Hangzhou Nuzhuo Technology Group Co., Ltd.

팽창기는 압력 감소를 사용하여 회전 기계를 구동 할 수 있습니다. 익스텐더 설치의 잠재적 이점을 평가하는 방법에 대한 정보는 여기에서 찾을 수 있습니다.
일반적으로 화학 공정 산업 (CPI)에서,“고압 유체가 억압되어야하는 압력 제어 밸브에서는 많은 양의 에너지가 낭비됩니다”[1]. 다양한 기술 및 경제적 요인에 따라이 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하는 것이 바람직 할 수 있으며, 이는 발전기 또는 다른 회전 기계를 구동하는 데 사용할 수 있습니다. 비 압축 유체 (액체)의 경우, 이것은 유압 에너지 회수 터빈 (HPRT; 참조 1 참조)을 사용하여 달성됩니다. 압축 액체 (가스)의 경우 팽창기는 적합한 기계입니다.
Expanders는 유체 촉매 크래킹 (FCC), 냉장, 천연 가스 시티 밸브, 공기 분리 또는 배기 가스와 같은 많은 성공적인 응용 프로그램을 갖춘 성숙한 기술입니다. 원칙적으로, 압력 감소가 감소 된 모든 가스 스트림은 팽창기를 구동하는 데 사용될 수 있지만, "에너지 출력은 가스 스트림의 압력 비율, 온도 및 유량에 직접 비례합니다"[2] 기술 및 경제적 타당성. Expander 구현 : 프로세스는 현지 에너지 가격 및 제조업체의 적절한 장비 가용성과 같은 이러한 요소 및 기타 요인에 따라 다릅니다.
Turboexpander (터빈과 유사하게 작동)는 가장 잘 알려진 유형의 팽창기이지만 (그림 1), 다른 공정 조건에 적합한 다른 유형이 있습니다. 이 기사는 주요 유형의 확장기와 해당 구성 요소를 소개하고 다양한 CPI 부서의 운영 관리자, 컨설턴트 또는 에너지 감사인이 확장기 설치의 잠재적 인 경제적 및 환경 적 이점을 평가하는 방법을 요약합니다.
기하학과 기능이 크게 다른 여러 유형의 저항 밴드가 있습니다. 주요 유형은 그림 2에 나와 있으며 각 유형은 아래에 간단히 설명되어 있습니다. 자세한 내용은 특정 직경과 특정 속도를 기반으로 각 유형의 작동 상태를 비교하는 그래프뿐만 아니라 도움말을 참조하십시오. 3.
피스톤 터보 펙더. 피스톤 및 로터리 피스톤 터보 펙 팬더는 역전 내연 기관과 같이 작동하여 고압 가스를 흡수하고 저장된 에너지를 크랭크 샤프트를 통해 회전 에너지로 변환합니다.
터보 팽창기를 드래그하십시오. 브레이크 터빈 팽창기는 회전 요소의 주변에 부착 된 버킷 핀이있는 동심 흐름 챔버로 구성됩니다. 그들은 물 바퀴와 같은 방식으로 설계되었지만 동심 챔버의 단면은 입구에서 출구로 증가하여 가스가 팽창 할 수 있습니다.
방사형 Turboexpander. 방사형 흐름 터보 엑스 팬더는 축 방향 흡입구와 방사형 출구를 가지므로 가스가 터빈 임펠러를 통해 방사형 적으로 팽창 할 수 있습니다. 마찬가지로, 축 방향 유량 터빈은 터빈 휠을 통해 가스를 확장하지만 흐름 방향은 회전 축과 평행하게 유지됩니다.
이 기사는 다양한 하위 유형, 구성 요소 및 경제학을 논의하는 방사형 및 축 터보 펙 팬더에 중점을 둡니다.
Turboexpander는 고압 가스 스트림에서 에너지를 추출하여 드라이브 하중으로 변환합니다. 일반적으로 하중은 샤프트에 연결된 압축기 또는 발전기입니다. 압축기가있는 터보 펙더는 압축 유체가 필요한 공정 스트림의 다른 부분에서 유체를 압축시켜 낭비되는 에너지를 사용하여 플랜트의 전반적인 효율을 증가시킵니다. 발전기 부하가있는 터보 펙더는 에너지를 전기로 변환하며, 이는 다른 플랜트 공정에서 사용하거나 판매를 위해 로컬 그리드로 반환 할 수 있습니다.
