CH690245A5 - Nichtkontaminierende Energiedissipationsvorrichtung und Verfahren für die Optimierung von Turboexpandern. - Google Patents

Description

  
 



  Die vorliegende Erfindung ist auf Systeme für die Dissipation von Energie aus rotierenden Geräten gerichtet. 



  Turbinen mit radialen Einlässen, die für die Gewinnung von Energie aus komprimierten Gasen bei ihrer Expansion verwendet werden, werden im Allgemeinen als Turboexpander bezeichnet. Solche Geräte sind weit verbreitet für die Lufttrennung, die Verflüssigung von natürlichem Gas, in Ethylenanlagen, in der Wasserstoffreinigung, bei Methyl-t-butyletherverfahren (MTBE-Verfahren), bei der Heliumverflüssigung und bei der geothermischen Energiegewinnung durch den Rankin Zyklus, sowie in anderen Anwendungen. Drei neuere Patente befassen sich mit besonderen Aspekten derartiger Turbobexpander, nämlich US-A 4 287 758, US-A 4 300 869 und US-A 4 789 300; auf die Offenbarung in diesen Druckschriften wird ausdrücklich Bezug genommen. 



  Ein Prozessfluidum oder -gas wird in komprimierter Form dem Turboexpander zugeführt, wo das Gas expandiert wird, wobei ein Gas von niedrigerem Druck entsteht. Die Expansion des Gases stellt im Turboexpander Rotationsenergie zur Verfügung. Diese Expanderenergie kann dann wiederum dem System für die Versorgung von Generatoren, Gebläsen, Kompressoren, Pumpen und dergleichen zugeführt werden, oder kann für andere Zwecke verwendet werden. 



  Wenn solche Geräte in Situationen zur Erzielung einer zweckmässigen Energierückgewinnung verwendet werden, erzeugt die Prozessgaszufuhr im Turboexpander nicht unbedingt fortlaufende und genügende Rotationsenergie. Man kann nicht Expanderenergie rückgewinnen, wenn die Expanderenergie ungenügend ist, um ihre Rückgewinnung zu rechtfertigen, wenn die Verfügbarkeit der Expanderenergie intermittierend ist, oder wenn eine Rückgewinnung durch den Endverbraucher aus anderen Gründen nicht erforderlich ist. In solchen Fällen, wenn die Expanderenergie nicht zurückgewonnen wird, muss die Expanderenergie trotzdem verbraucht, abgeführt oder auf andere Weise dissipiert werden, um einen Schaden am Turboexpander zu vermeiden. Der  Turboexpander erfordert demzufolge weiterhin die Vorgabe einer Belastung am Gerät. 



  Es wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um die Expanderenergie zu dissipieren. Luftgebläse und \lbremsen sind die beiden am weitesten verbreiteten verwendeten Mechanismen für die Energiedissipation. Luftgebläse dienen als Belastung zur Dissipation von unerwünschter Expanderenergie, indem die Expanderenergie zur Speisung eines Ventilators dient. In ähnlicher Weise zerstören \lbremsen die Expanderenergie, indem sie als ineffiziente \lpumpen funktionieren. 



  Wenn Turboexpander in kälteerzeugenden Prozessen verwendet werden (d.h. in Prozessen, die bei sehr tiefen Temperaturen ablaufen), können \lnebel oder -tröpfchen, die in den Expander migrieren, den Prozess stark stören, da die \ltröpfchen im Wärmeaustauscher gefrieren und die Gasdurchflusskanäle verstopfen. Dieses Problem stellt das Hauptrisiko für kälteerzeugende Prozesse dar. 



  Migrierende Tröpfchen von \l oder anderen Schmiermitteln können von verschiedenen Quellen stammen, wie beispielsweise von geölten oder geschmierten Lagern. Obschon Abdichtungen, wie Wellenabdichtungen, verhindern, dass viel \l in den Lagern in den Expander migrieren kann, ist eine gewisse \lleckage unvermeidbar. Dies führte in Produktionsanlagen dazu, dass magnetische Lager zum Einsatz gelangten, die ölfrei sind. Weder das Luftgebläse noch die \lbremse sind jedoch die bevorzugte Last, wenn ein Expander mit magnetischen Lagern verwendet wird, um eine gefährliche Flüssigkeit wie Naturgas oder Wasserstoffgas zu expandieren. Ein Luftgebläse kann Luft in den Turboexpander eindringen lassen, welche mit der gefährlichen Prozessflüssigkeit in Wechselwirkung treten und eine explosive oder leicht brennbare Mischung erzeugen kann.

