팽창기는 감압을 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 유체의 감압을 위해 압력 제어 밸브에서 많은 양의 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, 유압 에너지 회수 터빈(HPRT, 참고 문헌 1 참조)을 사용하여 이를 달성합니다. 압축성 액체(기체)의 경우, 팽창기가 적합한 기계입니다.
팽창기는 유동 촉매 분해(FCC), 냉동, 천연가스 도시 밸브, 공기 분리 또는 배기가스 배출 등 다양한 분야에서 성공적인 응용 분야를 가진 성숙한 기술입니다. 원칙적으로 감압된 모든 가스 스트림을 사용하여 팽창기를 구동할 수 있지만, "에너지 출력은 가스 스트림의 압력비, 온도 및 유량에 정비례합니다"[2]. 또한 기술적, 경제적 타당성도 중요합니다. 팽창기 구현: 공정은 지역 에너지 가격 및 제조업체의 적합한 장비 가용성과 같은 이러한 요인과 기타 요인에 따라 달라집니다.
터보팽창기(터빈과 유사한 기능을 함)가 가장 잘 알려진 팽창기 유형이지만(그림 1), 다양한 공정 조건에 적합한 다른 유형도 있습니다. 이 글에서는 주요 팽창기 유형과 그 구성 요소를 소개하고, 다양한 CPI 부서의 운영 관리자, 컨설턴트 또는 에너지 감사 담당자가 팽창기 설치의 잠재적 경제적 및 환경적 이점을 평가하는 방법을 요약합니다.
다양한 종류의 저항 밴드가 있으며, 그 형태와 기능은 매우 다양합니다. 주요 유형은 그림 2에 나와 있으며, 각 유형에 대한 간략한 설명은 다음과 같습니다. 자세한 내용과 각 유형의 작동 상태를 특정 직경 및 속도에 따라 비교한 그래프는 도움말을 참조하십시오.
피스톤 터보 팽창기. 피스톤 및 로터리 피스톤 터보 팽창기는 역회전 내연 기관처럼 작동하여 고압 가스를 흡수하고 저장된 에너지를 크랭크축을 통해 회전 에너지로 변환합니다.
터보 팽창기를 드래그합니다. 브레이크 터빈 팽창기는 회전 요소 주변에 버킷 핀이 부착된 동심원 유동 챔버로 구성됩니다. 이 챔버는 수차와 동일한 방식으로 설계되지만, 동심원 챔버의 단면적이 입구에서 출구로 갈수록 증가하여 가스가 팽창합니다.
방사형 터보팽창기. 방사형 유동 터보팽창기는 축방향 입구와 방사형 출구를 가지고 있어 가스가 터빈 임펠러를 통해 방사형으로 팽창할 수 있습니다. 마찬가지로, 축방향 유동 터빈은 터빈 휠을 통해 가스를 팽창시키지만, 흐름 방향은 회전축과 평행을 유지합니다.
이 글에서는 방사형 및 축형 터보팽창기에 초점을 맞춰 다양한 하위 유형, 구성 요소 및 경제성에 대해 설명합니다.
터보팽창기는 고압 가스 흐름에서 에너지를 추출하여 구동 부하로 변환합니다. 일반적으로 이 부하에는 샤프트에 연결된 압축기 또는 발전기가 사용됩니다. 압축기가 장착된 터보팽창기는 압축 유체가 필요한 공정 흐름의 다른 부분에서 유체를 압축하여, 낭비되는 에너지를 활용하여 플랜트의 전반적인 효율을 높입니다. 발전기가 장착된 터보팽창기는 이 에너지를 전기로 변환하여 다른 플랜트 공정에 사용하거나 지역 전력망으로 되돌려 판매할 수 있습니다.
터보 팽창기 발전기는 터빈 휠에서 발전기까지 직접 구동축을 장착하거나, 기어비를 통해 터빈 휠에서 발전기로 전달되는 입력 속도를 효과적으로 감속하는 기어박스를 사용할 수 있습니다. 직접 구동 터보 팽창기는 효율, 설치 공간 및 유지보수 비용 측면에서 이점을 제공합니다. 기어박스 터보 팽창기는 더 무겁고 설치 공간, 윤활 보조 장비, 그리고 정기적인 유지보수가 필요합니다.