TurboExpander 발전기에는 터빈 휠에서 발전기까지 직접 구동 샤프트 또는 기어 박스를 통해 터빈 휠에서 발전기까지의 입력 속도를 기어 비율로 효과적으로 줄일 수 있습니다. Direct Drive TurboExpanders는 효율성, 발자국 및 유지 보수 비용의 장점을 제공합니다. 기어 박스 터보 펙 팬더는 더 무겁고 더 큰 발자국, 윤활 보조 장비 및 정기적 인 유지 보수가 필요합니다.
유동 터보 펙 팬더는 방사형 또는 축 터빈 형태로 만들 수 있습니다. 방사형 흐름 팽창기는 축 방향 흡입구와 방사형 배출구를 함유하여 가스 흐름이 회전 축으로부터 방사상으로 터빈을 빠져 나옵니다. 축 터빈은 가스가 회전 축을 따라 축 방향으로 흐르도록 허용합니다. 축 방향 흐름 터빈은 가스 흐름에서 입구 가이드 수정을 통해 팽창 휠까지 에너지를 추출합니다. 팽창 챔버의 단면적은 일정한 속도를 유지하기 위해 점차 증가합니다.
Turboexpander 생성기는 터빈 휠, 특수 베어링 및 발전기의 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.
터빈 휠. 터빈 휠은 종종 공기 역학적 효율을 최적화하도록 특별히 설계됩니다. 터빈 휠 설계에 영향을 미치는 응용 변수에는 입구/출구 압력, 입구/출구 온도, 부피 흐름 및 유체 특성이 포함됩니다. 압축 비율이 너무 높아서 한 단계에서 감소하기에는 여러 터빈 휠이있는 터보 펙터가 필요합니다. 방사형 및 축 터빈 휠은 모두 다단계로 설계 될 수 있지만 축 터빈 휠은 축 길이가 훨씬 짧으므로 더 컴팩트합니다. 다단 방사형 흐름 터빈은 가스가 축에서 방사형으로, 축 방향으로 흐르기 위해 가스가있어서 축 방향 흐름 터빈보다 더 높은 마찰 손실을 만듭니다.
문장. 베어링 디자인은 터보 펙더의 효율적인 작동에 중요합니다. Turboexpander 설계와 관련된 베어링 유형은 다양하며 오일 베어링, 액체 필름 베어링, 전통적인 볼 베어링 및 자기 베어링이 포함될 수 있습니다. 각 방법에는 표 1에 표시된 것처럼 고유 한 장점과 단점이 있습니다.
많은 Turboexpander 제조업체는 독특한 장점으로 인해 자기 베어링을 "선택의 베어링"으로 선택합니다. 자기 베어링은 TurboExpander의 동적 구성 요소의 마찰이없는 작동을 보장하여 기계 수명 동안 작동 및 유지 보수 비용을 크게 줄입니다. 또한 광범위한 축 방향 및 방사형 하중 및 과부 스트레스 조건을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 초기 비용이 높아짐에 따라 수명주기 비용이 훨씬 낮아졌습니다.
발전기. 발전기는 터빈의 회전 에너지를 취하고 전자기 발전기 (유도 발전기 또는 영구 자석 발전기 일 수 있음)를 사용하여 유용한 전기 에너지로 변환합니다. 유도 생성기는 정격 속도가 낮으므로 고속 터빈 응용 프로그램에는 기어 박스가 필요하지만 그리드 주파수와 일치하도록 설계 될 수 있으므로 VFD (Variable Frequency Drive)가 생성 된 전기를 공급할 필요가 없습니다. 반면에 영구 자석 발전기는 터빈에 직접 연결되어 가변 주파수 드라이브를 통해 그리드로 전력을 전달할 수 있습니다. 발전기는 시스템에서 사용 가능한 샤프트 전력을 기반으로 최대 전력을 제공하도록 설계되었습니다.