   Die Verwendung einer \lbremse andererseits, macht den Zweck des Ersatzes von geölten Lagern durch ölfreie Magnetlager zunichte, da die \lbremse den Prozess dem Risiko einer \lkontamination aussetzt. Ebenso sind \ltröpfchen aus der \lbremse unkompatibel mit Magnetlagern. 



  Die vorliegende Erfindung ist demzufolge auf eine Energiedissipationsvorrichtung mit einer Closed-Loop-Leitung gemäss der Definition im Patentanspruch 1 gerichtet. 



  In einem separaten Aspekt der vorliegenden Erfindung besitzt die Energiedissipationsvorrichtung mit der Closed-Loop-Leitung eine geschlossene Schlaufe, worin ein Gas zirkuliert. Während dem Betrieb wird der Turboexpander nicht durch \ltröpfchen oder andere schädliche Schmiermittel des  Energiedissipators kontaminiert. 



  In einem weiteren separaten Aspekt der Erfindung zirkuliert ein inertes Bremsgas im geschlossenen Kreislauf der Energiedissipationsvorrichtung. Die Verwendung eines inerten Gases reduziert das Risiko von gefährlichen Wechselwirkungen zwischen dem Bremsgas und der Prozessflüssigkeit. 



  In einem weiteren separaten Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Energiedissipationsvorrichtung mit einem geschlossenen Kreislauf, dass das Bremsgas für andere Zwecke verwendet wird als zur Zirkulation durch die Closed-Loop-Leitung. Eine Aufbereitungsleitung und ein Kontrollventil erlauben eine Ergänzung des Bremsgases, welches durch die Dichtungen oder andere Systemteile verloren geht. 



  Ein weiterer separater Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass man die Geschwindigkeit des Turboexpanders regeln kann, indem der Druck innerhalb der Energiedissipationsvorrichtung mit der Closed-Loop-Leitung gesteuert wird, wobei der thermische Wirkungsgrad des Turboexpanders optimiert wird. 



  In einem weiteren separaten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der axiale Belastungsausgleich eines Turboexpanders eingestellt werden, indem die Drücke innerhalb der Energiedissipationsvorrichtung mit der Closed-Loop-Leitung gesteuert werden. 



  Es ist demzufolge Ziel der vorliegenden Erfindung, verbesserte Energiedissipationssysteme zur Verfügung zu stellen. Andere und weitere Ziele und Vorteile gehen aus der weiteren Beschreibung hervor. 
 
   Fig. 1 ist ein Diagramm einer nicht kontaminierenden Energiedissipationsvorrichtung. 
   Fig. 2 ist ein Diagramm eines Systems mit einem Turboexpander, einer nichtkontaminierenden Energiedissipationsvorrichtung und Lagern. 
 



  In Fig. 1 ist eine nicht kontaminierende Energiedissipationsvorrichtung erläutert. Die Dissipationsvorrichtung umfasst einen Closed-Loop-Kreis 11, welcher mit einem Kompressor 12, einem Druckreduktionsventil 13 und einem Wärmetauscher 14 verbunden ist. Der Kreis 11 enthält ein Bremsgas, das in Closed-Loop-Art zirkuliert. 



  In dieser Ausführungsform ist der Kompressor 12 ein Zentrifugalkompressor, der durch die Expansionsenergie angetrieben wird. Das Bremsgas, das in den Kompressor 12 eindringt, wird komprimiert, wobei das Bremsgas auf einen höheren Druck und auf eine höhere Temperatur gebracht wird. Das erwärmte, komprimierte Bremsgas wird in den Kreislauf 11 freigesetzt, und wird einem Druckreduktionsventil 13 zugeführt. Das Druckreduktionsventil 13, welches irgendein Steuerventil sein kann, expandiert das komprimierte Gas derart, dass der Druck des Gases zurück oder nahezu zurück auf den Druck des vorkomprimierten Gases reduziert wird. Das dekomprimierte Gas ist noch immer erwärmt, zirkuliert dann in die Leitung 11 zu einem Wärmetauscher 14. Der Wärmetauscher 14 entfernt die Wärme vom Gas. Es ist kein besonderer Wärmeaustauscher erforderlich, da viele Arten im System arbeiten würden.

   Der Wärmetauscher 14 ist vorzugsweise nach dem Druckreduktionsventil 13 entlang des Closed-Loop-Pfades, welcher durch die Leitung 11 definiert wird, angeordnet, da Wärmetauscher, welche Flüssigkeiten von niederen Drücken abkühlen, kostengünstiger sind als Wärmetauscher, welche Wärme von Flüssigkeiten mit hohen Drücken abkühlen. Nach der Wärmeübertragung auf den Wärmeaustauscher 14, wird das abgekühlte und dekomprimierte Gas in die Leitung 11 geleitet und kehrt zum Kompressor 12 zurück, wo sich der Zyklus  wiederholt. Durch diesen wiederholten Prozess der Kompression und Dekompression des Bremsgases, dissipiert das System gemäss Fig. 1 die unerwünschte Expanderenergie. 



  Im Betrieb und nach wiederholten Zyklen, kann etwas Bremsgas austreten oder auf andere Weise verlorengehen, durch Achsendichtungen oder andere Systemteile. Die Closed-Loop-Leitung 11 besitzt Verbindungen 15 und 16, derart, dass der Zustand des Gases, wie Druck, Temperatur und Fliessgeschwindigkeit, überwacht werden kann. Um eine zweckmässige Menge Bremsgas aufrecht zu erhalten, besitzt das System ein Steuerventil 17, welches mit der Aufbereitungsleitung 18 verbunden ist. Zusätzliches Bremsgas kann in die Aufbereitungsleitung 18 durch das Steuerventil 17 eingeleitet werden, wobei es in den Closed-Loop-Kreis 11 eindringt. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind das Steuerventil 17 und die Aufbereitungsleitung 18 zwischen dem Wärmetauscher 14 und dem Kompressor 12 angeordnet.

   Das Steuerventil 17 und die Aufbereitungsleitung 18 befinden sich vorzugsweise nach dem Druckreduktionsventil 13 entlang dem Closed-Loop-Weg, da es leichter ist, Gas zu einem dekomprimierten Gas zuzuführen, als zu einem komprimierten Gas. Die Aufbereitungsleitung 18 kann Teil der Closed-Loop-Leitung 11 sein, oder sie kann ein Fortsatz der Leitung 11 sein und nicht Teil des Closed-Loop-Weges. 



  Die Leitung 11 hat einen Auslass 19, welcher ermöglicht, dass das komprimierte Bremsgas noch für andere Zwecke gebraucht werden kann als durch die geschlossene Schleife (Closed-Loop) zu zirkulieren, z.B. zum Verschliessen verschiedener Hohlräume im System. Ein Steuerventil (nicht erläutert) reguliert, ob das Bremsgas in die geschlossene Schlaufe austritt. Wiederum kann verlorenes Bremsgas durch das Steuerventil 17 und die Aufbereitungsleitung 18 ersetzt werden. 



  In Fig. 2 ist ein System dargestellt, welches einen Turboexpander 21 und eine nicht kontaminierende Energiedissipationsvorrichtung 10, gemäss der ersten Ausführungsform verwendet, zusammen mit Magnetlagern 23. 



  Die komprimierte Prozessflüssigkeit, welche durch den Einlass 24 des Turboexpanders 21 eingeleitet wird, wird expandiert, wobei der Druck der  Prozessflüssigkeit auf den gewünschten Druck reduziert wird. Diese Prozessflüssigkeit tritt dann bei einem Auslass 25 aus. Die Expansion der Prozessflüssigkeit bewirkt, dass eine Welle 26 des Turboexpanders 21 rotiert, wobei Expanderenergie, welche den Kompressor 12 antreibt, erzeugt wird. Die Magnetlager 23 sind zwischen dem Turboexpander 21 und der nicht kontaminierenden Energiedissipationsvorrichtung 10 angeordnet. Der Betrieb der nicht kontaminierenden Energiedissipationsvorrichtung 10, gemäss der obigen Diskussion, führt die unerwünschte Expansionsenergie ab. 