유동형 터보팽창기는 방사형 또는 축형 터빈 형태로 제작될 수 있습니다. 방사형 유동 팽창기는 축 방향 입구와 방사형 출구를 포함하여 가스 흐름이 회전축에서 방사형으로 터빈을 빠져나갑니다. 축형 터빈은 가스가 회전축을 따라 축 방향으로 흐르도록 합니다. 축형 유동 터빈은 입구 가이드 베인을 통해 팽창기 휠로 가스 흐름으로부터 에너지를 추출하며, 팽창실의 단면적은 일정한 속도를 유지하기 위해 점차 증가합니다.
터보팽창기 발전기는 터빈 휠, 특수 베어링, 발전기라는 세 가지 주요 구성 요소로 구성됩니다.
터빈 휠. 터빈 휠은 종종 공기역학적 효율을 최적화하도록 특별히 설계됩니다. 터빈 휠 설계에 영향을 미치는 응용 변수로는 입구/출구 압력, 입구/출구 온도, 체적 유량, 유체 특성 등이 있습니다. 압축비가 너무 높아 한 단계로 압축비를 낮추기 어려운 경우, 여러 개의 터빈 휠을 갖춘 터보 팽창기가 필요합니다. 반경류 터빈 휠과 축류 터빈 휠 모두 다단으로 설계할 수 있지만, 축류 터빈 휠은 축 길이가 훨씬 짧아 더 컴팩트합니다. 다단 반경류 터빈은 가스가 축류에서 반경류로, 그리고 다시 축류로 흐르도록 설계되므로 축류 터빈보다 마찰 손실이 더 큽니다.
베어링. 베어링 설계는 터보 팽창기의 효율적인 작동에 매우 중요합니다. 터보 팽창기 설계와 관련된 베어링 유형은 매우 다양하며, 오일 베어링, 액막 베어링, 전통적인 볼 베어링, 자기 베어링 등이 있습니다. 각 방법은 표 1과 같이 고유한 장단점을 가지고 있습니다.
많은 터보 팽창기 제조업체는 고유한 장점 때문에 자기 베어링을 "선택 베어링"으로 선택합니다. 자기 베어링은 터보 팽창기의 동적 구성 요소의 마찰 없는 작동을 보장하여 기계 수명 동안 운영 및 유지보수 비용을 크게 절감합니다. 또한 다양한 축방향 및 반경방향 하중과 과응력 조건을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 높은 초기 비용은 훨씬 낮은 수명 주기 비용으로 상쇄됩니다.
발전기. 발전기는 터빈의 회전 에너지를 전자기 발전기(유도 발전기 또는 영구 자석 발전기)를 사용하여 유용한 전기 에너지로 변환합니다. 유도 발전기는 정격 속도가 낮기 때문에 고속 터빈 응용 분야에는 기어박스가 필요하지만, 계통 주파수에 맞춰 설계할 수 있으므로 발전된 전기를 공급하기 위한 가변 주파수 드라이브(VFD)가 필요하지 않습니다. 반면, 영구 자석 발전기는 터빈에 직접 축으로 연결되어 가변 주파수 드라이브를 통해 전력을 계통에 전송할 수 있습니다. 이 발전기는 시스템에서 사용 가능한 축 전력을 기반으로 최대 전력을 공급하도록 설계되었습니다.
씰. 씰은 터보 팽창기 시스템 설계 시 중요한 구성 요소입니다. 높은 효율을 유지하고 환경 기준을 충족하려면 잠재적인 공정 가스 누출을 방지하기 위해 시스템을 밀봉해야 합니다. 터보 팽창기에는 동적 씰 또는 정적 씰이 장착될 수 있습니다. 라비린스 씰이나 건식 가스 씰과 같은 동적 씰은 회전축 주위, 일반적으로 터빈 휠, 베어링, 그리고 발전기가 위치한 나머지 기계 부분 사이에 밀봉을 제공합니다. 동적 씰은 시간이 지남에 따라 마모되므로 제대로 작동하는지 확인하기 위해 정기적인 유지보수 및 검사가 필요합니다. 모든 터보 팽창기 구성 요소가 단일 하우징에 포함된 경우, 정적 씰을 사용하여 발전기, 자기 베어링 드라이브 또는 센서를 포함하여 하우징에서 나오는 모든 리드를 보호할 수 있습니다. 이러한 기밀 씰은 가스 누출을 영구적으로 보호하며 유지보수나 수리가 필요하지 않습니다.
