항저우 누주오 테크놀로지 그룹 유한회사

팽창기는 압력 감소를 이용하여 회전 기계를 구동할 수 있습니다. 팽창기 설치의 잠재적 이점을 평가하는 방법에 대한 정보는 여기에서 확인할 수 있습니다.
일반적으로 화학 공정 산업(CPI)에서는 "고압 유체를 감압해야 하는 압력 제어 밸브에서 많은 에너지가 낭비됩니다"[1]. 다양한 기술적 및 경제적 요인에 따라 이 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하여 발전기나 기타 회전 기계를 구동하는 것이 바람직할 수 있습니다. 비압축성 유체(액체)의 경우, 이는 수력 에너지 회수 터빈(HPRT; 참고문헌 1 참조)을 사용하여 달성됩니다. 압축성 액체(기체)의 경우, 팽창기가 적합한 장비입니다.
팽창기는 유체 촉매 분해(FCC), 냉동, 천연가스 도시 밸브, 공기 분리 또는 배기가스 배출과 같은 많은 성공적인 응용 분야를 가진 성숙한 기술입니다. 원칙적으로 압력이 감소된 모든 가스 흐름을 사용하여 팽창기를 구동할 수 있지만, "에너지 출력은 가스 흐름의 압력비, 온도 및 유량에 직접 비례합니다"[2]. 또한 기술적 및 경제적 타당성도 중요합니다. 팽창기 구현: 이 과정은 이러한 요소와 지역 에너지 가격, 제조업체의 적합한 장비 가용성과 같은 기타 요소에 따라 달라집니다.
터보팽창기(터빈과 유사하게 작동)가 가장 잘 알려진 팽창기 유형이지만(그림 1), 다양한 공정 조건에 적합한 다른 유형의 팽창기도 있습니다. 이 글에서는 주요 팽창기 유형과 구성 요소를 소개하고, CPI의 여러 부서에서 운영 관리자, 컨설턴트 또는 에너지 감사자가 팽창기 설치를 통해 얻을 수 있는 잠재적인 경제적 및 환경적 이점을 평가하는 방법을 요약합니다.
저항 밴드는 형태와 기능이 매우 다양한 여러 유형이 있습니다. 주요 유형은 그림 2에 나와 있으며, 각 유형에 대한 간략한 설명은 아래에 있습니다. 자세한 내용과 특정 직경 및 특정 속도에 따른 각 유형의 작동 상태를 비교한 그래프는 도움말 3을 참조하십시오.
피스톤 터보팽창기. 피스톤 및 로터리 피스톤 터보팽창기는 역회전 내연기관처럼 작동하여 고압 가스를 흡입하고 저장된 에너지를 크랭크축을 통해 회전 에너지로 변환합니다.
터보 팽창기를 작동시켜 보세요. 브레이크 터빈 팽창기는 회전 요소의 둘레에 버킷 핀이 부착된 동심 유동 챔버로 구성됩니다. 수차와 같은 방식으로 설계되었지만, 동심 챔버의 단면적이 입구에서 출구로 갈수록 증가하여 가스가 팽창할 수 있도록 합니다.
방사형 터보팽창기. 방사형 흐름 터보팽창기는 축 방향 입구와 방사형 출구를 가지고 있어 가스가 터빈 임펠러를 통해 방사형으로 팽창할 수 있습니다. 마찬가지로 축류 터빈도 터빈 휠을 통해 가스를 팽창시키지만, 흐름 방향은 회전축과 평행합니다.
이 글에서는 방사형 및 축형 터보팽창기에 초점을 맞춰 다양한 하위 유형, 구성 요소 및 경제성에 대해 논의합니다.
터보팽창기는 고압 가스 흐름에서 에너지를 추출하여 구동 부하로 변환합니다. 일반적으로 이 부하는 축에 연결된 압축기 또는 발전기입니다. 압축기가 연결된 터보팽창기는 압축 유체가 필요한 공정 흐름의 다른 부분에서 유체를 압축하여, 그렇지 않으면 낭비될 에너지를 활용함으로써 플랜트의 전체 효율을 향상시킵니다. 발전기가 연결된 터보팽창기는 에너지를 전기로 변환하여 플랜트의 다른 공정에 사용하거나 지역 전력망으로 되돌려 판매할 수 있습니다.
