چکیده
در واحد جداسازی هوا توربو اکسپندر/ ژنراتور با هدف سرد سازی و مایع سازی جزئی هوا قبل از ورود به برج جداسازی بکار رفته است . در این مقاله قصد داریم با مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی و داده های عملیاتی توربو اکسپندر درواحدجداسازی هوا علل مختلف عدم سرما سازی کافی آن را بعد از تعمیرات اساسی بررسی کرده و به تجزیه و تحلیل آن بپردازیم .
واژه های کلیدی

توربو اکسپندر(توربین)- محفظه سرد(کلد باکس)
مقدمه

توربو اکسپندر ها بصورت گسترده ای در فرایندهای کرایوژنیک به منظور سرد سازی مورد لزوم جهت جدا سازی و مایع سازی جزئی مورد استفاده قرارمی گیرند . سادگی فرایند و سبکی تجهیزات بکـار رفته در سیستم فرایندی توربو اکسپندرها باعث جذابیت در استفاده از آنها گردیده است . موارد مهم استفاده از توربو اکسپندرها عبارتنـد از :
❖ جدا سازی هوا

❖ بازیابی میعانات از گاز طبیعی

❖ مایع سازی گازها از جمله هلیوم

❖ سرماسازی در فراینـد هـای مختلـف کرایوژنیـک همچـون بازیابی اتیلن

❖ تولید برق که بعضی مواقع بعنوان بازیافت توان به آن اشاره می شود.

در واحد جـدا سـازی پتروشـیمی فجـر نیتـروژن مـایع و گـازی ، اکسیژن مایع وگازی تولید می شود.برای بررسی موضوع در ابتدا توضیح مختصری در مورد فرایند جداسـازی هـوا در پتروشـیمی فجر بیان می کنیم.

شرح فرایند واحد تفکیک هوا :

واحد جداسازی هوا توسط دو عدد کمپرسور اصلی هوا تغذیه می شود ومجموعا ظرفیت ان ۵۰۰۳۰ Nm3/h می باشد . هوای خروجی از کمپرسور ها توسط یک هدر مشترک وارد مبدل حرارتی دو قسمتیaftercooler/airchiller می شود و در آنجا خنک می شود. سپس هوای فشرده و سرد شده از بسترهای جاذب سطحی که از نوع دمایی هستند عبور کرده و در آنجا آب و دی اکسید کربن و

استیلن و هیدروکربن های سنگین آن جذب می گردد و سپس پس از خروج به دو بخش تقسیم می گردد که بخشی وارد کلد باکس (COLD BOX) و بخش دیگر وارد کمپرسور بوستر (کمپرسور تقویت کننده فشار ) می شود . کمپرسور بوستر در واقع دو کمپرسور جدا از هم می باشد که روی یک شافت قرار گرفته اند . فشار هوا در خروجی از مرحله سوم آن به حدود ۴۰٫۹۳bara می رسد و پس از عبور از مبدل حرارتی اصلی (MAIN HEAT EXCHANGER) تا دمای-۱۱۰ C سرد شده و وارد توربو اکسپندر می شود . هوا پس از خروج از اکسپندر وارد برج پر فشارا (HP COLUMN) می شود . فشار در خروجی اکسپندر برابر۵٫۸۳ bara می شود . هوای خروجی از مرحله چهارم کمپرسور بوستر فشار آن به۶۲ bara رسانده شده وپس از عبور از مبدل حرارتی اصلی وارد شیر فشار شکن ( JOULE (THOMSON VALVE می شود و فشار آن به حدود۰٫۵ barg کاهش یافته و وارد برج کم فشار ( LP COLUMN) می شود . بخشی از هوای خروجی که ازTSA وارد مبدل حرارتی اصلی شده پس از خروج با جریان خروجی از اکسپندر (توربین ) مخلوط شده و وارد برج پر فشار (HP COLUMN) می شود . در برج تقطیر عمل جدا سازی صورت گرفته و محصولات به صورت اکسیژن مایع و گازی وهمچنین نیتروژن مایع و گازی تولید می شود .

