Expansores pressionem imminuere possunt ad machinas rotantes impellendas. Informationes de aestimandis commodis potentialibus ex installatione extensoris hic inveniri possunt.
Typice in industria chemica (ICP), "magna energiae copia in valvulis pressionis moderandis perditur ubi fluida altae pressionis depressurizanda sunt" [1]. Pro variis factoribus technicis et oeconomicis, optandum esse potest hanc energiam in energiam mechanicam rotantem convertere, quae ad generatores vel alias machinas rotantes movendas adhiberi potest. Pro fluidis incompressibilibus (liquidis), hoc per turbinam recuperationis energiae hydraulicae (HPRT; vide referentiam 1) perficitur. Pro liquidis compressibilibus (gasibus), expansor machina idonea est.
Expansores sunt technologia matura cum multis applicationibus prosperis, ut puta fractura catalytica fluida (FCC), refrigeratio, valvae urbanae gasis naturalis, separatio aeris vel emissiones exhaustorum. In principio, quilibet flumen gasis cum pressione reducta adhiberi potest ad expansorem impellendum, sed "energia producta directe proportionalis est rationi pressionis, temperaturae et fluxus fluminis gasis" [2], necnon possibilitati technicae et oeconomicae. Implementatio Expansoris: Processus pendet ab his aliisque factoribus, ut pretiis energiae localibus et disponibilitate apparatuum idoneorum a fabricante.
Quamquam turboexpansor (similiter turbinae fungens) est genus expansoris notissimum (Figura 1), alia genera exstant apta variis condicionibus processus. Hic articulus genera principalia expansorum eorumque partes introducit et summatim describit quomodo administratores operationum, consultores vel auditores energiae in variis divisionibus CPI utilitates oeconomicas et ambientales potentiales ex installatione expansoris aestimare possint.
Multae variae species taeniarum resistentiae sunt, quae geometria et functione magnopere variant. Genera principalia in Figura 2 monstrantur, et singula typus breviter infra describitur. Pro pluribus informationibus, necnon graphis statum operationis cuiusque typi secundum diametros specificos et celeritates specificas comparantibus, vide Auxilium. 3.
Turboexpansor pistonis. Turboexpansores pistonis et pistonis rotatorii instar machinae combustionis internae inverse rotantis operantur, gas sub alta pressione absorbentes et energiam eius conditam in energiam rotationalem per arborem principalem convertentes.
Expansorem turbinis freni trahe. Expansor turbinis freni constat ex camera fluxus concentrica cum pinnis instar cucchiae ad peripheriam elementi rotantis affixis. Eodem modo ac rotae aquaticae designantur, sed sectio transversalis camerarum concentricarum ab introitu ad exitum crescit, permittens gas expandere.
Turboexpansor radialis. Turboexpansores fluxus radialis introitum axialem et exitum radialem habent, quae gas per impeller turbinis radialiter expandere sinunt. Similiter, turbines fluxus axialis gas per rotam turbinis expandunt, sed directio fluxus parallela axi rotationis manet.
Hic articulus turboexpansores radiales et axiales intendit, varia eorum subtypa, componentes, et oeconomiam tractans.
Turboexpansor energiam ex flumine gasii altae pressionis extrahit et eam in onus impulsivum convertit. Typice onus est compressor vel generator axe coniunctus. Turboexpansor cum compressore fluidum in aliis partibus fluminis processus quae fluidum compressum requirunt comprimit, ita efficientiam generalem plantae augens utendo energia quae aliter periret. Turboexpansor cum onere generatoris energiam in electricitatem convertit, quae in aliis processibus plantae adhiberi potest vel ad reticulum locale ad vendendum reddi.
Generatores turboexpansores vel axe directo a rota turbinis ad generatorem instructi esse possunt, vel per capsam rotarum quae celeritatem input a rota turbinis ad generatorem efficaciter per rationem transmissionis minuit. Turboexpansores directae transmissionis commoda in efficientia, spatio occupato, et sumptibus sustentationis offerunt. Turboexpansores capsae transmissionis graviores sunt et spatium occupatum maius, apparatum auxiliarem lubricationis, et sustentationem regularem requirunt.
Turboexpansores perfluxus in forma turbinarum radialium vel axialium fieri possunt. Expansores fluxus radialis introitum axialem et exitum radialem continent, ita ut fluxus gasi turbinam radialiter ab axe rotationis exeat. Turbinae axiales permittunt gas axialiter secundum axem rotationis fluere. Turbinae fluxus axialis energiam ex fluxu gasi per alas ductorias introitus ad rotam expansoris extrahunt, area sectionis transversalis camerae expansionis gradatim crescente ut celeritas constans servetur.
Generator turboexpansoris tribus partibus principalibus constat: rota turbinis, fulcris specialibus, et generatore.
Rota turbinis. Rotae turbinis saepe ad efficientiam aerodynamicam optimizandam specialiter designantur. Inter variabiles applicationis quae designum rotae turbinis afficiunt sunt pressio ingressus/exitus, temperatura ingressus/exitus, fluxus voluminis, et proprietates fluidi. Cum proportio compressionis nimis alta est ut in uno stadio reducatur, turboexpansor cum rotis turbinis multiplicibus requiritur. Rotae turbinis tam radiales quam axiales ut multi-stadia designari possunt, sed rotae turbinis axiales longitudinem axialem multo breviorem habent et ideo compactiores sunt. Turbinae fluxus radialis multi-stadia requirunt ut gas ab axiali ad radialem et retro ad axialem fluat, damna frictionis maiores quam turbinae fluxus axialis creantes.
Fercula. Designatio ferculorum magni momenti est ad efficientem operationem turboexpansoris. Genera ferculorum ad designationes turboexpansoris pertinentia late variant et includunt fercula olei, fercula pelliculae liquidae, fercula sphaerica traditionalia, et fercula magnetica. Quaeque methodus sua commoda et incommoda habet, ut in Tabula 1 demonstratur.
Multi fabri turboexpansorum magnetica fercula propter singularia commoda tamquam "fercula electionis" eligunt. Fercula magnetica operationem sine frictione partium dynamicarum turboexpansoris praestant, sumptus operationis et sustentationis per totam vitam machinae significanter reducentes. Etiam designantur ut amplam varietatem onerum axialium et radialium et condicionum nimiae tensionis sustineant. Sumptus initiales maiores multo minores sumptibus cycli vitae compensantur.
dynamus. Generator energiam rotationis turbinis accipit et in energiam electricam utilem convertit utens generatore electromagnetico (qui potest esse generator inductionis vel generator magnetis permanentis). Generatores inductionis celeritatem nominalem inferiorem habent, ita applicationes turbinarum celerium capsam rotatoriam requirunt, sed designari possunt ut frequentiae retis respondeant, eliminando necessitatem variatoris frequentiae (VFD) ad electricitatem generatam supplendam. Generatores magnetis permanentis, contra, directe cum axe turbini coniungi et potentiam ad retis per variatorem frequentiae transmittere possunt. Generator designatus est ut maximam potentiam praebeat secundum potentiam axis in systemate praesto.
Sigilla. Sigillum etiam pars critica est cum systema turboexpansoris designatur. Ad efficientiam magnam conservandam et normas ambientales observandas, systemata sigillanda sunt ne effusiones gasorum processus oriantur. Turboexpansores sigillis dynamicis vel staticis instruri possunt. Sigilla dynamica, ut sigilla labyrinthina et sigilla gasorum sicca, sigillum circa axem rotantem praebent, typice inter rotam turbinis, fercula et reliquam machinam ubi generator situs est. Sigilla dynamica tempore deteruntur et curam et inspectionem regularem requirunt ut recte fungantur. Cum omnes partes turboexpansoris in uno involucro continentur, sigilla statica adhiberi possunt ad protegendos quoslibet ductus e involucro exeuntes, etiam ad generatorem, impulsores ferculorum magneticorum, vel sensores. Haec sigilla airtight protectionem permanentem contra effusiones gasorum praebent et nullam curam vel reparationem requirunt.
Ex parte processus, primaria necessitas ad expansorem instituendum est gas compressibile (non condensabile) altae pressionis systemati humilis pressionis praebere cum fluxu, pressione diminuta et usu sufficienti ad normalem operationem apparatus conservandam. Parametri operationis in gradu tuto et efficiente servantur.
Quod ad functionem pressionis reducendam attinet, expansor ad valvulam Joule-Thomson (JT), quae etiam valvula suffocatoria appellatur, substituendam adhiberi potest. Cum valvula JT secundum viam isoentropicam moveatur et expansor secundum viam fere isoentropicam, hic enthalpiam gasis minuit et differentiam enthalpiam in potentiam axis convertit, ita temperaturam exitus inferiorem quam valvula JT producens. Hoc utile est in processibus cryogenicis ubi finis est temperaturam gasis reducere.
Si limes inferior temperaturae gasis exeuntis adest (exempli gratia, in statione decompressionis ubi temperatura gasis supra congelationem, hydrationem, vel minimam temperaturam designationis materialis conservanda est), saltem unus calefactor addendus est. Temperaturam gasis moderari. Cum praecalefactor supra expansorem locatus est, pars energiae ex gaso iniecto etiam in expansore recuperatur, ita potentiam eius augens. In quibusdam configurationibus ubi moderatio temperaturae exeuntis requiritur, secundus recalefactor post expansorem installari potest ut moderatio celerior praestetur.
In Figura 3 diagramma simplicius fluxus generalis generatoris expansoris cum praecalefactore ad valvulam JT substituendam adhibiti ostendit.
In aliis configurationibus processus, energia in expansore recuperata directe ad compressorem transferri potest. Hae machinae, interdum "imperatores" appellatae, plerumque gradus expansionis et compressionis uno pluribusve axibus connexos habent, qui etiam capsam dentatam ad differentiam celeritatis inter duo gradus regulandam includere possunt. Etiam motorem additum includere potest ad maiorem potentiam gradui compressionis praebendam.
Infra sunt nonnullae ex partibus maximi momenti quae rectam operationem et stabilitatem systematis praestant.
Valvula deviatoria sive valvula pressionis reducendae. Valvula deviatoria permittit operationem continuare cum turboexpansor non operatur (exempli gratia, ad sustentationem vel in casu necessitatis), dum valvula pressionis reducendae adhibetur ad operationem continuam ad gas superfluum supplendum cum fluxus totalis capacitatem designatam expansoris excedit.
Valvula claudendi in casu necessitatis (ESD). Valvae ESD adhibentur ad fluxum gasis in expansorem in casu necessitatis obstruendum, ne damnum mechanicum fiat.
Instrumenta et moderamina. Variabiles magni momenti ad monitorandum includunt pressionem ingressus et exitus, celeritatem fluxus, celeritatem rotationis, et potentiam emissam.
Velocitate nimia vehendi. Instrumentum fluxum ad turbinam intercludit, quo fit ut rotor turbinis tardior fiat, ita apparatum a velocitatibus nimiis ob condiciones processus improvisas, quae apparatui damnum inferre possent, protegens.
Valvula Salutis Pressionis (VSP). VSP saepe post turboexpansorem instituuntur ad fistulas et apparatum pressionis humilis protegendos. VSP ita designanda est ut gravissimas casus sustineat, qui typice includunt defectum valvulae derivationis aperiendi. Si expansor stationi reductionis pressionis exsistenti additur, turma designationis processus determinare debet utrum VSP exstans sufficientem protectionem praebeat.
Calefactor. Calefactores compensant temperaturam a gaso per turbinam transeunte effectam, itaque gas praecalefieri debet. Munus eorum principale est temperaturam fluxus gasi ascendentis augere ut temperatura gasi ex expansore supra valorem minimum servetur. Aliud commodum temperaturae elevandae est potentiam augere necnon corrosionem, condensationem, vel hydrata quae injectores apparatuum adverse afficere possent, impedire. In systematibus continentibus commutatores caloris (ut in Figura 3 demonstratur), temperatura gasi plerumque regitur per fluxum liquidi calefacti in praecalefactor regulandum. In quibusdam designis, calefactor flammae vel calefactor electricus loco commutatoris caloris adhiberi potest. Calefactores iam in statione valvulae JT existente exstare possunt, et expansorem addere fortasse non requiret calefactores additionales instituere, sed potius fluxum fluidi calefacti augere.
Systemata olei lubricantis et gasis obturantibus. Ut supra dictum est, expansores variis formis obturantium uti possunt, quae lubricantia et gasa obturantia requirere possunt. Ubi applicatur, oleum lubricans qualitatem et puritatem altam conservare debet cum gasibus processus in contactu est, et gradus viscositatis olei intra ambitum operationis requisitum fulcrorum lubricatorum manere debet. Systemata gasis obturantibus plerumque instrumento lubricationis olei instructa sunt ad prohibendum oleum ex capsa fulcri capsam expansionis ingredi. Pro applicationibus specialibus compansorum in industria hydrocarbonum adhibitorum, systemata olei lubricantis et gasis obturantibus typice secundum specificationes API 617 [5] Pars 4 designantur.
Impulsor frequentiae variabilis (VFD). Cum generator inductionis est, VFD typice accenditur ut signum currentis alternantis (AC) ad frequentiam utilitatis accommodet. Typice, consilia in impulsoribus frequentiae variabilis fundata efficientiam generalem maiorem habent quam consilia quae capsas rotarum vel alias partes mechanicas utuntur. Systema VFD fundata etiam latiorem varietatem mutationum processuum accommodare possunt quae mutationes in celeritate axis expansoris efficere possunt.
Transmissio. Nonnullae machinae expansorum capsam rotarum adhibent ad celeritatem expansoris ad celeritatem nominalem generatoris reducendam. Sumptus usus capsae rotarum est efficacia generalis inferior et propterea potentia minor.
Cum petitionem pretii (RFQ) pro expansore parat, ingeniarius processus primum condiciones operationis determinare debet, his notitiis inclusis:
Ingeniarii mechanici saepe specificationes generatorum expansorum et specificationes perficiunt utentes datis ex aliis disciplinis ingeniariae. Hae contributiones haec comprehendere possunt:
Specificationes etiam indicem documentorum et delineationum a fabricante tamquam partem processus licitationis praebitarum et ambitum suppletionis, necnon rationes probationum applicabiles prout a proiecto requiruntur, includere debent.
