كمپرسور ها و اكسپندر ها

كمپرسور ها و اكسپندر ها :

بسته به شرايط ، كمپرسورها بصورت جابجايي مثبت ، ديناميكي ، يا ترمال مي باشند. (شكل1) كمپرسورهاي رفت و برگشتي شامل يك يا چند سيلندر مي باشند كه به صورت پيستوني يا پلانجري هستند. در كمپرسورهاي از نوع ديناميك ، گاز پس از برخورد با پروانه شتاب مي گيرد. و پس از وارد شدن به ديفيوزر سرعت گاز تبديل به فشار خواهد شد.

شكل (1)
Ejector ها نيز نوعي ديگر از كمپرسورها مي باشند كه به وسيله سرعت جريان گاز يا بخار ، باعث بوجود آمدن خلاء در سيستم يا تراكم گاز خواهند شد. شكل 2 محدوده كار كمپرسورهاي مختلف را نشان مي دهد.

شكل (2)

كمپرسورهاي رفت و برگشتي :
اين كمپرسورها جهت كار در فشارهاي بالا تا Kpa 5 10 × 2 بكار مي روند . كمپرسورهاي رفت و برگشتي بصورت يك مرحله اي يا چند مرحله اي مي باشند. تعداد مراحل بستگي به نسبت تراكم خواهد داشت. نسبت تراكم در هر مرحله بوسيله دماي خروجي از كمپرسور محدود مي شود و اين نسبت تراكم در هر مرحله نبايد از 6 تجاوز كند اگر چه در بعضي واحدهاي كوچك مي توان نسبت هاي تراكم 8 را هم مشاهده كرد.
سيلندرها عموما نياز به روغن كاري دارند اگرچه در بعضي مواقع بسته به نوع طراحي از نيتروژن و اكسيژن و هوا استفاده مي شود. در كمپرسورهاي چند مرحله اي ، از خنك كننده هاي جانبي بين هر مرحله استفاده مي شود. اين مبدل هاي حرارتي جهت كم كردن دماي گاز به علت تراكم و كم كردن حجم واقعي گاز و در نتيجه كاهش انرژي مورد نياز جهت تراكم گاز استفاده مي شوند. همچنين دما را در محدود عمليات خاصي نگه مي دارند. كمپرسورهاي رفت و برگشتي براي گازهاي تميز به كار مي روند و وجود ذرات جامد و مايع به كمپرسور آسيب وارد مي كند. اين ذرات باعث خرابي سيستم روغن كاري و در نتيجه فرسوده شدن كمپرسور مي شوند. به علت اينكه مايعات تراكم ناپذير هستند در نتيجه وجود مايعات در گاز باعث تركيدن سيلندر و خسارات شديدي خواهد شد.
تفاوت كمپرسورهاي رفت و برگشتي و سانتري فيوژ :
مزاياي كمپرسورهاي رفت و برگشتي بر سانتري فيوژ :
1) قابليت انعطاف بالا در تغييرات فشار و ظرفيت
2) راندمان بالا و قيمت ميزان انرژي مورد نياز پايين
3) قابليت تحمل فشارهاي بالاي گاز
4) قابليت كنترل حجم هاي پايين گاز
5) حساسيت كمتر نسبت به تغيير شرايط گاز (دانسيته وتركيبات)
مزاياي كمپرسورهاي سانتري فيوژ بر كمپرسورهاي رفت و برگشتي :
1) هزينه تعميرات پايين
2) قيمت نصب اوليه پايين در حجم و فشار مطلوب
3) دوام و قابليت اعتماد بالا
4) ظرفيت بالا
ابزار كنترل كمپرسورهاي رفت و برگشتي :