공정 관점에서 팽창기 설치의 주요 요건은 장비의 정상 작동을 유지하기에 충분한 유량, 압력 강하 및 활용도를 확보하여 고압 압축성(비응축성) 가스를 저압 시스템에 공급하는 것입니다. 작동 조건은 안전하고 효율적인 수준으로 유지됩니다.
감압 기능 측면에서 팽창기는 스로틀 밸브라고도 하는 줄-톰슨(JT) 밸브를 대체하는 데 사용될 수 있습니다. JT 밸브는 등엔트로피 경로를 따라 움직이고 팽창기는 거의 등엔트로피 경로를 따라 움직이므로, 후자는 가스의 엔탈피를 감소시키고 그 엔탈피 차이를 축 동력으로 변환하여 JT 밸브보다 출구 온도를 낮춥니다. 이는 가스의 온도를 낮추는 것이 목표인 극저온 공정에서 유용합니다.
출구 가스 온도에 하한선이 있는 경우(예: 가스 온도를 빙점, 수화 온도 또는 최소 재료 설계 온도 이상으로 유지해야 하는 감압 스테이션), 최소 하나의 히터를 추가해야 합니다. 가스 온도를 제어합니다. 예열기가 팽창기 상류에 있는 경우, 공급 가스의 에너지 일부가 팽창기에서도 회수되어 출력이 증가합니다. 출구 온도 제어가 필요한 일부 구성에서는 팽창기 뒤에 두 번째 재열기를 설치하여 제어 속도를 높일 수 있습니다.
그림 3은 JT 밸브를 대체하기 위해 예열기가 사용된 팽창 발전기의 일반적인 흐름도를 단순화한 다이어그램으로 보여줍니다.
다른 공정 구성에서는 팽창기에서 회수된 에너지를 압축기로 직접 전달할 수 있습니다. 이러한 기계는 "커맨더(commander)"라고도 불리며, 일반적으로 하나 이상의 축으로 연결된 팽창 및 압축 단계를 가지고 있으며, 두 단계 사이의 속도 차이를 조절하는 기어박스를 포함할 수도 있습니다. 또한 압축 단계에 더 많은 동력을 공급하기 위해 추가 모터를 포함할 수도 있습니다.
시스템의 적절한 작동과 안정성을 보장하는 가장 중요한 구성 요소는 다음과 같습니다.
바이패스 밸브 또는 감압 밸브. 바이패스 밸브는 터보 팽창기가 작동하지 않을 때(예: 유지보수 또는 비상 상황) 작동을 계속할 수 있도록 하는 반면, 감압 밸브는 총 유량이 팽창기의 설계 용량을 초과할 때 여분의 가스를 공급하기 위해 연속 작동에 사용됩니다.
비상 차단 밸브(ESD). ESD 밸브는 비상 시 기계적 손상을 방지하기 위해 팽창기로 들어가는 가스 흐름을 차단하는 데 사용됩니다.
계측기 및 제어 장치. 모니터링해야 할 주요 변수로는 입구 및 출구 압력, 유량, 회전 속도, 출력 등이 있습니다.
과속 운전. 이 장치는 터빈으로 가는 유량을 차단하여 터빈 로터의 속도를 늦추고, 예상치 못한 공정 조건으로 인해 장비가 과속되어 손상되는 것을 방지합니다.
압력 안전 밸브(PSV). PSV는 파이프라인과 저압 장비를 보호하기 위해 터보 팽창기 뒤에 설치되는 경우가 많습니다. PSV는 일반적으로 바이패스 밸브가 열리지 않는 등 매우 심각한 우발 상황을 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다. 기존 감압 스테이션에 팽창기를 추가하는 경우, 공정 설계팀은 기존 PSV가 적절한 보호 기능을 제공하는지 확인해야 합니다.