Informationes technicae a fabricatore, tanquam pars processus licitationis, praebitae plerumque haec elementa comprehendere debent:
Si quid aspectus propositionis a specificationibus originalibus differt, opifex etiam indicem deviationum et causas deviationum praebere debet.
Postquam propositum accepta est, turma evolutionis proiecti petitionem ad obsequium recensere debet et determinare utrum discrepantiae technice iustae sint.
Aliae considerationes technicae considerandae in aestimandis propositionibus includunt:
Denique, analysis oeconomica peragenda est. Quia optiones variae diversos sumptus initiales afferre possunt, commendatur ut analysis fluxus pecuniarii vel sumptus cycli vitae peragatur ad comparandas rationes oeconomicas longi temporis proiecti et reditum ex investimento. Exempli gratia, maius investmentum initiale in longo termino compensari potest aucta productivitate vel requisitis sustentationis imminutis. Vide "References" pro instructionibus de hoc genere analysis. 4.
Omnes applicationes turboexpansoris-generatoris initialem computationem potentiae totalis requirunt ad determinandam quantitatem totalem energiae praesto quae in applicatione particulari recuperari potest. Pro generatore turboexpansori, potentia potentiae computatur ut processus isentropicus (entropia constantis). Haec est condicio thermodynamica idealis ad considerandum processum adiabaticum reversibilem sine frictione, sed est processus correctus ad aestimandum potentiam energiae actualem.
Energia potentialis isentropica (IPP) computatur multiplicando differentiam enthalpiae specificae ad introitum et exitum turboexpansoris et multiplicando resultatum per ratem fluxus massae. Haec energia potentialis exprimetur ut quantitas isentropica (Aequatio (1)):
IPP = ( hinlet – h(i, e)) x (1)
ubi h(i,e) est enthalpia specifica, habita ratione temperaturae isoentropicae exitus, et ṁ est celeritas fluxus massae.
Quamquam energia potentialis isoentropica ad aestimandam energiam potentialem adhiberi potest, omnia systemata realia frictionem, calorem, aliasque iacturas energiae auxiliares implicant. Ergo, cum potentia potentiae actualis calculatur, sequentia data addita in rationem ducuntur:
In plerisque applicationibus turboexpansorum, temperatura ad minimum limitatur ne problemata non desiderata, ut congelatio tuborum supra memorata, oriantur. Ubi gas naturale fluit, hydrata fere semper praesentes sunt, quod significat tubum infra turboexpansorem vel valvulam suffocationis et interne et externe congelaturum esse si temperatura exitus infra 0°C cadit. Formatio glaciei restrictionem fluxus efficere potest et tandem systema claudere ad degelandum. Itaque temperatura exitus "desiderata" adhibetur ad condicionem potentiae potentialis magis realisticam calculandam. Attamen, pro gasibus ut hydrogenium, limes temperaturae multo inferior est quia hydrogenium non mutatur a gaso ad liquidum donec temperaturam cryogenicam (-253°C) attingit. Hac temperatura exitus desiderata utere ad enthalpiam specificam calculandam.
Efficientia systematis turboexpansoris etiam consideranda est. Secundum technologiam adhibitam, efficientia systematis insigniter variari potest. Exempli gratia, turboexpansor qui reductionem ad energiam rotationalem a turbina ad generatorem transferendam adhibet, maiores iacturas frictionis experietur quam systema quod impulsionem directam a turbina ad generatorem utitur. Efficientia generalis systematis turboexpansoris per centum exprimitur et in rationem ducitur cum potentia potentialis actualis turboexpansoris aestimatur. Potentia potentialis actualis (PP) sic computatur:
PP = (hinlet - hexit) x (2)
Applicationem levaminis pressionis gasis naturalis inspiciamus. ABC stationem reductionis pressionis administrat et curat quae gas naturale e fistula principali transportat et ad municipia localia distribuit. In hac statione, pressio ingressus gasis est 40 bar et pressio exitus est 8 bar. Temperatura gasis praecalefacti ingressus est 35°C, quae gas praecalefacit ne fistula congeletur. Ergo, temperatura gasis exitus ita moderanda est ne infra 0°C cadat. In hoc exemplo, 5°C ut minimam temperaturam exitus utemur ad factorem salutis augendum. Fluxus volumetricus gasis normalizatus est 50,000 Nm3/h. Ad potentiam potentiae computandam, supponimus omne gas per turbo expansorem fluere et maximam potentiam emissam computabimus. Potentiam totalem emissam utens calculo sequenti aestimamus:
Tempus publicationis: XXV Maii, MMXXIV