Os expansores podem usar a redução de pressão para acionar máquinas rotativas. Informações sobre como avaliar os potenciais benefícios da instalação de um extensor 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 vários 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 por meio de uma turbina de recuperação de energia hidráulica (HPRT; ver referência 1). Para líquidos compressíveis (gases), um expansor é uma máquina adequada.
Expansores são uma tecnologia madura com muitas aplicações bem-sucedidas, como craqueamento catalítico de fluidos (FCC), refrigeração, válvulas de gás natural, 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 saída 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 do Expansor: O processo depende desses e de outros fatores, como os preços locais de energia e a disponibilidade de equipamentos adequados pelo 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 do CPI podem avaliar os potenciais benefícios econômicos e ambientais da instalação de um expansor.
Existem muitos tipos diferentes de faixas de resistência, com geometria e função bastante variadas. Os principais tipos são mostrados na Figura 2, e cada tipo é brevemente descrito a seguir. Para mais informações, bem como gráficos comparando o status operacional de cada tipo com base em diâmetros e velocidades específicos, consulte a Ajuda. 3.
Turboexpansor de pistão. Turboexpansores de pistão e de pistão rotativo operam como um motor de combustão interna de rotação reversa, absorvendo gás de alta pressão e convertendo sua energia armazenada em energia rotacional através do virabrequim.
Arraste o turboexpansor. O expansor da turbina de freio consiste em uma câmara de fluxo concêntrica com aletas em forma de balde fixadas na periferia do elemento rotativo. São projetadas da mesma forma que as rodas d'água, mas a seção transversal das câmaras concêntricas aumenta da entrada para a saída, permitindo a expansão do gás.
Turboexpansor radial. Turboexpansores de fluxo radial possuem uma entrada axial e uma saída radial, permitindo que o gás se expanda radialmente através do rotor da turbina. Da mesma forma, 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 turboexpansores radiais e axiais, discutindo seus vários subtipos, componentes e economia.
Um turboexpansor extrai energia de um fluxo 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 turboexpansor com compressor comprime o fluido em outras partes do fluxo do processo que requerem fluido comprimido, aumentando assim a eficiência geral da planta, utilizando energia que, de outra forma, seria desperdiçada. Um turboexpansor com carga de gerador converte a energia em eletricidade, que pode ser utilizada em outros processos da planta ou devolvida à rede local para venda.
Os geradores turboexpansores podem ser equipados com um eixo de transmissão direta, da roda da turbina ao gerador, ou por meio de uma caixa de engrenagens que reduz efetivamente a velocidade de entrada da roda da turbina ao gerador por meio de uma relação de transmissão. Os turboexpansores de transmissão direta oferecem vantagens em termos de eficiência, tamanho e custos de manutenção. Os turboexpansores com caixa de engrenagens são mais pesados e exigem um tamanho maior, 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 contêm uma entrada axial e uma saída radial, de modo que o fluxo de gás sai da turbina radialmente a partir 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 do expansor, com a área da seção transversal da câmara de expansão aumentando gradualmente para manter uma velocidade constante.
Um gerador turboexpansor consiste em três componentes principais: uma roda de turbina, rolamentos especiais e um gerador.
Roda de turbina. 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 volumétrica 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 rodas de turbina radiais quanto axiais podem ser projetadas como multiestágios, mas as rodas de turbina axiais têm um comprimento axial muito menor e, portanto, são mais compactas. Turbinas de fluxo radial multiestágio exigem que o gás flua do eixo axial para o radial e de volta para o axial, gerando maiores perdas por atrito do que as turbinas de fluxo axial.
Mancais. O projeto dos mancais é fundamental para a operação eficiente de um turboexpansor. Os tipos de mancais relacionados aos projetos de turboexpansores variam amplamente e podem incluir mancais de óleo, mancais de filme líquido, 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 mancais magnéticos como seu "mancal de escolha" devido às suas vantagens exclusivas. Os mancais magnéticos garantem a operação 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 sobretensão. Seus custos iniciais mais elevados são compensados por custos de ciclo de vida muito mais baixos.
Dínamo. O gerador capta 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 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 à rede por meio de um inversor de frequência. O gerador é projetado para fornecer a potência máxima com base na potência do eixo disponível no sistema.
Vedações. A vedação também é um componente crítico no projeto de um sistema turboexpansor. Para manter alta eficiência e atender aos padrões ambientais, os sistemas devem ser vedados para evitar potenciais vazamentos de gás de processo. Os turboexpansores podem ser equipados com vedações dinâmicas ou estáticas. Vedações dinâmicas, como vedações de labirinto e vedações de gás seco, fornecem uma vedação ao redor de um eixo rotativo, normalmente 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 um único alojamento, vedações estáticas podem ser usadas para proteger quaisquer condutores que saiam do alojamento, incluindo para o gerador, acionamentos de mancais magnéticos ou sensores. Essas vedações herméticas fornecem proteção permanente contra vazamentos 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 (não condensável) de alta pressão a um sistema de baixa pressão, com vazão, queda de pressão e utilização suficientes para manter a operação normal do equipamento. Os parâmetros operacionais são mantidos em um nível seguro e eficiente.
Em termos de função redutora de pressão, o expansor pode ser usado para substituir a válvula Joule-Thomson (JT), também conhecida como válvula borboleta. Como a válvula JT se move ao longo de um caminho isoentrópico e o expansor se move ao longo de um caminho quase isoentrópico, 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 da temperatura 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.
Na Fig. Figura 3 é mostrado um diagrama simplificado do fluxograma geral de um gerador expansor com pré-aquecedor utilizado 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 possuem estágios de expansão e compressão conectados por um ou mais eixos, que também podem incluir uma caixa de engrenagens para regular a diferença de velocidade entre os dois estágios. Também pode incluir um motor adicional para fornecer mais potência ao estágio de compressão.
Abaixo estão alguns dos componentes mais importantes que garantem a operação adequada e a estabilidade do sistema.
Válvula de desvio ou válvula redutora de pressão. A válvula de desvio permite a continuidade da operação quando o turboexpansor não está em operação (por exemplo, para manutenção ou emergência), enquanto a válvula redutora de pressão é usada para operação contínua, fornecendo gás excedente 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 para o expansor em uma emergência, evitando danos mecânicos.
Instrumentos e controles. Variáveis importantes a serem monitoradas incluem pressão de entrada e saída, vazão, velocidade de rotação e potência de saída.
Condução em velocidade excessiva. O dispositivo corta o fluxo para a turbina, fazendo com que o rotor da turbina desacelere, protegendo assim o equipamento de velocidades excessivas devido a condições inesperadas do processo que podem 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 de 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. Aquecedores compensam a queda de temperatura causada pela passagem do gás pela turbina, portanto, o gás deve ser pré-aquecido. Sua principal função é aumentar a temperatura do fluxo ascendente de gás para manter a temperatura do gás que sai do expansor acima de um valor mínimo. Outro benefício de aumentar a temperatura é aumentar a potência de saída, bem como evitar corrosão, condensação ou hidratos que podem afetar adversamente os bicos dos equipamentos. Em 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 para o pré-aquecedor. Em alguns projetos, um aquecedor de chama ou aquecedor elétrico pode ser usado em vez de um trocador de calor. Aquecedores podem já existir em uma estação de válvulas JT existente, e adicionar 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. Conforme mencionado acima, os expansores podem utilizar diferentes projetos de vedação, o que pode exigir lubrificantes e gases de vedação. Quando aplicável, o óleo lubrificante deve manter alta qualidade e pureza quando em contato com os gases do 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 impedir que o óleo da caixa de mancais entre na caixa de expansão. Para aplicações especiais de compressores utilizados 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 variável (VFD). Quando o gerador é de indução, um VFD normalmente é ligado para ajustar o sinal de corrente alternada (CA) à frequência da rede elétrica. Normalmente, projetos baseados em inversores de frequência apresentam maior eficiência geral do que projetos que utilizam caixas de engrenagens ou outros componentes mecânicos. Os sistemas baseados em VFD também podem acomodar uma gama mais ampla de mudanças de processo que podem resultar em alterações 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 do uso de uma caixa de engrenagens é menor eficiência geral e, portanto, menor potência de saída.
Ao preparar uma solicitação de cotação (RFQ) para um expansor, o engenheiro de processo deve primeiro determinar as condições operacionais, incluindo as seguintes informações:
Engenheiros mecânicos frequentemente concluem especificações de geradores expansores e especificações utilizando dados de outras disciplinas da engenharia. Essas informações 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 de fornecimento, bem como procedimentos de teste aplicáveis, conforme exigido pelo projeto.
As informações técnicas fornecidas pelo fabricante como parte do processo de licitação devem geralmente incluir os seguintes elementos:
Se algum aspecto da proposta diferir das especificações originais, o fabricante também deverá fornecer uma lista de desvios e os motivos para os mesmos.
Depois que uma proposta é recebida, 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 consideradas ao avaliar propostas incluem:
Por fim, é necessária uma análise econômica. Como diferentes opções podem resultar em custos iniciais diferentes, recomenda-se a realização de uma análise de fluxo de caixa ou de custo do ciclo de vida para comparar a economia de longo prazo do projeto e o retorno sobre o investimento. Por exemplo, um investimento inicial mais alto pode ser compensado a longo prazo pelo aumento da produtividade ou pela redução dos requisitos de manutenção. Consulte “Referências” para obter instruções sobre este tipo de análise. 4.
Todas as aplicações de turboexpansor-gerador exigem um cálculo inicial de potência potencial total para determinar a quantidade total de energia disponível que pode ser recuperada em uma aplicação específica. Para um turboexpansor, 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-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 vazão mássica.
Embora a energia potencial isentrópica possa ser usada para estimar a energia potencial, todos os sistemas reais envolvem perdas por atrito, calor e outras perdas de energia auxiliares. Portanto, ao calcular o potencial de potência real, os seguintes dados de entrada adicionais devem ser considerados:
Na maioria das aplicações de turboexpansores, a temperatura é limitada ao mínimo para evitar problemas indesejados, como o congelamento da tubulação mencionado anteriormente. Onde o gás natural flui, hidratos estão quase sempre presentes, o que significa que a tubulação a jusante de um turboexpansor ou válvula de aceleração 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, por fim, desligar o sistema para degelo. 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 porque o hidrogênio não muda de gás para 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 de redução para transferir energia rotacional da turbina para o gerador sofrerá maiores perdas por atrito do que um sistema que utiliza acionamento direto da turbina para o gerador. A eficiência geral de um sistema turboexpansor é expressa em porcentagem e é levada em consideração na avaliação do potencial de potência real do turboexpansor. O potencial de potência real (PP) é calculado da seguinte forma:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Vejamos a aplicação do alívio de pressão do 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 do gás de entrada pré-aquecido é de 35 °C, o que pré-aquece o gás para evitar o congelamento do gasoduto. 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 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:
Horário de publicação: 25 de maio de 2024