جريان خروجي از كمپرسورها بايد كنترل شود و در نتيجه نياز به ابزاري جهت كنترل مي باشد. اغلب جريان ثابت با وجود تغييرات فشار خروجي مورد نظر است در نتيجه وسايل كنترلي جهت ثابت نگه داشتن ظرفيت كمپرسور مورد نياز است. ظرفيت ، سرعت و فشار كمپرسور بر اساس مقدار مورد نياز ممكن است متغير باشد . نوع كنترل كننده بستگي به متغيرهاي سيستم (فشار ، جريان ، دما) و نوع نيروي محركه كمپرسور دارد.
برداشتن بار Unloading جهت استارت كمپرسور :
اساسا كمپرسور هاي رفت و برگشتي قبل از استارت بايد Unload شوند تا به اين وسيله نيروي محركه كمتري در زمان استارت مورد نياز باشد كه اين كار به صورت اتوماتيك يا دستي انجام مي شود. روش هاي معمول آن عبارتند از :
1) Vent كردن خروجي كمپرسور
2) استفاده از مسير جانبي از جريان خروجي به جريان ورودي
3) باز نگه داشتن مسيرهاي ورودي با استفاده از Valve Lifter
كنترل ظرفيت :
بسياري از كنترل كننده هاي ظرفيت بوسيله كنترل فشار خروجي كمپرسور اين كار را انجام مي دهند. كاهش فشار خروجي از كمپرسور نشانگر اين است كه ميزان گازي كه جهت فشرده شدن مورد استفاده قرار گرفته كم مي باشد و به مقدار بيشتري گاز نياز است و به همين صورت افزايش فشار در كمپرسور نشانگر آن است كه مقدار گاز متراكم شده ، زياد است و مقدار گاز كمتري نياز است.
يكي از روش هاي معمول كنترل دبي خروجي از كمپرسور ، تغيير سرعت كمپرسور مي باشد . اين روش براي كمپرسورهايي كه با نيروي محركه بخار يا بر اساس موتورهاي سوخت داخلي كار مي كنند قابل اجرا خواهد بود. در اين حالت با استفاده از يك شير به عنوان جزء كنترل كننده بخار يا سوخت ورودي ، به عنوان نيروي محركه ، سرعت را كنترل مي كنند.
كمپرسورهايي كه نيروي محركه آنها توسط موتورهاي الكتريكي تامين مي شود معمولا با سرعت ثابت كار مي كنند در نتيجه نياز به روش ديگري جهت كنترل ظرفيت كمپرسورها مي باشد. در كمپرسورهاي رفت و برگشتي تا (KW 75) دو روش كنترل ظرفيت وجود دارد :
1) كنترل به وسيله خاموش و روشن كردن بصورت اتوماتيك
2) كنترل در سرعت ثابت
در روش اول به وسيله يك سوئيچ كنترل كننده فشار ، بر اساس تغييرات گاز مورد نياز ، كمپرسور را خاموش يا روشن مي كنند. از اين روش زمانيكه نياز به گاز متراكم شده بصورت موقت باشد استفاده مي شود. در كنترل در سرعت ثابت ، به كمپرسور اجازه داده مي شود تا بصورت پيوسته با سرعت ثابت كار كرده در اين حال در قسمتي از زمان بارگذاري و در قسمتي ديگر از كمپرسور باربرداري مي شود. دو روش بار برداري (Unloading) كه در اين روش كنترلي استفاده مي شود شامل :
1) inlet valve unloader
2) Clearance unloader مي باشد.
Inlet valve unloader شكل 3 شير ورودي كمپرسور را باز نگه مي دارد و به اين وسيله از متراكم شدن در كمپرسور جلوگيري مي كند. Clearance unloader شكل 4 از مخازن كوچكي تشكيل شده است كه در زمان باربرداري از كمپرسور باز خواهد بود.