터보팽창기 발전기는 터빈 휠에서 발전기로 직접 구동되는 구동축을 사용하거나, 기어박스를 통해 터빈 휠에서 발전기로 전달되는 입력 속도를 기어비로 효과적으로 줄이는 방식으로 구동할 수 있습니다. 직접 구동 방식의 터보팽창기는 효율성, 설치 공간 및 유지보수 비용 측면에서 유리합니다. 기어박스 방식의 터보팽창기는 무게가 더 무겁고 설치 공간이 더 넓으며, 윤활 보조 장비가 필요하고 정기적인 유지보수가 요구됩니다.
유동식 터보팽창기는 방사형 또는 축류형 터빈으로 제작될 수 있습니다. 방사형 팽창기는 축 방향 입구와 방사형 출구를 가지고 있어 가스 흐름이 회전축에서 방사 방향으로 터빈을 빠져나갑니다. 축류형 터빈은 가스가 회전축을 따라 축 방향으로 흐르도록 합니다. 축류형 터빈은 팽창 휠로 유입되는 안내 날개를 통해 가스 흐름으로부터 에너지를 추출하며, 팽창실의 단면적이 점진적으로 증가하여 일정한 속도를 유지합니다.
터보팽창기 발전기는 터빈 휠, 특수 베어링 및 발전기라는 세 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다.
터빈 휠. 터빈 휠은 공기역학적 효율을 최적화하도록 특별히 설계되는 경우가 많습니다. 터빈 휠 설계에 영향을 미치는 변수로는 입구/출구 압력, 입구/출구 온도, 유량, 유체 특성 등이 있습니다. 압축비가 너무 높아 한 단계에서 낮출 수 없는 경우에는 여러 개의 터빈 휠을 갖춘 터보팽창기가 필요합니다. 방사형 및 축류형 터빈 휠 모두 다단식으로 설계할 수 있지만, 축류형 터빈 휠은 축 방향 길이가 훨씬 짧아 더 소형입니다. 다단 방사형 터빈은 가스가 축 방향에서 방사형으로, 그리고 다시 축 방향으로 흐르기 때문에 축류형 터빈보다 마찰 손실이 더 큽니다.
베어링. 베어링 설계는 터보팽창기의 효율적인 작동에 매우 중요합니다. 터보팽창기 설계와 관련된 베어링 유형은 매우 다양하며, 오일 베어링, 액막 베어링, 일반 볼 베어링 및 자기 베어링 등이 있습니다. 각 방식에는 표 1에 나타낸 바와 같이 고유의 장점과 단점이 있습니다.
많은 터보팽창기 제조업체들이 자기 베어링을 선호하는 이유는 그 고유한 장점 때문입니다. 자기 베어링은 터보팽창기의 동적 부품들이 마찰 없이 작동하도록 보장하여 기계 수명 동안 운영 및 유지 보수 비용을 크게 절감해 줍니다. 또한 광범위한 축 방향 및 반경 방향 하중과 과부하 조건을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 초기 구매 비용은 다소 높지만, 수명 주기 비용이 훨씬 낮아 상쇄됩니다.
다이나모(발전기)는 터빈의 회전 에너지를 전자기 발전기(유도 발전기 또는 영구 자석 발전기)를 사용하여 유용한 전기 에너지로 변환합니다. 유도 발전기는 정격 속도가 낮기 때문에 고속 터빈에는 기어박스가 필요하지만, 계통 주파수에 맞춰 설계할 수 있어 발전된 전기를 계통에 공급하기 위한 가변 주파수 드라이브(VFD)가 필요하지 않습니다. 반면, 영구 자석 발전기는 터빈에 직접 축에 연결되어 가변 주파수 드라이브를 통해 전력을 계통으로 전송할 수 있습니다. 발전기는 시스템에서 사용 가능한 축 동력을 기준으로 최대 전력을 공급하도록 설계됩니다.