شبیه سازی توربو اکسپندر:

ابتدا توربو اکسپندر را با داده های طراحی شرکت سازنده شـبیه سازی می کنیم و نتایج را با نتـایج طراحـی مطابقـت مـی دهـیم تـا معادله حالت مناسب بدست آید. سپس با استفاده از آنها اثـر عوامـل مختلف را بررسی کرده وعلت مشـکل بوجـود آمـده را مشـخص مـی کنیم.

۱

جزء مولی هوا:
۷۸٫۱۲% N2
20.93% O2
0.93% AR
نتایج حاصل از شبیه سازی:

در این شبیه سازی از معادله حالت Peng-Robinson
استفاده شده است.
داده های شبیه سازی داده های طراحی
-۱۱۰٫۴ -۱۱۰٫۴ Ti(oC)
-172.9 -172.8 To(oC)
40.78 40.78 Pi(barg)
5.84 5.84 Po(barg)
13964 13964 Q(Nm3/h)
224.2 225 Power(Kw)
0.85 0.85 E(%)

برای بررسی توربواکسپندر دوحالت را بررسی می کنیم:

حالت اول: قبل از انجام تعمیرات اساسی:

ابتدا نتایج شبیه سازی را با داده های واقعی عملیاتی مقایسه می کنیم:

داده های شبیه سازی داده های عملیاتی
III II I× III II I×
-۱۲۵ -۱۱۲٫۷ -۱۱۰٫۵ -۱۲۵ -۱۱۲٫۷ -۱۱۰٫۵ Ti(oC)
-172.5 -172.5 -173.4 -173.1 -171.3 -171.2 To(oC)
39 37.5 37 39 37.5 37 Pi(barg)
4.8 5 5.01 4.8 5 5.01 Po(barg)
Q(Nm3/h) 13800 13800 12500 13800 13800 12500
در این حالت ارتعاش دستگاه ۷ میکرون می باشد. در تمامی حالتها بازده وسرعت اکسپندر یکسان می باشد.

حالت دوم: بعد از انجام تعمیرات اساسی:
در این حالت تور بو اکسپندر چندین بار استارت گردید و هر بار بنا به دلایلی از سرویس خارج شد . در اینجا حالتهای مختلف را با توجه به نتایج شبیه سازی و داده های عملیاتی بررسی می کنیم.

در این حالت تور بو اکسپندر چندین بار استارت گردید و هر بار بنا به دلایلی از سرویس خارج شد . در اینجا حالتهای مختلف را با توجه به نتایج شبیه سازی و داده های عملیاتی بررسی می کنیم.

با توجه به گراف واقعی دستگاه در حین کار موارد ذیل قابل مشاهده است:

قبل از پایداری شدت جریان هوا در دستگاه دمای هوای ورودی به تدریج بالا می رود تا دما در سیستم به حالت یکنواخت برسد. هنگامی که اکسپندر استارت می شود دمای خروجی شروع به کاهش می کند ولی تا پایداری سیستم کاهش دمای خروجی با دمای ورودی متناسب نمی باشد.
وقتی سیستم به حالت پایدار می رسد نتایج به صورت زیر می
باشد:

Q Po Pi To Ti

۷۴۶۰ ۵٫۶ ۳۹ -۷۹٫۳ ۱۱ I دادههایعملیاتی
۷۰۰۰ ۵٫۶ ۳۹ -۴۹٫۸ -۳۲٫۵ III
5730 5.6 39 -98.4 -28.5 II

۷۴۶۰ ۵٫۶ ۳۹ -۹۰٫۵۸ ۱۱ I دادههایشبیهسازی
۵۷۳۰ ۵٫۶ ۳۹ -۱۱۷٫۸ -۲۸٫۵ II

۷۰۰۰ ۵٫۶ ۳۹ -۱۲۰٫۶ -۳۲٫۵ III
دماهای ورودی وخروجی با شیب مشخص شروع به افت می کند. در ابتدای حالت پایداری سیستم ، اکسپندر دارای ماکزیمم ارتعاش۴۵,۴میکرون بوده است