شكل (3) و (4)
در كمپرسورهاي رفت و برگشتي بالاي (KW 75) با كنترل در سرعت ثابت ، بارگذاري و باربرداري در پنج مرحله مختلف و از حالت Full load تا No load انجام مي شود.
علاوه بر سيستم هاي كنترلي اتوماتيك مي توان در بسياري از مواقع به صورت دستي نيز كنترل را انجام داد : كنترل دستي شامل شيرهايي جهت باز يا بسته نگهداشتن Clearance Pocket ها هستند در بعضي حالات نيز مطابق شكل 5 با استفاده از يك شير (Movable cylinder head ) مي توان حجم سيلندر كمپرسور را تغيير داد.

شكل (5)

كنترل ارتعاشات گاز :
يكي از مشخصات ذاتي كمپرسورهاي رفت و برگشتي به علت باز و بسته شدن شيرهاي ورودي و خروجي در طول يك رفت و برگشت پيستون ، نوسانات جريان مي باشد كه اين نوسانات بايد به علل زير كنترل شود :
1) تامين جريان ثابت ورودي و خروجي از كمپرسور
2) جلوگيري از under load , overload كمپرسور
3) كم كردن ميزان Vibration
يكي از وسايل كنترل كننده نوسانات ، Surge drum مي باشد كه در ورودي و يا خروجي كمپرسور قرار دارد.

كمپرسورهاي سانتري فيوژ :
شكل 6 دامنه جريان كمپرسورهاي سانتري فيوژ را نشان مي دهد . حجم ورودي كمپرسور سانتري فيوژ چند مرحله اي بين 880 تا 000/340 مترمكعب بر ساعت مي باشد كه اين مقدار براي كمپرسورهاي يك مرحله اي بين 170 تا 000/225 مترمكعب بر ساعت مي باشد . بيشتر كمپرسورهاي سانتري فيوژ در سرعت هاي rpm 3000 و بالاتر كار مي كنند ، با پيشرفت كمپرسورها ، امروزه مي توان كمپرسورهاي با دور rpm 000/40 را هم مشاهده كرد. نيروي محركه كمپرسورهاي گريز از مركز معمولا موتورهاي الكتريكي ، توربين هاي گازي و بخار يا توربواكسپندرها مي باشند. مشخصه كاركرد بايد قبل از ارزيابي كمپرسور مناسب محاسبه شود. شكل7 مقايسه بين منحني مشخه هر كمپرسور را نشان مي دهد.

شكل (6) و (7)
در كمپرسورهاي سانتري فيوژ تقريبا هد ثابت و حجم متغيير مي باشد در صورتيكه در كمپرسورهاي رفت و برگشتي در حجم ثابت ، هد متغير وجود دارد. كمپرسورهاي axial ، هد پايين و جريان بالا ايجاد مي كنند. يك كمپرسور قسمتي از سيستم است كه كارايي آن بوسيله مقاومت سيستم تعيين مي شود.
با سرعت هاي متغير ، كمپرسورهاي سانتري فيوژ قادرند در فشارهاي متغير ، ظرفيت ثابت يا در فشارهاي ثابت ، ظرفيت متغير ، يا تركيبي از ظرفيت و فشار متغير ايجاد كنند. در كمپرسورهاي سانتري فيوژ سرعت چرخش كمپرسور رابطه مستقيمي با دبي جريان و هد و انرژي مورد نياز دارد.
قانون fan :
اگر سرعت از ميزان سرعت طراحي ، انحراف پيدا كند خطاي اين قوانين زياد خواهد شد. قانون فن براي كمپرسورهاي يك مرحله اي و چند مرحله اي در نسبت هاي تراكم پايين صادق است. شكل 8 منحني مشخصه كمپرسورهاي سانتري فيوژ در نسبت هاي تراكم پايين را نشان مي دهد. مقاومت سيستم روي نمودار تاثير خواهد گذاشت. خط A نشانگر مقاومت در يك سيستم بسته خواهد بود همانند واحد سردسازي كه فشار خروجي ثابت مي باشد. خط B بيانگر يك سيستم باز است مانند شرايط خط لوله كه فشار با ظرفيت افزايش مي يابد.

