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ターボエキスパンダーは、ターボエキスパンダーまたは膨張タービンとも呼ばれ、高圧ガスを膨張させてコンプレッサーや発電機を駆動するためによく使用される仕事を生み出す遠心タービンまたは軸流タービンです。[1] [2] [3]
仕事は膨張する高圧ガスから抽出されるため、膨張は等エントロピー過程（すなわち、一定エントロピー過程）で近似され、タービンからの低圧排気ガスは、動作圧力とガス特性に応じて、非常に低い温度（-150 °C 以下）になります。膨張したガスが部分的に液化することは珍しくありません。
ターボエキスパンダーは、天然ガスからのエタンや天然ガス液（NGL）の抽出[4]、ガス（酸素、窒素、ヘリウム、アルゴン、クリプトンなど）の液化[5] [6]、およびその他の低温プロセスなどの工業プロセスにおける冷凍源として広く使用されています。
現在稼働中のターボエキスパンダーのサイズは約 750 Wから約 7.5 MW (1 hpから約 10,000 hp) の範囲です。
アプリケーション
ターボエキスパンダーは低温プロセスでよく使用されますが、他の多くの用途でも使用されます。このセクションでは、低温プロセスの 1 つと、他の用途のいくつかについて説明します。
天然ガスから炭化水素液体を抽出する
原料天然ガスは、主に、最も短く軽い炭化水素分子であるメタン (CH 4 )と、エタン(C 2 H 6 )、プロパン(C 3 H 8 )、ノルマルブタン( n -C 4 H 10 )、イソブタン( i -C 4 H 10 )、ペンタン、さらに高分子量の炭化水素などのより重い炭化水素ガスで構成されています。原料ガスには、二酸化炭素(CO 2 )、硫化水素(H 2 S)などの酸性ガスや、メタンチオール(CH 3 SH) やエタンチオール(C 2 H 5 SH)などのメルカプタンもさまざまな量含まれています。
これらの重質炭化水素は、最終的な副産物に加工されると（天然ガス加工を参照）、総称してNGL（天然ガス液体）と呼ばれます。NGLの抽出には、図に示すように、ターボエキスパンダー[7]と低温蒸留塔（脱メタン装置と呼ばれる）がよく使用されます。脱メタン装置への入口ガスは、まず熱交換器（コールドボックスと呼ばれる）で約-51℃まで冷却され、入口ガスが部分的に凝縮されます。結果として生じるガスと液体の混合物は、次にガス流と液体流に分離されます。
ガス液分離器からの液体ストリームはバルブを通過し、絶対圧力 62 barから 21 bar (6.2 ～ 2.1 MPa) への絞り膨張を受けます。これは等エンタルピー過程 (つまり、定エンタルピー過程) であり、ストリームが脱メタン装置に入ると、ストリームの温度が約 -51 °C から約 -81 °C に低下します。
ガス液分離器からのガス流はターボエキスパンダーに入り、ここで絶対圧力62 barから21 bar（6.2～2.1 MPa）までの等エントロピー膨張を受け、ガス流の温度が約-51 °Cから約-91 °Cに低下して脱メタン装置に入り、蒸留還流として機能します。
脱メタン装置の上部トレイからの液体(約 -90 °C) はコールド ボックスを通過し、そこで入口ガスを冷却しながら約 0 °C まで温められ、その後、脱メタン装置の下部セクションに戻されます。脱メタン装置の下部セクションからの別の液体ストリーム (約 2 °C) はコールド ボックスを通過し、約 12 °C で脱メタン装置に戻されます。実際には、入口ガスは脱メタン装置の下部を「再沸騰」させるために必要な熱を提供し、ターボエキスパンダーは脱メタン装置の上部で還流を提供するために必要な熱を取り除きます。
脱メタン装置から出る約 -90 °C のオーバーヘッドガス製品は、パイプラインで最終消費者に配送するのに適した品質に処理された天然ガスです。コールドボックスを通過し、そこで入口ガスを冷却しながら温められます。その後、ターボエキスパンダーで駆動されるガスコンプレッサーで圧縮され、電気モーターで駆動される第 2 段階のガスコンプレッサーでさらに圧縮されてから、配送パイプラインに入ります。
脱メタン装置からの底部生成物も、NGL としてシステムから出る前に、入口ガスを冷却するため、コールド ボックスで温められます。
オフショアガス調整ターボ膨張機/再圧縮機の動作条件は次のとおりです。[8]
発電
この図は、熱源、冷却媒体 (空気、水など)、循環作動流体、およびターボエキスパンダーを使用する発電システムを示しています。このシステムは、次のようなさまざまな熱源に対応できます。
- 地熱温水、
- さまざまな燃料（天然ガス、埋立地ガス、ディーゼル油、重油）を燃焼する内燃機関からの排気ガス、
- さまざまな廃熱源（ガスまたは液体の形態）。
循環作動流体 (通常はR-134a などの有機化合物) は高圧にポンプで送られ、次に利用可能な熱源との熱交換によって蒸発器で気化されます。その結果生じた高圧蒸気はターボエキスパンダーに流れ、そこで等エントロピー膨張を受けて気液混合物として排出され、次に利用可能な冷却媒体との熱交換によって液体に凝縮されます。凝縮された液体は蒸発器にポンプで戻され、サイクルが完了します。
