توربو اكسباندر هو الطريقة الأكثر فعالية وكفاءة لتقليل ضغط السوائل. بدأ استخدام هذه المعدات في الستينيات في مصانع النفط والغاز. يأخذ توربو اكسباندر الطاقة من تدفق السوائل، وينتج الطاقة، ويقلل الضغط ويخفض درجة حرارة السائل. يمكن استخدام الطاقة التي تم الحصول عليها لتدوير الضاغط أو المضخة أو المولد. العمل الناتج عن عملية التوسع يزيد من الكفاءة الحرارية للمصنع.
استخدام توربو اكسباندر في التطبيقات المبردة
في النصف الثاني من القرن العشرين، بدأ استخدام توربو اكسباندر في مصانع الغاز الطبيعي المبردة. تسببت المتطلبات التي كانت موجودة في زيادة الكفاءة الحرارية للمحطة، وتقليل الأعلاف المستهلكة في مصانع الغاز الطبيعي المسال (LNG) وتقليل تلوث ثاني أكسيد الكربون، في التوسع في تصميمات عمليات المصنع من خلال النظر في توربو اكسباندر.
غالبًا ما يكون الانخفاض في المحتوى الحراري المائع والانخفاض اللاحق في درجة الحرارة هو الفائدة الاقتصادية لموسع التوربو في التطبيقات المبردة. يساعد السائل الأكثر برودة الذي يخرج من موسع التوربو في رفع الكفاءة الحرارية للمحطة. بالإضافة إلى ذلك، قد تنخفض طاقة الإدخال للمحطة بواسطة قوة العمود التي يشتقها موسع التوربو من السائل. ينتج عن كل من هذه السيناريوهات انخفاض في استهلاك الطاقة المحدد لدورة التبريد، مما يقلل النفقات ويزيد من الفوائد الاقتصادية للمشروع.
استخدام صمام جول طومسون بالتوازي مع توربو اكسباندر
في أنظمة التوسيع المبردة، يتم وضع صمام Joule-Thomson (JT) بالتوازي مع توربو اكسباندر. يتم ضبط هذا الصمام بطريقة تمنع العملية من الإغلاق في حالة فشل الموسع.
استخدام توربو اكسباندرفي تطبيقات الغاز الساخن
تمت دراسة فكرة تحويل طاقة الغاز من الاحتراق إلى طاقة لمدة قرن تقريبًا. تكاليف الطاقة والقضايا البيئية والتحكم في التلوث وإدارة الكربون هي الأسباب وراء استخدام توربو اكسباندر في المصانع الحديثة.في تطبيقات الغاز الساخن، هناك تحديات أساسية لتصميم موسع بموثوقية عالية. من بين هذه التحديات، يمكننا أن نذكر درجات الحرارة العالية جدًا والتآكل الكيميائي والتآكل الناجم عن الغاز الساخن، وكلها تفرض ضغوطًا عالية على نظام التوسيع التوربيني.
التآكل هو أحد الأشياء المهمة التي يجب الانتباه إليها في توربو اكسباندر. يرجع التآكل إلى ارتفاع درجة الحرارة التي من المفترض أن يعمل عندها توربو اكسباندر. تأثير الزحف والتآكل الناجم عن الغاز الساخن مهم في هذه التطبيقات. إذا لم يتم أخذ هذه العوامل في الاعتبار، فسوف تتسبب في فشل توربو اكسباندر أو شفراته.
مثلثات السرعة في الممددات التوربينية ذات التدفق الشعاعي
في التوربو اكسباندر ذات التدفق الشعاعي، يتم نقل الطاقة من السائل إلى شفرات التوربيني. يوضح الشكل 2 مخططًا للتوربو اكسباندر ذات التدفق الشعاعي.
يحتوي السائل الخارج من جزء التوربين على طاقة حركية عالية (سرعة عالية C 4)، لذلك يتم استخدام ناشر لاستعادة طاقته الحركية. يوضح الشكل 2 مثلثات السرعة في هذه الحالة. في هذا الشكل، W 3، وهي السرعة النسبية للمدخلات، شعاعيًا للداخل و C 4، وهي مكون السرعة المطلقة عند مخرج الدوار، في الاتجاه المحوري. يتم استخدام ترتيب مثلث السرعة هذا للعديد من الممددات التوربينية ذات التدفق الشعاعي. في توربو اكسباندرذو التدفق الشعاعي، هناك ثلاث خطوات يتم فيها تحويل الطاقة:
- يتم تحويل الطاقة الكامنة للسائل في دوارات المدخل إلى سرعة. تبلغ كفاءة تحويل الطاقة حوالي 95٪.
