エキスパンダーは圧力低下を利用して回転機械を駆動することができます。エキスパンダー設置による潜在的なメリットを評価する方法については、こちらをご覧ください。
化学プロセス産業（CPI）では、「高圧流体を減圧する必要がある圧力制御弁において、大量のエネルギーが浪費されている」[1]。様々な技術的・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し、発電機やその他の回転機械の駆動に利用することが望ましい場合がある。非圧縮性流体（液体）の場合、これは油圧エネルギー回収タービン（HPRT；参考文献1参照）を用いて実現される。圧縮性液体（気体）の場合、エキスパンダーが適切な機械である。
エキスパンダーは成熟した技術であり、流動接触分解（FCC）、冷凍、天然ガス都市バルブ、空気分離、排気ガス処理など、多くの用途で成功を収めています。原理的には、減圧されたあらゆるガス流をエキスパンダーの駆動に使用できますが、「エネルギー出力は、ガス流の圧力比、温度、流量に正比例します」[2]。また、技術的および経済的な実現可能性も重要です。エキスパンダーの導入：プロセスは、これらの要因に加え、地域のエネルギー価格やメーカーによる適切な機器の入手可能性など、他の要因にも左右されます。
ターボエキスパンダー（タービンと同様の機能を持つ）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）、プロセス条件に応じて適切なタイプも存在します。この記事では、主なエキスパンダーの種類とその構成部品を紹介し、CPIの様々な部門の運用管理者、コンサルタント、エネルギー監査担当者が、エキスパンダーの設置による潜在的な経済的および環境的メリットをどのように評価できるかをまとめます。
レジスタンスバンドには様々な種類があり、形状や機能が大きく異なります。主な種類を図2に示し、以下で各種類について簡単に説明します。さらに詳しい情報や、特定の直径と速度に基づいて各種類の動作状態を比較したグラフについては、ヘルプをご覧ください。3.
ピストン式ターボエキスパンダー。ピストン式およびロータリー式ピストン式ターボエキスパンダーは、逆回転する内燃機関のように動作し、高圧ガスを吸収し、その蓄積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、回転体の周囲に取り付けられたバケットフィンを備えた同心円状の流動室で構成されています。水車と同じように設計されていますが、同心円状の流動室の断面積は入口から出口に向かって大きくなり、ガスが膨張します。
ラジアルターボエキスパンダー。ラジアルフローターボエキスパンダーは軸方向の入口と半径方向の出口を備えており、ガスはタービンインペラを通して半径方向に膨張します。同様に、軸流タービンはタービンホイールを通してガスを膨張させますが、流れの方向は回転軸と平行のままです。
この記事では、ラジアル ターボエキスパンダーと軸流ターボエキスパンダーに焦点を当て、そのさまざまなサブタイプ、コンポーネント、および経済性について説明します。
ターボエキスパンダーは高圧ガス流からエネルギーを抽出し、駆動負荷に変換します。通常、駆動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。コンプレッサー付きターボエキスパンダーは、プロセスストリームの他の部分で圧縮流体を必要とする流体を圧縮することで、本来は無駄になるエネルギーを再利用し、プラント全体の効率を向上させます。発電機付きターボエキスパンダーは、このエネルギーを電力に変換し、プラントの他のプロセスで使用したり、地域の電力網に返送して販売したりすることができます。
ターボエキスパンダー発電機は、タービンホイールから発電機への直接駆動シャフト、またはギアボックスを介してタービンホイールから発電機への入力速度をギア比によって効果的に減速する方式のいずれかを採用できます。直接駆動型ターボエキスパンダーは、効率、設置面積、メンテナンスコストの点で優れています。ギアボックス型ターボエキスパンダーは重量が重く、設置面積も大きくなり、潤滑補助装置と定期的なメンテナンスが必要になります。
フロースルー型ターボエキスパンダーは、ラジアルタービンまたは軸流タービンの形で製造できます。ラジアルフローエキスパンダーは、軸方向の入口と半径方向の出口を備えており、ガス流は回転軸から半径方向にタービンから排出されます。軸流タービンは、ガスを回転軸に沿って軸方向に流します。軸流タービンは、ガス流からエネルギーを抽出し、入口ガイドベーンからエキスパンダーホイールへと送ります。この際、膨張室の断面積が徐々に増加することで、一定の速度が維持されます。
