[تجهیزات دوار] - توربواکسپندر - turbo-expander

[P O U R I A]

توربواکسپندر (turboexpander/turbo-expander) یا توربین انبساطی (expansion turbine) یک توربین جریان محوری (axial flow turbine) یا توربین سانتریفوژ (centrifugal turbine) است که در آن یک گاز پر فشار برای تولید کار منبسط می‌شود که این کار اغلب برای درایو کمپرسور (compressor) یا درایو ژنراتور (generator) تولید برق به کار می‌رود.

از آن‌جا که کار به وسیله انبساط گاز پر فشار استخراج می‌شود، انبساط به وسیله یک فرآیند آیزنتروپیک (isentropic process) به معنی فرآیند انتروپی (entropy) ثابت تقریب زده می‌شود و گاز کم فشار خروجی از توربین دارای دمای بسیار پایین 150- درجه سانتی‌گراد یا کم‌تر است که این دما به فشار عملیاتی و خواص گاز بستگی دارد. مایع شدن بخشی از گاز منبسط شده غیر معمول نیست.

توربواکسپندرها به طور بسیار گسترده به عنوان منابع تبرید (refrigeration) در فرآیندهای صنعتی مانند استخراج اتان، میعان گاز طبیعی (natural gas liquids) یا NLG، مایع‌سازی گازهایی مانند اکسیژن، نیتروژن، هلیوم، آرگون و کریپتون و دیگر فرآیندهای دما پایین استفاده می‌شوند.

در بسیاری از فرآیندها، توربواکسپندرها به عنوان وسایل بازیافت توان هیدرولیکی به وسیله تجهیزات دوار به کار می‌روند.


توربواکسپندرهای فعلی، دارای محدوده توان عملیاتی از حدود 750 وات تا حدود 7.5 مگاوات (1 اسب بخار تا حدود 10 هزار اسب بخار) هستند.

این اگرچه کاربرد توربواکسپندرها در فرآیندهای دما پایین بسیار معمول است، این توربین‌ها در بسیاری از کاربردهای دیگر نیز استفاده می‌شوند.

 

[P O U R I A]

کاربرد توربواکسپندر در استخراج مایعات هیدروکربنی از گاز طبیعی

گاز طبیعی خام (raw natural gas) بیش‌تر شامل متان (CH4)، کوتاه‌ترین و سبک‌ترین مولکول هیدروکربن، و همچنین مقادیر مختلفی از گازهای هیدروکربنی سنگین‌تر مانند اتان (C2H6)، پروپان (C3H8)، نرمال بوتان (n-C4H10)، ایزو بوتان (i-C4H10)، پنتان و حتی هیدروکربن‌های با وزن مولکولی بالاتر می‌باشد. گاز خام همچنین دارای مقادیر مختلفی از گازهای اسیدی مانند دی‌اکسید کربن (CO2)، سولفید هیدروژن (H2S) و مرکاپتان‌هایی مانند متانتیول (CH3SH) و اتانتیول (C2H5SH) می‌شود.

هنگامی در فرآیند مولفه‌های گاز از یکدیگر جدا می‌شوند، هیدروکربن‌های سنگین‌تر در مجموع به عنوان NGL یا مایعات گاز طبیعی (natural gas liquids) نامیده می‌شوند. استخراج NGL اغلب شامل یک توربواکسپندر و یک برج تقطیر در دمای پایین (low-temperature distillation) که به آن دمتانایزر (demethanizer) نیز می‌گویند، می‌شود؛ این فرآیند در شکل زیر نشان داده شده است. گاز ورودی به دمتانایزر، در ابتدا در یک مبدل حرارتی (heat exchanger) که به آن جعبه سرد (cold box) می‌گویند، به حدود 51- درجه سانتی‌گراد سرد می‌شود که بخشی از گاز ورودی را کندانس می‌کند. سپس مخلوط گاز و مایع در یک جداکننده (separator) به جریان گاز و جریان مایع تقسیم می‌شوند.

جریان مایع از سمت جداکننده گاز و مایع (gas-liquid separator) درون یک ولو (valve) جریان می‌یابد و تحت یک انبساط خفقان (throttling expansion) از فشار مطلق 62 بار به 21 بار (6.2 به 2.1 مگاپاسکال) می‌رسد، که این یک فرآیند آیزنتروپیک است. نتیجه این فرآیند، کاهش دمای جریان از حدود 51- درجه سانتی‌گراد به حدود 81- درجه سانتی‌گراد برای جریانی است که به دمتانایزر وارد می‌شود.

جریان گاز از جداکننده گاز و مایع وارد یک توربواکسپندر می‌شود که در آن تحت یک انبساط آیزنتروپیک، از فشار مطلق 62 بار به 21 بار (6.2 تا 2.1 مگاپاسکال) می‌رسد که دمای جریان گاز را از حدود 51- درجه سانتی‌گراد به حدود 91- درجه سانتی‌گراد کاهش می‌دهد و آن را به عنوان رفلاکس تقطیر (distillation reflux) وارد دمتانایزر می‌کند.

​

مایع از سینی (tray) بالای دمتانایزر در دمای حدود 90- درجه سانتی‌گراد به جعبه سرد فرستاده می‌شود که در آن به حدود 0 درجه سانتی‌گراد گرم می شود و گاز ورودی را سرد می‌کند، و سپس به بخش پایینی دمتانایزر باز می‌گردد. یک جریان دیگر مایع از بخش پایین دمتانایزر با دمایی در حدود 2 درجه سانتی‌گراد از جعبه سرد می‌گذرد و در دمای حدود 12 درجه سانتی‌گراد به دمتانایزر باز می‌گردد. در نتیجه گاز ورودی، حرارت مورد نیاز برای تامین رفلاکس در بالای دمتانایزر را فراهم می‌کند.

محصول گازهای بالاسری از دمتانایزر در حدود 90- درجه سانتی‌گراد، گاز طبیعی فرآوری شده‌ای است که از کیفیت مناسب برای توزیع به مصرف‌کنندگان پایانی با استفاده از خط لوله (pipeline) است. این گاز از جعبه سرد عبور می‌کند و در آن گرم شده و گاز ورودی را سرد می‌کند. پس از آن در یک کمپرسور گاز (gas compressor) که توسط توربو اکسپندر رانده می‌شود، فشرده می‌شود و قبل از ورود به خط لوله توزیع، در یک کمپرسور گاز مرحله دوم که توسط یک موتور الکتریکی (electric motor) رانده می‌شود، بیش‌تر متراکم می‌شود.

محصول پایینی دمتانایزر نیز در جعبه سرد گرم می‌شود و قبل از آن که سیستم را به عنوان NGL ترک کند، گاز ورودی را سرد می‌کند.

 

[P O U R I A]

کاربرد توربواکسپندر در تولید برق

شکل زیر یک سیستم تولید برق (power generation) است که از یک منبع حرارتی (heat source)، محیط خنک‌کننده (cooling medium) همچون هوا، آب و مانند آن، یک سیال عامل (working fluid) در گردش و توربواکسپندر استفاده می‌کند. این سیستم می‌تواند طیف گسترده‌ای از منابع حرارتی مانند آیتم‌های زیر را شامل شود:

• آب گرم ژئوترمال (geothermal hot water)
• گاز خروجی از موتورهای احتراق داخلی (internal combustion engines) که سوخت‌های مختلفی مانند گاز طبیعی، گاز دفن زباله (landfill gas)، گازوییل (diesel oil) یا مازوت (fuel oil) می‌سوزانند.
• انواع منابع انرژی حرارتی اتلافی (waste heat sources) در قالب گاز یا مایع

با توجه به شکل زیر، سیال عامل در گردش که معمولا یک ترکیب آلی همانند R-134a است، به فشار بالا پمپ (pump) می‌شود و پس از آن توسط تبادل حرارت با منبع حرارت موجود در اواپراتور (evaporator) تبخیر می‌شود. بخار پر فشار ایجاد شده به سمت توربواکسپندر جریان می‌یابد و در آن تحت یک انبساط آیزنتروپیک قرار می‌گیرد و به صورت مخلوط بخار مایع خارج می‌شود و سپس با تبادل حرارت با محیط خنک‌کننده موجود کندانس شده و به مایع تبدیل می‌شود. برای تکمیل سیکل، مایع کندانس شده به اواپراتور پمپ می‌شود.

