podem ser equipados com um eixo de acionamento direto da turbina para o gerador ou com uma caixa de engrenagens que reduz a velocidade de entrada da turbina para o gerador por meio de uma relação de transmissão. Os turboexpansores com acionamento direto oferecem vantagens em termos de eficiência, espaço ocupado e custos de manutenção. Os turboexpansores com caixa de engrenagens são mais pesados ​​e exigem maior espaço ocupado, equipamentos auxiliares de lubrificação e manutenção regular.
Turboexpansores de fluxo contínuo podem ser fabricados na forma de turbinas radiais ou axiais. Os expansores de fluxo radial possuem uma entrada axial e uma saída radial, de modo que o fluxo de gás sai da turbina radialmente em relação ao 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 de palhetas guia de entrada para a roda expansora, com a área da seção transversal da câmara de expansão aumentando gradualmente para manter uma velocidade constante.
Um turbogerador é composto por três componentes principais: uma roda de turbina, rolamentos especiais e um gerador.
Roda de turbina. As rodas de turbina são frequentemente projetadas especificamente para otimizar a eficiência aerodinâmica. As variáveis ​​de aplicação que afetam o projeto da roda de turbina incluem pressão de entrada/saída, temperatura de entrada/saída, vazão e propriedades do fluido. Quando a taxa de compressão é muito alta para ser reduzida em um único estágio, é necessário um turboexpansor com múltiplas rodas de turbina. Tanto as rodas de turbina radiais quanto as axiais podem ser projetadas como multiestágios, mas as rodas de turbina axiais têm um comprimento axial muito menor e, portanto, são mais compactas. As turbinas de fluxo radial multiestágios exigem que o gás flua de axial para radial e de volta para axial, criando maiores perdas por atrito do que as turbinas de fluxo axial.
Mancais. O projeto dos mancais é crucial para o funcionamento eficiente de um turboexpansor. Os tipos de mancais relacionados a projetos de turboexpansores variam bastante e podem incluir mancais de óleo, mancais de película líquida, mancais de esferas tradicionais e mancais magnéticos. Cada método tem suas próprias vantagens e desvantagens, conforme mostrado na Tabela 1.
Muitos fabricantes de turboexpansores escolhem os mancais magnéticos como sua opção preferencial devido às suas vantagens exclusivas. Os mancais magnéticos garantem o funcionamento sem atrito dos componentes dinâmicos do turboexpansor, reduzindo significativamente os custos de operação e manutenção ao longo da vida útil da máquina. Eles também são projetados para suportar uma ampla gama de cargas axiais e radiais, bem como condições de sobrecarga. Seus custos iniciais mais elevados são compensados ​​por custos de ciclo de vida muito menores.
O gerador aproveita a energia rotacional da turbina e a converte em energia elétrica útil por meio de um gerador eletromagnético (que pode ser um gerador de indução ou um gerador de ímã permanente). Os geradores de indução têm uma velocidade nominal mais baixa, portanto, aplicações com turbinas de alta velocidade exigem uma caixa de engrenagens, mas podem ser projetados para corresponder à frequência da rede, eliminando a necessidade de um inversor de frequência (VFD) para fornecer a eletricidade gerada. Os geradores de ímã permanente, por outro lado, podem ser acoplados diretamente ao eixo da turbina e transmitir energia para a rede por meio de um inversor de frequência. O gerador é projetado para fornecer a potência máxima com base na potência disponível no eixo do sistema.
Vedações. A vedação também é um componente crítico no projeto de um sistema de turboexpansor. Para manter alta eficiência e atender aos padrões ambientais, os sistemas devem ser vedados para evitar possíveis vazamentos de gás de processo. Os turboexpansores podem ser equipados com vedações dinâmicas ou estáticas. As vedações dinâmicas, como as vedações labirínticas e as vedações a gás seco, fornecem uma vedação ao redor de um eixo rotativo, tipicamente entre a roda da turbina, os mancais e o restante da máquina onde o gerador está localizado. As vedações dinâmicas se desgastam com o tempo e exigem manutenção e inspeção regulares para garantir seu funcionamento adequado. Quando todos os componentes do turboexpansor estão contidos em uma única carcaça, as vedações estáticas podem ser usadas para proteger quaisquer conexões que saiam da carcaça, incluindo as do gerador, acionamentos de mancais magnéticos ou sensores. Essas vedações herméticas fornecem proteção permanente contra vazamentos de gás e não exigem manutenção ou reparo.
Do ponto de vista do processo, o principal requisito para a instalação de um expansor é fornecer gás compressível (não condensável) de alta pressão a um sistema de baixa pressão com vazão, queda de pressão e utilização suficientes para manter o funcionamento 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 de estrangulamento. Como a válvula JT se move ao longo de uma trajetória isentrópica e o expansor se move ao longo de uma trajetória quase isentrópica, este último reduz a entalpia do gás e converte a diferença de entalpia em potência no eixo, produzindo assim uma temperatura de saída mais baixa do que a válvula JT. Isso é útil em processos criogênicos, onde o objetivo é reduzir a temperatura do gás.