물개. 씰은 터보 펙더 시스템을 설계 할 때 중요한 구성 요소입니다. 고효율을 유지하고 환경 표준을 충족 시키려면 잠재적 공정 가스 누출을 방지하기 위해 시스템을 밀봉해야합니다. Turboexpanders에는 동적 또는 정적 씰이 장착 될 수 있습니다. Labyrinth 씰 및 건식 가스 씰과 같은 동적 씰은 회전 샤프트 주위에 씰을 제공합니다. 일반적으로 터빈 휠, 베어링 및 발전기가있는 나머지 기계 사이에 있습니다. 동적 씰은 시간이 지남에 따라 마모되며 정기적 인 유지 보수 및 검사가 제대로 작동하는지 확인해야합니다. 모든 TurboExpander 구성 요소가 단일 하우징에 포함 된 경우, 정적 씰을 사용하여 발전기, 자기 베어링 드라이브 또는 센서를 포함하여 하우징을 빠져 나가는 리드를 보호 할 수 있습니다. 이 밀폐 씰은 가스 누출로부터 영구적 인 보호를 제공하며 유지 보수 또는 수리가 필요하지 않습니다.
프로세스 관점에서, 팽창기 설치의 주요 요구 사항은 장비의 정상적인 작동을 유지하기 위해 충분한 흐름, 압력 강하 및 활용을 갖는 저압 시스템에 고압 압축성 (비전식) 가스를 공급하는 것입니다. 작동 매개 변수는 안전하고 효율적인 수준으로 유지됩니다.
압력 감소 기능의 관점에서, Expander는 스로틀 밸브라고도하는 Joule-Thomson (JT) 밸브를 대체하는 데 사용될 수 있습니다. JT 밸브가 등방성 경로를 따라 움직이고 팽창기가 거의 등방성 경로를 따라 이동하기 때문에, 후자는 가스의 엔탈피를 줄이고 엔탈피 차이를 샤프트 전력으로 변환하여 JT 밸브보다 낮은 출구 온도를 생성합니다. 이것은 가스 온도를 줄이는 것이 목표 인 극저온 과정에서 유용합니다.
배출구 가스 온도의 하한이있는 경우 (예 : 가스 온도를 동결, 수화 또는 최소 재료 설계 온도 위에서 유지 해야하는 감압 스테이션에서) 최소 하나의 히터를 추가해야합니다. 가스 온도를 제어하십시오. 예열기가 팽창기의 상류에 위치 할 때, 공급 가스의 일부 에너지도 팽창기에서 회수되어 전력 출력이 증가합니다. 배출구 온도 제어가 필요한 일부 구성에서는 확장기 후 두 번째 재가공을 설치하여 더 빠른 제어를 제공 할 수 있습니다.
그림 3에서는 JT 밸브를 대체하는 데 사용되는 예열기가있는 Expander Generator의 일반적인 흐름도의 단순화 된 다이어그램을 보여줍니다.
다른 프로세스 구성에서, 팽창에서 회수 된 에너지는 압축기로 직접 전달 될 수있다. 때때로 "지휘자"라고 불리는이 기계는 일반적으로 하나 이상의 샤프트로 연결된 확장 및 압축 단계가 있으며, 여기에는 두 단계 사이의 속도 차이를 조절하기위한 기어 박스가 포함될 수도 있습니다. 또한 압축 단계에 더 많은 전력을 공급하기 위해 추가 모터를 포함 할 수 있습니다.
다음은 시스템의 적절한 작동과 안정성을 보장하는 가장 중요한 구성 요소입니다.
우회 밸브 또는 압력 감소 밸브. Bypass 밸브를 사용하면 TurboExpander가 작동하지 않을 때 (예 : 유지 보수 또는 응급 상황), 압력 감소 밸브는 전체 흐름이 Expander의 설계 용량을 초과 할 때 과도한 가스를 공급하기 위해 연속 작동에 사용됩니다.
비상 종료 밸브 (ESD). ESD 밸브는 기계적 손상을 피하기 위해 응급 상황에서 팽창기로의 가스 흐름을 차단하는 데 사용됩니다.
기기 및 컨트롤. 모니터링하는 중요한 변수에는 입구 및 출구 압력, 유량, 회전 속도 및 전력 출력이 포함됩니다.
과도한 속도로 운전. 장치는 터빈으로의 흐름을 차단하여 터빈 로터가 속도가 느려져 장비를 손상시킬 수있는 예기치 않은 공정 조건으로 인해 장비를 과도한 속도로부터 보호합니다.
