บริษัท หางโจว นั่ว เทคโนโลยี กรุ๊ป จำกัด

เครื่องขยายแรงดันสามารถใช้การลดแรงดันเพื่อขับเคลื่อนเครื่องจักรหมุนได้ สามารถดูข้อมูลเกี่ยวกับวิธีการประเมินประโยชน์ที่อาจได้รับจากการติดตั้งเครื่องขยายแรงดันได้ที่นี่
โดยทั่วไปในอุตสาหกรรมกระบวนการทางเคมี (CPI) “พลังงานจำนวนมากสูญเสียไปกับวาล์วควบคุมแรงดันซึ่งของเหลวที่มีแรงดันสูงต้องลดแรงดันลง” [1] ขึ้นอยู่กับปัจจัยทางเทคนิคและเศรษฐกิจต่างๆ อาจเป็นที่ต้องการที่จะแปลงพลังงานนี้ให้เป็นพลังงานกลแบบหมุน ซึ่งสามารถนำไปใช้ขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือเครื่องจักรหมุนอื่นๆ สำหรับของเหลวที่อัดไม่ได้ (ของเหลว) จะทำได้โดยการใช้กังหันกู้คืนพลังงานไฮดรอลิก (HPRT; ดูเอกสารอ้างอิง 1) สำหรับของเหลวที่อัดได้ (ก๊าซ) เครื่องขยายเป็นเครื่องจักรที่เหมาะสม
เครื่องขยายแรงดันเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาแล้วและมีการใช้งานที่ประสบความสำเร็จมากมาย เช่น การแตกตัวเร่งปฏิกิริยาของของเหลว (FCC) การทำความเย็น วาล์วก๊าซธรรมชาติในเมือง การแยกอากาศ หรือการปล่อยไอเสีย โดยหลักการแล้ว กระแสแก๊สใดๆ ที่มีแรงดันลดลงสามารถใช้ขับเคลื่อนเครื่องขยายแรงดันได้ แต่ “พลังงานที่ได้จะแปรผันตรงกับอัตราส่วนแรงดัน อุณหภูมิ และอัตราการไหลของกระแสแก๊ส” [2] รวมถึงความเป็นไปได้ทางเทคนิคและเศรษฐกิจ การนำเครื่องขยายแรงดันไปใช้: กระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยเหล่านี้และปัจจัยอื่นๆ เช่น ราคาพลังงานในท้องถิ่นและความพร้อมของอุปกรณ์ที่เหมาะสมจากผู้ผลิต
แม้ว่าเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ (ซึ่งทำงานคล้ายกับกังหัน) จะเป็นเครื่องขยายกำลังที่รู้จักกันดีที่สุด (รูปที่ 1) แต่ก็ยังมีเครื่องขยายกำลังประเภทอื่นๆ ที่เหมาะสมกับสภาวะกระบวนการที่แตกต่างกัน บทความนี้จะแนะนำเครื่องขยายกำลังประเภทหลักๆ และส่วนประกอบต่างๆ พร้อมทั้งสรุปวิธีการที่ผู้จัดการฝ่ายปฏิบัติการ ที่ปรึกษา หรือผู้ตรวจสอบด้านพลังงานในแผนกต่างๆ ของ CPI สามารถประเมินผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจและสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้นจากการติดตั้งเครื่องขยายกำลังได้
ยางยืดออกกำลังกายมีหลายประเภทที่แตกต่างกันอย่างมากทั้งในด้านรูปทรงและฟังก์ชันการใช้งาน ประเภทหลักๆ แสดงไว้ในรูปที่ 2 และแต่ละประเภทจะอธิบายโดยย่อด้านล่าง สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม รวมถึงกราฟเปรียบเทียบสถานะการทำงานของแต่ละประเภทตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและความเร็วที่เฉพาะเจาะจง โปรดดูที่ส่วนช่วยเหลือ 3
เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์แบบลูกสูบ เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์แบบลูกสูบและแบบโรตารี่ลูกสูบทำงานคล้ายกับเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบหมุนย้อนกลับ โดยดูดซับก๊าซแรงดันสูงและแปลงพลังงานที่สะสมไว้ให้เป็นพลังงานการหมุนผ่านเพลาข้อเหวี่ยง
ลากเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ เบรกเทอร์ไบน์เอ็กซ์แพนเดอร์ประกอบด้วยห้องไหลแบบวงกลมที่มีครีบรูปใบพัดติดอยู่รอบนอกของชิ้นส่วนที่หมุนได้ มันถูกออกแบบมาในลักษณะเดียวกับกังหานน้ำ แต่พื้นที่หน้าตัดของห้องแบบวงกลมจะเพิ่มขึ้นจากทางเข้าสู่ทางออก ทำให้ก๊าซสามารถขยายตัวได้
เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์แบบไหลตามแนวรัศมี เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์แบบไหลตามแนวรัศมีมีช่องทางเข้าตามแนวแกนและช่องทางออกตามแนวรัศมี ทำให้ก๊าซขยายตัวตามแนวรัศมีผ่านใบพัดของกังหัน ในทำนองเดียวกัน กังหันแบบไหลตามแนวแกนจะขยายก๊าซผ่านล้อกังหัน แต่ทิศทางการไหลจะขนานกับแกนหมุน
บทความนี้มุ่งเน้นไปที่เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์แบบรัศมีและแบบแกน โดยจะกล่าวถึงประเภทย่อยต่างๆ ส่วนประกอบ และเศรษฐศาสตร์ของอุปกรณ์เหล่านี้
เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ดึงพลังงานจากกระแสแก๊สแรงดันสูงและแปลงเป็นโหลดขับเคลื่อน โดยทั่วไปโหลดจะเป็นคอมเพรสเซอร์หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับเพลา เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ที่มีคอมเพรสเซอร์จะอัดของเหลวในส่วนอื่นๆ ของกระบวนการที่ต้องการของเหลวอัด ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของโรงงานโดยใช้พลังงานที่สูญเปล่าไป เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ที่มีโหลดเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะแปลงพลังงานเป็นไฟฟ้า ซึ่งสามารถนำไปใช้ในกระบวนการอื่นๆ ของโรงงานหรือส่งคืนไปยังโครงข่ายไฟฟ้าในท้องถิ่นเพื่อจำหน่ายได้
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์สามารถติดตั้งได้ทั้งแบบขับตรงจากล้อกังหันไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หรือผ่านชุดเกียร์ที่ช่วยลดความเร็วรอบจากล้อกังหันไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอย่างมีประสิทธิภาพผ่านอัตราทดเกียร์ เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์แบบขับตรงมีข้อดีในด้านประสิทธิภาพ ขนาดพื้นที่ติดตั้ง และค่าบำรุงรักษา ส่วนเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์แบบใช้ชุดเกียร์มีน้ำหนักมากกว่าและต้องการพื้นที่ติดตั้งมากกว่า ต้องมีอุปกรณ์เสริมสำหรับการหล่อลื่น และต้องบำรุงรักษาเป็นประจำ