سیستم شکل بالا، یک سیکل رانکین است که در نیروگاه‌های سوخت فسیلی (fossil-fuel power plants) مورد استفاده قرار می‌گیرد که در آن آب، سیال عامل است و منبع حرارتی از احتراق گاز طبیعی، نفت یا زغال سنگ برای تولید بخار پر فشار استفاده می‌کند. سپس بخار پر فشار در یک توربین بخار (steam turbine) تحت انبساط آیزنتروپیک قرار می‌گیرد. بعد از آن بخار خروجی توربین بخار به آب کندانس می‌شود و پس از آن به بویلر (steam generator) پمپ می‌رود تا سیکل تکمیل شود.


هنگامی که یک سیال آلی مانند R-134a در سیکل رانکین استفاده می‌شود، گاهی به این سیکل، سیکل رانکین آلی (Organic Rankine cycle) یا ORC می‌گویند.

 

[P O U R I A]

کاربرد توربواکسپندر در سیستم تبرید

شکل زیر یک سیستم سیستم تبرید (refrigeration system) با ظرفیت حدود 100 تا 1000 تن تبرید (tons of refrigeration) یا 350 تا 3500 کیلووات را نشان می‌دهد. این سیستم از یک کمپرسور (compressor)، یک توربواکسپندر و یک موتور الکتریکی (electric motor) بهره می‌گیرد.

بسته به شرایط عملیاتی، توربواکسپندر بار موتور الکتریکی را 6 تا 15 درصد در مقایسه با یک سیستم تبرید تراکمی بخار (vapor-compression refrigeration) مرسوم که به جای توربواکسپندر از یک شیر انبساط خفقان (throttling expansion valve) استفاده می‌کند، کاهش می‌دهد.

این سیستم از یک مبرد (refrigerant) پر فشار که دارای نقطه جوش نرمال پایین (normal boiling point) است استفاده می‌کند. مانند:

• کلورو دی‌ فلورو متان یا CHClF2 که به عنوان R-22 شناخته می‌شود، با نقطه جوش نرمال 47- درجه سانتی‌گراد
• تترا فلورو اتان C2H2F4 که به عنوان R-134a شناخته می‌شود، با نقطه جوش نرمال 26- درجه سانتی‌گراد

همان طور که در شکل بالا نشان داده شده است، بخار مبرد به فشار بالاتر و در نتیجه دمای بالاتر فشرده می‌شود. سپس بخار فشرده داغ به مایع کندانس می‌شود. کندانسور (condenser) جایی است که در آن حرارت از مبرد در گردش خارج می‌شود و به وسیله محیط خنک‌کننده مورد استفاده در کندانسور مانند هوا، آب، و غیره دور می‌شود.

مایع مبرد در توربواکسپندر جریان می‌یابد و در آن‌جا تبخیر شده و بخار تحت انبساط آیزنتروپیک قرار می‌گیرد که نتیجه آن یک مخلوط کم دمای بخار و مایع است. سپس مخلوط بخار مایع از اواپراتور (evaporator) می‌گذرد و در آن‌جا به وسیله حرارت جذب شده از فضای سرد شده تبخیر می‌شود. مبرد تبخیر شده به ورودی کمپرسور جریان می‌یابد تا سیکل تکمیل گردد.