Se houver um limite inferior para a temperatura do gás de saída (por exemplo, em uma estação de descompressão onde a temperatura do gás deve ser mantida acima do ponto de congelamento, hidratação ou temperatura mínima de projeto do material), pelo menos um aquecedor deve ser adicionado para controlar 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 de saída. Em algumas configurações onde o controle da temperatura de saída é necessário, um segundo reaquecedor pode ser instalado após o expansor para proporcionar um controle mais rápido.
A Figura 3 mostra um diagrama simplificado do fluxograma geral de um gerador expansor com 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 "compressores", geralmente possuem estágios de expansão e compressão conectados por um ou mais eixos, que podem incluir uma caixa de engrenagens para regular a diferença de velocidade entre os dois estágios. Também podem incluir um motor adicional para fornecer mais potência ao estágio de compressão.
A seguir, apresentamos alguns dos componentes mais importantes que garantem o funcionamento adequado e a estabilidade do sistema.
Válvula de bypass ou válvula redutora de pressão. A válvula de bypass permite a continuidade da operação quando o turboexpansor não está funcionando (por exemplo, para manutenção ou em caso de emergência), enquanto a válvula redutora de pressão é usada para operação contínua, fornecendo gás em excesso quando o fluxo total ultrapassa a capacidade de projeto do expansor.
Válvula de desligamento de emergência (ESD). As válvulas ESD são usadas para bloquear o fluxo de gás para o expansor em caso de emergência, evitando danos mecânicos.
Instrumentos e controles. As variáveis ​​importantes a serem monitoradas incluem pressão de entrada e saída, vazão, velocidade de rotação e potência de saída.
Operação em velocidade excessiva. O dispositivo interrompe o fluxo para a turbina, fazendo com que o rotor da turbina diminua a velocidade, protegendo assim o equipamento de velocidades excessivas devido a condições inesperadas do processo que poderiam danificá-lo.
Válvula de Segurança de Pressão (PSV). As PSVs são frequentemente instaladas após um turboexpansor para proteger tubulações e equipamentos de baixa pressão. A PSV deve ser projetada para suportar as contingências mais severas, que normalmente incluem a falha na abertura da válvula de bypass. Se um expansor for adicionado a uma estação de redução de pressão existente, a equipe de projeto do processo deve determinar se a PSV existente oferece proteção adequada.
Aquecedor. Os aquecedores compensam a queda de temperatura causada pela passagem do gás pela turbina, portanto, o gás precisa ser pré-aquecido. Sua principal função é aumentar a temperatura do fluxo de gás ascendente para manter a temperatura do gás que sai do expansor acima de um valor mínimo. Outro benefício do aumento da temperatura é o aumento da potência de saída, bem como a prevenção de corrosão, condensação ou hidratos que poderiam afetar negativamente os bicos dos equipamentos. Em sistemas que contêm trocadores de calor (como mostrado na Figura 3), a temperatura do gás geralmente é controlada pela regulação do fluxo de líquido aquecido para o pré-aquecedor. Em alguns projetos, um aquecedor de chama ou um aquecedor elétrico pode ser usado em vez de um trocador de calor. Os aquecedores podem já existir em uma estação de válvulas JT existente, e a adição de um expansor pode não exigir a instalação de aquecedores adicionais, mas sim o aumento do fluxo de fluido aquecido.
Sistemas de óleo lubrificante e gás de vedação. Como mencionado acima, os expansores podem usar diferentes projetos de vedação, que podem exigir lubrificantes e gases de vedação. Quando aplicável, o óleo lubrificante deve manter alta qualidade e pureza quando em contato com gases de processo, e o nível de viscosidade do óleo deve permanecer dentro da faixa operacional exigida para mancais lubrificados. Os sistemas de gás selado geralmente são equipados com um dispositivo de lubrificação a óleo para evitar que o óleo da caixa de mancais entre na caixa de expansão. Para aplicações especiais de companders usados ​​na indústria de hidrocarbonetos, os sistemas de óleo lubrificante e gás de vedação são normalmente projetados de acordo com as especificações da API 617 [5] Parte 4.
Inversor de frequência (VFD). Quando o gerador é de indução, um VFD é normalmente acionado para ajustar o sinal de corrente alternada (CA) à frequência da rede elétrica. Geralmente, projetos baseados em inversores de frequência apresentam maior eficiência geral do que projetos que utilizam caixas de engrenagens ou outros componentes mecânicos. Sistemas baseados em VFD também podem acomodar uma gama maior de alterações de processo que podem resultar em mudanças na velocidade do eixo do expansor.