เครื่องขยายกำลังแบบไหลผ่าน (Flow-through turboexpander) สามารถผลิตได้ทั้งในรูปแบบกังหันแบบรัศมีหรือแบบแกน เครื่องขยายกำลังแบบไหลรัศมีจะมีทางเข้าแบบแกนและทางออกแบบรัศมี ทำให้ก๊าซไหลออกจากกังหันในแนวรัศมีจากแกนหมุน ส่วนกังหันแบบแกนจะทำให้ก๊าซไหลในแนวแกนตามแกนหมุน กังหันแบบไหลแกนจะดึงพลังงานจากก๊าซที่ไหลผ่านใบพัดนำทางที่ทางเข้าไปยังล้อขยายกำลัง โดยพื้นที่หน้าตัดของห้องขยายกำลังจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นเพื่อรักษาระดับความเร็วให้คงที่
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสามส่วน ได้แก่ ล้อกังหัน ตลับลูกปืนพิเศษ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า
ล้อกังหัน มักได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ ตัวแปรในการใช้งานที่ส่งผลต่อการออกแบบล้อกังหัน ได้แก่ ความดันขาเข้า/ขาออก อุณหภูมิขาเข้า/ขาออก อัตราการไหล และคุณสมบัติของของเหลว เมื่ออัตราส่วนการอัดสูงเกินกว่าจะลดลงได้ในขั้นตอนเดียว จำเป็นต้องใช้เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ที่มีล้อกังหันหลายล้อ ทั้งล้อกังหันแบบรัศมีและแบบแกนสามารถออกแบบเป็นแบบหลายขั้นตอนได้ แต่ล้อกังหันแบบแกนมีความยาวตามแนวแกนสั้นกว่ามาก จึงมีขนาดกะทัดรัดกว่า กังหันแบบไหลตามแนวรัศมีหลายขั้นตอนต้องการให้ก๊าซไหลจากแนวแกนไปยังแนวรัศมีและกลับไปยังแนวแกน ทำให้เกิดการสูญเสียแรงเสียดทานสูงกว่ากังหันแบบไหลตามแนวแกน
ตลับลูกปืน การออกแบบตลับลูกปืนมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำงานอย่างมีประสิทธิภาพของเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ ประเภทของตลับลูกปืนที่เกี่ยวข้องกับการออกแบบเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์นั้นมีความหลากหลาย และอาจรวมถึงตลับลูกปืนน้ำมัน ตลับลูกปืนฟิล์มเหลว ตลับลูกปืนเม็ดกลมแบบดั้งเดิม และตลับลูกปืนแม่เหล็ก แต่ละวิธีมีข้อดีและข้อเสียของตนเอง ดังแสดงในตารางที่ 1
ผู้ผลิตเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์จำนวนมากเลือกใช้ตลับลูกปืนแม่เหล็กเป็น “ตลับลูกปืนทางเลือก” เนื่องจากมีข้อดีที่เป็นเอกลักษณ์ ตลับลูกปืนแม่เหล็กช่วยให้การทำงานของชิ้นส่วนไดนามิกของเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์เป็นไปอย่างราบรื่น ปราศจากแรงเสียดทาน ช่วยลดต้นทุนการดำเนินงานและการบำรุงรักษาตลอดอายุการใช้งานของเครื่องจักรได้อย่างมาก นอกจากนี้ยังได้รับการออกแบบให้ทนต่อแรงกดตามแนวแกนและแนวรัศมีได้หลากหลาย รวมถึงสภาวะการรับแรงเกินพิกัด ต้นทุนเริ่มต้นที่สูงกว่าจะถูกชดเชยด้วยต้นทุนตลอดอายุการใช้งานที่ต่ำกว่ามาก