밀봉재. 밀봉재는 터보팽창기 시스템 설계에서 매우 중요한 구성 요소입니다. 높은 효율을 유지하고 환경 기준을 충족하려면 공정 가스 누출을 방지하기 위해 시스템을 밀봉해야 합니다. 터보팽창기에는 동적 밀봉재 또는 정적 밀봉재를 장착할 수 있습니다. 미로형 밀봉재 및 건식 가스 밀봉재와 같은 동적 밀봉재는 회전축 주변, 일반적으로 터빈 휠, 베어링 및 발전기가 위치한 기계의 나머지 부분 사이에 밀봉 기능을 제공합니다. 동적 밀봉재는 시간이 지남에 따라 마모되므로 제대로 작동하는지 확인하기 위해 정기적인 유지 보수 및 검사가 필요합니다. 모든 터보팽창기 구성 요소가 단일 하우징에 포함된 경우, 발전기, 자기 베어링 구동 장치 또는 센서를 포함하여 하우징에서 나오는 모든 리드를 보호하기 위해 정적 밀봉재를 사용할 수 있습니다. 이러한 밀폐형 밀봉재는 가스 누출에 대한 영구적인 보호 기능을 제공하며 유지 보수나 수리가 필요하지 않습니다.
공정 관점에서 팽창기 설치의 주요 요구 사항은 저압 시스템에 충분한 유량, 압력 강하 및 활용률을 확보하여 장비의 정상 작동을 유지하는 것입니다. 이를 통해 작동 매개변수는 안전하고 효율적인 수준으로 유지됩니다.
압력 감소 기능 측면에서 팽창기는 스로틀 밸브라고도 하는 줄-톰슨(JT) 밸브를 대체하는 데 사용할 수 있습니다. JT 밸브는 등엔트로피 경로를 따라 움직이고 팽창기는 거의 등엔트로피 경로를 따라 움직이기 때문에 팽창기는 기체의 엔탈피를 감소시키고 엔탈피 차이를 축 동력으로 변환하여 JT 밸브보다 낮은 출구 온도를 생성합니다. 이는 기체의 온도를 낮추는 것이 목표인 극저온 공정에 유용합니다.
출구 가스 온도에 하한선이 있는 경우(예: 가스 온도를 동결, 수화 또는 최소 재료 설계 온도 이상으로 유지해야 하는 감압 스테이션)에는 가스 온도 제어를 위해 최소 하나 이상의 히터를 추가해야 합니다. 예열기가 팽창기 상류에 위치하면 공급 가스의 에너지 일부가 팽창기에서 회수되어 출력 증가로 이어집니다. 출구 온도 제어가 필요한 일부 구성에서는 팽창기 후단에 두 번째 재가열기를 설치하여 더 빠른 온도 제어를 제공할 수 있습니다.
그림 3은 JT 밸브를 대체하는 데 사용되는 예열기가 있는 팽창기 발생기의 일반적인 흐름도를 간략하게 나타낸 것입니다.
다른 공정 구성에서는 팽창기에서 회수한 에너지를 압축기로 직접 전달할 수 있습니다. "커맨더"라고도 불리는 이러한 기계는 일반적으로 하나 이상의 축으로 연결된 팽창 및 압축 단계를 가지며, 두 단계 간의 속도 차이를 조절하는 기어박스가 포함될 수도 있습니다. 또한 압축 단계에 더 많은 동력을 공급하기 위해 추가 모터가 포함될 수도 있습니다.
다음은 시스템의 정상적인 작동과 안정성을 보장하는 가장 중요한 구성 요소들입니다.
바이패스 밸브 또는 감압 밸브. 바이패스 밸브는 터보팽창기가 작동하지 않을 때(예: 유지 보수 또는 비상 상황 시)에도 작동을 계속할 수 있도록 하며, 감압 밸브는 총 유량이 팽창기의 설계 용량을 초과할 때 과잉 가스를 공급하여 연속 작동을 유지하는 데 사용됩니다.
비상 차단 밸브(ESD). ESD 밸브는 비상시 기계적 손상을 방지하기 위해 팽창기로의 가스 유입을 차단하는 데 사용됩니다.
계측 및 제어 장치. 모니터링해야 할 주요 변수에는 입구 및 출구 압력, 유량, 회전 속도 및 출력 등이 있습니다.
과속 운전 시. 이 장치는 터빈으로의 유량 흐름을 차단하여 터빈 로터의 회전 속도를 줄임으로써, 예상치 못한 공정 조건으로 인한 과속으로 장비가 손상되는 것을 방지합니다.
압력 안전 밸브(PSV)는 파이프라인과 저압 장비를 보호하기 위해 터보팽창기 후단에 설치되는 경우가 많습니다. PSV는 바이패스 밸브가 열리지 않는 등의 가장 심각한 비상 상황을 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. 기존 감압 설비에 팽창기를 추가하는 경우, 공정 설계팀은 기존 PSV가 적절한 보호 기능을 제공하는지 여부를 판단해야 합니다.