히터. 히터는 터빈을 통과하는 가스로 인한 온도 강하를 보상하기 때문에 가스를 예열해야 합니다. 히터의 주요 기능은 팽창기를 빠져나가는 가스의 온도를 최소값 이상으로 유지하기 위해 상승하는 가스 흐름의 온도를 높이는 것입니다. 온도 상승의 또 다른 이점은 출력을 높이고 장비 노즐에 악영향을 미칠 수 있는 부식, 응축 또는 수화물을 방지하는 것입니다. 열교환기가 있는 시스템(그림 3 참조)에서 가스 온도는 일반적으로 예열기로 유입되는 가열된 액체의 흐름을 조절하여 제어합니다. 일부 설계에서는 열교환기 대신 화염 히터 또는 전기 히터를 사용할 수 있습니다. 기존 JT 밸브 스테이션에 히터가 이미 설치되어 있을 수 있으며, 팽창기를 추가하면 히터를 추가로 설치하지 않고 가열된 유체의 흐름을 증가시킬 수 있습니다.
윤활유 및 씰 가스 시스템. 위에서 언급했듯이 팽창기는 다양한 씰 설계를 사용할 수 있으며, 윤활제와 씰 가스가 필요할 수 있습니다. 해당되는 경우, 윤활유는 공정 가스와 접촉할 때 높은 품질과 순도를 유지해야 하며, 오일 점도는 윤활 베어링의 요구 작동 범위 내에 있어야 합니다. 씰 가스 시스템에는 일반적으로 베어링 박스의 오일이 팽창 박스로 유입되는 것을 방지하기 위한 오일 윤활 장치가 장착되어 있습니다. 탄화수소 산업에 사용되는 컴팬더의 특수 용도의 경우, 윤활유 및 씰 가스 시스템은 일반적으로 API 617 [5] Part 4 사양에 따라 설계됩니다.
가변 주파수 드라이브(VFD). 발전기가 유도 방식일 때, VFD는 일반적으로 교류(AC) 신호를 공급 주파수에 맞춰 조정하기 위해 켜집니다. 일반적으로 가변 주파수 드라이브 기반 설계는 기어박스나 기타 기계 부품을 사용하는 설계보다 전체 효율이 높습니다. VFD 기반 시스템은 팽창기 샤프트 속도의 변화를 초래할 수 있는 더 광범위한 공정 변화를 수용할 수 있습니다.
변속기. 일부 팽창기 설계는 기어박스를 사용하여 팽창기의 속도를 발전기의 정격 속도까지 줄입니다. 기어박스 사용으로 인해 전체 효율이 낮아지고 출력도 낮아집니다.
확장기에 대한 견적 요청(RFQ)을 준비할 때, 공정 엔지니어는 먼저 다음 정보를 포함하여 작동 조건을 결정해야 합니다.
기계 엔지니어는 다른 공학 분야의 데이터를 사용하여 팽창기 발전기 사양 및 사양을 작성하는 경우가 많습니다. 이러한 입력에는 다음이 포함될 수 있습니다.
사양에는 입찰 절차의 일부로 제조업체가 제공한 문서 및 도면 목록과 공급 범위는 물론, 프로젝트에서 요구하는 적용 가능한 테스트 절차도 포함되어야 합니다.
입찰 과정의 일부로 제조업체가 제공하는 기술 정보에는 일반적으로 다음 요소가 포함되어야 합니다.
제안서의 어떤 측면이 원래 사양과 다른 경우, 제조업체는 또한 편차 목록과 편차 사유를 제공해야 합니다.
제안이 접수되면 프로젝트 개발팀은 준수 여부를 확인하기 위해 요청을 검토하고, 차이가 기술적으로 정당한지 여부를 판단해야 합니다.
제안을 평가할 때 고려해야 할 기타 기술적 사항은 다음과 같습니다.
마지막으로 경제성 분석을 수행해야 합니다. 옵션에 따라 초기 비용이 달라질 수 있으므로, 프로젝트의 장기적인 경제성과 투자 수익률을 비교하기 위해 현금 흐름 또는 수명 주기 비용 분석을 수행하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 초기 투자 비용이 증가하더라도 장기적으로 생산성 향상이나 유지보수 요구 감소로 상쇄될 수 있습니다. 이러한 유형의 분석에 대한 지침은 "참고 자료"를 참조하십시오. 4.