  Die nicht kontaminierende Energiedissipationsvorrichtung kann verwendet werden, um überschüssige Expanderenergie so abzuführen, damit der Betrieb des Turboexpanders optimiert oder geändert wird. Die Belastung, die durch die Closed-Loop-Energiedissipationsvorrichtung erzeugt wird, wird erhöht, wenn der Differenzialdruck innerhalb der geschlossenen Schlaufe erhöht wird, d.h., man erhöht die Belastung durch eine Zunahme der Differenz zwischen dem Druck des komprimierten Bremsgases, welches den Kompressor 12 verlässt, und dem Druck des Bremsgases nach der Druckreduktion durch das Reduktionsventil 13. 



  Durch Steuerung des Differenzialdruckes innerhalb der Closed-Loop-Energiedissipationsvorrichtung kann man die Rotationsgeschwindigkeit der Turboexpanderachse steuern, wobei der thermische Wirkungsgrad des Turboexpanders optimiert wird. Zuerst bestimmt man, ob eine grössere oder kleinere Belastung gewünscht ist, und ob damit der Differenzialdruck des Bremsgases erhöht oder reduziert wird. Wünscht man, dass die Closed-Loop-Energiedissipationsvorrichtung mehr Expanderenergie dissipiert, muss der Differenzialdruck des Bremsgases erhöht werden. Wenn ein höheres Niveau des Differenzialdrucks erwünscht ist, kann der Verwender ein Steuerventil, wie das Druckreduktionsventil 13 in solcher Weise verwenden, dass der Druck des Bremsgases durch eine grössere Menge reduziert wird, oder der Verwender kann den Kompressor 12 so einstellen, dass das Bremsgas auf einen höheren Druck komprimiert wird.

   Andernseits kann, wenn die Menge der zu dissipierenden Expanderenergie reduziert werden soll, der Differenzialdruck des Bremsgases vermindert werden. In ähnlicher Weise kann der Differenzialdruck des Bremsgases vermindert werden, indem die Verwendung des Druckreduktions ventils 13 oder des Kompressors 12 geregelt wird. Die Steuerung des Differenzialdruckes des Bremsgases wird vorzugsweise durchgeführt, indem das Druckreduktionsventil 13 verwendet wird. Durch Einstellung des Differenzialdruckes des Bremsgases steuert man die Belastung, welche durch die Closed-Loop-Energiedissipationsvorrichtung erzeugt wird, die Geschwindigkeit des Turboexpanders und die Menge der expandierten Energie, welche durch die Closed-Loop-Energiedissipationsvorrichtung abgeführt wird.

   Die Closed-Loop-Energiedissipationsvorrichtung kann so betrieben werden, dass über den Turboexpander ein Maximum an Energieverlust erzielt werden kann. 



  Zur Steuerung des Differenzialdruckes des Bremsgases im Closed-Loop-System kann ebenfalls die axiale Belastung gesteuert werden, welche den Turboexpander ausgleicht. Man kann bestimmen, ob der Differenzialdruck des Bremsgases zu erhöhen oder zu vermindern sei und den Bremsgasdruck entsprechend einstellen. Demzufolge kann die Stossbelastung wie gewünscht eingestellt werden. Im Weiteren kann der gewünschte Differenzialdruck bei Änderung der Bedingungen geändert werden. In einem solchen Fall kann die Überwachung und Einstellung des Bremsgasdruckes manuell oder computergesteuert durchgeführt werden. Die Fachleute können leicht ein Computerprogramm zur Überwachung des Bremsgasdruckes und zum nötigen \ffnen und Schliessen der Steuerventile, um den gewünschten Differenzialdruck zu erhalten, erstellen. 