히터는 터빈을 통과하는 가스로 인해 발생하는 온도 강하를 보상하기 위해 가스를 예열하는 역할을 합니다. 히터의 주요 기능은 상승하는 가스 흐름의 온도를 높여 팽창기를 빠져나가는 가스의 온도를 최소값 이상으로 유지하는 것입니다. 온도를 높이는 또 다른 이점은 출력 증가뿐 아니라 장비 노즐에 악영향을 미칠 수 있는 부식, 응축 또는 수화물 생성을 방지하는 것입니다. 열교환기가 포함된 시스템(그림 3 참조)에서는 일반적으로 예열기로 유입되는 가열된 유체의 유량을 조절하여 가스 온도를 제어합니다. 일부 설계에서는 열교환기 대신 화염 히터 또는 전기 히터를 사용할 수 있습니다. 기존 JT 밸브 스테이션에 히터가 이미 설치되어 있는 경우, 팽창기를 추가할 때 추가 히터를 설치할 필요 없이 가열 유체의 유량을 늘리는 것으로 충분할 수 있습니다.
윤활유 및 밀봉 가스 시스템. 위에서 언급했듯이 팽창기는 다양한 밀봉 설계를 사용할 수 있으며, 이 경우 윤활유와 밀봉 가스가 필요할 수 있습니다. 적용 가능한 경우 윤활유는 공정 가스와 접촉할 때 높은 품질과 순도를 유지해야 하며, 오일 점도 수준은 윤활 베어링의 요구되는 작동 범위 내에 유지되어야 합니다. 밀봉 가스 시스템은 일반적으로 베어링 박스의 오일이 팽창 박스로 유입되는 것을 방지하기 위해 오일 윤활 장치를 갖추고 있습니다. 탄화수소 산업에서 사용되는 컴팬더의 특수 용도의 경우, 윤활유 및 밀봉 가스 시스템은 일반적으로 API 617 [5] 파트 4 사양에 따라 설계됩니다.
가변 주파수 드라이브(VFD). 유도 발전기의 경우, 일반적으로 VFD를 사용하여 교류(AC) 신호를 전력망 주파수에 맞게 조정합니다. 일반적으로 가변 주파수 드라이브 기반 설계는 기어박스나 기타 기계 부품을 사용하는 설계보다 전반적인 효율이 높습니다. 또한 VFD 기반 시스템은 팽창기 축 속도 변화를 포함한 더 넓은 범위의 공정 변화에 대응할 수 있습니다.
동력 전달. 일부 팽창기 설계에서는 팽창기의 속도를 발전기의 정격 속도로 줄이기 위해 기어박스를 사용합니다. 기어박스를 사용하면 전체 효율이 낮아지고 결과적으로 출력도 감소합니다.
팽창기 견적 요청서(RFQ)를 준비할 때 공정 엔지니어는 먼저 다음과 같은 정보를 포함하여 작동 조건을 결정해야 합니다.
기계 엔지니어는 종종 다른 엔지니어링 분야의 데이터를 사용하여 팽창기 발전기 사양 및 기타 사양을 작성합니다. 이러한 입력 데이터에는 다음이 포함될 수 있습니다.
사양서에는 입찰 과정의 일환으로 제조업체가 제공한 문서 및 도면 목록과 공급 범위, 그리고 프로젝트에 필요한 해당 시험 절차도 포함되어야 합니다.
입찰 과정의 일환으로 제조업체가 제공하는 기술 정보에는 일반적으로 다음과 같은 요소가 포함되어야 합니다.
제안서의 내용 중 어느 부분이든 원래 사양과 다른 점이 있다면, 제조업체는 차이점 목록과 그 이유를 함께 제공해야 합니다.
제안서가 접수되면 프로젝트 개발팀은 요청 사항의 적합성을 검토하고 기술적으로 변경 사항이 타당한지 여부를 판단해야 합니다.
제안서를 평가할 때 고려해야 할 기타 기술적 고려 사항은 다음과 같습니다.
마지막으로 경제성 분석을 수행해야 합니다. 다양한 옵션은 서로 다른 초기 비용을 초래할 수 있으므로, 프로젝트의 장기적인 경제성과 투자 수익률을 비교하기 위해 현금 흐름 분석 또는 생애주기 비용 분석을 수행하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 초기 투자 비용이 높더라도 장기적으로 생산성 향상이나 유지보수 비용 절감으로 상쇄될 수 있습니다. 이러한 유형의 분석에 대한 지침은 "참고 자료"를 참조하십시오. 4.
모든 터보팽창기 발전기 응용 분야에서는 특정 응용 분야에서 회수 가능한 총 에너지량을 결정하기 위해 초기 총 잠재 전력 계산이 필요합니다. 터보팽창기 발전기의 경우, 전력 잠재량은 등엔트로피(일정한 엔트로피) 과정으로 계산됩니다. 이는 마찰이 없는 가역 단열 과정을 고려하는 이상적인 열역학적 상황이지만, 실제 에너지 잠재량을 추정하는 데에는 적합한 과정입니다.
등엔트로피 위치 에너지(IPP)는 터보팽창기의 입구와 출구에서의 비엔탈피 차이를 곱하고 그 결과를 질량 유량으로 곱하여 계산합니다. 이 위치 에너지는 등엔트로피량으로 표현됩니다(식 (1)).
IPP = (힌렛 – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
여기서 h(i,e)는 등엔트로피 출구 온도를 고려한 비엔탈피이고 ṁ은 질량 유량입니다.
등엔트로피 과정의 위치 에너지를 이용하여 실제 위치 에너지를 추정할 수 있지만, 모든 실제 시스템에는 마찰, 열 및 기타 부수적인 에너지 손실이 발생합니다. 따라서 실제 전력 잠재력을 계산할 때는 다음과 같은 추가 입력 데이터를 고려해야 합니다.
대부분의 터보팽창기에서는 앞서 언급한 배관 동결과 같은 문제를 방지하기 위해 온도를 최소값으로 제한합니다. 천연가스가 흐르는 곳에는 거의 항상 하이드레이트가 존재하기 때문에 터보팽창기 또는 스로틀 밸브 하류의 배관은 출구 온도가 0°C 이하로 떨어지면 내부 및 외부가 동결됩니다. 결빙은 유량 감소를 초래하고 궁극적으로 시스템을 중단하고 해동해야 할 수 있습니다. 따라서 보다 현실적인 잠재적 발전 시나리오를 계산하기 위해 "목표" 출구 온도를 사용합니다. 그러나 수소와 같은 기체의 경우, 수소는 극저온(-253°C)에 도달할 때까지 기체에서 액체로 변하지 않으므로 온도 제한이 훨씬 낮습니다. 이 목표 출구 온도를 사용하여 비엔탈피를 계산합니다.
터보팽창기 시스템의 효율 또한 고려해야 할 사항입니다. 사용된 기술에 따라 시스템 효율은 크게 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 터빈에서 발전기로 회전 에너지를 전달하기 위해 감속 기어를 사용하는 터보팽창기는 터빈에서 발전기로 직접 구동하는 시스템보다 마찰 손실이 더 큽니다. 터보팽창기 시스템의 전체 효율은 백분율로 표시되며, 터보팽창기의 실제 출력 잠재력을 평가할 때 고려됩니다. 실제 출력 잠재력(PP)은 다음과 같이 계산됩니다.
PP = (힌렛 – 16진수) × ṁ x ṅ (2)
천연가스 압력 감압의 적용 사례를 살펴보겠습니다. ABC는 주 파이프라인에서 천연가스를 수송하여 지역 자치단체에 공급하는 감압 스테이션을 운영 및 유지 관리합니다. 이 스테이션에서 가스 유입 압력은 40bar이고 유출 압력은 8bar입니다. 유입 가스의 예열 온도는 35°C로, 파이프라인 동결을 방지하기 위한 것입니다. 따라서 유출 가스 온도는 0°C 이하로 떨어지지 않도록 제어해야 합니다. 이 예시에서는 안전 계수를 높이기 위해 최소 유출 온도를 5°C로 설정하겠습니다. 정규화된 체적 가스 유량은 50,000 Nm³/h입니다. 출력 잠재력을 계산하기 위해 모든 가스가 터보 팽창기를 통과한다고 가정하고 최대 출력을 계산하겠습니다. 다음 계산식을 사용하여 총 출력 잠재력을 추정하십시오.