Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Принципиальная схема турбодетандера, приводящего в движение компрессор

Турбодетандер , также упоминается как турбодетандера или расширительной турбины , является центробежный или осевой турбины , через которую высокого давления газа расширяется для получения работы , который часто используется для приведения в действие компрессора или генератора . [1] [2] [3]

Поскольку работа извлекается из расширяющегося газа высокого давления, расширение аппроксимируется изоэнтропическим процессом (т. Е. Процессом с постоянной энтропией ), а выхлопной газ низкого давления из турбины имеет очень низкую температуру , -150 ° C или меньше, в зависимости от рабочего давления и свойств газа. Частичное сжижение расширенного газа не редкость.

Турбодетандеры широко используются в качестве источников охлаждения в промышленных процессах , такие как извлечение этана и природный газ жидкостей (газоконденсат) из природного газа , [4] сжижение газов (такие как кислород , азот , гелий , аргон и криптон ) [ 5] [6] и другие низкотемпературные процессы.

В настоящее время эксплуатируемые турбодетандеры имеют мощность от примерно 750 Вт до примерно 7,5 МВт (от 1 л.с. до примерно 10 000 л.с.).

Приложения [ править ]

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 [ править ]

Принципиальная схема деметанизатора для извлечения жидких углеводородов из природного газа

Неочищенный природный газ состоит в основном из метана (CH 4 ), самой короткой и легкой молекулы углеводорода , а также различных количеств более тяжелых углеводородных газов, таких как этан (C 2 H 6 ), пропан (C 3 H 8 ), нормальный бутан ( n - C 4 H 10 ), изобутан ( i -C 4 H 10 ), пентаны и даже углеводороды с более высокой молекулярной массой . Неочищенный газ также содержит различное количество кислых газов.такие как диоксид углерода (CO 2 ), сероводород (H 2 S) и меркаптаны, такие как метантиол (CH 3 SH) и этантиол (C 2 H 5 SH).

При переработке в готовые побочные продукты (см. Переработка природного газа ) эти более тяжелые углеводороды вместе именуются ШФЛУ (сжиженный природный газ). Для извлечения ШФЛУ часто используется турбодетандер [7] и низкотемпературная ректификационная колонна (называемая деметанизатором ), как показано на рисунке. Входящий в деметанизатор газ сначала охлаждается примерно до -51 ° C в теплообменнике (называемом холодным ящиком ), который частично конденсирует входящий газ. Полученная газожидкостная смесь затем разделяется на поток газа и поток жидкости.

Поток жидкости из газожидкостного сепаратора проходит через клапан и подвергается дроссельному расширению от абсолютного давления 62 бар до 21 бар (от 6,2 до 2,1 МПа), что является изэнтальпийным процессом (т. Е. Процессом 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 он подвергается изэнтропическому расширению с абсолютного давления 62 бар до 21 бар (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 использования в качестве флегмы при перегонке .

Жидкость из верхней тарелки деметанизатора (примерно при -90 ° C) направляется через холодильный шкаф, где она нагревается примерно до 0 ° C по мере охлаждения входящего газа, а затем возвращается в нижнюю часть деметанизатора. . Другой поток жидкости из нижней секции деметанизатора (примерно при 2 ° C) направляется через холодильный шкаф и возвращается в деметанизатор при температуре примерно 12 ° C. Фактически, входящий газ обеспечивает тепло, необходимое для «повторного кипения» нижней части деметанизатора, а турбодетандер отводит тепло, необходимое для обеспечения обратного потока 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 по трубопроводам . Он проходит через холодильный шкаф, где нагревается по мере охлаждения поступающего газа. Затем он сжимается в газовом компрессоре, приводимом в действие турбодетандером, и далее сжимается в газовом компрессоре второй ступени, приводимом в действие электродвигателем, 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

Производство электроэнергии [ править ]

Принципиальная схема системы выработки электроэнергии с использованием турбодетандера

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

  • геотермальная горячая вода,
  • выхлопные газы двигателей внутреннего сгорания, работающих на различных видах топлива ( природный газ , свалочный газ , дизельное топливо или мазут ),
  • различные источники отработанного тепла (в виде газа или жидкости).

Циркулирующая рабочая жидкость (обычно органическое соединение, такое как R-134a) нагнетается до высокого давления и затем испаряется в испарителе за счет теплообмена с доступным источником 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, показанная на рисунке, реализует цикл Ренкина, который используется на электростанциях , работающих на ископаемом топливе , где вода является рабочей жидкостью, а источником тепла является сжигание природного газа, мазута или угля, используемых для генерации пара высокого давления. . Затем пар высокого давления подвергается изэнтропическому расширению в обычной паровой турбине . Затем отработавший пар паровой турбины конденсируется в жидкую воду, которая затем перекачивается обратно в парогенератор для завершения цикла.

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

Система охлаждения [ править ]

Принципиальная схема холодильной системы с турбодетандером, компрессором и двигателем

В системе охлаждения используются компрессор, турбодетандер и электродвигатель.

В зависимости от условий эксплуатации турбодетандер снижает нагрузку на электродвигатель на 6–15% по сравнению с традиционной парокомпрессионной системой охлаждения , в которой вместо турбодетандера используется дроссельный расширительный клапан. [12] В принципе, это можно рассматривать как форму турбо-компаундирования .

В системе используется хладагент под высоким давлением (т.е. хладагент с низкой нормальной температурой кипения ), такой как: [12]

  • хлордифторметан (CHClF 2 ), известный как R-22, с нормальной температурой кипения -47 ° C;
  • 1,1,1,2-тетрафторэтан (C 2 H 2 F 4 ), известный как R-134a, с нормальной температурой кипения -26 ° C.

Как показано на рисунке, пар хладагента сжимается до более высокого давления, что также приводит к более высокой температуре. Затем горячий сжатый пар конденсируется в жидкость. Конденсатора , где тепло исключен из циркулирующего хладагента и уносится независимо охлаждающей среды используется 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.

Восстановление мощности в установке жидкостного каталитического крекинга [ править ]

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

Сгорания дымовых газов из регенератора катализатора в виде жидкого каталитического крекинга проводят при температуре от около 715 ° С и при давлении около 2,4 бар (240 кПа избыточное давление). Его газообразные компоненты - это в основном оксид углерода (CO), диоксид углерода (CO 2 ) и азот (N 2 ). Хотя дымовой газ прошел две ступени циклонов (расположенных внутри регенератора) для удаления унесенных мелкодисперсных частиц катализатора, он все еще содержит некоторое количество остаточных мелких частиц катализатора.

На рисунке показано, как энергия восстанавливается и используется при пропускании дымовых газов регенератора через турбодетандер. После того, как дымовой газ выходит из регенератора, он проходит через вторичный сепаратор катализатора, содержащий вихревые трубы, предназначенные для удаления 70–90% остаточной мелочи катализатора. [13] Это необходимо для предотвращения эрозионного повреждения турбодетандера.

Как показано на рисунке, расширение дымового газа через турбодетандер обеспечивает достаточную мощность для приведения в действие компрессора воздуха для горения регенератора. Электрический мотор-генератор в системе питания восстановления может потреблять или производить электрическую энергию. Если расширение дымовых газов не обеспечивает достаточной мощности для привода воздушного компрессора, электродвигатель-генератор обеспечивает необходимую дополнительную мощность. Если расширение дымовых газов обеспечивает большую мощность, чем необходимо для привода воздушного компрессора, то электродвигатель-генератор преобразует избыточную мощность в электроэнергию и передает ее в электрическую систему нефтеперерабатывающего завода. [14] 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 направляется через парогенерирующий котел (называемый CO-бойлером ), где монооксид углерода в дымовом газе сжигается в качестве топлива для получения пара для использования на нефтеперерабатывающем заводе. [14]

Дымовой газ из котла, работающего на углекислом газе, обрабатывается электрофильтром (ESP) для удаления остаточных твердых частиц . ESP удаляет частицы размером от 2 до 20 микрометров из дымовых газов. [14]

История [ править ]

Возможное использование расширительной машины для изоэнтропического создания низких температур было предложено Карлом Вильгельмом Сименсом ( цикл Сименса ), немецким инженером в 1857 году. Примерно через три десятилетия, в 1885 году, Эрнест Сольвей из Бельгии попытался использовать поршневой расширитель, но не мог достичь температуры ниже -98 ° C из-за проблем со смазкой машины при таких температурах. [2]

В 1902 году Жорж Клод , французский инженер, успешно использовал машину расширения возвратно - поступательное движение для разжижения воздуха. Он использовал обезжиренную обожженную кожаную набивку в качестве поршневого уплотнения 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 в немецкой фирме Linde AG . [15] [16]

В 1939 году русский физик Петр Капица усовершенствовал конструкцию центробежных турбодетандеров. Его первый практический прототип был изготовлен из металла Monel , имел внешний диаметр всего 8 см (3,1 дюйма), работал со скоростью 40 000 оборотов в минуту и ​​увеличивал объем воздуха на 1000 кубических метров в час. Он использовал водяной насос в качестве тормоза и имел КПД 79–83%. [2] [16] Большинство турбодетандеров, используемых в промышленности с тех пор, были основаны на конструкции Капицы, а центробежные турбодетандеры взяли на себя почти 100% промышленных требований по сжижению газа и низкотемпературным процессам. [2] [16] Доступность жидкого кислородапроизвел революцию в производстве стали, используя кислородно-кислородный процесс производства стали .

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 рекуперации энергии . [18]

Типы [ править ]

Турбодетандеры можно классифицировать по нагружающему устройству или подшипникам.

В турбодетандерах используются три основных нагружающих 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 или магнитные подшипники .

Следует также отметить новую технологию квазитурбины [19], которая представляет собой тип роторной турбины прямого вытеснения.

См. Также [ править ]

  • Разделение воздуха
  • Сухое газовое уплотнение
  • Мгновенное испарение
  • Газовый компрессор
  • Эффект Джоуля-Томсона
  • Сжижение газов
  • Цикл Ренкина
  • Паровая турбина
  • Парокомпрессионное охлаждение
  • Водородный турбодетандер-генератор

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хайнц Блох и Клэр Соарес (2001). Турбодетандеры и технологические приложения . Издательство Gulf Professional Publishing. ISBN 0-88415-509-9.
  2. ^ а б в г д 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 для ключевого слова «расширение».
  6. ^ Программа по водороду Министерства энергетики США .
  7. ↑ Gas Processes 2002 , Hydrocarbon Processing, страницы 83–84, май 2002 г. (схематические блок-схемы и описания процессов добычи NGL-Pro и NGL).
  8. ^ Схема технологического процесса NW Hutton 1987
  9. ^ Технология ORC для систем утилизации отработанного тепла
  10. ^ Интегрированный проект цикла Ренкина .
  11. ^ Ренкина цикл турбогенератора в Altheim, Австрия .
  12. ^ a b 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 веб-сайт требует регистрации).
  13. ^ Alex C. Hoffnab и Льюис Е. Штейна (2002). Газовые циклоны и вихревые трубы: принципы, конструкция и работа (1-е изд.). Springer. ISBN 3-540-43326-0.
  14. ^ a b c Реза Садегбейги (2000). Справочник по каталитическому крекингу (2-е изд.). Издательство "Галф". ISBN 0-88415-289-8.
  15. ^ Турбина для низкотемпературного разделения газов , Патент США 2165994, июль 1939 г. (продолжение заявки в марте 1934 г.), Гвидо Церковиц, Патент США US2165994 Linde AG(этот веб-сайт требует регистрации).
  16. ^ а б в Эббе Альмквист (2002). История промышленных газов (Первое изд.). Springer. п. 165. ISBN 0-306-47277-5.
  17. ^ Капица, Нобелевская премия по физике 1978 года .
  18. ^ Турбодетандеры: использование скрытого потенциала нашей системы распределения природного газа .
  19. ^ Квазитурбинный детандер: использование механической энергии от сжатого газа и паровой системы .

Внешние ссылки [ править ]

  • Использование расширительных турбин на станциях понижения давления природного газа
  • Симпозиумы по турбомашинному оборудованию и насосам Turbo Lab