Transmissão. Alguns projetos de expansores utilizam uma caixa de engrenagens para reduzir a velocidade do expansor à velocidade nominal do gerador. O custo de se utilizar uma caixa de engrenagens é uma menor eficiência geral e, portanto, uma menor potência de saída.
Ao preparar uma solicitação de cotação (RFQ) para um expansor, o engenheiro de processos deve primeiro determinar as condições de operação, incluindo as seguintes informações:
Engenheiros mecânicos frequentemente elaboram especificações e especificações de geradores expansores utilizando dados de outras disciplinas da engenharia. Essas informações podem incluir o seguinte:
As especificações devem incluir também uma lista de documentos e desenhos fornecidos pelo fabricante como parte do processo de licitação e o escopo do fornecimento, bem como os procedimentos de teste aplicáveis, conforme exigido pelo projeto.
As informações técnicas fornecidas pelo fabricante como parte do processo de licitação devem, em geral, incluir os seguintes elementos:
Caso algum aspecto da proposta seja diferente das especificações originais, o fabricante deverá fornecer uma lista das divergências e as respectivas justificativas.
Após o recebimento de uma proposta, a equipe de desenvolvimento do projeto deve analisar a solicitação de conformidade e determinar se as variações são tecnicamente justificadas.
Outras considerações técnicas a serem levadas em conta na avaliação de propostas incluem:
Por fim, é necessário realizar uma análise econômica. Como diferentes opções podem resultar em custos iniciais distintos, recomenda-se a realização de uma análise de fluxo de caixa ou de custo do ciclo de vida para comparar a viabilidade econômica do projeto a longo prazo e o retorno sobre o investimento. Por exemplo, um investimento inicial maior pode ser compensado a longo prazo pelo aumento da produtividade ou pela redução das necessidades de manutenção. Consulte a seção “Referências” para obter instruções sobre esse tipo de análise. 4.
Todas as aplicações de turboexpansores-geradores requerem um cálculo inicial da potência potencial total para determinar a quantidade total de energia disponível que pode ser recuperada em uma determinada aplicação. Para um turboexpansor-gerador, o potencial de potência é calculado como um processo isentrópico (entropia constante). Esta é a situação termodinâmica ideal para se considerar um processo adiabático reversível sem atrito, mas é o processo correto para estimar o potencial energético real.
A energia potencial isentrópica (EPI) é calculada multiplicando-se a diferença de entalpia específica na entrada e na saída do turboexpansor e multiplicando-se o resultado pela vazão mássica. Essa energia potencial será expressa como uma grandeza isentrópica (Equação (1)):
IPP = (hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
onde h(i,e) é a entalpia específica levando em consideração a temperatura de saída isentrópica 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. Portanto, ao calcular a potência potencial real, os seguintes dados de entrada adicionais devem ser levados em consideração:
Na maioria das aplicações de turboexpansores, a temperatura é limitada a um mínimo para evitar problemas indesejáveis, como o congelamento da tubulação mencionado anteriormente. Onde há fluxo de gás natural, os hidratos estão quase sempre presentes, o que significa que a tubulação a jusante de um turboexpansor ou válvula de controle de fluxo congelará interna e externamente se a temperatura de saída cair abaixo de 0 °C. A formação de gelo pode resultar em restrição de fluxo e, em última instância, na paralisação do sistema para descongelamento. Assim, a temperatura de saída "desejada" é usada para calcular um cenário de potência potencial mais realista. No entanto, para gases como o hidrogênio, o limite de temperatura é muito menor, pois o hidrogênio não muda do estado gasoso para o líquido até atingir a temperatura criogênica (-253 °C). Use essa temperatura de saída desejada para calcular a entalpia específica.
A eficiência do sistema turboexpansor também deve ser considerada. Dependendo da tecnologia utilizada, a eficiência do sistema pode variar significativamente. Por exemplo, um turboexpansor que utiliza uma engrenagem redutora para transferir a energia rotacional da turbina para o gerador apresentará maiores perdas por atrito do que um sistema que utiliza acionamento direto da turbina para o gerador. A eficiência global de um sistema turboexpansor é expressa em porcentagem e é levada em consideração ao avaliar o potencial de potência real do turboexpansor. O potencial de potência real (PP) é calculado da seguinte forma:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Vamos analisar a aplicação do alívio de pressão em gás natural. A ABC opera e mantém uma estação de redução de pressão que transporta gás natural do gasoduto principal e o distribui para os municípios locais. Nessa estação, a pressão de entrada do gás é de 40 bar e a pressão de saída é de 8 bar. A temperatura de pré-aquecimento do gás na entrada é de 35 °C, o que previne o congelamento do gás no gasoduto. Portanto, a temperatura do gás na 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 vazão volumétrica normalizada de gás é de 50.000 Nm³/h. Para calcular o potencial de potência, assumiremos que todo o gás flui através do turboexpansor e calcularemos a potência máxima de saída. Estime o potencial de potência total usando o seguinte cálculo: