WikiDer > Турбодетандер

Turboexpander
Принципиальная схема турбодетандера, приводящего в движение компрессор

А турбодетандер, также называемый турбодетандер или турбодетандер, является центробежным или осевым потоком турбина, через который высокийдавление газ расширяется для производства работы, которая часто используется для вождения компрессор или же генератор.[1][2][3]

Поскольку работа извлекается из расширяющегося газа высокого давления, расширение аппроксимируется изэнтропический процесс (т. е. постоянныйэнтропия процесс), и низкого давления выхлопной газ от турбины находится на очень низком температура, -150 ° C или меньше, в зависимости от рабочего давления и свойств газа. Частичное сжижение расширенного газа не редкость.

Турбодетандеры широко используются как источники охлаждение в промышленных процессах, таких как извлечение этан и сжиженный природный газ (ШФЛУ) из натуральный газ,[4] то сжижение газов (Такие как кислород, азот, гелий, аргон и криптон)[5][6] и другие низкотемпературные процессы.

В настоящее время эксплуатируемые турбодетандеры имеют размер примерно от 750 W примерно до 7,5 МВт (1 л.с. примерно до 10000 л.с.).

Приложения

Хотя турбодетандеры обычно используются в низкотемпературных процессах, они используются во многих других областях. В этом разделе обсуждается один из низкотемпературных процессов, а также некоторые другие приложения.

Извлечение углеводородных жидкостей из природного газа

Принципиальная схема деметанизатора для извлечения жидких углеводородов из природного газа

Сырой природный газ состоит в основном из метана (CH4), самый короткий и легкий углеводород молекулы, наряду с различными количествами более тяжелых углеводородных газов, таких как этан (C2ЧАС6), пропан (C3ЧАС8), нормальный бутан (п-C4ЧАС10), изобутан (я-C4ЧАС10), пентаны и даже выше-молекулярная масса углеводороды. Неочищенный газ также содержит различные количества кислые газы Такие как углекислый газ (CO2), сероводород (ЧАС2Песок меркаптаны Такие как метантиол (CH3SH) и этантиол (C2ЧАС5SH).

При переработке в готовые побочные продукты (см. Переработка природного газа), эти более тяжелые углеводороды вместе называются ШФЛУ (жидкий природный газ). Для извлечения ШФЛУ часто используется турбодетандер.[7] и низкотемпературный ректификационная колонна (называется деметанизатор) как показано на рисунке. Входящий в деметанизатор газ сначала охлаждается примерно до -51 ° C в теплообменник (именуемый холодильная камера), что частично конденсируется входящий газ. Полученная газожидкостная смесь затем разделяется на поток газа и поток жидкости.

Жидкий поток из газожидкостной сепаратор протекает через клапан и подвергается дросселирование от абсолютного давления 62 бар до 21 бар (от 6,2 до 2,1 МПа), что является изэнтальпический процесс (т.е. процесс с постоянной энтальпией), который приводит к снижению температуры потока с примерно -51 ° C до примерно -81 ° C, когда поток входит в деметанизатор.

Газовый поток из газожидкостного сепаратора поступает в турбодетандер, где проходит изэнтропический расширение от абсолютного давления 62 бар до 21 бара (от 6,2 до 2,1 МПа), что снижает температуру газового потока с примерно -51 ° C до примерно -91 ° C, когда он поступает в деметанизатор для перегонки рефлюкс.

Жидкость сверху поднос Деметанизатора (примерно при -90 ° C) проходит через холодильный бокс, где он нагревается примерно до 0 ° C по мере охлаждения входящего газа, а затем возвращается в нижнюю часть деметанизатора. Другой поток жидкости из нижней части деметанизатора (примерно при 2 ° C) направляется через холодильный шкаф и возвращается в деметанизатор при примерно 12 ° C. Фактически, входящий газ обеспечивает высокая температура требуется для «повторного кипячения» нижней части деметанизатора, а турбодетандер отводит тепло, необходимое для обеспечения флегмы в верхней части деметанизатора.

Верхний газовый продукт из деметанизатора при температуре около -90 ° C представляет собой переработанный природный газ подходящего качества для распределения конечным потребителям посредством трубопровод. Он проходит через холодильный шкаф, где нагревается по мере охлаждения входящего газа. Затем он сжимается в газовом компрессоре, приводимом в действие турбодетандером, и далее сжимается в газовом компрессоре второй ступени с приводом от электрический двигатель перед поступлением в распределительный трубопровод.

Нижний продукт из деметанизатора также нагревается в холодильной камере, поскольку он охлаждает входящий газ, прежде чем он покинет систему в виде СПГ.

Условия эксплуатации морского турбодетандера / рекомпрессора для подготовки газа следующие:[8]:

ТурбодетандерРекомпрессор
ВходТорговая точкаВходТорговая точка
Температура ° C11.0–13.022.040.0
Давление бар изб.75.039.3138.6247.24
Расход кг / час2772820658
Молекулярный вес22.0820.74
Рекуперированная / использованная энергия кВт345345

Выработка энергии

Принципиальная схема системы выработки электроэнергии с использованием турбодетандера

На рисунке изображена система выработки электроэнергии, в которой используются источник тепла, охлаждающая среда (воздух, вода или другое), циркулирующая рабочая жидкость и турбодетандер. Система может работать с самыми разными источниками тепла, такими как:

Циркулирующая рабочая жидкость (обычно органическое соединение например, R-134a) перекачивается до высокого давления и затем испаряется в испарителе за счет Теплообмен при имеющемся источнике тепла. Образующийся пар высокого давления поступает в турбодетандер, где он подвергается изэнтропическому расширению и выходит в виде парожидкостной смеси, которая затем конденсируется в жидкость за счет теплообмена с имеющейся охлаждающей средой. Конденсированная жидкость перекачивается обратно в испаритель для завершения цикла.

Система на рисунке реализует Цикл Ренкина как это используется в электростанции на ископаемом топливе, где вода является рабочим телом, а источником тепла является горение природного газа, горючее или же каменный уголь используется для выработки пара высокого давления. Затем пар высокого давления подвергается изоэнтропическому расширению в обычном паровая турбина. Затем отработанный пар паровой турбины конденсируется в жидкую воду, которая затем перекачивается обратно в парогенератор для завершения цикла.

Когда органическая рабочая жидкость, такая как R-134a, используется в цикле Ренкина, этот цикл иногда называют органический цикл Ренкина (ORC).[9][10][11]

Система охлаждения

Принципиальная схема холодильной установки с турбодетандером, компрессором и двигателем

В системе охлаждения используются компрессор, турбодетандер и электродвигатель.

Турбодетандер в зависимости от условий эксплуатации снижает нагрузку на электродвигатель на 6–15% по сравнению с обычным. парокомпрессионное охлаждение система, которая использует дросселирование клапан а не турбодетандер.[12] По сути, это можно рассматривать как форму турбо-компаундирование.

В системе используется хладагент высокого давления (т. Е. Хладагент с низким нормальная точка кипения) Такие как:[12]

Как показано на рисунке, пар хладагента сжимается до более высокого давления, что также приводит к более высокой температуре. Горячий сжатый пар затем конденсированный в жидкость. В конденсатор где тепло отводится от циркулирующего хладагента и уносится любой охлаждающей средой, используемой в конденсаторе (воздух, вода и т. д.).

Жидкий хладагент проходит через турбодетандер, где он испаряется, и пар подвергается изэнтропическому расширению, что приводит к низкотемпературной смеси пара и жидкости. Затем парожидкостная смесь проходит через испаритель, где она испаряется за счет тепла, поглощаемого из охлаждаемого пространства. Испаренный хладагент поступает на вход компрессора для завершения цикла.

Рекуперация мощности в установке жидкостного каталитического крекинга

Принципиальная схема системы рекуперации энергии в установке каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем

В горение дымовые газы от регенератора катализатора установка для крекинга с псевдоожиженным катализатором имеет температуру около 715 ° C и давление около 2,4 барг (Манометрическое 240 кПа). Его газообразные компоненты в основном монооксид углерода (CO), углекислый газ (CO2) и азот (N2). Хотя дымовой газ прошел две стадии циклоны (расположен внутри регенератора) для удаления унесенной мелочи катализатора, он все еще содержит некоторое количество остаточной мелочи катализатора.

На рисунке показано, как энергия восстанавливается и используется при пропускании дымового газа регенератора через турбодетандер. После выхода дымового газа из регенератора он проходит через вторичный сепаратор катализатора, содержащий вихревые трубы предназначен для удаления 70–90% остаточной мелочи катализатора.[13] Это необходимо для предотвращения эрозионного повреждения турбодетандера.

Как показано на рисунке, расширение дымовых газов через турбодетандер обеспечивает достаточную мощность для привода компрессора воздуха для горения регенератора. Электрический мотор-генератор в системе рекуперации энергии может потреблять или производить электроэнергию. Если расширение дымовых газов не обеспечивает достаточной мощности для приведения в действие воздушного компрессора, электродвигатель-генератор обеспечивает необходимую дополнительную мощность. Если расширение дымовых газов обеспечивает большую мощность, чем необходимо для приведения в действие воздушного компрессора, то электродвигатель-генератор преобразует избыточную мощность в электроэнергию и передает ее в электрическую систему нефтеперерабатывающего завода.[14] В паровая турбина используется для приведения в действие компрессора воздуха для горения регенератора во время пуска установки для каталитического крекинга с псевдоожиженным слоем до тех пор, пока дымовых газов сгорания не будет достаточно для выполнения этой задачи.

Затем расширенный дымовой газ проходит через парогенерирующую установку. котел (именуемый Котел CO), где окись углерода в дымовых газах сжигается в качестве топлива для получения пара для использования на нефтеперерабатывающем заводе.[14]

Дымовой газ из котла CO перерабатывается через электрофильтр (ESP) для удаления остатков твердые частицы. ESP удаляет частицы размером от 2 до 20. микрометры из дымовых газов.[14]

История

Возможное использование расширительной машины для изоэнтропического создания низких температур было предложено Карл Вильгельм Сименс (Цикл Сименса), а Немецкий инженером в 1857 году. Примерно три десятилетия спустя, в 1885 году, Эрнест Солвей из Бельгия пытался использовать поршневой детандер, но не смог достичь температуры ниже -98 ° C из-за проблем со смазкой машины при таких температурах.[2]

В 1902 г. Жорж Клод, а Французский инженер, успешно применил поршневую расширительную машину для сжижения воздуха. В качестве уплотнения поршня он использовал обезжиренную обожженную кожу без какой-либо смазки. При давлении воздуха всего 40 бар (4 МПа) Клод достиг почти изоэнтропического расширения, что привело к более низкой температуре, чем это было возможно раньше.[2]

Первые турбодетандеры, похоже, были разработаны примерно в 1934 или 1935 году Гвидо Церковицем, итальянским инженером, работавшим на немецкую фирму Linde AG.[15][16]

В 1939 г. русский физик Петр Капица усовершенствовал конструкцию центробежных турбодетандеров. Его первый практический прототип был сделан из Монель из металла, имел внешний диаметр всего 8 см (3,1 дюйма), работал со скоростью 40 000 оборотов в минуту и ​​расширял 1000 кубических метров воздуха в час. Он использовал водяной насос в качестве тормоза и имел КПД 79–83%.[2][16] Большинство турбодетандеров, используемых с тех пор в промышленности, были основаны на конструкции Капицы, а центробежные турбодетандеры взяли на себя почти 100% промышленных требований к сжижению газа и низкотемпературным технологическим процессам.[2][16] Наличие жидкости кислород произвела революцию в производстве стали, используя кислородное производство стали процесс.

В 1978 году Петр Капица был удостоен Нобелевской премии по физике за свои работы в области физики низких температур.[17]

В 1983 году компания San Diego Gas and Electric одной из первых установила турбодетандер на станции слива природного газа для восстановление энергии.[18]

Типы

Турбодетандеры можно классифицировать по нагружающему устройству или подшипникам.

В турбодетандерах используются три основных загрузочных устройства: центробежные компрессоры, электрические генераторы или гидравлические тормоза. В центробежных компрессорах и электрических генераторах мощность на валу турбодетандера компенсируется либо для повторного сжатия технологического газа, либо для выработки электроэнергии, что снижает счета за коммунальные услуги.

Гидравлические тормоза используются, когда турбодетандер очень мал и использование мощности на валу экономически нецелесообразно.

Используемые подшипники представляют собой масляные подшипники или магнитные подшипники.

Также стоит отметить новый Квазитурбина технологии [19], которая представляет собой тип роторной турбины прямого вытеснения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хайнц Блох и Клэр Соарес (2001). Турбодетандеры и технологические приложения. Gulf Professional Publishing. ISBN 0-88415-509-9.
  2. ^ а б c d е Фрэнк Г. Керри (2007). Справочник по промышленному газу: разделение и очистка газов. CRC Press. ISBN 0-8493-9005-2.
  3. ^ Томас Флинн (2004). Криогенная инженерия (Второе изд.). CRC Press. ISBN 0-8247-5367-4.
  4. ^ Деметанзер.
  5. ^ Публикация BOC (NZ): используйте функцию поиска по ключевому слову «расширение».
  6. ^ Программа по водороду Министерства энергетики США.
  7. ^ Газовые процессы 2002, Hydrocarbon Processing, страницы 83–84, май 2002 г. (блок-схемы и описания процессов добычи NGL-Pro и NGL).
  8. ^ Схема технологического процесса NW Hutton 1987
  9. ^ Технология ORC для утилизации отработанного тепла
  10. ^ Комплексный проект цикла Ренкина.
  11. ^ Турбогенератор цикла Ренкина в Альтхайме, Австрия.
  12. ^ а б Холодильный аппарат с турбодетандером, Европейский патент EP 0 676 600 B1, 6 сентября 2000 г., Joost J. Brasz, Carrier Corporation EP 0 676 600 B1 (этот сайт требует регистрации).
  13. ^ Алекс К. Хоффнаб и Льюис Э. Стейн (2002). Газовые циклоны и вихревые трубы: принципы, конструкция и работа (1-е изд.). Springer. ISBN 3-540-43326-0.
  14. ^ а б c Реза Садегбейги (2000). Справочник по каталитическому крекингу (2-е изд.). Издательство Gulf Publishing. ISBN 0-88415-289-8.
  15. ^ Турбина для низкотемпературной сепарации газов, Патент США 2165994, июль 1939 г. (продолжение заявки в марте 1934 г.), Гвидо Церковиц, Linde AG Патент США US2165994 (этот сайт требует регистрации).
  16. ^ а б c Эббе Альмквист (2002). История промышленных газов (Первое изд.). Springer. п. 165. ISBN 0-306-47277-5.
  17. ^ Петр Капица, Нобелевская премия по физике 1978 г..
  18. ^ Турбодетандеры: использование скрытого потенциала нашей системы распределения природного газа.
  19. ^ Квазитурбинный детандер: использование механической энергии из системы сжатого газа и пара.

внешняя ссылка