- يتم تحويل الطاقة الكامنة المتبقية إلى طاقة ميكانيكية في الموسع التوربيني.
- سرعة إخراج الغاز عالية نسبيًا وتقل قيمته في الناشر الناتج.
توربو اكسباندر الحرارية
يوضح الشكل 4 ثلاث عمليات توسعة مرجعية بين الضغط العالي P0 والضغط المنخفض P5. يوضح هذا الشكل أن الحد الأدنى لدرجة حرارة الخروج يحدث لعملية متساوية حيث يتم استخراج الطاقة من السائل. يوضح هذا الشكل أيضًا أن درجة حرارة المخرج لعملية توسيع المحتوى الحراري الثابت (على سبيل المثال، في عملية جول-طومسون) أعلى من العمليات الحقيقية والمتساوية. يمثل فرق درجة الحرارة بين 5a و 5 h في الواقع انخفاض درجة الحرارة الإضافي الذي يمكن الحصول عليه من ممدد توربيني يستخدم بدلاً من صمام جول طومسون. والغرض الرئيسي من استخدام موسع التوربو هو تحديد:
يمكن استخدام تعريف الكفاءة أعلاه على النحو التالي لمعرفة مدى فعالية الحصول على الطاقة من مائع الدخول واستخدامها لتقليل المخرج درجة حرارة.
تصنيف توربو اكسباندر
- محملة بالضاغط
هذا النوع من توربو اكسباندر هو الأكثر شيوعًا. بعد فصل مركبات الهيدروكربون السائلة الثقيلة في أسطوانة الفصل، يتم إعادة ضغط غاز الجهاز في ضاغط الطرد المركزي.
يتم تحميل نموذج توربو اكسباندر هذا غالبًا في تنقية الغاز الطبيعي أو في مصانع الإيثيلين. يمنع المولد التوربين من التوسع. هذا الجهاز متصل بالشبكة ويسمح بتوليد الكهرباء. توجد تصميمات مختلفة، بما في ذلك تصميمات التروس الكوكبية أو تصميمات تروس العمود المتوازية، مع اختيار المولدات المتزامنة أو غير المتزامنة. يستخدم هذا النموذج عندما يكون الإنتاج البارد منخفضًا نسبيًا (أقل من 100 كيلوواط) وعندما لا يحتاج الغاز إلى إعادة ضغط. - نوعان من المحامل في توربو اكسباندر
محمل الزيت في محمل الزيت، يتم استخدام طبقة رقيقة من الزيت بين أسطح المحامل، وعادة ما يتم عزل أو حول العمود الدوار. تعتبر محامل الزيت أرخص نسبيًا مقارنة بالمحامل المماثلة. الدببة المغناطيسية النشطة هي محامل تحمل الحمل باستخدام الألواح المغناطيسية. تدعم هذه المحامل الأجزاء المتحركة بدون ملامسة جسدية، مما ينتج عنه احتكاك منخفض جدًا وعدم تآكل ميكانيكي. تدعم هذه الأنواع من المحامل أعلى سرعة لجميع أنواع المحامل وليس لها سرعة قصوى نسبية.
الأسئلة الاکثر تداولاً
التوربو الموسع، التي يشار إليها غالبًا باسم التوربو اکسبندر، هي توربينات ذات تدفق مركزي أو محوري تعمل على توسيع الغاز عالي الضغط لتوليد الطاقة، والتي تُستخدم كثيرًا لتشغيل ضاغط. وفقًا لضغط الغاز وخصائصه، يكون للغاز الخارج من التوربينات منخفضة الضغط درجة حرارة منخفضة جدًا تقارب -150 درجة مئوية أو أقل، ويتم استخراج العمل أو الطاقة الناتجة عن تمدد الغاز عالي الضغط تقريبًا عن طريق عملية متساوية (أي عملية إنتروبيا ثابتة) وهي الطريقة الأكثر اقتصادا وفعالية لخفض ضغط المائع هي عن طريق التوربو اکسبندر.
غالبًا ما يكون الانخفاض في المحتوى الحراري المائع والانخفاض اللاحق في درجة الحرارة هو الفائدة الاقتصادية لموسع التوربو في التطبيقات المبردة. يساعد السائل الأكثر برودة الذي يخرج من موسع التوربو في رفع الكفاءة الحرارية للمحطة. بالإضافة إلى ذلك، قد تنخفض طاقة الإدخال للمحطة بواسطة قوة العمود التي يشتقها موسع التوربو من السائل. ينتج عن كل من هذه السيناريوهات انخفاض في استهلاك الطاقة المحدد لدورة التبريد، مما يقلل النفقات ويزيد من الفوائد الاقتصادية للمشروع.