  Obschon die nicht kontaminierende Energiedissipationsvorrichtung 10 mit jeder Art von Lagern arbeitet, einschliesslich magnetischen, geölten Lagern und Gaslagern, werden Magnetlager bevorzugt. Im Zusammenhang mit den Gaslagern bestehen weitere Probleme bei der Filtration, bei der Stosskapazität und Leckage. \llager sind wie schon vorher erwähnt, oft Ursache einer \lmigration. 



  Wenn die nichtkontaminierende Energiedissipationsvorrichtung 10 mit magnetischen Lagern oder Gaslagern verwendet wird, kommt eine \lverschmutzung nicht vor, da keine Quelle von \l vorhanden ist. Wenn im Weiteren das in der nicht kontaminierenden Energiedissipationsvorrichtung 10 verwendetet Bremsgas ein inertes Gas wie Stickstoff ist, können gefährliche Prozess flüssigkeiten ohne Risiko der Bildung einer leicht brennbaren Flüssigkeit expandiert werden. Demzufolge kann das Bremsgas irgendein Gas sein, das nicht ungünstig mit der Prozessflüssigkeit reagiert. In einem System, das geölte Lager enthält, trägt die nichtkontaminierende Energiedissipationsvorrichtung 10 nicht zur Kontamination des Turboexpanders bei und die \lmigration ist kein Problem, wenn der Turboexpander in Betrieb ist.

   Demzufolge ist eine Energiedissipationsvorrichtung offenbart, welche Turboexpander nicht kontaminiert und ebenfalls den Betrieb mit gefährlichen Prozessflüssigkeiten erlaubt. Diese Closed-Loop-Energiedissipationsvorrichtung kann ebenfalls verwendet werden, um den Betrieb von Turboexpandern zu ändern oder zu optimieren. 



  Obschon die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme einer bevorzugten Ausführungsform im Einzelnen beschrieben ist, ist keine Einschränkung beabsichtigt, da andere Ausführungsformen und Modifikationen für eine Fachperson leicht abgeleitet werden können. Es ist demzufolge beabsichtigt, dass die beiliegenden Ansprüche alle derartigen Modifikationen umfassen sollen, welche unter die Idee und den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen. 

Claims (8)

1. Nichtkontaminierende Energiedissipationsvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Kompressor (12), ein Druckreduktionsventil (13), einen Wärmetauscher (14), eine Closed-Loop-Leitung (11), welche den Kompressor einschliesst, wobei das Druckreduktionsventil und der Wärmetauscher seriell angeordnet sind.

2. Nichtkontaminierende Energiedissipationsvorrichtung (10) gemäss Anspruch 1, enthaltend eine Aufbereitungsleitung (18), die ein Steuerventil (17) enthält, wobei die Aufbereitungsleitung in Verbindung mit der Closed-Loop-Leitung (11) ist.

3. Nichtkontaminierende Energiedissipationsvorrichtung (10) gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufbereitungsleitung zwischen dem Wärmetauscher (14) und dem Kompressor (12) in Verbindung mit dem Closed-Loop (11) ist.

4.

Nichtkontaminierende Energiedissipationsvorrichtung (10) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Turboexpander (21) enthält, der das Prozessgas aufnimmt und mit dem Kompressor in einer Rotationskupplung ist, wobei in der Closed-Loop-Leitung (11) ein Energiedissipationsgas enthalten ist, welches gegenüber dem Prozessgas im Turboexpander inert ist.

5. Nichtkontaminierende Energiedissipationsvorrichtung (10) gemäss Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiedissipationsgas Stickstoff ist.

6.

Verfahren zur Dissipation von Rotationsenergie, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: Kompression eines Bremsgases in einem Closed-Loop-Energiedissipator gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5 auf einen ersten Kompressordruck, Expansion des komprimierten Bremsgases in der Closed-Loop-Energiedissipationsvorrichtung auf einen zweiten Druck, Abführen der Wärme des Bremsgases in der Closed-Loop-Energiedissipationsvorrichtung, Rückführung des Bremsgases in den Kompressor nach dem Expansions- und Wärmeabführschritt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabführungsschritt für das Bremsgas dem Expansionsschritt für das komprimierte Bremsgas folgt.

8.

Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Schritt zur Regulierung der Differenz zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck enthält, um die Energiedissipation auszuwählen.