Турбодетандер , также называемый турбодетандером или турбодетандером , представляет собой центробежную турбину или турбину с осевым потоком , посредством которой газ под высоким давлением 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 расширенного газа не является редкостью.
Турбодетандеры широко используются в качестве источников охлаждения в промышленных процессах, таких как извлечение этана и газоконденсатных жидкостей (ШФЛУ) из природного газа , [4] сжижение газов (таких как кислород , азот , гелий , аргон и криптон ) [ 5] [6] и другие низкотемпературные процессы.
Используемые в настоящее время турбодетандеры имеют мощность от примерно 750 Вт до примерно 7,5 МВт (от 1 до примерно 10 000 л.с.).
Хотя турбодетандеры обычно используются в низкотемпературных процессах, они используются и 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 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 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 вместе называются ШФЛУ (жидкий природный газ). Для извлечения ШФЛУ часто используются турбодетандер [7] и низкотемпературная дистилляционная колонна (называемая деметанизатором ), как показано на рисунке. Газ, поступающий в деметанизатор, сначала охлаждается примерно до -51 °C в теплообменнике (называемом холодильной камерой ), который частично конденсирует входящий газ. Полученную газожидкостную смесь затем разделяют на поток газа и поток жидкости.
Поток жидкости из газожидкостного сепаратора проходит через клапан и подвергается дросселирующему расширению от абсолютного давления 62 бар до 21 бар (от 6,2 до 2,1 МПа), что представляет собой изоэнтальпический процесс (т. е. процесс с постоянной энтальпией), который приводит к снижению температуры потока примерно от -51°С до примерно -81°С, когда поток поступает в деметанизатор.
Газовый поток 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 газового потока примерно с -51 ° C до примерно - 91 °C при входе в деметанизатор для использования в качестве орошения при перегонке .
Жидкость из верхней тарелки деметанизатора (при температуре около -90 °C) направляется через холодную камеру, где она нагревается примерно до 0 °C по мере охлаждения входящего газа, а затем возвращается в нижнюю секцию деметанизатора. . Другой поток жидкости из нижней секции деметанизатора (при температуре около 2°С) направляется через холодильную камеру и возвращается в деметанизатор при температуре около 12°С. Фактически, входящий газ обеспечивает тепло , необходимое для «повторного вскипания» нижней части деметанизатора, а турбодетандер отводит тепло, необходимое для обеспечения рециркуляции в верхней части деметанизатора.
Продукт верхнего погона из деметанизатора при температуре около -90 °C представляет собой переработанный природный газ, который имеет подходящее качество для распределения конечным потребителям по трубопроводу . Он проходит через холодную камеру, где нагревается при охлаждении входящего газа. Затем он сжимается в газовом компрессоре с приводом от турбодетандера и далее сжимается в газовом компрессоре второй ступени с приводом от электродвигателя перед поступлением в распределительный трубопровод.
Кубовый продукт из деметанизатора также нагревается в холодильной камере, поскольку он охлаждает входящий газ перед тем, как он покинет систему в виде ШФЛУ.
Условия эксплуатации морского турбодетандера/рекомпрессора подготовки газа следующие: [8]
На рисунке изображена система выработки электроэнергии, в которой используются источник тепла, охлаждающая среда (воздух, вода или другое), циркулирующее рабочее тело и турбодетандер. В системе можно использовать самые разнообразные источники тепла, такие как:
Циркулирующая рабочая жидкость (обычно органическое соединение , такое как R-134a) накачивается до высокого давления, а затем испаряется в испарителе за счет теплообмена с доступным источником тепла. Образующийся 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 имеющейся охлаждающей средой. Конденсированная жидкость перекачивается обратно в испаритель для завершения цикла.
Система на рисунке реализует цикл Ренкина , используемый на электростанциях, работающих на ископаемом топливе , где вода является рабочим телом, а источником тепла является сжигание природного газа, мазута или угля, используемого для генерации пара высокого давления. . Затем пар высокого давления подвергается изоэнтропическому расширению в обычной паровой турбине . Выхлопной пар паровой турбины затем 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]
В холодильной системе используются компрессор, турбодетандер и электродвигатель.
В зависимости от условий эксплуатации турбодетандер снижает нагрузку на электродвигатель на 6–15 % по сравнению с традиционной парокомпрессионной холодильной системой, в которой вместо турбодетандера используется дросселирующий расширительный клапан. [12] По сути, это можно рассматривать как разновидность турбокомаундинга .
В системе используется хладагент высокого давления (т.е. с низкой нормальной температурой кипения ), такой как: [12]
Как показано на рисунке, пары хладагента сжимаются до более высокого давления, что также приводит к более высокой температуре. Горячий сжатый пар затем конденсируется в жидкость. В конденсаторе тепло выделяется из циркулирующего хладагента и уносится охлаждающей средой, используемой в конденсаторе (воздух, вода и т. д.).
Жидкий хладагент проходит через турбодетандер, где испаряется, и пар подвергается изоэнтропическому расширению, в результате чего образуется низкотемпературная смесь пара и жидкости. Затем парожидкостная смесь направляется через испаритель, где испаряется за счет тепла, поглощенного из охлаждаемого пространства. Испаренный хладагент поступает на вход компрессора, завершая цикл.
В случае, когда рабочее тело 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 установки жидкостного каталитического крекинга имеет температуру около 715 °C и давление около 2,4 бар изб. (манометрическое 240 кПа). Его газообразными компонентами являются в основном окись углерода (CO), диоксид углерода (CO 2 ) и азот (N 2 ). Хотя дымовой газ прошел две ступени циклонов (расположенных внутри регенератора) для удаления захваченных частиц катализатора, он все еще содержит некоторое количество остаточных частиц катализатора.
На рисунке показано, как энергия восстанавливается и используется путем направления дымовых газов регенератора через турбодетандер. После выхода дымового газа из регенератора он направляется через сепаратор вторичного катализатора, содержащий завихрительные трубы, предназначенные 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 приведения в действие компрессора воздуха для горения регенератора. Электрический двигатель-генератор в системе рекуперации энергии может потреблять или производить электроэнергию. Если расширение дымовых газов не обеспечивает достаточной мощности для привода воздушного компрессора, электродвигатель-генератор обеспечивает необходимую дополнительную мощность. Если расширение дымовых газов обеспечивает больше мощности, чем необходимо для привода 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 для горения регенератора во время запуска установки жидкостного каталитического крекинга до тех пор, пока не будет достаточно дымовых газов сгорания, чтобы взять на себя эту задачу.
Расширенный дымовой газ затем направляется через парогенерирующий котел (называемый котлом CO ), где окись углерода в дымовом газе сжигается в качестве топлива для получения пара для использования на нефтеперерабатывающем заводе. [14]
Дымовой газ из котла CO обрабатывается через электрофильтр (ESP) для удаления остаточных твердых частиц . ESP удаляет из дымовых газов частицы размером от 2 до 20 микрометров . [14]
Возможное использование расширительной машины для изоэнтропического создания низких температур было предложено Карлом Вильгельмом Сименсом ( цикл Сименса ), немецким инженером, в 1857 году. Примерно три десятилетия спустя, в 1885 году, Эрнест Сольвей из Бельгии попытался использовать расширительную машину с возвратно-поступательным движением, но не мог достичь температуры ниже -98 °C из-за проблем со смазкой машины при таких температурах. [2]
В 1902 году французский инженер Жорж Клод успешно применил поршневую расширительную машину для сжижения воздуха. В качестве уплотнения поршня он использовал обезжиренную, обожженную кожаную прокладку без какой-либо смазки. При давлении воздуха всего 40 бар (4 МПа) Клод добился почти изоэнтропического расширения, что привело к более низкой температуре, чем это было возможно раньше. [2]
Первые турбодетандеры, судя по всему, 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 монель , 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. В качестве тормоза он использовал водяной насос и имел КПД 79–83%. [2] [16] С тех пор большинство турбодетандеров, используемых в промышленности, были основаны на конструкции Капицы, а центробежные турбодетандеры взяли на себя почти 100% требований промышленного сжижения газа и низкотемпературных процессов. [2] [16] Наличие жидкого кислорода произвело революцию в производстве стали с использованием кислородно-конверторного процесса производства стали.
В 1978 году Петр Капица был удостоен Нобелевской премии по физике за 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 нагружающему устройству или подшипникам.
Тремя основными нагрузочными устройствами, используемыми в турбодетандерах, являются 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 применяют, когда турбодетандер очень мал и сбор мощности на валу экономически не оправдан.
В качестве подшипников используются либо масляные, либо магнитные подшипники .