압력 안전 밸브 (PSV). PSV는 종종 파이프 라인과 저압 장비를 보호하기 위해 터보 펙터 후에 설치됩니다. PSV는 가장 심각한 우발 사태를 견딜 수 있도록 설계되어야하며, 일반적으로 우회 밸브가 열리는 실패가 포함됩니다. 팽창기가 기존 압력 감소 스테이션에 추가되면 프로세스 설계 팀은 기존 PSV가 적절한 보호를 제공하는지 여부를 결정해야합니다.
히터. 히터는 터빈을 통과하는 가스로 인한 온도 감소를 보상하므로 가스를 예열해야합니다. 주요 기능은 가스의 온도를 높이기 위해 가스의 온도를 높이는 것입니다. 온도를 높이는 또 다른 이점은 전력 출력을 늘리고 장비 노즐에 부정적인 영향을 줄 수있는 부식, 응축 또는 수화물을 방지하는 것입니다. 열교환 기를 함유 한 시스템 (도 3에 도시 된 바와 같이)에서, 가스 온도는 일반적으로 가열 된 액체의 예열기로의 흐름을 조절함으로써 제어된다. 일부 설계에서는 열교환 기 대신 불꽃 히터 또는 전기 히터를 사용할 수 있습니다. 히터는 기존 JT 밸브 스테이션에 이미 존재할 수 있으며 팽창을 추가하면 추가 히터를 설치할 필요가 없지만 가열 된 유체의 흐름이 증가 할 수 있습니다.
윤활유 및 밀봉 가스 시스템. 위에서 언급했듯이 팽창기는 윤활제와 밀봉 가스가 필요할 수있는 다른 씰 설계를 사용할 수 있습니다. 해당되는 경우, 윤활유는 공정 가스와 접촉 할 때 고품질과 순도를 유지해야하며 오일 점도 수준은 필요한 작동 범위의 윤활 베어링 내에 있어야합니다. 밀봉 된 가스 시스템은 일반적으로 베어링 박스의 오일이 확장 상자에 들어가는 것을 방지하기 위해 오일 윤활 장치가 장착되어 있습니다. 탄화수소 산업에 사용되는 작곡가의 특별한 응용을 위해 윤활유 및 씰 가스 시스템은 일반적으로 API 617 [5] 파트 4 사양으로 설계되었습니다.
가변 주파수 드라이브 (VFD). 생성기가 유도 인 경우, VFD는 일반적으로 유틸리티 주파수와 일치하도록 교대 전류 (AC) 신호를 조정하기 위해 켜집니다. 일반적으로 가변 주파수 드라이브를 기반으로 한 설계는 기어 박스 또는 기타 기계 구성 요소를 사용하는 설계보다 전체 효율이 높습니다. VFD 기반 시스템은 또한 더 넓은 범위의 프로세스 변경을 수용하여 팽창 샤프트 속도의 변화를 초래할 수 있습니다.
전염. 일부 확장기 설계는 기어 박스를 사용하여 팽창 속도를 발전기의 정격 속도로 줄입니다. 기어 박스 사용 비용은 전체 효율이 낮으므로 전력 출력이 낮습니다.
Expander에 대한 견적 요청 (RFQ)을 준비 할 때 프로세스 엔지니어는 먼저 다음 정보를 포함하여 운영 조건을 결정해야합니다.
기계 엔지니어는 종종 다른 엔지니어링 분야의 데이터를 사용하여 Expander Generator 사양 및 사양을 완성합니다. 이러한 입력에는 다음이 포함될 수 있습니다.
사양에는 또한 입찰 프로세스 및 공급 범위의 일부로 제조업체가 제공 한 문서 및 도면 목록과 프로젝트가 요구하는 해당 테스트 절차가 포함되어야합니다.
입찰 프로세스의 일부로 제조업체가 제공하는 기술 정보에는 일반적으로 다음 요소가 포함되어야합니다.
제안서의 어떤 측면이 원래 사양과 다른 경우, 제조업체는 편차 목록과 편차의 이유를 제공해야합니다.
제안이 접수되면 프로젝트 개발 팀은 규정 준수 요청을 검토하고 분산이 기술적으로 정당화되는지 여부를 결정해야합니다.
제안을 평가할 때 고려해야 할 기타 기술 고려 사항에는 다음이 포함됩니다.
마지막으로 경제 분석이 수행되어야합니다. 다른 옵션으로 인해 초기 비용이 다를 수 있으므로 프로젝트의 장기 경제와 투자 수익을 비교하기 위해 현금 흐름 또는 수명주기 비용 분석을 수행하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 생산성 향상 또는 유지 보수 요구 사항이 감소함으로써 장기적으로 초기 투자가 높아질 수 있습니다. 이 유형의 분석에 대한 지침은 "참조"를 참조하십시오. 4.