ไดนาโม (Dynamo) คือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่รับพลังงานจากการหมุนของกังหันและแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าที่มีประโยชน์โดยใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กไฟฟ้า (ซึ่งอาจเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวร) เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำมีอัตราความเร็วรอบต่ำกว่า ดังนั้นการใช้งานกับกังหันความเร็วสูงจึงต้องใช้เกียร์ทดรอบ แต่สามารถออกแบบให้ตรงกับความถี่ของระบบไฟฟ้าได้ ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ตัวขับความถี่แปรผัน (VFD) ในการจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ผลิตได้ ในทางกลับกัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบแม่เหล็กถาวรสามารถต่อเพลาเข้ากับกังหันโดยตรงและส่งกำลังไฟฟ้าไปยังระบบไฟฟ้าผ่านตัวขับความถี่แปรผันได้ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าได้รับการออกแบบให้ส่งกำลังไฟฟ้าสูงสุดตามกำลังเพลาที่มีอยู่ในระบบ
ซีล ซีลเป็นส่วนประกอบสำคัญอีกอย่างหนึ่งในการออกแบบระบบเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ เพื่อรักษาประสิทธิภาพสูงและเป็นไปตามมาตรฐานด้านสิ่งแวดล้อม ระบบจะต้องมีการปิดผนึกเพื่อป้องกันการรั่วไหลของก๊าซในกระบวนการผลิต เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์สามารถติดตั้งซีลแบบไดนามิกหรือแบบคงที่ได้ ซีลแบบไดนามิก เช่น ซีลแบบเขาวงกตและซีลก๊าซแห้ง จะปิดผนึกรอบเพลาหมุน โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างล้อกังหัน ตลับลูกปืน และส่วนอื่นๆ ของเครื่องจักรที่ติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซีลแบบไดนามิกจะสึกหรอไปตามเวลาและต้องมีการบำรุงรักษาและตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอเพื่อให้แน่ใจว่าทำงานได้อย่างถูกต้อง เมื่อส่วนประกอบทั้งหมดของเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์บรรจุอยู่ในตัวเรือนเดียวกัน ซีลแบบคงที่สามารถใช้เพื่อป้องกันสายไฟที่ออกจากตัวเรือน รวมถึงไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ชุดขับตลับลูกปืนแม่เหล็ก หรือเซ็นเซอร์ ซีลกันอากาศเหล่านี้ให้การป้องกันการรั่วไหลของก๊าซอย่างถาวรและไม่ต้องการการบำรุงรักษาหรือการซ่อมแซม
จากมุมมองด้านกระบวนการ ความต้องการหลักในการติดตั้งเครื่องขยายแรงดันคือการจ่ายก๊าซอัดได้ (ไม่ควบแน่น) ที่มีแรงดันสูงไปยังระบบแรงดันต่ำด้วยอัตราการไหล การลดลงของแรงดัน และการใช้งานที่เพียงพอเพื่อรักษาสภาพการทำงานปกติของอุปกรณ์ พารามิเตอร์การทำงานจะถูกรักษาไว้ในระดับที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ
ในแง่ของฟังก์ชันการลดความดัน ตัวขยายสามารถใช้แทนวาล์ว Joule-Thomson (JT) หรือที่รู้จักกันในชื่อวาล์วควบคุมการไหลได้ เนื่องจากวาล์ว JT เคลื่อนที่ไปตามเส้นทางไอเซนโทรปิก และตัวขยายเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่เกือบไอเซนโทรปิก ตัวขยายจึงลดเอนทาลปีของก๊าซและแปลงความแตกต่างของเอนทาลปีเป็นกำลังของเพลา ทำให้ได้อุณหภูมิขาออกที่ต่ำกว่าวาล์ว JT ซึ่งมีประโยชน์ในกระบวนการแช่แข็งที่เป้าหมายคือการลดอุณหภูมิของก๊าซ
