터보 익스팬더

Turboexpander
컴프레서를 구동하는 터보 익스팬더의 개략도

터보 익스팬더는 터보 익스팬더 또는 팽창 터빈이라고도 하며, 원심 또는 축류 터빈으로, 고압 가스를 팽창시켜 압축기나 발전기를 구동하는 데 흔히 사용되는 작업을 생산한다.[1][2][3]

팽창하는 고압가스로부터 작업이 추출되기 때문에 팽창은 등방성 공정(즉, 일정한 엔트로피 공정)에 의해 근사되며, 터빈으로부터 나오는 저압 배기가스는 운용압력과 가스 속성에 따라 -150 °C 이하의 매우 낮은 온도에 있다. 팽창된 가스의 부분 액화작용은 드물지 않다.

터보 익스팬더는 천연가스로부터 에탄과 천연가스 액체(NGL)의 추출,[4] 기체의 액화(산소, 질소, 헬륨, 아르곤, 크립톤 등)[5][6] 및 기타 저온 공정에서 냉동원으로 널리 사용된다.

터보 익스팬더는 현재 약 750 W에서 약 7.5 MW(1 hp에서 약 10,000 hp)의 크기로 운용되고 있다.

적용들

터보 익스팬더는 저온 공정에서 일반적으로 사용되지만, 다른 많은 응용 분야에서도 사용된다. 이 절에서는 저온 프로세스 중 하나와 다른 일부 애플리케이션에 대해 논의한다.

천연가스에서 탄화수소 액체 추출

천연가스에서 탄화수소 액체를 추출하는 데메탄제 도표

천연가스는 주로 에탄(CH26), 프로판(CH38), 일반부탄(n-CH410), 이소부탄(i-CH410), 펜탄(pentane), 심지어 분자-대량 탄화수소와 함께 가장 짧고 가벼운 탄화수소 분자인 메탄(CH4)으로 구성되어 있다. 원기체에는 이산화탄소(CO2), 황화수소(HS2), 메탄에티올(CHSH3), 에탄에티올(CHSH25)과 같은 메르카프탄(Mercaptan)도 다양하게 들어 있다.

완성된 부산물로 가공할 때(천연가스 가공 참조), 이렇게 무거운 탄화수소를 총칭하여 NGL(천연가스 액체)이라고 부른다. NGL의 추출은 종종 그림과 같이 터보 익스팬더와[7] 저온 증류기둥(데메탄제라고 함)을 포함한다. 제습기로 가는 흡입 가스는 먼저 열 교환기(콜드 박스라고도 함)에서 약 -51°C로 냉각되며, 이 열 교환기는 흡입 가스를 부분적으로 응축시킨다. 그 결과 가스-액체 혼합물은 가스 흐름과 액체 흐름으로 분리된다.

기체-액체 분리기의 액체 스트림은 밸브를 통해 흐르며 절대압력 62bar에서 21bar(6.2~2.1MPa)로 조절 팽창을 거치게 되는데, 이 공정은 스트림이 t로 진입함에 따라 스트림의 온도를 약 -51°C에서 약 -81°C로 낮추는 이온성 과정이다.그는 선동가였다.

기체-액체 분리막에서 나오는 기체 흐름은 터보 익스팬더로 들어가는데, 여기서 기체 흐름의 온도를 약 -51°C에서 약 -91°C로 낮추는 절대압력 62bar에서 21bar(6.2~2.1MPa)로 등방성 팽창을 거친다.

데메타나이저의 상단 트레이(약 -90°C)에서 나온 액체가 콜드 박스를 통과하여 흡입 가스를 냉각하면서 약 0°C로 데워진 후 데메타나이저의 하단부로 되돌아간다. 데메타나이저의 하부(약 2 °C)에서 나오는 또 다른 액체 스트림은 콜드 박스를 통과하여 약 12 °C에서 데메타나이저로 반환된다. 실제로 흡입 가스는 데메탄제 바닥의 '재보일'에 필요한 열을 제공하고, 터보 익스팬더는 데메탄제 상단의 환류를 제공하는 데 필요한 열을 제거한다.

약 -90 °C의 데메타나이저에서 나오는 오버헤드 가스 제품은 파이프라인을 통해 최종 사용 소비자에게 분배하기에 적합한 품질의 가공 천연가스다. 냉수 박스를 통과하여 흡입 가스를 냉각하면서 데워진다. 그런 다음 터보 익스팬더에 의해 구동되는 가스 압축기에 압축되고 배전 파이프라인에 들어가기 전에 전기 모터에 의해 구동되는 2단 가스 압축기에 추가로 압축된다.

데메탄화제의 하단 제품도 NGL로 시스템을 떠나기 전에 흡입 가스를 냉각시키면서 콜드 박스에서 데워진다.

해상 가스 조절 터보 익스팬더/리컴프레서의 작동 조건은 다음과 같다.[8]

터보 익스팬더 다시 압축기
흡입구 콘센트 흡입구 콘센트
온도 °C 11.0 –13.0 22.0 40.0
압력 바겐 75.0 39.31 38.62 47.24
유량 kg/hr 27728 20658
분자량 22.08 20.74
회복/사용된 에너지 kW 345 345

발전

터보 익스팬더를 이용한 발전 시스템의 개략도

이 그림은 열원, 냉각 매체(공기, 물 등), 순환되는 작동 유체, 터보 익스팬더를 사용하는 전력 발전 시스템을 묘사하고 있다. 이 시스템은 다음과 같은 다양한 열원을 수용할 수 있다.

순환되는 작동유체(일반적으로 R-134a와 같은 유기 화합물)는 고압으로 펌핑한 다음 사용 가능한 열원과의 열 교환에 의해 증발기에서 기화된다. 그 결과 고압 증기는 터보 익스팬더로 흘러가서 등방성 팽창을 거치고 증기-액체 혼합물로 빠져나가고, 그 다음 사용 가능한 냉각 매체와의 열 교환에 의해 액체로 응축된다. 응축된 액체를 증발기로 다시 펌핑하여 사이클을 완료한다.

그림의 시스템은 화석 연료 발전소에서 사용되면서 랭킨 사이클을 구현하는데, 여기서 물은 작동 유체이고 열원은 고압 증기를 생성하기 위해 사용되는 천연 가스, 연료 오일 또는 석탄의 연소로부터 도출된다. 그리고 나서 고압 증기는 전통적인 증기 터빈에서 등방성 확장을 거친다. 증기터빈 배기가스 증기는 다음으로 액체로 응축되고, 그 다음엔 증기발생기로 펌핑되어 순환을 완료한다.

R-134a와 같은 유기 작동 유체가 랭킨 사이클에서 사용될 때, 그 사이클을 유기 랭킨 사이클(ORC)이라고 부르기도 한다.[9][10][11]

냉동 시스템

터보 익스팬더, 압축기 및 모터를 사용한 냉동 시스템의 개략도

냉장 시스템은 압축기, 터보 익스팬더 및 전기 모터를 사용한다.

터보 익스팬더는 작동 조건에 따라 터보 익스팬더가 아닌 조절 팽창 밸브를 사용하는 기존 증기압축 냉동장치에 비해 전기 모터의 부하를 6~15% 줄인다.[12] 기본적으로 이것은 터보 컴파운드(turbo complexing)의 한 형태로 볼 수 있다.

이 시스템은 다음과 같은 고압 냉매(즉, 정상 비등점이 낮은 냉매)를 사용한다.[12]

그림과 같이 냉매 증기는 더 높은 압력으로 압축되어 온도 또한 더 높아진다. 뜨겁고 압축된 증기는 그 후 액체로 응축된다. 콘덴서는 순환 냉매에서 열이 배출되고 콘덴서에 사용되는 냉각 매체(공기, 물 등)에 의해 운반된다.

냉매 액체는 터보 익스팬더를 통해 흐르는데, 여기서 기화되며, 증기는 등방성 팽창을 거치며, 그 결과 저온의 증기와 액체가 혼합된다. 그런 다음 증기-액체 혼합물은 증발기를 통과하여 냉각되는 공간에서 흡수된 열에 의해 증발된다. 기화된 냉매가 컴프레서 입구로 흘러들어 사이클을 완료한다.

유체 촉매 크래커의 전력 회수

유체 촉매 균열 유닛의 전원 복구 시스템 개략도

유체 촉매 크래커의 촉매 재생기에서 나오는 연소 연도 가스는 약 715 °C의 온도와 약 2.4 barg(240 kPa 게이지)의 압력에 있다. 기체 성분은 대부분 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 질소(N2)이다. 연도 가스는 주입된 촉매 벌금을 제거하기 위해 두 단계의 사이클론(재생기 내에 위치)을 거쳤으나, 여전히 일부 잔류 촉매 벌금을 포함하고 있다.

이 그림은 터보 익스팬더를 통해 재생기 연도 가스를 라우팅하여 동력을 회수하고 활용하는 방법을 그리고 있다. 연도 가스가 재생기에서 나온 후에는 잔류 촉매 미세물의 70~90%를 제거하도록 설계된 스월 튜브가 들어 있는 2차 촉매 분리기를 통해 전달된다.[13] 이는 터보 익스팬더의 침식 손상을 방지하기 위해 필요하다.

그림과 같이 터보 익스팬더를 통한 연도 가스 팽창은 재생기의 연소 공기 압축기를 구동하기에 충분한 동력을 제공한다. 전력 복구 시스템의 전기 모터 발전기는 전력을 소비하거나 생산할 수 있다. 연도 가스의 팽창이 공기 압축기를 구동하기에 충분한 전력을 제공하지 않는 경우, 전기 모터-제너레이터는 필요한 추가 전력을 제공한다. 연도 가스 팽창이 공기 압축기를 구동하는 데 필요한 것보다 더 많은 전력을 공급하면 전기 모터-제너레이터는 잉여 전력을 전력으로 변환하여 정유소의 전기 시스템으로 내보낸다.[14] 증기 터빈은 유체 촉매 크래커의 시동 중에 해당 작업을 인계하기에 충분한 연소 연도 가스가 있을 때까지 재생기의 연소 공기 압축기를 구동하는 데 사용된다.

팽창된 연도 가스는 증기를 발생시키는 보일러(CO 보일러라고 한다)를 통해 연결되며, 여기서 연도 가스의 일산화탄소는 정제소에서 사용할 수 있는 증기를 제공하기 위한 연료로 연소된다.[14]

CO 보일러의 연도 가스는 정전기집진기(ESP)를 통해 처리되어 잔류 입자 물질을 제거한다. ESP는 연도 가스에서 2~20마이크로미터 크기의 미립자를 제거한다.[14]

역사

1857년 독일의 엔지니어 칼 빌헬름 지멘스(Siemens cycle)가 저온을 등신적으로 생성하기 위해 확장 기계를 사용할 수 있다고 제안했다. 약 30년 후인 1885년 벨기에의 어니스트 솔베이는 왕복 확장기 사용을 시도하였으나, 그러한 온도에서 기계의 윤활 문제가 발생하여 -98 °C 이하의 온도는 얻을 수 없었다.[2]

1902년 프랑스 엔지니어 조르주 클로드(Georges Claude)는 왕복 팽창기를 사용하여 공기를 액화시키는 데 성공했다. 기름칠을 하고 불에 탄 가죽 패킹을 윤활유 없이 피스톤 씰로 사용했다. 기압이 40bar(4 MPa)에 불과한 클로드 씨는 거의 등방성 확장을 달성해 전보다 기온이 낮아졌다.[2]

최초의 터보 익스팬더는 약 1934년 또는 1935년에 린데 AG의 독일 회사에서 일하는 이탈리아 엔지니어 Guido Zerkowitz에 의해 디자인된 것으로 보인다.[15][16]

1939년 러시아 물리학자 표트르 카피차(Pyotr Kapitsa)가 원심 터보 익스팬더 설계를 완성했다. 그의 첫 번째 실용적인 프로토타입은 모넬 금속으로 만들어졌고, 외경은 8cm(3.1인치)에 불과했으며, 분당 4만 회전으로 작동했고, 시간당 1,000 입방 미터의 공기를 팽창시켰다. 급수 펌프를 브레이크로 사용했으며 효율은 79~83%[2][16]에 달했다. 이후 산업용 터보 익스팬더는 대부분 카피타 설계에 기초했으며, 원심형 터보 익스팬더는 산업용 가스 액화 및 저온 공정 요구사항의 거의 100%를 차지했다.[2][16] 액체 산소의 가용성은 기본적인 산소 제강 공정을 이용한 강철 생산에 혁명을 일으켰다.

1978년 표트르 카피차(Pyotr Kapitsa)는 저온물리학 분야에서 작업한 공로로 노벨물리학상을 받았다.[17]

1983년, 샌디에이고 가스와 일렉트릭은 에너지 회복을 위해 천연 가스 레트다운 스테이션에 터보 익스팬더를 설치한 최초의 사람이었다.[18]

종류들

터보 익스팬더는 적재 장치 또는 베어링에 의해 분류될 수 있다.

터보 익스팬더에 사용되는 세 가지 주요 하중 장치는 원심 압축기, 발전기 또는 유압 브레이크다. 원심압축기와 발전기로 터보 익스팬더로부터의 샤프트 동력은 프로세스 가스를 재충전하거나 전기 에너지를 생성하여 유틸리티 비용을 낮춘다.

유압 브레이크는 터보 익스팬더가 매우 작아서 샤프트 동력을 얻는 것이 경제적으로 정당화되지 않을 때 사용된다.

사용되는 베어링은 오일 베어링 또는 마그네틱 베어링이다.


참고 항목

참조

  1. ^ Heinz Bloch and Claire Soares (2001). Turboexpanders and Process Applications. Gulf Professional Publishing. ISBN 0-88415-509-9.
  2. ^ a b c d e Frank G. Kerry (2007). Industrial Gas Handbook:Gas Separation and Purification. CRC Press. ISBN 0-8493-9005-2.
  3. ^ Thomas Flynn (2004). Cryogenics Engineering (Second ed.). CRC Press. ISBN 0-8247-5367-4.
  4. ^ 데메탄저.
  5. ^ BOC (NZ) 간행물: 키워드 "확장"에 검색함수를 사용한다.
  6. ^ 미국 에너지 수소 프로그램 부서.
  7. ^ 가스 프로세스 2002, 탄화수소 처리(83–84페이지), 2002년 5월(NGL-Pro 및 NGL 복구 프로세스에 대한 계획적인 흐름도 및 설명)
  8. ^ 프로세스 흐름도 NW Hutton 1987
  9. ^ 폐열 응용을 위한 ORC 기술
  10. ^ 통합 랭킨 사이클 프로젝트.
  11. ^ 오스트리아 알테임의 랭킨 사이클 터보제너레이터.
  12. ^ a b 팽창 터빈을 장착한 냉동장치, 유럽특허 EP 0 676 600 B1, 2000년 9월 6일, Joost J. Brasz, Carrier Corporation EP 0 676 600 B1(이 웹사이트는 등록이 필요하다).
  13. ^ Alex C. Hoffnab and Lewis E. Stein (2002). Gas Cyclones and Swirl Tubes:Principles , Design and Operation (1st ed.). Springer. ISBN 3-540-43326-0.
  14. ^ a b c Reza Sadeghbeigi (2000). Fluid Catalytic Cracking Handbook (2nd ed.). Gulf Publishing. ISBN 0-88415-289-8.
  15. ^ 저온 가스 분리를 위한 터빈, 미국 특허 2,165,994, 1939년 7월 (1934년 3월 신청 계속), 귀도 제르코위츠, 린데 AG 미국 특허 US2165994(이 웹사이트는 등록이 필요하다).
  16. ^ a b c Ebbe Almqvist (2002). History of Industrial Gases (First ed.). Springer. p. 165. ISBN 0-306-47277-5.
  17. ^ 1978년 노벨 물리학상 표트르 카피차.
  18. ^ 터보 익스팬더: 천연가스 분배 시스템의 숨겨진 잠재력 활용.

외부 링크