모든 TurboExpander-Generator 응용 프로그램은 특정 응용 분야에서 회수 할 수있는 가용 에너지의 총량을 결정하기 위해 초기 총 전위 전력 계산이 필요합니다. Turboexpander 생성기의 경우, 전력 전위는 등방성 (일정한 엔트로피) 공정으로 계산된다. 이것은 마찰이없는 가역 단열 과정을 고려하기위한 이상적인 열역학적 상황이지만 실제 에너지 전위를 추정하기위한 올바른 과정입니다.
등방성 전위 에너지 (IPP)는 터보 펙더의 입구 및 출구에서의 특정 엔탈피 차이를 곱하고 결과에 질량 유량을 곱하여 계산됩니다. 이 잠재적 에너지는 등방성 양으로 표현 될 것입니다 (식 (1)) :
IPP = (Hinlet - H (i, e)) × ṁ x ŋ (1)
여기서 H (i, e)는 등방성 출구 온도를 고려하는 특정 엔탈피이고 ṁ는 질량 유량입니다.
등방성 전위 에너지는 잠재적 에너지를 추정하는 데 사용될 수 있지만 모든 실제 시스템에는 마찰, 열 및 기타 보조 에너지 손실이 포함됩니다. 따라서 실제 전력 전위를 계산할 때 다음 추가 입력 데이터를 고려해야합니다.
대부분의 TurboExpander 응용 분야에서 온도는 앞에서 언급 한 파이프 동결과 같은 원치 않는 문제를 방지하기 위해 최소로 제한됩니다. 천연 가스가 흐르는 경우, 수화물은 거의 항상 존재합니다. 즉, 배출구 온도가 0 ° C 아래로 떨어지면 터보 펙터 또는 스로틀 밸브의 파이프 라인이 내부 및 외부로 얼어 붙게됩니다. 얼음 형성은 흐름 제한을 초래할 수 있으며 궁극적으로 시스템을 해동기로 차단할 수 있습니다. 따라서, "원하는"출구 온도는보다 현실적인 잠재적 전력 시나리오를 계산하는 데 사용됩니다. 그러나, 수소와 같은 가스의 경우, 수소가 극저온 온도 (-253 ° C)에 도달 할 때까지 가스에서 액체로 변하지 않기 때문에 온도 한계가 훨씬 낮습니다. 이 원하는 출구 온도를 사용하여 특정 엔탈피를 계산하십시오.
Turboexpander 시스템의 효율도 고려해야합니다. 사용 된 기술에 따라 시스템 효율성은 크게 다를 수 있습니다. 예를 들어, 감소 기어를 사용하여 터빈에서 발전기로 회전 에너지를 전달하는 터보 펙더는 터빈에서 발전기로 직접 드라이브를 사용하는 시스템보다 마찰 손실이 더 커집니다. Turboexpander 시스템의 전반적인 효율은 백분율로 표현되며 Turboexpander의 실제 전력 잠재력을 평가할 때 고려됩니다. 실제 전력 전위 (PP)는 다음과 같이 계산됩니다.
pp = (Hinlet - hexit) × ṁ x ṅ (2)
천연 가스 압력 완화의 적용을 살펴 보겠습니다. ABC는 메인 파이프 라인에서 천연 가스를 운반하여 지방 자치 단체에 분배하는 압력 감소 스테이션을 운영하고 유지합니다. 이 스테이션에서 가스 흡입 압력은 40 bar이고 출구 압력은 8 bar입니다. 예열 된 입구 가스 온도는 35 ° C이며, 파이프 라인 동결을 방지하기 위해 가스를 예열합니다. 따라서 출구 가스 온도는 0 ° C 미만으로 떨어지지 않도록 제어해야합니다. 이 예에서는 안전 계수를 증가시키기 위해 최소 출구 온도로 5 ° C를 사용합니다. 정규화 된 부피 가스 유량은 50,000 nm3/h입니다. 전력 전위를 계산하기 위해 모든 가스가 터보 팽창기를 통해 흐르고 최대 전력 출력을 계산한다고 가정합니다. 다음 계산을 사용하여 총 전력 출력 전위를 추정하십시오.