 

[P O U R I A]

کاربرد توربواکسپندر در بازیافت توان در کراکر کاتالیزوری سیال

گاز دودکش احتراق از ری‌ژنراتور کاتالیست یک کراکر کاتالیزوری سیال (fluid catalytic cracker) دارای دمای در حدود 715 درجه سانتی‌گراد و فشار حدود 2.4 بار است. ترکیبات گازی آن بیش‌تر مونوکسید کربن (CO)، دی‌اکسید کربن (CO2) و نیتروژن (N2) می‌باشد. اگرچه گاز دودکش را از طریق دو مرحله سیکلون (cyclones) درون ری‌ژنراتور عبور می‌کند تا ذرات ریز کاتالیزور را حذف کند، باز هم شامل مقداری کاتالیزور ریز است.

شکل زیر نشان می‌دهد که چگونه با فرستادن گاز دودکش ری‌ژنراتور به یک توربواکسپندر، توان بازیافت می‌شود. بعد از خروج گاز دودکش از ری‌ژنراتور، از یک جداکننده ثانویه کاتالیزور که با لوله‌های چرخشی (swirl tubes) طراحی شده است و 70 تا 90 درصد از ذرات ریز کاتالیزور باقی مانده را خارج می‌کند. این برای جلوگیری از آسیب فرسایشی (erosion damage) به توربواکسپندر مورد نیاز است.

همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، انبساط گاز دودکش در توربواکسپندر، تواان کافی برای راندن کمپرسور هوای احتراق ری‌ژنراتور را فراهم می‌کند. موتور ژنراتور (motor-generator) الکتریکی در سیستم بازیابی توان می‌تواند برق را مصرف و یا تولید کند. اگر انبساط گازهای دودکش توان کافی برای راندن کمپرسور هوا را فراهم نکند، موتور ژنراتور الکتریکی توان اضافی مورد نیاز را فراهم می‌کند. اگر انبساط گاز دودکش توان بیش از نیاز راندن کمپرسور هوا را فراهم کند، موتور ژنراتور الکتریکی توان اضافی را به توان الکتریکی تبدیل و آن را به سیستم برق تزریق می‌کند. توربین بخار (steam turbine) نشان داده شده در شکل زیر برای راندن کمپرسور هوای احتراق ری‌ژنراتور در زمان استارت‌آپ (start-up) کراکر کاتالیستی سیال تا زمانی که گاز دودکش احتراقی کافی برای انجام کار وجود داشته باشد، مورد استفاده قرار می‌گیرد.


سپس گازهای دودکش منبسط شده، به یک بویلر مولد بخار (steam-generating boiler) یا کو بویلر یا بویلر مونو اکسید کربن (CO boiler) می‌رود و در آن مونو اکسید کربن در گاز دودکش به عنوان سوخت می‌سوزد بخار مورد استفاده در پالایشگاه را تامین می‌کند.

گاز حاصل از کو بویلر از یک فیلتر الکترواستاتیک (electrostatic precipitator) یا ESP پردازش می‌شود تا ذرات باقی مانده را حذف کند. ESP ذرات در محدوده اندازه بین 2 تا 20 میکرومتر را از گاز دودکش حذف می‌کند.

 

[P O U R I A]

انواع توربو اکسپندر

توربواکسپندرها را می‌توان بر حسب دستگاه بارگذاری (loading device) و یا بیرینگ‌ها (bearings) طبقه‌بندی کرد.

سه دستگاه اصلی بارگذاری مورد استفاده در توربواکسپندرها عبارتند از:

• کمپرسورهای سانتریفوژ (centrifugal compressors)
• ژنراتورهای الکتریکی (electrical generators)
• ترمزهای هیدرولیکی (hydraulic brakes).

با کمپرسورهای سانتریفوژ و ژنراتور الکتریکی، توان شافت توربواکسپندر را برای کمپرس مجدد گاز فرآیندی یا برای تولید انرژی الکتریکی برای کاهش قبض برق به کار می‌برند.

ترمزهای هیدرولیکی زمانی استفاده می‌شوند که توربواکسپندر بسیار کوچک است و برداشت توان شافت از لحاظ اقتصادی قابل توجیه نیست.

بلبرینگ‌های مورد استفاده شامل بیرینگ‌های روغنی (oil bearings) و یا بیرینگ‌های مغناطیسی (magnetic bearings) هستند.