หากมีข้อจำกัดด้านอุณหภูมิต่ำสุดของก๊าซขาออก (เช่น ในสถานีลดความดันที่ต้องรักษาอุณหภูมิของก๊าซให้อยู่เหนือจุดเยือกแข็ง จุดไฮเดรชั่น หรืออุณหภูมิขั้นต่ำที่ออกแบบไว้สำหรับวัสดุ) จะต้องเพิ่มเครื่องทำความร้อนอย่างน้อยหนึ่งเครื่องเพื่อควบคุมอุณหภูมิของก๊าซ เมื่อเครื่องทำความร้อนล่วงหน้าตั้งอยู่ต้นทางของเครื่องขยายตัว พลังงานบางส่วนจากก๊าซป้อนจะถูกนำกลับมาใช้ในเครื่องขยายตัวด้วย ทำให้กำลังการผลิตเพิ่มขึ้น ในบางการกำหนดค่าที่ต้องการควบคุมอุณหภูมิขาออก สามารถติดตั้งเครื่องทำความร้อนซ้ำตัวที่สองหลังเครื่องขยายตัวเพื่อให้ควบคุมได้เร็วขึ้น
รูปที่ 3 แสดงแผนภาพอย่างง่ายของแผนผังการไหลทั่วไปของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบขยายตัวพร้อมพรีฮีตเตอร์ที่ใช้แทนวาล์ว JT
ในการกำหนดค่ากระบวนการอื่นๆ พลังงานที่ได้จากเครื่องขยายสามารถถ่ายโอนไปยังเครื่องอัดอากาศได้โดยตรง เครื่องจักรเหล่านี้ ซึ่งบางครั้งเรียกว่า "เครื่องควบคุม" มักจะมีขั้นตอนการขยายและการอัดที่เชื่อมต่อกันด้วยเพลาหนึ่งหรือมากกว่าหนึ่งเพลา ซึ่งอาจรวมถึงเกียร์เพื่อควบคุมความเร็วที่แตกต่างกันระหว่างสองขั้นตอน นอกจากนี้ยังอาจมีมอเตอร์เพิ่มเติมเพื่อเพิ่มกำลังให้กับขั้นตอนการอัดด้วย
ด้านล่างนี้คือส่วนประกอบที่สำคัญที่สุดบางส่วน ซึ่งช่วยให้ระบบทำงานได้อย่างถูกต้องและมีเสถียรภาพ
วาล์วบายพาสหรือวาล์วลดแรงดัน วาล์วบายพาสช่วยให้การทำงานดำเนินต่อไปได้เมื่อเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ไม่ได้ทำงาน (เช่น ในระหว่างการบำรุงรักษาหรือเหตุฉุกเฉิน) ในขณะที่วาล์วลดแรงดันใช้สำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่องเพื่อจ่ายก๊าซส่วนเกินเมื่อปริมาณการไหลรวมเกินความจุที่ออกแบบไว้ของเอ็กซ์แพนเดอร์
วาล์วปิดฉุกเฉิน (ESD) วาล์ว ESD ใช้สำหรับปิดกั้นการไหลของก๊าซเข้าสู่เครื่องขยายในกรณีฉุกเฉิน เพื่อป้องกันความเสียหายทางกล
อุปกรณ์และระบบควบคุม ตัวแปรสำคัญที่ต้องตรวจสอบ ได้แก่ ความดันขาเข้าและขาออก อัตราการไหล ความเร็วรอบ และกำลังไฟฟ้าขาออก
การขับเคลื่อนด้วยความเร็วเกินกำหนด อุปกรณ์จะตัดการไหลไปยังกังหัน ทำให้ใบพัดกังหันหมุนช้าลง ซึ่งเป็นการป้องกันอุปกรณ์จากความเร็วเกินกำหนดอันเนื่องมาจากสภาวะกระบวนการที่ไม่คาดคิดซึ่งอาจทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ได้
วาล์วนิรภัยแรงดัน (PSV) มักติดตั้งหลังเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์เพื่อป้องกันท่อส่งและอุปกรณ์แรงดันต่ำ PSV ต้องได้รับการออกแบบให้ทนทานต่อเหตุการณ์ฉุกเฉินที่รุนแรงที่สุด ซึ่งโดยทั่วไปรวมถึงความล้มเหลวของวาล์วบายพาสในการเปิด หากมีการเพิ่มเอ็กซ์แพนเดอร์เข้าไปในสถานีลดแรงดันที่มีอยู่ ทีมออกแบบกระบวนการต้องพิจารณาว่า PSV ที่มีอยู่ให้การป้องกันที่เพียงพอหรือไม่
เครื่องทำความร้อนทำหน้าที่ชดเชยอุณหภูมิที่ลดลงเนื่องจากก๊าซไหลผ่านกังหัน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องอุ่นก๊าซล่วงหน้า หน้าที่หลักคือการเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซที่ไหลขึ้นเพื่อรักษาอุณหภูมิของก๊าซที่ออกจากเครื่องขยายตัวให้สูงกว่าค่าต่ำสุด ประโยชน์อีกประการหนึ่งของการเพิ่มอุณหภูมิคือการเพิ่มกำลังการผลิตและป้องกันการกัดกร่อน การควบแน่น หรือไฮเดรตที่อาจส่งผลเสียต่อหัวฉีดของอุปกรณ์ ในระบบที่มีเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (ดังแสดงในรูปที่ 3) อุณหภูมิของก๊าซมักจะถูกควบคุมโดยการควบคุมการไหลของของเหลวที่อุ่นแล้วเข้าไปในเครื่องทำความร้อนล่วงหน้า ในบางการออกแบบ อาจใช้เครื่องทำความร้อนแบบเปลวไฟหรือเครื่องทำความร้อนไฟฟ้าแทนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เครื่องทำความร้อนอาจมีอยู่แล้วในสถานีวาล์ว JT ที่มีอยู่ และการเพิ่มเครื่องขยายตัวอาจไม่จำเป็นต้องติดตั้งเครื่องทำความร้อนเพิ่มเติม แต่เป็นการเพิ่มการไหลของของเหลวที่อุ่นแล้วแทน
ระบบน้ำมันหล่อลื่นและก๊าซซีล ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น เครื่องขยายสามารถใช้การออกแบบซีลที่แตกต่างกัน ซึ่งอาจต้องใช้น้ำมันหล่อลื่นและก๊าซซีล ในกรณีที่เกี่ยวข้อง น้ำมันหล่อลื่นต้องคงคุณภาพและความบริสุทธิ์สูงเมื่อสัมผัสกับก๊าซในกระบวนการ และระดับความหนืดของน้ำมันต้องอยู่ในช่วงการทำงานที่ต้องการของแบริ่งที่หล่อลื่น ระบบก๊าซซีลมักจะติดตั้งอุปกรณ์หล่อลื่นน้ำมันเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำมันจากกล่องแบริ่งเข้าไปในกล่องขยาย สำหรับการใช้งานพิเศษของเครื่องบีบอัดที่ใช้ในอุตสาหกรรมไฮโดรคาร์บอน ระบบน้ำมันหล่อลื่นและก๊าซซีลโดยทั่วไปจะออกแบบตามข้อกำหนด API 617 [5] ส่วนที่ 4
ตัวขับความถี่แปรผัน (VFD) เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นแบบเหนี่ยวนำ โดยทั่วไปแล้ว VFD จะถูกเปิดใช้งานเพื่อปรับสัญญาณกระแสสลับ (AC) ให้ตรงกับความถี่ของแหล่งจ่ายไฟ โดยทั่วไปแล้ว การออกแบบที่ใช้ตัวขับความถี่แปรผันจะมีประสิทธิภาพโดยรวมสูงกว่าการออกแบบที่ใช้เกียร์หรือส่วนประกอบเชิงกลอื่นๆ ระบบที่ใช้ VFD ยังสามารถรองรับการเปลี่ยนแปลงกระบวนการที่หลากหลายกว่า ซึ่งอาจส่งผลให้ความเร็วของเพลาเครื่องขยายเปลี่ยนแปลงได้
ระบบส่งกำลัง บางแบบของเครื่องขยายกำลังใช้เกียร์ทดรอบเพื่อลดความเร็วของเครื่องขยายกำลังให้เหลือความเร็วที่กำหนดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ข้อเสียของการใช้เกียร์ทดรอบคือประสิทธิภาพโดยรวมลดลง และส่งผลให้กำลังไฟฟ้าที่ได้ลดลงด้วย
ในการจัดทำคำขอใบเสนอราคา (RFQ) สำหรับเครื่องขยายกำลัง (expander) วิศวกรกระบวนการจะต้องกำหนดสภาวะการทำงานก่อน ซึ่งรวมถึงข้อมูลต่อไปนี้:
วิศวกรเครื่องกลมักจัดทำข้อกำหนดและรายละเอียดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบขยายกำลังโดยใช้ข้อมูลจากสาขาวิศวกรรมอื่นๆ ข้อมูลเหล่านี้อาจรวมถึงสิ่งต่อไปนี้:
ข้อกำหนดต้องรวมถึงรายการเอกสารและแบบร่างที่ผู้ผลิตจัดหาให้เป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการประกวดราคาและขอบเขตการจัดหา ตลอดจนขั้นตอนการทดสอบที่เกี่ยวข้องตามที่โครงการกำหนดด้วย
โดยทั่วไปแล้ว ข้อมูลทางเทคนิคที่ผู้ผลิตจัดหาให้ในขั้นตอนการประกวดราคา ควรประกอบด้วยองค์ประกอบต่อไปนี้:
หากส่วนใดส่วนหนึ่งของข้อเสนอแตกต่างจากข้อกำหนดเดิม ผู้ผลิตจะต้องจัดทำรายการความแตกต่างและเหตุผลของความแตกต่างเหล่านั้นด้วย
เมื่อได้รับข้อเสนอแล้ว ทีมพัฒนาโครงการจะต้องตรวจสอบคำขอเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดและพิจารณาว่าการขอผ่อนผันนั้นมีความชอบธรรมทางเทคนิคหรือไม่
ปัจจัยทางเทคนิคอื่นๆ ที่ควรพิจารณาเมื่อประเมินข้อเสนอ ได้แก่:
สุดท้ายนี้ จำเป็นต้องทำการวิเคราะห์ทางเศรษฐกิจ เนื่องจากตัวเลือกต่างๆ อาจส่งผลให้ต้นทุนเริ่มต้นแตกต่างกัน จึงแนะนำให้ทำการวิเคราะห์กระแสเงินสดหรือต้นทุนตลอดอายุการใช้งาน เพื่อเปรียบเทียบเศรษฐกิจระยะยาวและผลตอบแทนจากการลงทุนของโครงการ ตัวอย่างเช่น การลงทุนเริ่มต้นที่สูงขึ้นอาจได้รับการชดเชยในระยะยาวด้วยผลผลิตที่เพิ่มขึ้นหรือความต้องการในการบำรุงรักษาที่ลดลง ดู “เอกสารอ้างอิง” สำหรับคำแนะนำเกี่ยวกับการวิเคราะห์ประเภทนี้ 4.
การใช้งานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ทั้งหมด จำเป็นต้องมีการคำนวณกำลังไฟฟ้าศักยภาพรวมเบื้องต้น เพื่อกำหนดปริมาณพลังงานทั้งหมดที่มีอยู่ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ในการใช้งานเฉพาะนั้น สำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ กำลังไฟฟ้าศักยภาพจะคำนวณเป็นกระบวนการไอเซนโทรปิก (เอนโทรปีคงที่) นี่คือสถานการณ์ทางเทอร์โมไดนามิกในอุดมคติสำหรับการพิจารณากระบวนการอะเดียแบติกแบบผันกลับได้โดยไม่มีแรงเสียดทาน แต่เป็นกระบวนการที่ถูกต้องสำหรับการประมาณค่าศักยภาพพลังงานที่แท้จริง
พลังงานศักย์ไอเซนโทรปิก (IPP) คำนวณได้จากการคูณผลต่างของเอนทาลปีจำเพาะที่ทางเข้าและทางออกของเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ แล้วคูณผลลัพธ์ด้วยอัตราการไหลของมวล พลังงานศักย์นี้จะแสดงเป็นปริมาณไอเซนโทรปิก (สมการ (1)):
IPP = ( แผ่นหิน – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
โดยที่ h(i,e) คือเอนทาลปีจำเพาะที่คำนึงถึงอุณหภูมิขาออกแบบไอเซนโทรปิก และ ṁ คืออัตราการไหลของมวล
แม้ว่าพลังงานศักย์ไอเซนโทรปิกจะสามารถใช้ในการประมาณพลังงานศักย์ได้ แต่ระบบจริงทั้งหมดล้วนเกี่ยวข้องกับแรงเสียดทาน ความร้อน และการสูญเสียพลังงานเสริมอื่นๆ ดังนั้น เมื่อคำนวณพลังงานศักย์ที่แท้จริง ควรพิจารณาข้อมูลเพิ่มเติมต่อไปนี้ด้วย:
ในแอปพลิเคชันเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ส่วนใหญ่ อุณหภูมิจะถูกจำกัดไว้ที่ค่าต่ำสุดเพื่อป้องกันปัญหาที่ไม่พึงประสงค์ เช่น การแข็งตัวของท่อที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ ในบริเวณที่มีก๊าซธรรมชาติไหลผ่าน มักจะมีไฮเดรตอยู่เสมอ ซึ่งหมายความว่าท่อส่งก๊าซที่อยู่ด้านล่างของเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์หรือวาล์วควบคุมการไหลจะแข็งตัวทั้งภายในและภายนอกหากอุณหภูมิขาออกลดลงต่ำกว่า 0°C การก่อตัวของน้ำแข็งอาจทำให้การไหลถูกจำกัดและในที่สุดอาจทำให้ระบบต้องหยุดทำงานเพื่อละลายน้ำแข็ง ดังนั้น อุณหภูมิขาออกที่ "ต้องการ" จึงถูกนำมาใช้ในการคำนวณสถานการณ์กำลังไฟฟ้าที่เป็นไปได้ที่สมจริงมากขึ้น อย่างไรก็ตาม สำหรับก๊าซเช่นไฮโดรเจน ขีดจำกัดอุณหภูมิจะต่ำกว่ามาก เนื่องจากไฮโดรเจนจะไม่เปลี่ยนจากก๊าซเป็นของเหลวจนกว่าจะถึงอุณหภูมิเยือกแข็ง (-253°C) ให้ใช้อุณหภูมิขาออกที่ต้องการนี้ในการคำนวณเอนทาลปีจำเพาะ
ประสิทธิภาพของระบบเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ก็เป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาด้วยเช่นกัน ประสิทธิภาพของระบบอาจแตกต่างกันอย่างมาก ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีที่ใช้ ตัวอย่างเช่น เทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ที่ใช้เกียร์ทดรอบในการถ่ายทอดพลังงานการหมุนจากกังหันไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จะมีการสูญเสียจากแรงเสียดทานมากกว่าระบบที่ใช้การขับเคลื่อนโดยตรงจากกังหันไปยังเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ประสิทธิภาพโดยรวมของระบบเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ และจะนำมาพิจารณาเมื่อประเมินศักยภาพกำลังไฟฟ้าที่แท้จริงของเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์ ศักยภาพกำลังไฟฟ้าที่แท้จริง (PP) คำนวณได้ดังนี้:
PP = (หินหิน – เฮกซิท) × ṁ x ṅ (2)
มาดูการประยุกต์ใช้การลดแรงดันก๊าซธรรมชาติกัน บริษัท ABC ดำเนินงานและบำรุงรักษาสถานีลดแรงดันที่ขนส่งก๊าซธรรมชาติจากท่อส่งหลักและกระจายไปยังเทศบาลท้องถิ่น ที่สถานีนี้ แรงดันก๊าซขาเข้าอยู่ที่ 40 บาร์ และแรงดันขาออกอยู่ที่ 8 บาร์ อุณหภูมิก๊าซขาเข้าที่อุ่นไว้ล่วงหน้าคือ 35°C ซึ่งเป็นการอุ่นก๊าซเพื่อป้องกันการแข็งตัวของท่อส่ง ดังนั้น อุณหภูมิก๊าซขาออกจะต้องถูกควบคุมไม่ให้ต่ำกว่า 0°C ในตัวอย่างนี้ เราจะใช้ 5°C เป็นอุณหภูมิขาออกต่ำสุดเพื่อเพิ่มปัจจัยด้านความปลอดภัย อัตราการไหลของก๊าซเชิงปริมาตรแบบมาตรฐานคือ 50,000 Nm³/h ในการคำนวณศักยภาพกำลังไฟฟ้า เราจะสมมติว่าก๊าซทั้งหมดไหลผ่านเทอร์โบเอ็กซ์แพนเดอร์และคำนวณกำลังไฟฟ้าสูงสุด ประมาณศักยภาพกำลังไฟฟ้ารวมโดยใช้การคำนวณต่อไปนี้: