توربو اکسپندر چیست؟
توربو اکسپندر (Turbo Expnader) مؤثرترین و پر بازده‌ترین روش برای کاهش فشار یک سیال است. استفاده از این تجهیزات از دهه 60 میلادی در پلنت‌های نفت و گاز شروع شده است. توربو اکسپندر انرژی را از جریان سیال گرفته، توان تولید می‌کند، فشار را کاهش می‌دهد و دمای سیال را نیز کم می‌کند. از توان بدست آمده می‌توان برای به چرخش درآوردن کمپرسور ، پمپ یا ژنراتور استفاده کرد. کار حاصله از فرآیند انبساط (Expansion)، بازده گرمایی (Thermal Efficiency) پلنت را افزایش می‌دهد.
استفاده از توربو اکسپندر در کاربردهای کرایوژنیک (Cryogenic) به چه صورت است؟
در نیمه دوم قرن بیستم، استفاده از اکسپندر-کمپرسور در پلنت‌های کرایوژنیک گاز طبیعی شروع شد. الزاماتی که در افزایش راندمان گرمایی پلنت، به حداقل رساندن فید (feed) مصرفی در پلنت‌های گاز طبیعی مایع (LNG) و کاهش آلودگی‌های CO 2 وجود داشت، باعث گسترش طراحی‌های فرآیندی پلنت با در نظر گرفتن توربو اکسپندر شد.
در کاربردهای کرایوژنیک ، اغلب منفعت اقتصادی حاصل از توربو اکسپندر، به دلیل کاهش آنتالپی سیال و به تبع آن کاهش دما می‌باشد. سیال سردتر که از توربو اکسپندر خارج می‌شود به افزایش بازده گرمایی پلنت کمک می‌کند. علاوه بر این، توان شفتی که توربو اکسپندر از سیال بدست می‌آورد، می‌تواند باعث کاهش توان ورودی پلنت شود. هرکدام از این موارد باعث کاهش توان مخصوص مصرفی برای سیکل سرمایش شده و کاهش هزینه‌ها و به تبع آن افزایش منفعت اقتصادی پروژه را در پی دارد.
در کاربردهای کرایوژنیک ، اغلب منفعت اقتصادی حاصل از توربو اکسپندر، به دلیل کاهش آنتالپی سیال و به تبع آن کاهش دما می‌باشد. سیال سردتر که از توربو اکسپندر خارج می‌شود به افزایش بازده گرمایی پلنت کمک می‌کند. علاوه بر این، توان شفتی که توربو اکسپندر از سیال بدست می‌آورد، می‌تواند باعث کاهش توان ورودی پلنت شود. هرکدام از این موارد باعث کاهش توان مخصوص مصرفی برای سیکل سرمایش شده و کاهش هزینه‌ها و به تبع آن افزایش منفعت اقتصادی پروژه را در پی دارد.
استفاده از ولو ژول تامسون به موازات توربو اکسپندر به چه دلیل است؟
در سیستم‌های اکسپندر کرایوژنیک، یک ولو ژول تامسون (JT) به موازات اکسپندر قرار داده می‌شود. این ولو به گونه‌ای تنظیم می‌شود تا در صورت از کار افتادن اکسپندر از توقف کلی (Shut Down) فرآیند جلوگیری کند.
استفاده از توربو اکسپندر در کاربردهای گاز داغ (Hot Gas) به چه صورت است؟
ایده تبدیل انرژی گاز حاصل از احتراق به توان، در حدود یک قرن است که مورد بررسی قرار گرفته است. هزینه‌های مربوط به انرژی، مسائل زیست محیطی، کنترل آلودگی‌ها و مدیریت کربن، دلایلی هستند که باعث شده‌اند تا از توربو اکسپندر در پلنت‌های مدرن استفاده شود.
در کابردهای گاز داغ، چالش‌های اساسی برای طراحی یک اکسپندر با قابلیت اطمینان (Reliability) بالا وجود دارد. از جمله این چالش‌ها می‌توان به دمای بسیار بالا، خوردگی شیمیایی و فرسایش ناشی از گاز داغ اشاره کرد که همگی باعث تحمیل تنش‌های بالا به سیستم توربو اکسپندر می‌شود.
خوردگی یکی از موارد مهمی است که باید در اکسپندرها به آن توجه نمود. خوردگی به دلیل دمای بالایی است که اکسپندر قرار است در آن دما کار کند. تأثیر خزش و خوردگی ناشی از گاز داغ در این کاربردها قابل توجه است. اگر تأثیر این موارد در نظر گرفته نشود، این موارد باعث شکست دیسک یا پره‌های آن خواهند شد.
خوردگی یکی از موارد مهمی است که باید در اکسپندرها به آن توجه نمود. خوردگی به دلیل دمای بالایی است که اکسپندر قرار است در آن دما کار کند. تأثیر خزش و خوردگی ناشی از گاز داغ در این کاربردها قابل توجه است. اگر تأثیر این موارد در نظر گرفته نشود، این موارد باعث شکست دیسک یا پره‌های آن خواهند شد.
شکل 1: اجزای اصلی اکسپندر گاز داغ
مثلث‌های سرعت در توربو اکسپندرهای جریان شعاعی به چه صورت است؟
در توربو اکسپندرهای جریان شعاعی، انرژی از سیال به پره‌های توربو اکسپندر منتقل می‌شود. در شکل 2 شماتیکی از توربو اکسپندرهای جریان شعاعی را نشان می‌دهد.
شکل 2: مثلث‌های سرعت در توربو اکسپندر جریان شعاعی
سیال خروجی از قسمت توربین توربو اکسپندر، انرژی جنبشی بالایی دارد (سرعت زیاد C 4 ) بنابراین از یک دیفیوزر برای بازیابی انرژی جنبشی آن استفاده می‌شود. شکل 2 مثلث های سرعت را در این حالت نشان می‌دهد. در این شکل، W 3 که سرعت نسبی ورودی است، شعاعی به سمت داخل و C 4 که مولفه سرعت مطلق در خروجی روتور است، در جهت محوری می‌باشد. این چیدمان مثلث سرعت برای توربو اکسپندرهای جریان شعاعی زیاد استفاده می‌شود.
در یک توربو اکسپندر جریان شعاعی، سه گام وجود دارد که تبدیل انرژی در آنها انجام می‌شود:
1. انرژی پتانسیل سیال در پره‌های ورودی تبدیل به سرعت می‌شود. راندمان این تبدیل انرژی حدود 95 درصد است.
2. انرژی پتانسیل باقی مانده، به توان مکانیکی در توربو اکسپندر تبدیل می‌شود.
3. سرعت خروجی گاز به نسبت بالا بوده و در دیفیوزر خروجی مقدار آن کم می‌شود.
1. انرژی پتانسیل سیال در پره‌های ورودی تبدیل به سرعت می‌شود. راندمان این تبدیل انرژی حدود 95 درصد است.
2. انرژی پتانسیل باقی مانده، به توان مکانیکی در توربو اکسپندر تبدیل می‌شود.
3. سرعت خروجی گاز به نسبت بالا بوده و در دیفیوزر خروجی مقدار آن کم می‌شود.
شکل 3: توربو اکسپندر در مرحله تست
ترمودیک اکسپندرهای گاز به چه صورت است؟
شکل 4 سه پروسه انبساط مرجع بین فشار بالاتر P 0 و فشار پایین‌تر P 5 را نشان می‌دهد. این شکل نشان می‌دهد که حداقل دمای خروجی برای یک فرآیند آیزنتروپیک رخ می‌دهد که در آن انرژی از سیال گرفته می‌شود. همچنین این شکل بیانگر این است که دمای خروجی برای فرآیند انبساط آنتالپی ثابت (به عنوان مثال در فرآیند ژول تامسون) بالاتر از فرآیندهای حقیقی و آیزنتروپیک است. اختلاف دمای بین 5a و 5h در واقع بیانگر افت دمای اضافی است که می‌تواند از یک توربو اکسپندری که به جای یک ولو ژول تامسون استفاده می شود، حاصل گردد.
راندمان توربو اکسپندر می‌تواند در قالب نسبت دمای استاتیک به دمای کل در شرایطی که کاهش دما هدف اصلی استفاده از توربو اکسپندر است، تعریف شود:
Ƞ exp = (T (0) – T (5a) )/ (T t (0) – T t(5s) )
از تعریف راندمان فوق، می‌توان به این صورت استفاده کرد که بفهمیم دریافت انرژی از سیال ورودی و استفاده از آن برای کاهش دمای خروجی تا چه میزان مؤثر بوده است.
شکل 4: فرآیند انبساط آیزنتروپیک (0-5s)، فرآیند انبساط حقیقی (0-5a) و فرآیند انبساط آنتالپی ثابت (0-5h)
سوالات متداول
توربو اکسپندر چیست؟
توربو اکسپندر مؤثرترین و پر بازده‌ترین روش برای کاهش فشار یک سیال است. استفاده از این تجهیزات از دهه 60 میلادی در پلنت‌های نفت و گاز شروع شده است. توربو اکسپندر انرژی را از جریان سیال گرفته، توان تولید می‌کند، فشار را کاهش می‌دهد و دمای سیال را نیز کم می‌کند. از توان بدست آمده می‌توان برای به چرخش درآوردن کمپرسور، پمپ یا ژنراتور استفاده کرد. کار حاصله از فرآیند انبساط (Expansion)، بازده گرمایی (Thermal Efficiency) پلنت را افزایش می‌دهد.
استفاده از توربو اکسپندر در کاربردهای کرایوژنیک به چه صورت است؟
در کاربردهای کرایوژنیک، اغلب منفعت اقتصادی حاصل از توربو اکسپندر، به دلیل کاهش آنتالپی سیال و به تبع آن کاهش دما می‌باشد. سیال سردتر که از توربو اکسپندر خارج می‌شود به افزایش بازده گرمایی پلنت کمک می‌کند. علاوه بر این، توان شفتی که توربو اکسپندر از سیال بدست می‌آورد، می‌تواند باعث کاهش توان ورودی پلنت شود. هرکدام از این موارد باعث کاهش توان مخصوص مصرفی برای سیکل سرمایش شده و کاهش هزینه‌ها و به تبع آن افزایش منفعت اقتصادی پروژه را در پی دارد.
طبقه بندی توربو اکسپندرها
Compressor-loaded
این نوع توربو اکسپندر از متداول ترین هاست. پس از جداسازی ترکیبات هیدروکربنی مایع سنگین در استوانه ی جداسازی، گاز دستگاه در کمپرسور سانتریفیوژ دوباره فشرده می شود
Generator-Loaded
این مدل توربو اکسپندر اغلب در تصفیه گاز طبیعی یا در کارخانه های اتیلن استفاده می شود. ژنراتور از انبساط توربین جلوگیری می کند. این دستگاه به شبکه متصل شده و اجازه می دهد تا برق تولید شود. طراحی های مختلفی وجود دارند، از جمله طرحهای گیربکس سیاره ای یا گیربکس شفت موازی، با گزینه ی ژنراتور سنکرون یا ناهمزمان.
Oil Brake
این مدل در زمانهایی که تولید سرمای نسبتا پایین دراد (کمتر از 100 کیلووات) و هنگامی که گاز نیازی به فرآیند دوباره فشرده سازی ندارد کاربرد دارد.