図のシステムは、化石燃料発電所で使用されているランキンサイクルを実装しています。このサイクルでは、水が作動流体であり、熱源は高圧蒸気を生成するために使用される天然ガス、燃料油、または石炭の燃焼から得られます。高圧蒸気は、次に従来の蒸気タービンで等エントロピー膨張します。次に、蒸気タービンの排気蒸気は液体の水に凝縮され、サイクルを完了するために蒸気発生器に送り返されます。
R-134aなどの有機作動流体がランキンサイクルで使用される場合、そのサイクルは有機ランキンサイクル（ORC）と呼ばれることもあります。[9] [10] [11]
冷却システム
冷凍システムは、コンプレッサー、ターボエキスパンダー、電気モーターを利用します。
運転条件に応じて、ターボエキスパンダーは、ターボエキスパンダーではなくスロットル膨張弁を使用する従来の蒸気圧縮冷凍システムと比較して、電動モーターの負荷を6～15％削減します。 [12]基本的に、これはターボコンパウンドの一種と見なすことができます。
このシステムでは、次のような高圧冷媒（すなわち、通常沸点が低い冷媒）が使用される。[12]
- クロロジフルオロメタン（CHClF 2）はR-22とも呼ばれ、標準沸点は-47℃です。
- 1,1,1,2-テトラフルオロエタン（C 2 H 2 F 4）はR-134aとしても知られ、標準沸点は-26℃です。
図に示すように、冷媒蒸気は高圧に圧縮され、その結果温度も高くなります。圧縮された高温の蒸気はその後、液体に凝縮されます。凝縮器は、循環する冷媒から熱が放出され、凝縮器で使用される冷却媒体 (空気、水など) によって熱が運び去られる場所です。
冷媒液はターボエキスパンダーを通過して気化し、蒸気は等エントロピー膨張を起こし、その結果、蒸気と液体の低温混合物になります。その後、蒸気と液体の混合物は蒸発器を通過し、冷却される空間から吸収された熱によって気化されます。気化した冷媒はコンプレッサーの入口に流れ、サイクルが完了します。
作動流体が相変化を起こさずに熱交換器内に気体のまま残る場合、このサイクルは逆ブレイトンサイクルまたは「冷凍ブレイトンサイクル」とも呼ばれます。
流動接触分解装置における電力回収
流動接触分解装置の触媒再生装置から排出される燃焼 排ガスの温度は約 715 °C、圧力は約 2.4 barg (240 kPa ゲージ) です。そのガス成分は主に一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO 2 )、窒素(N 2 ) です。排ガスは、混入した触媒微粒子を除去するために 2 段階のサイクロン(再生装置内) を通過していますが、それでも残留触媒微粒子が残っています。
この図は、再生器の排気ガスをターボエキスパンダーに通すことで、電力がどのように回収され、利用されるかを示しています。排気ガスは再生器から排出された後、残留触媒微粒子の70～90％を除去するように設計された渦流管を含む二次触媒分離器に送られます。 [13]これは、ターボエキスパンダーの浸食による損傷を防ぐために必要です。
図に示すように、ターボエキスパンダーによる排気ガスの膨張により、再生器の燃焼空気圧縮機を駆動するのに十分な電力が得られます。電力回収システムの電動モーター発電機は、電力を消費または生成できます。排気ガスの膨張で空気圧縮機を駆動するのに十分な電力が得られない場合、電動モーター発電機が必要な追加電力を提供します。排気ガスの膨張によって空気圧縮機を駆動するために必要な電力よりも多くの電力が得られる場合、電動モーター発電機は余剰電力を電力に変換し、それを製油所の電気システムに輸出します。[14]蒸気タービンは、流動接触分解装置の起動時に、そのタスクを引き継ぐのに十分な燃焼排気ガスが得られるまで、再生器の燃焼空気圧縮機を駆動するために使用されます。
膨張した排気ガスは蒸気発生ボイラー（ COボイラーと呼ばれる）に送られ、そこで排気ガス中の一酸化炭素が燃料として燃焼され、製油所で使用する蒸気が供給されます。[14]
COボイラーからの排ガスは、残留粒子状物質を除去するために静電集塵機（ESP）で処理されます。ESPは、排ガスから2〜20マイクロメートルのサイズ範囲の粒子状物質を除去します。 [14]
歴史
膨張機を使って等エントロピー的に低温を作り出す可能性は、1857年にドイツの技術者カール・ヴィルヘルム・シーメンス（シーメンスサイクル）によって提案された。約30年後の1885年、ベルギーのアーネスト・ソルベイが往復膨張機の使用を試みたものの、そのような温度では機械の潤滑に問題があったため、-98℃以下の温度には達しなかった。[2]
1902年、フランスの技術者ジョルジュ・クロードは往復膨張機を使って空気を液化することに成功した。彼は脱脂した焦がし革のパッキンを潤滑剤なしでピストンシールとして使用した。わずか40バール（4MPa）の空気圧で、クロードはほぼ等エントロピー膨張を達成し、それまで不可能だった低温を実現した。[2]
最初のターボエキスパンダーは、1934年か1935年頃にドイツのリンデ社に勤務していたイタリア人エンジニア、グイド・ゼルコヴィッツによって設計されたようです。[15] [16]
1939年、ロシアの物理学者ピョートル・カピツァは遠心ターボエキスパンダーの設計を完成させた。彼の最初の実用的なプロトタイプはモネル金属で作られ、外径はわずか8cm（3.1インチ）で、毎分40,000回転で動作し、毎時1,000立方メートルの空気を膨張させた。水ポンプをブレーキとして使用し、効率は79～83%であった。[2] [16]それ以来、産業用に使用されるほとんどのターボエキスパンダーはカピツァの設計に基づいており、遠心ターボエキスパンダーは産業用ガス液化および低温プロセス要件のほぼ100%を占めるようになった。[2] [16]液体酸素が利用可能になったことで、塩基性酸素製鋼プロセスを使用した鋼鉄生産に革命が起こった。
1978年、ピョートル・カピツァは低温物理学の分野での業績によりノーベル物理学賞を受賞した。[17]
1983年、サンディエゴガスアンドエレクトリックは、エネルギー回収のために天然ガスの放出ステーションにターボエキスパンダーを設置した最初の企業の1つでした。[18]
種類
ターボエキスパンダーは、負荷装置またはベアリングによって分類できます。
ターボエキスパンダーで使用される主な負荷装置は、遠心圧縮機、発電機、油圧ブレーキの 3 つです。遠心圧縮機と発電機を使用すると、ターボエキスパンダーからの軸動力が回収され、プロセスガスを再圧縮するか、電気エネルギーを生成するため、光熱費が削減されます。
油圧ブレーキは、ターボエキスパンダーが非常に小さく、シャフト動力の回収が経済的に正当化できない場合に使用されます。
使用されるベアリングは、オイルベアリングまたは磁気ベアリングのいずれかです。
参照
参考文献
- ^ Heinz Bloch および Claire Soares (2001)。ターボエキスパンダーとプロセスアプリケーション。Gulf Professional Publishing。ISBN 0-88415-509-9。
- ^ abcde Frank G. Kerry (2007).産業用ガスハンドブック:ガスの分離と精製. CRC Press. ISBN 978-0-8493-9005-0。
- ^ トーマス・フリン (2004)。極低温工学（第2版）。CRC Press。ISBN 0-8247-5367-4。
- ^ デメサンザー。
- ^ BOC (NZ) 出版物 2006-09-28 にWayback Machineにアーカイブ済み: キーワード「expansion」の検索機能を使用。
- ^ 米国エネルギー省水素プログラム。
- ^ Gas Processes 2002、Hydrocarbon Processing、83～84ページ、2002年5月（NGL-ProおよびNGL回収プロセスの概略フロー図と説明）。
- ^ プロセスフロー図 NW Hutton 1987
- ^ 「廃熱利用のためのORC技術」(PDF) 。 2011年7月20日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2008年7月22日閲覧。
- ^ 統合ランキンサイクルプロジェクト。
- ^ オーストリア、アルトハイムのランキンサイクルタービン発電機。Wayback Machineに 2008-09-14 にアーカイブ。
- ^ ab 膨張タービンを備えた冷凍装置、欧州特許 EP 0 676 600 B1、2000 年 9 月 6 日、Joost J. Brasz、Carrier Corporation EP 0 676 600 B1 (この Web サイトは登録が必要です)。
- ^ Alex C. Hoffnab および Lewis E. Stein (2002)。ガスサイクロンおよびスワールチューブ: 原理、設計および操作(第 1 版)。Springer。ISBN 3-540-43326-0。
- ^ abc Reza Sadeghbeigi (2000).流動接触分解ハンドブック（第2版）. Gulf Publishing. ISBN 0-88415-289-8。
- ^ 低温ガス分離用タービン、米国特許 2,165,994、1939 年 7 月 (1934 年 3 月の出願の継続)、Guido Zerkowitz、Linde AG 米国特許 US2165994 (この Web サイトは登録が必要です)。
- ^ abc エッベ・アルムクヴィスト (2002)。産業ガスの歴史(初版)。スプリンガー。 p. 165.ISBN 0-306-47277-5。
- ^ ピョートル・カピツァ、1978年ノーベル物理学賞。
- ^ ターボエキスパンダー：天然ガス配給システムの潜在能力を活用する。
外部リンク
- 天然ガス減圧ステーションにおける膨張タービンの使用
- ターボラボのターボ機械とポンプシンポジウム