ターボエキスパンダー発電機は、タービンホイール、特殊ベアリング、発電機の 3 つの主要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、入口/出口温度、体積流量、流体特性などがあります。圧縮比が高すぎて1段で低減できない場合は、複数のタービンホイールを備えたターボエキスパンダーが必要です。ラジアルタービンホイールとアキシャルタービンホイールはどちらも多段式として設計できますが、アキシャルタービンホイールは軸長がはるかに短いため、よりコンパクトです。多段ラジアルフロータービンでは、ガスがアキシャルからラジアルへ、そして再びアキシャルへ流れる必要があるため、軸流タービンよりも摩擦損失が高くなります。
ベアリング。ベアリングの設計は、ターボエキスパンダーの効率的な運転に不可欠です。ターボエキスパンダーの設計に関連するベアリングの種類は多岐にわたり、オイルベアリング、液膜ベアリング、従来のボールベアリング、磁気ベアリングなどがあります。表1に示すように、それぞれの方法には長所と短所があります。
多くのターボエキスパンダーメーカーは、その独自の利点から、磁気軸受を「最適な軸受」として選択しています。磁気軸受は、ターボエキスパンダーの動部品の摩擦のない動作を保証し、機械の寿命全体にわたる運転コストとメンテナンスコストを大幅に削減します。また、広範囲の軸方向およびラジアル方向の荷重や過負荷条件にも耐えられるように設計されています。初期コストは高くなりますが、ライフサイクルコストは大幅に低いため、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電磁発電機（誘導発電機または永久磁石発電機）を用いて有用な電気エネルギーに変換します。誘導発電機は定格回転数が低いため、高速タービン用途ではギアボックスが必要ですが、系統周波数に合わせて設計できるため、発電した電力を供給するための可変周波数駆動装置（VFD）は不要です。一方、永久磁石発電機はタービンに直接軸結合され、可変周波数駆動装置を介して系統に電力を伝送します。発電機は、システムで利用可能な軸動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。
シール。ターボエキスパンダーシステムを設計する際には、シールも重要な要素です。高い効率を維持し、環境基準を満たすためには、プロセスガスの漏れを防ぐためにシステムを密閉する必要があります。ターボエキスパンダーには、ダイナミックシールとスタティック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、回転軸の周囲、通常はタービンホイール、ベアリング、および発電機が設置されている機械の残りの部分の間を密閉します。ダイナミックシールは経年劣化するため、定期的にメンテナンスと点検を行い、正常に機能していることを確認する必要があります。ターボエキスパンダーのすべてのコンポーネントが単一のハウジングに収納されている場合は、発電機、磁気軸受駆動装置、センサーなどへのハウジングから出ているすべてのリード線を保護するためにスタティック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続的な保護を提供し、メンテナンスや修理は不要です。
プロセスの観点から見ると、エキスパンダーを設置する主な要件は、機器の正常な動作を維持するために十分な流量、圧力降下、および利用率で、高圧の圧縮性（非凝縮性）ガスを低圧システムに供給することです。動作パラメータは安全かつ効率的なレベルに維持されます。
減圧機能の観点から見ると、エキスパンダーはジュール・トムソン（JT）弁（別名スロットル弁）の代替として使用できます。JT弁は等エントロピー経路を、エキスパンダーはほぼ等エントロピー経路を移動するため、エキスパンダーはガスのエンタルピーを低下させ、そのエンタルピー差を軸動力に変換します。その結果、JT弁よりも低い出口温度が得られます。これは、ガスの温度を下げることを目的とする極低温プロセスにおいて有用です。
出口ガス温度に下限がある場合（例えば、ガス温度を凍結温度、水和温度、または最低材料設計温度以上に維持する必要がある減圧ステーションなど）、少なくとも1つのヒーターを追加してガス温度を制御する必要があります。予熱器を膨張器の上流に配置すると、供給ガスからのエネルギーの一部が膨張器でも回収されるため、膨張器の出力が向上します。出口温度制御が必要な構成では、より迅速な制御を実現するために、膨張器の後に2つ目の再加熱器を設置することができます。
図 3 は、JT バルブの代わりに使用される予熱器付きエキスパンダー ジェネレータ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、膨張機で回収されたエネルギーを直接圧縮機に伝達できます。「コマンダー」と呼ばれることもあるこれらの機械は、通常、膨張段と圧縮段が1本以上のシャフトで接続されており、2つの段間の速度差を調整するためのギアボックスが組み込まれている場合もあります。また、圧縮段により多くの電力を供給するための追加のモーターが組み込まれている場合もあります。
以下は、システムの適切な動作と安定性を保証する最も重要なコンポーネントの一部です。
バイパス弁または減圧弁。バイパス弁は、ターボエキスパンダーが運転していないとき（メンテナンスや緊急時など）でも運転を継続できるようにします。一方、減圧弁は、総流量がエキスパンダーの設計容量を超えた場合に、余剰ガスを供給するために連続運転に使用されます。
緊急遮断弁（ESD）。ESD弁は、緊急時に機械的な損傷を防ぐために、膨張機へのガスの流れを遮断するために使用されます。
計器と制御装置。監視すべき重要な変数には、入口圧力と出口圧力、流量、回転速度、出力などがあります。
過速度運転。この装置はタービンへの流量を遮断し、タービンローターの速度を低下させることで、予期せぬプロセス条件による過速度運転から機器を保護し、機器に損傷を与える可能性があります。
圧力安全弁（PSV）。PSVは、パイプラインや低圧機器を保護するために、ターボエキスパンダーの後段に設置されることがよくあります。PSVは、バイパスバルブの開弁不良など、最も深刻な事態にも耐えられるように設計する必要があります。既存の減圧ステーションにエキスパンダーを追加する場合、プロセス設計チームは、既存のPSVが十分な保護機能を備えているかどうかを判断する必要があります。
ヒーター。ヒーターは、タービンを通過するガスによって生じる温度低下を補うため、ガスを予熱する必要があります。ヒーターの主な機能は、上昇するガス流の温度を上げて、エキスパンダーから出るガスの温度を最低値以上に維持することです。温度を上げるもう 1 つの利点は、出力の向上と、機器のノズルに悪影響を与える可能性のある腐食、結露、または水和物の防止です。熱交換器を含むシステム (図 3 を参照) では、ガス温度は通常、予熱器への加熱された液体の流量を調整することによって制御されます。設計によっては、熱交換器の代わりに炎ヒーターまたは電気ヒーターを使用できます。既存の JT バルブ ステーションにヒーターが既に設置されている場合があり、エキスパンダーを追加するときに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量を増やすだけで済むことがあります。
潤滑油およびシールガスシステム。前述のように、膨張機には様々なシール設計が採用されており、潤滑剤やシールガスが必要となる場合があります。潤滑油は、プロセスガスと接触する際に高い品質と純度を維持し、潤滑油の粘度は潤滑ベアリングの必要な動作範囲内に維持する必要があります。シールガスシステムには、ベアリングボックスからのオイルが膨張ボックス内に入るのを防ぐため、通常、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殊用途では、潤滑油およびシールガスシステムは通常、API 617 [5] Part 4仕様に基づいて設計されます。
可変周波数ドライブ（VFD）。発電機が誘導発電機の場合、通常はVFDがオンになり、交流（AC）信号を商用周波数に合わせて調整します。一般的に、可変周波数ドライブをベースにした設計は、ギアボックスやその他の機械部品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の速度変化につながるプロセス変化にも幅広く対応できます。
トランスミッション。一部の膨張機設計では、ギアボックスを使用して膨張機の回転速度を発電機の定格回転数まで減速します。ギアボックスの使用によるコストは、全体的な効率の低下、ひいては出力の低下です。
エクスパンダーの見積依頼書 (RFQ) を準備する場合、プロセス エンジニアはまず、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、他の工学分野のデータを用いて、膨張発電機の仕様書やその他の仕様書を作成することがよくあります。これらの入力データには、以下のようなものが含まれます。
仕様には、入札プロセスの一環として製造業者から提供される文書と図面のリスト、供給範囲、およびプロジェクトで要求される適用可能なテスト手順も含まれている必要があります。
入札プロセスの一環としてメーカーが提供する技術情報には、通常、次の要素が含まれます。
提案のいずれかの側面が元の仕様と異なる場合、製造業者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。
提案を受け取ったら、プロジェクト開発チームはコンプライアンス要求を確認し、差異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。選択肢によって初期コストが異なる可能性があるため、プロジェクトの長期的な経済性と投資収益率を比較するために、キャッシュフロー分析またはライフサイクルコスト分析を実施することをお勧めします。例えば、初期投資額が高額であっても、長期的には生産性の向上やメンテナンス要件の軽減によって相殺される可能性があります。この種の分析の手順については、「参考文献」を参照してください。4.
ターボエキスパンダー発電機のあらゆる用途では、特定の用途で回収可能なエネルギーの総量を決定するために、初期の全潜在出力計算が必要です。ターボエキスパンダー発電機の場合、潜在出力は等エントロピー（エントロピー一定）過程として計算されます。これは、摩擦のない可逆断熱過程を考える上で理想的な熱力学的状況ですが、実際のエネルギー潜在出力を推定するための正しいプロセスでもあります。
等エントロピー位置エネルギー（IPP）は、ターボエキスパンダーの入口と出口における比エンタルピー差に質量流量を乗じることで算出されます。この位置エネルギーは等エントロピー量として表されます（式（1））。
IPP = (ヒンレット – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
ここで、h(i,e)は等エントロピー出口温度を考慮した比エンタルピー、ṁは質量流量です。
等エントロピー位置エネルギーは位置エネルギーの推定に使用できますが、現実のシステムでは摩擦、熱、その他の付随的なエネルギー損失が発生します。したがって、実際の出力ポテンシャルを計算する際には、以下の追加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キ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望ましくない問題を防ぐため、温度は最低限に制限されています。天然ガスが流れる場所にはほぼ常にハイドレートが存在するため、ターボエキ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℃を下回ると、内外ともに凍結します。氷の形成は流量制限につながり、最終的には除霜のためにシステムの停止を余儀なくされる可能性があります。そのため、「望ましい」出口温度は、より現実的な潜在発電シナリオを計算するために使用されます。しかし、水素などのガスの場合、水素は極低温（-253℃）に達するまで気体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、比エンタルピーを計算します。
ターボエキスパンダーシステムの効率も考慮する必要があります。使用される技術によって、システム効率は大きく異なります。例えば、タービンから発電機への回転エネルギーの伝達に減速ギアを使用するターボエキスパンダーは、タービンから発電機への直接駆動を使用するシステムよりも摩擦損失が大きくなります。ターボエキスパンダーシステムの全体効率はパーセンテージで表され、ターボエキスパンダーの実際の出力ポテンシャルを評価する際に考慮されます。実際の出力ポテンシャル（PP）は以下のように計算されます。
PP = (ヒント – ヘグジット) × ṁ × ṅ (2)
天然ガスの圧力緩和のアプリケーションを見てみましょう。ABC社は、主パイプラインから天然ガスを輸送し、地方自治体に配給する減圧ステーションを運営・管理しています。このステーションでは、ガス入口圧力は40bar、出口圧力は8barです。予熱された入口ガス温度は35℃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℃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、安全係数を高めるために、最低出口温度として5℃を使用します。正規化された体積ガス流量は50,000Nm3/hです。潜在的な出力電力を計算するために、すべてのガスがターボエキスパンダーを通過すると仮定し、最大出力電力を計算します。次の計算を使用して、総出力電力電力を推定します。
投稿日時: 2024年5月25日