Turboekspander - Turboexpander

Kompressorni boshqaradigan turboekspanderning sxematik diagrammasi

A turboekspander, shuningdek, a deb nomlanadi turbo-ekspander yoki an kengaytirish turbinasi, markazlashtiruvchi yoki eksenel oqimdir turbin, bu orqali yuqoribosim gaz tez-tez haydash uchun ishlatiladigan ishlarni ishlab chiqarish uchun kengaytirilgan kompressor yoki generator.[1][2][3]

Ish kengayib borayotgan yuqori bosimli gazdan olinadiganligi sababli, kengayish an ga yaqinlashadi izentropik jarayon (ya'ni doimiy -entropiya jarayon) va past bosimli chiqindi gaz turbinadan juda past harorat, Ish bosimi va gaz xususiyatlariga qarab −150 ° C yoki undan past. Kengaytirilgan gazni qisman suyultirish odatiy hol emas.

Turboekspanderlardan manbalar sifatida keng foydalaniladi sovutish qazib olish kabi sanoat jarayonlarida etan va tabiiy gazli suyuqliklar (NGL) dan tabiiy gaz,[4] The gazlarni suyultirish (kabi kislorod, azot, geliy, argon va kripton )[5][6] va boshqa past haroratli jarayonlar.

Hozirda ishlayotgan turboekspanderlar hajmi 750 ga yaqin V taxminan 7,5 MVtgacha (1 HP 10 000 ot kuchiga qadar).

Ilovalar

Turboekspanderlar odatda past haroratli jarayonlarda qo'llanilishiga qaramay, ular boshqa ko'plab dasturlarda qo'llaniladi. Ushbu bo'limda past haroratli jarayonlardan biri va boshqa ba'zi bir ilovalar muhokama qilinadi.

Tabiiy gazdan uglevodorodli suyuqliklarni olish

Tabiiy gazdan uglevodorodli suyuqliklarni chiqaradigan demetanizatorning sxematik diagrammasi

Xom tabiiy gaz asosan metandan (CH) iborat4), eng qisqa va engil uglevodorod kabi og'irroq uglevodorod gazlarining har xil miqdori bilan birga molekula etan (C2H6), propan (C3H8), oddiy butan (n-C4H10), izobutan (men-C4H10), pentanlar va undan ham yuqorimolekulyar massa uglevodorodlar. Xom gaz tarkibida har xil miqdorda kislota gazlari kabi karbonat angidrid (CO2), vodorod sulfidi (H2S) va merkaptanlar kabi metetiyol (CH3SH) va etetiol (C2H5SH).

Tayyor yon mahsulotlarga qayta ishlanganda (qarang Tabiiy gazni qayta ishlash ), og'irroq uglevodorodlar birgalikda NGL (tabiiy gazli suyuqliklar) deb nomlanadi. NGL qazib olish ko'pincha turboekspanderni o'z ichiga oladi[7] va past harorat distillash ustuni (a deb nomlangan demetanizator) rasmda ko'rsatilganidek. Demetanizatorga kirish gazi avval a -51 ° C gacha sovutiladi issiqlik almashinuvchisi (a deb nomlanadi sovuq quti), bu qisman quyuqlashadi kirish gazi. Natijada paydo bo'lgan gaz-suyuqlik aralashmasi gaz oqimi va suyuqlik oqimiga bo'linadi.

Dan suyuqlik oqimi gaz-suyuqlik ajratuvchi klapan orqali oqadi va a o'tadi qisqartirishni kengaytirish mutlaq bosimdan 62 ga teng bar 21 bargacha (6,2 dan 2,1 MPa gacha), bu an isentalpik oqim demetanizatorga kirganda oqimning harorati -51 ° C dan -81 ° C gacha pasayishiga olib keladigan jarayon (ya'ni doimiy entalpi jarayon).

Gaz-suyuqlik ajratgichidan chiqadigan gaz oqimi turbo ekspanderga kiradi va u erda an izentropik mutlaq bosimdan kengayish 62 ga teng bar 21 bargacha (6,2 dan 2,1 MPa gacha), bu distillash sifatida xizmat qilish uchun demetanizatorga kirganda gaz oqimining haroratini -51 ° C dan -91 ° C gacha pasaytiradi. qayta oqim.

Yuqoridan suyuqlik laganda demetanizator (taxminan -90 ° C da) sovuq quti orqali o'tkaziladi, u erda u kirish gazini sovutganda 0 ° C ga qadar isitiladi va keyin demetanizatorning pastki qismiga qaytariladi. Demetanizatorning pastki qismidan yana bir suyuqlik oqimi (taxminan 2 ° C da) sovuq quti orqali o'tadi va demetanizatorga taxminan 12 ° C da qaytariladi. Aslida, kirish gazi issiqlik demetanizatorning pastki qismini "qayta tiklash" uchun talab qilinadi va turboekspander demetanizatorning yuqori qismida qayta oqim bilan ta'minlash uchun zarur bo'lgan issiqlikni olib tashlaydi.

Demetanizatordan taxminan -90 ° C darajadagi yuqori gaz mahsuloti qayta ishlangan tabiiy gaz bo'lib, oxirgi iste'molchilarga tarqatish uchun mos sifatga ega. quvur liniyasi. U sovuq quti orqali yo'naltiriladi, u erda u kirish gazini sovutganda isitiladi. Keyin u turboekspander boshqaradigan gaz kompressorida siqiladi va undan keyin ikkinchi darajali gaz kompressorida siqiladi elektr motor tarqatish quvur liniyasiga kirishdan oldin.

Demetanizatordan pastki mahsulot sovuq qutida ham isitiladi, chunki u tizimni NGL sifatida tark etishdan oldin, kirish gazini sovitadi.

Dengizdagi gaz konditsioner turbo-kengaytirgich / rekompressorning ishlash shartlari quyidagicha[8]:

Turbo-kengaytiruvchiRekompressor
Kirish joyiChiqish joyiKirish joyiChiqish joyi
Harorat ° C11.0–13.022.040.0
Bosim barglari75.039.3138.6247.24
Oqim kg / soat2772820658
Molekulyar og'irlik22.0820.74
Energiya tiklandi / ishlatilgan kVt345345

Elektr energiyasini ishlab chiqarish

Turboekspander yordamida elektr energiyasini ishlab chiqarish tizimining sxematik diagrammasi

Rasmda issiqlik manbai, sovutish vositasi (havo, suv yoki boshqa), aylanma ishlaydigan suyuqlik va turboekspander ishlatadigan elektr energiyasini ishlab chiqarish tizimi tasvirlangan. Tizim turli xil issiqlik manbalarini o'z ichiga olishi mumkin:

Aylanma ishlaydigan suyuqlik (odatda an organik birikma masalan, R-134a) yuqori bosimgacha pompalanadi va keyin evaparatorda bug'lanadi issiqlik almashinuvi mavjud issiqlik manbai bilan. Olingan yuqori bosimli bug 'turboekspanderga oqadi, u erda u izentropik kengayishga uchraydi va bug' -suyuq aralashma sifatida chiqadi va u mavjud bo'lgan sovutish muhiti bilan issiqlik almashinuvi orqali suyuqlikka quyiladi. Kondensatsiyalangan suyuqlik tsiklni yakunlash uchun yana evaporatatorga pompalanadi.

Rasmdagi tizim a Rankin tsikli ishlatilganidek qazilma yoqilg'i bilan ishlaydigan elektr stantsiyalari, bu erda suv ishlaydigan suyuqlik va issiqlik manbai yonish tabiiy gaz, mazut yoki ko'mir yuqori bosimli bug 'hosil qilish uchun ishlatiladi. Keyinchalik yuqori bosimli bug 'an'anaviy ravishda izentropik kengayishga uchraydi bug 'turbinasi. Bug 'turbinasidan chiqadigan bug' suyuq suvga quyultirilib, keyin aylanish jarayonini yakunlash uchun bug 'generatoriga qaytariladi.

Rankine siklida R-134a kabi organik ishchi suyuqlikdan foydalanilganda, tsikl ba'zan an deb nomlanadi organik Rankin sikli (ORC).[9][10][11]

Sovutish tizimi

Turboekspander, kompressor va dvigatel yordamida sovutish tizimining sxematik diagrammasi

Sovutish tizimi kompressor, turboekspander va elektr motoridan foydalanadi.

Ish sharoitlariga qarab, turbo ekspander elektr motoridagi yukni an'anaviyga nisbatan 6-15% kamaytiradi bug 'siqishni bilan sovutish ishlatadigan tizim qisqartirishni kengaytirish turbo ekspander o'rniga valf.[12] Asosan, bu shakl sifatida qaralishi mumkin turbo aralashmasi.

Tizim yuqori bosimli sovutgichni ishlatadi (ya'ni pastroq bo'lgan) normal qaynash harorati ) kabi:[12]

Rasmda ko'rsatilgandek, sovutgich bug'i yuqori bosimga siqilib, natijada harorat ko'tariladi. Issiq, siqilgan bug 'keyin bo'ladi quyultirilgan suyuqlikka aylanadi. The kondensator bu erda aylanma sovutgichdan issiqlik chiqariladi va kondensatorda ishlatiladigan har qanday sovutish vositasi (havo, suv va hk) tashiydi.

Sovutgich suyuqligi turboekspander orqali oqadi, u erda u bug'lanadi va bug 'izentropik kengayishga uchraydi, buning natijasida past haroratli bug' va suyuqlik aralashmasi hosil bo'ladi. Keyin bug '-suyuqlik aralashmasi evaporatator orqali o'tkaziladi, u erda sovutilgan bo'shliqdan so'rilgan issiqlik bilan bug'lanadi. Bug'langan sovutgich tsiklni yakunlash uchun kompressor kirish qismiga oqadi.

Suyuq katalitik krakerda quvvatni tiklash

Suyuq katalitik yorilish bo'linmasida quvvatni tiklash tizimining sxematik diagrammasi

The yonish chiqindi gaz a katalizator regeneratoridan suyuq katalitik kraker taxminan 715 ° C haroratda va taxminan 2,4 bosimda barg (240 kPa o'lchagich). Uning gazsimon tarkibiy qismlari asosan uglerod oksidi (CO), karbonat angidrid (CO2) va azot (N2). Baca gazi ikki bosqichdan o'tgan bo'lsa-da tsiklonlar Katalizator jarimalarini olib tashlash uchun (regenerator ichida joylashgan), unda hali ham qoldiq katalizator jarimalari mavjud.

Rasmda regenerator chiqindi gazini turbo ekspander orqali yo'naltirish orqali qanday qilib quvvat olinishi va ishlatilishi tasvirlangan. Tuman gazi regeneratordan chiqqandan so'ng uni o'z ichiga olgan ikkilamchi katalizator ajratuvchi orqali o'tkaziladi burama naychalar qoldiq katalizator jarimalarining 70-90 foizini olib tashlash uchun mo'ljallangan.[13] Bu turboekspanderning eroziya shikastlanishiga yo'l qo'ymaslik uchun talab qilinadi.

Rasmda ko'rsatilgandek, chiqindi gazining turbo ekspander orqali kengayishi regeneratorning yonish havo kompressorini haydash uchun etarli quvvatni ta'minlaydi. Elektr motor generatori quvvatni qayta tiklash tizimida elektr energiyasini iste'mol qilishi yoki ishlab chiqarishi mumkin. Agar chiqindi gazining kengayishi havo kompressorini haydash uchun etarli quvvatni bermasa, elektr motor-generator zarur qo'shimcha quvvatni ta'minlaydi. Agar tutun gazining kengayishi havo kompressorini haydash uchun zarur bo'lganidan ko'proq quvvatni ta'minlasa, u holda elektr motor generatori ortiqcha quvvatni elektr energiyasiga aylantiradi va uni qayta ishlash zavodining elektr tizimiga eksport qiladi.[14] The bug 'turbinasi Suyuq katalitik krakerni ishga tushirish paytida regeneratorning yonish havosi kompressorini ushbu vazifani bajarish uchun etarli yonish chiqadigan gaz mavjud bo'lguncha haydash uchun ishlatiladi.

Keyinchalik kengaytirilgan baca gazi bug 'hosil qilish orqali yo'naltiriladi qozon (a deb nomlanadi CO qozon ), bu erda chiqindi gazidagi uglerod oksidi yoqilg'i sifatida yoqilib, uni qayta ishlash zavodida ishlatish uchun bug 'beradi.[14]

CO qozonidan chiqadigan chiqindi gaz an orqali qayta ishlanadi elektr cho'ktiruvchi (ESP) qoldiqni olib tashlash uchun zarrachalar. ESP 2 dan 20 gacha bo'lgan o'lchamdagi zarrachalarni yo'q qiladi mikrometrlar chiqindi gazidan.[14]

Tarix

Kengaytiruvchi mashinadan izentropik ravishda past harorat yaratish uchun foydalanish mumkinligi taklif qilingan Karl Vilgelm Simens (Siemens tsikli ), a Nemis 1857 yilda muhandis. Taxminan 30 yil o'tgach, 1885 yilda Ernest Solvay of Belgiya pistonli kengaytiruvchi mashinadan foydalanishga urinib ko'rdi, lekin bunday haroratda mashinani moylash bilan bog'liq muammolar tufayli -98 ° C dan past haroratlarga erisha olmadi.[2]

1902 yilda, Jorj Klod, a Frantsuzcha muhandis, havoni suyultirish uchun pistonli kengaytirish mashinasidan muvaffaqiyatli foydalangan. U yog'sizlangan, kuygan charm qadoqni piston muhri sifatida hech qanday moylashsiz ishlatgan. Havo bosimi atigi 40 bar (4 MPa) bo'lgan Klod deyarli izentropik kengayishga erishdi, natijada iloji boricha pastroq harorat paydo bo'ldi.[2]

Birinchi turboekspanderlar 1934 yoki 1935 yillarda Germaniyaning Germaniya firmasida ishlaydigan italiyalik muhandis Gvido Zerkovits tomonidan ishlab chiqarilganga o'xshaydi. Linde AG.[15][16]

1939 yilda Ruscha fizik Pyotr Kapitsa santrifüj turbo ekspanderlarning dizaynini takomillashtirdi. Uning birinchi amaliy prototipi yaratilgan Monel tashqi diametri atigi 8 sm (3,1 dyuym) bo'lgan metall bir daqiqada 40 ming aylanish tezligida ishlagan va soatiga 1000 kub metr havo kengaygan. Tormoz sifatida suv nasosidan foydalanilgan va samaradorligi 79-83% bo'lgan.[2][16] O'sha paytdan beri sanoat foydalanishda bo'lgan turboekspanderlarning aksariyati Kapitsaning dizayni asosida ishlab chiqarilgan va markazdan qochirma turboekspanderlar sanoat gazini deyarli 100% suyultirish va past haroratli jarayon talablarini o'z zimmalariga olgan.[2][16] Suyuqlikning mavjudligi kislorod yordamida po'lat ishlab chiqarishda inqilob qildi asosiy kislorodli po'lat ishlab chiqarish jarayon.

1978 yilda Pyotr Kapitsa past haroratli fizika sohasidagi faoliyati uchun Nobel fizikasi mukofotiga sazovor bo'ldi.[17]

1983 yilda San-Diego Gas and Electric kompaniyasi tabiiy gazni o'chirish stantsiyasida turboekspanderni birinchi bo'lib o'rnatgan. energiyani tiklash.[18]

Turlari

Turboeksandirlarni yuklash moslamasi yoki podshipniklari bo'yicha tasniflash mumkin.

Turboekspanderlarda ishlatiladigan uchta asosiy yuklash moslamalari markazdan qochiradigan kompressorlar, elektr generatorlari yoki gidravlik tormozlar. Santrifüj kompressorlar va elektr generatorlari yordamida turboekspanderdan olinadigan mil quvvati texnologik gazni qayta siqish yoki elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun kommunal to'lovlarni pasaytirish uchun qoplanadi.

Shlangi tormoz tizimlari turbo ekspander juda kichik bo'lganda va mil quvvati yig'ib olinishi iqtisodiy jihatdan oqlanmasa ishlatiladi.

Rulmanlar ishlatiladi yoki yog 'yotoqlari yoki magnit rulmanlar.

Yangisini ham sezish kerak Kvaziturbin texnologiya [19], bu ijobiy siljish aylanadigan turbinaning turi.

Shuningdek qarang

Adabiyotlar

  1. ^ Xaynts Blox va Kler Soares (2001). Turboekspanderlar va ishlov berish dasturlari. Gulf Professional Publishing. ISBN  0-88415-509-9.
  2. ^ a b v d e Frank G. Kerri (2007). Sanoat gazi bo'yicha qo'llanma: gazni ajratish va tozalash. CRC Press. ISBN  0-8493-9005-2.
  3. ^ Tomas Flinn (2004). Kriyogenika muhandisligi (Ikkinchi nashr). CRC Press. ISBN  0-8247-5367-4.
  4. ^ Demetanzer.
  5. ^ BOC (NZ) nashri: "kengaytirish" kalit so'zi uchun qidiruv funktsiyasidan foydalaning.
  6. ^ AQSh Energetika vazirligi vodorod dasturi.
  7. ^ Gaz jarayonlari 2002 yil, Uglevodorodni qayta ishlash, 83-84 betlar, 2002 yil may (sxematik oqim diagrammasi va NGL-Pro va NGL tiklash jarayonlarining tavsiflari).
  8. ^ Jarayon oqim diagrammasi NW Hutton 1987
  9. ^ Issiqlik chiqindilarini ishlatish uchun ORC texnologiyasi
  10. ^ Integrated Rankine Cycle loyihasi.
  11. ^ Altminxemdagi Rankine Cycle Turbogenerator (Avstriya).
  12. ^ a b Kengaytiruvchi turbinali sovutish apparati, Evropa Patenti EP 0 676 600 B1, 2000 yil 6 sentyabr, Joost J. Brasz, Carrier Corporation Rais 0 676 600 B1 (ushbu veb-sayt ro'yxatdan o'tishni talab qiladi).
  13. ^ Alex C. Hoffnab va Lyuis E. Stein (2002). Gaz tsiklonlari va burilish naychalari: printsiplari, dizayni va ishlashi (1-nashr). Springer. ISBN  3-540-43326-0.
  14. ^ a b v Reza Sadeghbeigi (2000). Suyuq katalitik yorilish bo'yicha qo'llanma (2-nashr). Gulf Publishing. ISBN  0-88415-289-8.
  15. ^ Past haroratli gazni ajratish uchun turbin, AQSh Patenti 2,165,994, 1939 yil iyul (Arizaning davomi 1934 yil mart oyida), Gvido Zerkovits, Linde AG Amerika Qo'shma Shtatlari Patenti US2165994 (ushbu veb-sayt ro'yxatdan o'tishni talab qiladi).
  16. ^ a b v Ebbe Almqvist (2002). Sanoat gazlari tarixi (Birinchi nashr). Springer. p. 165. ISBN  0-306-47277-5.
  17. ^ Pyotr Kapitsa, fizika bo'yicha Nobel mukofoti 1978 yil.
  18. ^ Turboekspanderlar: Tabiiy gazni taqsimlash tizimimizning maxfiy potentsialidan foydalanish.
  19. ^ Kvaziturbin kengaytiruvchisi: bosimli gaz va bug 'tizimidan mexanik energiyadan foydalanish.

Tashqi havolalar