Турбодетандер , также называемый турбодетандером или турбиной расширения , представляет собой центробежную или осевую турбину , в которой газ высокого давления расширяется для производства работы, которая часто используется для привода 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 ниже, в зависимости от рабочего давления и свойств газа. Частичное сжижение расширяющегося газа не является редкостью.
Турбодетандеры широко используются в качестве источников охлаждения в промышленных процессах, таких как извлечение этана и газоконденсата (ПГС) из природного газа [4] , сжижение газов (таких как кислород , азот , гелий , аргон и криптон ) [5] [6] и другие низкотемпературные процессы.
Мощность турбодетандеров, находящихся в эксплуатации в настоящее время, варьируется от 750 Вт до 7,5 МВт (от 1 л.с. до 10 000 л.с.).
Хотя турбодетандеры обычно используются в низкотемпературных процессах, они используются во многих других приложениях. В этом разделе обсуждается один из низкотемпературных процессов, а также некоторые другие приложения.
Сырой природный газ состоит в основном из метана (CH 4 ), самой короткой и легкой углеводородной молекулы, 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 . Сырой газ также содержит различные количества кислых газов , таких 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 в совокупности называются NGL (газовые жидкости). Извлечение NGL часто включает турбодетандер [7] и низкотемпературную ректификационную колонну (называемую деметанизатором ), как показано на рисунке. Входной газ в деметанизатор сначала охлаждается примерно до -51 °C в теплообменнике ( называемым холодным ящиком ), который частично конденсирует входной газ. Затем полученная газожидкостная смесь разделяется на поток газа и поток жидкости.
Поток жидкости из газожидкостного сепаратора протекает через клапан и подвергается дросселирующему расширению от абсолютного давления 62 бар до 21 бар (от 6,2 до 2,1 МПа), что является изоэнтальпийным процессом (т. е. процессом с постоянной энтальпией), который приводит к снижению температуры потока с примерно -51 °C до примерно -81 °C при поступлении потока в деметанизатор.
Поток газа из газожидкостного сепаратора поступает в турбодетандер, где он подвергается изоэнтропическому расширению от абсолютного давления 62 бар до 21 бар (от 6,2 до 2,1 МПа), что снижает температуру потока газа с примерно -51 °C до примерно -91 °C, когда он поступает в деметанизатор, где служит в качестве орошения дистилляции .
Жидкость из верхней тарелки деметанизатора (при температуре около −90 °C) направляется через холодный ящик, где она нагревается примерно до 0 °C, охлаждая входящий газ, а затем возвращается в нижнюю часть деметанизатора. Другой поток жидкости из нижней части деметанизатора (при температуре около 2 °C) направляется через холодный ящик и возвращается в деметанизатор при температуре около 12 °C. По сути, входящий газ обеспечивает тепло, необходимое для «повторного кипения» нижней части деметанизатора, а турбодетандер отводит тепло, необходимое для обеспечения орошения в верхней части деметанизатора.
Верхний газовый продукт из деметанизатора при температуре около −90 °C представляет собой обработанный природный газ, который имеет подходящее качество для распределения конечным потребителям по трубопроводу . Он направляется через холодный ящик, где он нагревается, охлаждая входящий газ. 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.
Кубовый продукт из деметанизатора также подогревается в холодильной камере, поскольку он охлаждает входящий газ, прежде чем он покинет систему в виде СПГ.
Условия эксплуатации турбодетандера/рекомпрессора для кондиционирования морского газа следующие: [8]
На рисунке изображена система выработки электроэнергии, которая использует источник тепла, охлаждающую среду (воздух, воду или др.), циркулирующую рабочую жидкость и турбодетандер. Система может вмещать широкий спектр источников тепла, таких как:
Циркулирующая рабочая жидкость (обычно органическое соединение, такое как R-134a) закачивается под высоким давлением, а затем испаряется в испарителе за счет теплообмена с имеющимся источником тепла. Полученный пар высокого давления поступает в турбодетандер, где он подвергается изоэнтропическому расширению и выходит в виде парожидкостной смеси, которая затем конденсируется в жидкость за счет теплообмена с имеющимся охлаждающим агентом. Конденсированная жидкость закачивается обратно в испаритель для завершения цикла.
Система на рисунке реализует цикл Ренкина , как он 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 изоэнтропическому расширению в обычной паровой турбине . Затем отработавший пар паровой турбины конденсируется в жидкую воду, которая затем закачивается обратно в парогенератор для завершения цикла.
Когда в цикле Ренкина используется органическая рабочая жидкость, такая как R-134a, цикл иногда называют органическим циклом Ренкина (ORC). [9] [10] [11]
Холодильная система использует компрессор, турбодетандер и электродвигатель.
В зависимости от условий эксплуатации турбодетандер снижает нагрузку на электродвигатель на 6–15% по сравнению с обычной парокомпрессионной холодильной системой, в которой вместо турбодетандера используется дроссельный расширительный клапан. [12] По сути, это можно рассматривать как форму турбокомпаундирования .
В системе используется хладагент высокого давления (т.е. с низкой нормальной температурой кипения ), такой как: [12]
Как показано на рисунке, пар хладагента сжимается до более высокого давления, что приводит к более высокой температуре. Горячий сжатый пар затем конденсируется в жидкость. Конденсатор — это место, где тепло вытесняется из циркулирующего хладагента и уносится любой охлаждающей средой, используемой в конденсаторе (воздух, вода и т. д.).
Жидкий хладагент протекает через турбодетандер, где он испаряется, а пар подвергается изоэнтропическому расширению, что приводит к образованию низкотемпературной смеси пара и жидкости. Затем парожидкостная смесь направляется через испаритель, где она испаряется за счет тепла, поглощаемого из охлаждаемого пространства. Испаренный хладагент поступает на вход компрессора, чтобы завершить цикл.
В случае, когда рабочая жидкость остается в теплообменниках в газообразном состоянии, не претерпевая фазовых переходов, этот цикл также называют обратным циклом Брайтона или «холодильным циклом Брайтона».
Дымовой газ сгорания из регенератора катализатора флюидного каталитического крекинга имеет температуру около 715 °C и давление около 2,4 бар изб . (240 кПа манометрическое). Его газообразные компоненты в основном представляют собой оксид углерода (CO), диоксид углерода (CO2 ) и азот (N2 ) . Хотя дымовой газ прошел через две ступени циклонов (расположенных внутри регенератора) для удаления унесенных мелких частиц катализатора, он все еще содержит некоторое количество остаточных мелких частиц катализатора.
На рисунке показано, как энергия восстанавливается и используется путем направления дымового газа регенератора через турбодетандер. После того, как дымовой газ выходит из регенератора, он направляется через вторичный сепаратор катализатора, содержащий вихревые трубы , предназначенные для удаления 70–90% остаточных частиц 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 сгорания регенератора. Электродвигатель -генератор в системе рекуперации энергии может потреблять или вырабатывать электроэнергию. Если расширение дымового газа не обеспечивает достаточной мощности для приведения в действие воздушного компрессора, электродвигатель-генератор обеспечивает необходимую дополнительную мощность. Если расширение дымового газа обеспечивает больше мощности, чем необходимо для приведения в действие воздушного компрессора, то электродвигатель-генератор преобразует избыточную мощность в электроэнергию и экспортирует ее в электрическую систему нефтеперерабатывающего завода. [14] Паровая турбина используется для приведения в действие компрессора воздуха сгорания регенератора во время пусков установки каталитического крекинга до тех пор, пока не будет достаточно дымового газа сгорания, чтобы взять на себя эту задачу.
Затем расширенный дымовой газ направляется через парогенераторный котел (называемый CO-котлом ), где оксид углерода в дымовом газе сжигается в качестве топлива для получения пара для использования на нефтеперерабатывающем заводе. [14]
Дымовой газ из котла CO обрабатывается электростатическим осадителем (ESP) для удаления остаточных твердых частиц . ESP удаляет из дымового газа частицы размером от 2 до 20 микрометров . [14]
Возможность использования расширительной машины для изоэнтропического создания низких температур была предложена немецким инженером Карлом Вильгельмом Сименсом ( цикл Сименса ) в 1857 году. Примерно три десятилетия спустя, в 1885 году, Эрнест Сольвей из Бельгии попытался использовать возвратно-поступательную расширительную машину, но не смог достичь температур ниже −98 °C из-за проблем со смазкой машины при таких температурах. [2]
В 1902 году французский инженер Жорж Клод успешно использовал возвратно-поступательную машину расширения для сжижения воздуха. Он использовал обезжиренную, обожженную кожаную набивку в качестве поршневого уплотнения без какой-либо смазки. При давлении воздуха всего 40 бар (4 МПа) Клод добился почти изоэнтропического расширения, что привело к более низкой температуре, чем было возможно ранее. [2]
Первые турбодетандеры, по-видимому, 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 Пётр Капица усовершенствовал конструкцию центробежных турбодетандеров. Его первый практический прототип был изготовлен из монель -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 эффективность 79–83%. [2] [16] Большинство турбодетандеров, используемых в промышленности с тех пор, были основаны на конструкции Капицы, и центробежные турбодетандеры взяли на себя почти 100% промышленных требований к сжижению газа и низкотемпературным процессам. [2] [16] Доступность жидкого кислорода произвела революцию в производстве стали с использованием кислородно-конвертерного процесса 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 была одной из первых, кто установил турбодетандер на станции сброса природного газа для рекуперации энергии . [18]
Турбодетандеры можно классифицировать по нагрузочному устройству или подшипникам.
Три основных нагрузочных устройства, используемых в турбодетандерах, — это центробежные компрессоры , электрогенераторы или гидравлические тормоза. С центробежными компрессорами и электрогенераторами мощность вала турбодетандера рекуперируется либо для повторного сжатия технологического газа, либо для выработки электроэнергии, что снижает счета за коммунальные услуги.
Гидравлические тормоза применяются в тех случаях, когда турбодетандер очень мал и использование мощности на валу экономически нецелесообразно.
В качестве подшипников используются либо масляные, либо магнитные подшипники .