拡張器は圧力削減を使用して回転機を駆動できます。エクステンダーをインストールすることの潜在的な利点を評価する方法に関する情報は、ここにあります。
通常、化学プロセス産業（CPI）で、「高圧流体を抑制しなければならない圧力制御バルブでは、大量のエネルギーが無駄になります」[1]。さまざまな技術的および経済的要因に応じて、このエネルギーを回転機械エネルギーに変換することが望ましい場合があります。これは、発電機または他の回転機を駆動するために使用できます。非圧縮性液（液体）の場合、これは油圧エネルギー回収タービンを使用して達成されます（HPRT;参照1を参照）。圧縮性液体（ガス）の場合、エキスパンダーは適切な機械です。
拡張器は成熟した技術であり、流体触媒亀裂（FCC）、冷蔵、天然ガス都市バルブ、空気分離、排気排出など、多くの成功した用途があります。原則として、減圧のあるガスストリームはエキスパンダーを駆動するために使用できますが、「エネルギー出力は、ガスストリームの圧力比、温度、流量に直接比例します」[2]、および技術的および経済的な実現可能性。 Expanderの実装：このプロセスは、これらおよび地元のエネルギー価格や製造業者の適切な機器の利用可能性など、他の要因に依存します。
ターボエクスパンダー（タービンと同様に機能）は最もよく知られているタイプのエキスパンダーですが（図1）、さまざまなプロセス条件に適した他のタイプがあります。この記事では、主要なタイプの拡張器とそのコンポーネントを紹介し、さまざまなCPI部門のオペレーションマネージャー、コンサルタント、またはエネルギー監査人がエキスパンダーを設置することの潜在的な経済的および環境的利益を評価する方法を要約します。
ジオメトリと機能が大きく異なる抵抗バンドには、さまざまな種類があります。主なタイプを図2に示し、各タイプを以下に簡単に説明します。詳細については、特定の直径と特定の速度に基づいて各タイプの動作ステータスを比較するグラフについては、ヘルプを参照してください。 3。
ピストンターボエクスパンダー。ピストンとロータリーのピストンターボエクスパンダーは、逆回転する内燃焼エンジンのように動作し、高圧ガスを吸収し、貯蔵されたエネルギーをクランクシャフトを介して回転エネルギーに変換します。
ターボエキスパンダーをドラッグします。ブレーキタービンエキスパンダーは、回転要素の周辺にバケツフィンが取り付けられた同心の流れチャンバーで構成されています。それらはウォーターホイールと同じように設計されていますが、同心のチャンバーの断面は入口から出口に増加し、ガスが膨張します。
ラジアルターボエクスパンダー。ラジアルフローターボエクスパンダーには、軸方向の入口と放射状の出口があり、タービンインペラーを介してガスが放射状に膨張することができます。同様に、軸流タービンはタービンホイールを介してガスを拡張しますが、流れの方向は回転軸と平行なままです。
この記事では、さまざまなサブタイプ、コンポーネント、および経済学について議論し、放射状と軸のターボエクスパンダーに焦点を当てています。
ターボエクスパンダーは、高圧ガスストリームからエネルギーを抽出し、ドライブ荷重に変換します。通常、負荷はシャフトに接続されたコンプレッサーまたは発電機です。コンプレッサーを備えたターボエクスパンダーは、圧縮された流体を必要とするプロセスストリームの他の部分に液体を圧縮し、それによって無駄にされたエネルギーを使用して植物の全体的な効率を高めます。発電機負荷を備えたターボエクスパンダーは、エネルギーを電気に変換します。電気は、他の植物プロセスで使用したり、販売のためにローカルグリッドに戻すことができます。
TurboExpanderジェネレーターには、タービンホイールから発電機への直接駆動シャフト、またはギア比を介してタービンホイールから発電機への入力速度を効果的に低下させるギアボックスを介して装備できます。ダイレクトドライブターボエクスパンダーは、効率、フットプリント、メンテナンスコストの利点を提供します。 Gearbox TurboExpandersは重く、フットプリント、潤滑補助装置、および定期的なメンテナンスが必要です。
フロースルーターボエクスパンダーは、放射状または軸タービンの形で作成できます。放射状の流れ拡張器には、ガスの流れが回転軸から放射状にタービンを出るように、軸の入口と放射状の出口が含まれています。軸方向のタービンにより、ガスは回転軸に沿って軸方向に流れます。軸流タービンは、ガスの流れからインレットガイドベーンを通るエキスパンダーホイールへのエネルギーを抽出し、一定の速度を維持するために拡張チャンバーの断面積が徐々に増加します。
ターボエクスパンダージェネレーターは、タービンホイール、特別なベアリング、発電機の3つの主要なコンポーネントで構成されています。
タービンホイール。タービンホイールは、多くの場合、空力効率を最適化するために特別に設計されています。タービンホイールの設計に影響を与えるアプリケーション変数には、入口/出口圧力、吸気/出口の温度、体積の流れ、および流体特性が含まれます。圧縮率が高すぎて1つの段階で減少できない場合、複数のタービンホイールを備えたターボエクスパンダーが必要です。ラジアルタービンホイールと軸方向のタービンホイールは、マルチステージホイールとして設計できますが、軸タービンホイールは軸方向の長さがはるかに短く、したがってよりコンパクトです。多段階の放射状流タービンは、軸方向から半径方向から軸に戻るガスが必要であり、軸流タービンよりも高い摩擦損失を生み出します。
ベアリング。ベアリングデザインは、ターボエクスパンダーの効率的な操作にとって重要です。ターボエクスパンダーのデザインに関連するベアリングの種類は大きく異なり、オイルベアリング、液体フィルムベアリング、従来のボールベアリング、磁気ベアリングを含めることができます。表1に示すように、各方法には独自の利点と短所があります。
多くのターボエクスパンダーメーカーは、独自の利点のために「選択のベアリング」として磁気ベアリングを選択します。磁気ベアリングにより、ターボエクスパンダーの動的コンポーネントの摩擦のない動作が保証され、マシンの寿命にわたって運用およびメンテナンスコストが大幅に削減されます。また、広範囲の軸方向および放射状の荷重やストレス条件に耐えるように設計されています。彼らのより高い初期コストは、ライフサイクルコストがはるかに低いことによって相殺されます。
ダイナモ。発電機は、タービンの回転エネルギーを採取し、電磁発電機（誘導ジェネレーターまたは永久磁石ジェネレーターにすることができる）を使用して、有用な電気エネルギーに変換します。誘導発電機の定格速度は低いため、高速タービンアプリケーションにはギアボックスが必要ですが、グリッド周波数に合わせて設計できるため、生成された電力を供給するために可変周波数駆動（VFD）が必要になります。一方、永久磁石発電機は、タービンに直接シャフトを組み合わせて、可変周波数駆動を介してグリッドに電力を送信できます。発電機は、システムで利用可能なシャフト電力に基づいて最大電力を供給するように設計されています。
アザラシ。シールは、ターボエクスパンダーシステムを設計する際の重要なコンポーネントでもあります。高効率を維持し、環境基準を満たすには、潜在的なプロセスガス漏れを防ぐためにシステムを封印する必要があります。 TurboExpandersには、動的または静的シールを装備できます。ラビリンスシールやドライガスシールなどのダイナミックシールは、通常、タービンホイール、ベアリング、および発電機が配置されている他の機械の間にある回転シャフトの周りにシールを提供します。ダイナミックシールは時間の経過とともに摩耗し、適切に機能していることを確認するために定期的なメンテナンスと検査が必要です。すべてのターボエクスパンダーコンポーネントが単一のハウジングに含まれている場合、発電機、磁気ベアリングドライブ、またはセンサーなど、ハウジングを出る鉛を保護するために静的シールを使用できます。これらの気密シールは、ガス漏れに対する永久的な保護を提供し、メンテナンスや修理を必要としません。
プロセスの観点から、エキスパンダーを設置するための主な要件は、高圧（非凝縮性）ガスを十分な流れ、圧力降下、および使用率を備えた低圧システムに供給して、機器の通常の動作を維持することです。動作パラメーターは、安全で効率的なレベルで維持されます。
圧力削減機能の観点から、エキスパンダーを使用して、スロットルバルブとしても知られるジュールトムソン（JT）バルブを交換できます。 JTバルブは等エントロピック経路に沿って移動し、エキスパンダーがほぼ等エントロピーパスに沿って移動するため、後者はガスのエンタルピーを減らし、エンタルピーの違いをシャフトパワーに変換し、それによりJTバルブよりも低い出口温度を生成します。これは、目標がガスの温度を下げることである極低温プロセスで役立ちます。
出口ガス温度に下限がある場合（たとえば、ガス温度を凍結、水分補給、または最小材料設計温度より上に維持する必要がある減圧ステーションで）、少なくとも1つのヒーターを追加する必要があります。ガス温度を制御します。予熱器がエキスパンダーの上流にある場合、飼料ガスからのエネルギーの一部もエキスパンダーで回収され、それによって出力が増加します。コンセント温度制御が必要な一部の構成では、エキスパンダーの後に2番目の再加工器を設置して、より速い制御を提供できます。
図3では、JTバルブを置き換えるために使用される予定を使用したエキスパンダージェネレーターの一般的なフロー図の簡略図を示しています。
他のプロセス構成では、エキスパンダーで回収されたエネルギーをコンプレッサーに直接転送できます。これらのマシンは、「司令官」と呼ばれることもありますが、通常、1つ以上のシャフトで接続された拡張および圧縮段階があります。これには、2つの段階の速度差を調節するギアボックスも含まれています。また、圧縮段階により多くの電力を提供するための追加のモーターを含めることもできます。
以下は、システムの適切な動作と安定性を確保する最も重要なコンポーネントの一部です。
バイパスバルブまたは圧力低下バルブ。バイパスバルブにより、ターボエクスパンダーが動作していない場合（たとえば、メンテナンスや緊急事態の場合）動作を続けることができますが、圧力低減バルブは、総流量がエキスパンダーの設計容量を超えた場合に過剰なガスを供給するために連続動作に使用されます。
緊急シャットダウンバルブ（ESD）。 ESDバルブは、機械的な損傷を避けるために、緊急時にガスの流れを緊急時にエキスパンダーにブロックするために使用されます。
楽器とコントロール。監視する重要な変数には、入口と出口圧力、流量、回転速度、出力が含まれます。
過度の速度で運転します。このデバイスはタービンへの流れを遮断し、タービンローターを遅くし、機器を損傷する可能性のある予期しないプロセス条件により、過度の速度から機器を保護します。
圧力安全バルブ（PSV）。 PSVは、パイプラインと低圧機器を保護するために、ターボエクスパンダーの後に設置されることがよくあります。 PSVは、通常、バイパスバルブが開くための障害を含む最も深刻な偶発事象に耐えるように設計する必要があります。エキスパンダーが既存の圧力削減ステーションに追加された場合、プロセス設計チームは、既存のPSVが適切な保護を提供するかどうかを判断する必要があります。
ヒータ。ヒーターは、タービンを通過するガスによって引き起こされる温度低下を補償するため、ガスを予熱する必要があります。その主な機能は、ガスの上昇の温度を上げて、ガスの温度を維持し、エキスパンダーを最小値を超えて維持することです。温度を上げることのもう1つの利点は、出力を増加させるだけでなく、腐食、凝縮、または機器のノズルに悪影響を与える可能性のある潤いを防ぐことです。熱交換器を含むシステム（図3に示すように）では、ガス温度は通常、加熱された液体の流れを予熱器に調節することによって制御されます。一部の設計では、熱交換器の代わりに火炎ヒーターまたは電気ヒーターを使用できます。ヒーターはすでに既存のJTバルブステーションに存在する可能性があり、エキスパンダーを追加すると、追加のヒーターを設置する必要はなく、加熱された流体の流れが増加する場合があります。
潤滑油およびシールガスシステム。上記のように、拡張器はさまざまなシールデザインを使用できます。これには、潤滑剤とシーリングガスが必要になる場合があります。該当する場合、潤滑油はプロセスガスと接触すると高品質と純度を維持する必要があり、オイル粘度レベルは、必要な動作範囲の潤滑型ベアリング内にとどまる必要があります。密閉ガスシステムには、通常、ベアリングボックスからオイルが拡張ボックスに入るのを防ぐために、オイル潤滑装置が装備されています。炭化水素産業で使用されるコンパンダーの特別な用途のために、潤滑油およびシールガスシステムは通常、API 617 [5]パート4仕様に合わせて設計されています。
可変周波数駆動（VFD）。発電機が誘導である場合、VFDは通常、ユーティリティ周波数に合わせて交互の電流（AC）信号を調整するためにオンになります。通常、可変周波数ドライブに基づく設計は、ギアボックスやその他の機械コンポーネントを使用する設計よりも、全体的な効率が高くなります。 VFDベースのシステムは、エキスパンダーシャフト速度の変化をもたらす可能性のあるより広範なプロセスの変更にも対応できます。
伝染 ; 感染。一部のエキスパンダーデザインでは、ギアボックスを使用して、エキスパンダーの速度をジェネレーターの定格速度まで低下させます。ギアボックスを使用するコストは、全体的な効率が低いため、出力が低くなります。
エキスパンダーの引用符（RFQ）のリクエストを準備する場合、プロセスエンジニアは最初に次の情報を含む動作条件を決定する必要があります。
機械エンジニアは、他のエンジニアリング分野のデータを使用して、エキスパンダージェネレーターの仕様と仕様を完了することがよくあります。これらの入力には、以下が含まれる場合があります。
仕様には、入札プロセスと供給範囲の一部として製造業者が提供するドキュメントと図面のリスト、およびプロジェクトで要求される適用されるテスト手順も含める必要があります。
入札プロセスの一部として製造業者が提供する技術情報には、通常、次の要素を含める必要があります。
提案のいずれかの側面が元の仕様と異なる場合、メーカーは逸脱のリストと逸脱の理由も提供する必要があります。
提案が受け取られたら、プロジェクト開発チームはコンプライアンスの要求を確認し、分散が技術的に正当化されるかどうかを判断する必要があります。
提案を評価する際に考慮すべきその他の技術的な考慮事項は次のとおりです。
最後に、経済分析を実施する必要があります。さまざまなオプションが初期コストが異なる場合があるため、プロジェクトの長期経済学と投資収益率を比較するために、キャッシュフローまたはライフサイクルコスト分析を実行することをお勧めします。たとえば、生産性の向上またはメンテナンス要件の削減により、より高い初期投資が長期的に相殺される場合があります。このタイプの分析に関する指示については、「参照」を参照してください。 4。
すべてのTurboExpander-Generatorアプリケーションは、特定のアプリケーションで回復できる利用可能なエネルギーの総量を決定するために、初期の総電力計算を必要とします。ターボエクスパンダージェネレーターの場合、パワー電位は等エントロピー（一定のエントロピー）プロセスとして計算されます。これは、摩擦のない可逆的な断熱プロセスを考慮するための理想的な熱力学的状況ですが、実際のエネルギー電位を推定するための正しいプロセスです。
等エントロピーポテンシャルエネルギー（IPP）は、ターボエクスパンダーの入口と出口で特定のエンタルピー差を掛け、結果に質量流量を掛けることによって計算されます。このポテンシャルエネルギーは、等エントロピック量として表されます（式（1））：
ipp =（hinlet - h（i、e））×xŋ（1）
ここで、H（i、e）は等エントロピー出口温度を考慮した特定のエンタルピーであり、ṁは質量流量です。
エントロピーポテンシャルエネルギーを使用してポテンシャルエネルギーを推定できますが、すべての実際のシステムには摩擦、熱、およびその他の補助エネルギー損失が含まれます。したがって、実際のパワー電位を計算する場合、次の追加の入力データを考慮する必要があります。
ほとんどのターボエクスパンダーアプリケーションでは、前述のパイプ凍結などの不要な問題を防ぐために、温度は最小に制限されています。天然ガスが流れる場合、水和物がほとんど常に存在します。つまり、ターボエクスパンダーまたはスロットルバルブの下流のパイプラインは、出口温度が0°Cを下回ると内部および外部で凍結します。氷の形成は、流れの制限をもたらし、最終的にシステムをシャットダウンして解凍する可能性があります。したがって、「望ましい」アウトレット温度を使用して、より現実的な潜在的なパワーシナリオを計算します。ただし、水素などのガスの場合、水素が極低温（-253°C）に達するまで水素がガスから液体に変化しないため、温度制限ははるかに低くなります。この望ましい出口温度を使用して、特定のエンタルピーを計算します。
ターボエクスパンダーシステムの効率も考慮する必要があります。使用する技術によっては、システムの効率が大幅に異なる場合があります。たとえば、減速装置を使用してタービンから発電機に回転エネルギーを伝達するターボエクスパンダーは、タービンから発電機への直接ドライブを使用するシステムよりも大きな摩擦損失を経験します。ターボエクスパンダーシステムの全体的な効率はパーセンテージとして表され、ターボエクスパンダーの実際のパワー電位を評価する際に考慮されます。実際の電位（PP）は次のように計算されます。
pp =（hinlet - hexit）×ṁxṅ（2）
天然ガス圧力緩和の適用を見てみましょう。 ABCは、天然ガスをメインパイプラインから輸送し、地方自治体に配布する圧力削減ステーションを運営および維持しています。このステーションでは、ガス入口圧力は40 barで、出口圧力は8 barです。予熱された入口ガス温度は35°Cで、パイプラインの凍結を防ぐためにガスを予熱します。したがって、出口ガス温度は、0°Cを下回らないように制御する必要があります。この例では、最小出口温度として5°Cを使用して、安全係数を増加させます。正規化された体積ガス流量は50,000 nm3/hです。電力電位を計算するために、すべてのガスがターボエキスパンダーを通過して最大出力を計算すると仮定します。次の計算を使用して、総出力電位を推定します。
投稿時間：5月25日 - 2024年