모든 터보팽창기-발전기 응용 분야는 특정 응용 분야에서 회수 가능한 총 에너지량을 결정하기 위해 초기 총 잠재 전력 계산이 필요합니다. 터보팽창기 발전기의 경우, 전력 잠재 전력은 등엔트로피(일정 엔트로피) 과정으로 계산됩니다. 이는 마찰이 없는 가역 단열 과정을 고려하는 데 이상적인 열역학적 상황이지만, 실제 에너지 잠재 전력을 추정하는 데에도 올바른 과정입니다.
등엔트로피 위치 에너지(IPP)는 터보팽창기 입구와 출구의 비엔탈피 차이를 곱하고 그 결과에 질량 유량을 곱하여 계산합니다. 이 위치 에너지는 등엔트로피 양(식 (1))으로 표현됩니다.
IPP = (힌렛 – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
여기서 h(i,e)는 등엔트로피 출구 온도를 고려한 특정 엔탈피이고 ṁ는 질량 유량입니다.
등엔트로피 퍼텐셜 에너지를 사용하여 퍼텐셜 에너지를 추정할 수 있지만, 모든 실제 시스템에는 마찰, 열 및 기타 부수적인 에너지 손실이 수반됩니다. 따라서 실제 전력 퍼텐셜을 계산할 때는 다음과 같은 추가 입력 데이터를 고려해야 합니다.
대부분의 터보 팽창기 적용 분야에서는 앞서 언급한 파이프 동결과 같은 원치 않는 문제를 방지하기 위해 온도를 최소로 제한합니다. 천연가스가 흐르는 곳에는 하이드레이트가 거의 항상 존재하므로, 출구 온도가 0°C 아래로 떨어지면 터보 팽창기 또는 스로틀 밸브 하류의 파이프라인이 내부 및 외부에서 동결됩니다. 결빙은 유량 제한을 초래하고 궁극적으로 제상을 위해 시스템을 정지시킬 수 있습니다. 따라서 "희망" 출구 온도는 더욱 현실적인 잠재적 전력 시나리오를 계산하는 데 사용됩니다. 그러나 수소와 같은 기체의 경우, 수소는 극저온(-253°C)에 도달할 때까지 기체에서 액체로 변하지 않기 때문에 온도 제한이 훨씬 낮습니다. 이 희망 출구 온도를 사용하여 비엔탈피를 계산합니다.
터보 팽창기 시스템의 효율 또한 고려해야 합니다. 사용되는 기술에 따라 시스템 효율은 크게 달라질 수 있습니다. 예를 들어, 터빈에서 발전기로 회전 에너지를 전달하기 위해 감속 기어를 사용하는 터보 팽창기는 터빈에서 발전기로 직접 구동하는 시스템보다 마찰 손실이 더 큽니다. 터보 팽창기 시스템의 전체 효율은 백분율로 표시되며, 터보 팽창기의 실제 잠재력을 평가할 때 고려됩니다. 실제 잠재력(PP)은 다음과 같이 계산됩니다.
PP = (힌렛 – 16진수) × ṁ x ṅ (2)
천연가스 감압 장치의 적용 사례를 살펴보겠습니다. ABC는 주요 파이프라인에서 천연가스를 이송하여 지방 자치 단체에 공급하는 감압 스테이션을 운영 및 관리합니다. 이 스테이션의 가스 유입 압력은 40bar, 유출 압력은 8bar입니다. 예열된 유입 가스 온도는 35°C로, 파이프라인 동결을 방지하기 위해 가스를 예열합니다. 따라서 유출 가스 온도는 0°C 이하로 떨어지지 않도록 제어해야 합니다. 이 예시에서는 안전율을 높이기 위해 최소 유출 온도를 5°C로 설정합니다. 정규화된 체적 가스 유량은 50,000 Nm³/h입니다. 잠재 출력을 계산하기 위해 모든 가스가 터보 팽창기를 통과한다고 가정하고 최대 출력을 계산합니다. 다음 계산식을 사용하여 총 잠재 출력을 추정합니다.
게시 시간: 2024년 5월 25일