شكل (8)
محدوده جريان :
محدوده جريان كمپرسورهاي سانتري فيوژ به عنوان Stone-wall , surge معرفي مي شوند با توجه به نمودار كاركرد كمپرسور ها ، نقاطي با كمترين جريان ممكن و ماكزيمم هد وجود دارد كه اين هد جهت غلبه كردن بر مقاومت سيستم كافي نمي باشد به اين نقطه Surge گفته مي شود. وقتي كمپرسور به اين نقطه مي رسد در خط لوله خروجي از كمپرسور برگشت جريان خواهيم داشت. اين برگشت جريان باعث به وجود آمدن نوسانات در خط لوله خواهد شد. بايد از تكرار نوسانات فشار در نقطه Surge اجتناب كرد اين نوسانات فشاري باعث بالا رفتن بيش از حد دماي گاز خواهد شد . همچنين اين پديده باعث آسيب رساندن به ياتاقان هاي محوري كمپرسور خواهد شد.
پديده Stone wall زماني اتفاق مي افتد كه در يك نقطه از كمپرسور به سرعت صوت برسيم . زمانيكه براي يك گاز معين به اين نقطه برسيم ، جريان داخل كمپرسور نمي تواند بيشتر افزايش يابد.
خنك سازي جريان خروجي از هر مرحله :
در بعضي كمپرسورهاي چند مرحله اي دماي گاز ورودي و نسبت تراكم مورد نياز به گونه ا ي است كه دماي گاز خروجي از 150 درجه سانتي گراد تجاوز نمي كند. در اين حالت استفاده از خنك سازي داخلي جهت كنترل دماي خروجي ضروري مي باشد براي مثال در تراكم گازهايي مانند اكسيژن ، كلرين ، استيلن لازم است كه دماي پايين تر از 100 درجه سانتي گراد نگه داشته شود. گاز ممكن است در داخل Casing يا يك مبدل حرارتي خارجي خنك شود.
دو روش سرد كردن گاز در داخل Casing وجود دارد : 1) استفاده از ديافراگم بين هر مرحله 2) تزريق آب بصورت مستقيم به گاز.
در سيستم خنك سازي ديافراگمي آب با سرعت بالا در داخل Casing سيركوله مي شود . روش تزريق آب بصورت مستقيم به گاز از ارزانترين روش هاي كنترل دماي خروجي مي باشد با اين حال احتمال خوردگي و فرسايش در كمپرسور وجود دارد.

سيستم هاي روغن كاري و آب بندي :
در همه كمپرسورهاي سانتري فيوژ جهت روغن كاري ياتاقان ها از سيستم روغن كاري استفاده مي شود. جهت استفاده از يك لايه روغن يا آب بندهاي مكانيكي نياز به يك سيستم آب بندي مي باشد.
هر سيستم جهت كار به صورت پيوسته طراحي شده و شامل كليه اجزاي لازم (مخزن روغن ، پمپ با نيروي محركه ، خنك كننده ، فيلتر ، شيرهاي كنترل) مي باشد. معمولا در اكثر كمپرسورها هر دو سيستم روغن كاري و آب بندي وجود دارد. بسته به شرايط ، ممكن است سيستم روغن كاري و آب بندي به صورت يك سيستم واحد استفاده شود.
همچنين مي توان در سيستم هاي روغن كاري با استفاده از يك بوستر پمپ براي بالا بردن فشار روغن ، جهت آب بندي نيز استفاده كرد.
در جاهايي كه آلودگي و ناخالصي هاي گاز بالاست سيستم روغن كاري و سيستم آب بندي را بصورت مجزا بكار مي برند . در همه سيستم ها بايد از يك روانكار (مخزن روغن) با يك ويسكوزيته حدود 30 سانتي استوك در دماي 40 درجه و 4 سانتي استوك در 100 درجه سانتي گراد استفاده كرد. در سيستم هاي آب بندي ، نياز به يك سيستم جهت جمع آوري روغن هم مي باشد. بسته به تركيبات گاز ، از يك تانك گاز زدا استفاده مي شود تا به اين وسيله موجودي گاز داخل روغن جدا شود و روغن به مخزن ذخيره روغن برگشت داده شود.
در كمپرسورهايي كه از يك سيستم جهت روغن كاري و آب بندي استفاده مي شود زمانيكه آلودگي و ناخالصي هاي گاز بالا باشد جهت جلوگيري از ورود آلودگي ها به داخل روغن ، از يك گاز واسطه (معمولا نيتروژن) بين لايه هاي روغن و گاز فرايند استفاده مي شود.

شكل (9)
سيستم هاي كنترلي :
قبل از انتخاب نوع كنترل بايد مشخصات نيروي محركه و دامنه كاركرد كمپرسور و نوع فرايند در نظر گرفته شود. كاربردي ترين روش جهت تطابق خصوصيات كمپرسور جهت رسيدن به خروجي مورد نظر ، تغييرات سرعت كمپرسور طبق قانون فن مي باشد :
يكي از مزاياي استفاده از توربين هاي بخار يا گاز به عنوان نيروي محركه كمپرسور ، شرايط مناسب آنها جهت دورهاي متغير ميباشد. با اين نيروي محركه ، اپراتور قادر خواهد بود بصورت دستي سرعت كمپرسور را تنظيم كند همچنين كنترل كننده هاي الكتريكي و بادي (Pneumatics) نيز قادر خواهد بود با استفاده از سيگنالهاي فشار و جريان ، سرعت را تنظيم كند.
كنترل فشار در سرعت هاي قابل تغيير :
مطابق شكل 10 ، Pressure Transmitter ، فشار فرايند را خوانده و آن را تبديل به سيگنال متناسب كرده و اين سيگنال را به كنترل كننده فشار (PC) مي فرستد. كنترل كننده فشار سيگنال فرستاده شده را تقويت كرده و سيگنال جديد را به عنصر نهايي كنترل مي فرستد. بسته به نياز سيستم ، كنترل كننده ممكن است به يك فاكتور تصحيح اضافي به نام Reset and Rate هم نياز داشته باشد. كنترل كننده نهايي بر اساس كنترل سرعت عمل مي كند. اين مكانيزم سرعت Tubine-governer را تغيير مي دهد.

شكل (10)
زمانيكه بار افزايش مي يابد فشار بالا خواهد رفت افزايش فشار بالاتر از Setpoint ، باعث مي شود يك سيگنال به Governr فرستاده شود و سرعت را كاهش دهد و فشار دلخواه تامين گردد.
كنترل حجم در سرعت هاي قابل تغيير :
اگر ميزان دبي مشخص مورد نياز باشد بايد سيستمي مطابق شكل 11 استفاده شود. در اين حالت ترانسمتر جريان (FT) جريان فرايند را خوانده و به سيگنال متناسب با جريان تبديل كرده و آن را به كنترل كننده جريان (FC) مي فرستد. كنترل كننده جريان سيگنال دريافتي را تقويت كرده و آن را به عنصر كنترل كننده نهايي ارسال مي كند ممكن است نياز به فاكتور تصحيح Reset and rate هم باشد. عنصر نهايي ، كنترل سرعت مي باشد كه با يك مكانيزم تغيير سرعت Turbine governer عمل مي كند. يك افزايش جريان بالاي Set Point باعث فرستاده شدن سيگنالي به Governer شده و سرعت را جهت رسيدن به جريان مورد نظر سيستم كاهش مي دهد.

شكل (11)
زمانيكه از يك موتور الكتريكي به عنوان يك نيروي محركه با سرعت ثابت استفاده مي شود كمپرسورهاي سانتري فيوژ با يك وسيله كنترلي در جريان ورودي مانند شيرهاي پروانه اي يا Inlet guide vane كنترل مي شوند.

كنترل فشار در سرعت هاي ثابت :
سيستم كنترلي نشان داده شده در شكل 12 مطابق روش قبل مي باشد. عنصر كنترل كننده نهايي يك شير كنترلي جريان ورودي (Suction Throttle valve ) مي باشد يك افزايش فشار بالاتر از Set point باعث فرستادن يك سيگنال به شير كنترلي (STV) شده و شير را جهت كاهش فشار ورودي مقداري مي بندد.

شكل (12)
كنترل حجم در سرعت هاي ثابت :
شكل 13 اين سيستم كنترل را نشان مي دهد. ترانسمتر جريان (FT)با استفاده از يك ارفيس يا ونچوري به عنوان عنصر اوليه كنترل Flow element (FT) ، جريان را مي خواند و آن را به يك سيگنال متناسب با جريان تبديل مي كند و به كنترل كننده جريان (FC) ارسال مي كند. كنترل كننده سيگنال دريافتي را تقويت كرده و سيگنال تصحيح شده را به عنصر كنترل كننده نهايي مي فرستد. ممكن است به كنترل كننده هاي Reset and derivative هم نياز باشد. عنصر كنترل نهايي guide-vane مي باشد.

شكل (13)
Guide vane به وسيله يك پيستون موضعي تنظيم مي شود اين سيلندر با يك Servo valve كه سيگنال را از كنترل كننده جريان دريافت مي كند كار ميكند. يك افزايش جريان بالاي Set point باعث فرستادن يك سيگنال به كنترل كننده نهايي مي شود كه باعث بسته شدن guide vane و كاهش جريان خواهد شد.
پره هاي راهنماي ورودي قابل تنظيم Adjustable Inlet Guide vane :
استفاده از اين پره هاي قابل تنظيم يكي از بهترين روش هاي كنترل در كمپرسورهاي با سرعت ثابت است. پره ها در ورودي كمپرسور يك مرحله اي يا چند مرحله اي قرار ميگيرند. و به صورت اتوماتيك يا دستي مي توانند كنترل شوند. پره ها ظرفيت كمپرسور را با كمترين افت راندمان و بالاترين دامنه كاركرد پايدار در فشار هاي طراحي تنظيم مي كنند. اين كار با پيش – چرخش (Pre-rotation) گاز ورودي به پروانه كمپرسور انجام مي شود كه باعث كاهش مشخصه هاي هد- ظرفيت مي شود. شكل 14 تاثير اين نوع كنترل در موقعيت مختلف پره ها را نشان مي دهد. قبل از انتخاب كنترل كننده ، مسائل اقتصادي پره هاي هدايت كننده به علت قيمت اوليه بالا ، مكانيزم پيچيده ، تعميرات و نياز به تنظيمات مكرر بايد در نظر گرفته شود.

شكل (14)
كنترل نوسانات كمپرسور (Anti surge countrol) :
لازم است كه براي كليه كمپرسورهاي سانتري فيوژ به منظور جلوگيري از پديده Surge كه در جريان هاي پايين تر از 50% تا 70% سرعت جريان اتفاق مي افتد يك سيستم كنترل طراحي شود. نوسانات كمپرسور (Comp surge) شامل نوسانات شديد فشار و حجم مي باشد و زماني اتفاق مي افتد كه بخواهيم ميزان فشار ورودي كمپرسور را به بيشتر از فشار طراحي افزايش دهيم . مطابق شكل 15 با كاهش جريان يا كاهش فشار ورودي كمپرسور به نقطه Surge مي رسيم. يك سيستم كنترل نوسانات ، ميزان فشار را پايين تر از محدوده Surge نگه مي دارد و اين كار را با برگشت مقداري از جريان به ورودي كمپرسور انجام مي دهد. همچنين اين جريان برگشتي را به منظور جلوگيري از افزايش دما بايد خنك كرد. حجم يا ميزان فشار به عنوان پارامترهاي قابل اندازه گيري جهت كنترل پديده Surge مي تواند استفاده شود.

شكل (15)
يك سيستم كنترل نوسانات با استفاده از كنترل حجم در شكل 16 نشان داده شده است . ترانس متر جريان (FT) جريان فرايند را با استفاده از يك ارفيس يا ونتوري به عنوان عنصر اوليه كنترل ، مي خواند و اين مقدار را به يك سيگنال متناسب با جريان تبديل كرده و به كنترل كننده نوسان Surge Controller (SC) مي فرستد. كنترل كننده نوسان سيگنال ارسالي را با مقدار Set point مقايسه كرده و در صورت اختلاف با اين نقطه ، كنترل كننده اين اختلاف سيگنال را تقويت كرده و به عنصر كنترل نهايي مي فرستد. امكان دارد به فاكتور تصحيح Reset and rate هم در اين سيستم نياز باشد. عنصر نهايي كنترل ، شير كنترل نوسان Surge control valve (SCV) مي باشد. اين شير كنترل ، فشار را در خروجي كمپرسور آزاد مي كند. زمانيكه جريان به ميزاني كمتر از Set point كاهش مي يابد يك سيگنال باعث باز شدن شير كنترل نوسان خواهد شد. شير جهت نگه داشتن يك حداقل جريان داخل كمپرسور ، باز مي شود .

شكل (16)
شكل 17 ستم كنترل نوسان براي يك محدوده فشار مشخص را نشان مي دهد. زمانيكه فشار به مقداري بيشتر از Set point افزايش يابد يك سيگنال باعث باز شدن شير كنترل نوسان (Blow off valve) خواهد شد. شير جهت نگه داشتن يك حداقل جريان گاز داخل كمپرسور باز مي شود.
پارامتر هاي ديگري نيز ممكن است باعث تغيير نقطه Surge كمپرسور شود. دما و فشار ورودي و سرعت پارامترهايي هستند كه باعث تغيير نقطه Surge كمپرسور خواهند شد.
در طراحي سيستم كمپرسور ، هر تغييري كه در نقطه كاركرد پمپ اتفاق مي افتد بايد مد نظر قرار گيرد در نتيجه دربسياري مواقع جهت بالا بردن كارايي كمپرسور از سيستم هاي اتوماتيك استفاده ميشود.

شكل (17)
شكل 17 مشكلات كمپرسور و دلايل آن را نشان مي دهد.
توربواكسپندر :
از سال 1970 به بعد اكثر فرايندهاي گازي جهت بازيافت اتان و پروپان از اكسپندراستفاده مي كنند. توربواكسپندرها در صورت وجود هر يك از شرايط زير جهت فرايند انتخاب مي شوند :
1) افت فشار جريان گاز خيلي مهم نباشد.
2) خوراك تك فازي
3) نياز به بازيافت بالاي اتان
4) نياز به طراحي يك واحد به صورت فشرده
5) هزينه هاي يوتيليتي بالا
6) قابليت كاركرد واحد در دامنه هاي مختلف ( به آساني با تغييرات زياد فشار و محصولات خود را وفق دهد)
7) هزينه سرمايه گذاري پايين
در صورتيكه دو تا از پارامترهاي بالا با هم باشد انتخاب توربواكسپندر ها ، بهترين انتخاب خواهد بود.

شكل (18)
شكل 18 فرايند استفاده از توربواكسپندر در دماهاي پايين جهت بازيافت اتان و هيدروكربن هاي سنگين تر از جريان گاز طبيعي را نشان مي دهد. شكل 19 بيانگر دياگرام فشار – دما در فرايند استفاده از اكسپندر است. خط سمت راست خط نقطه شبنم مي باشد. در يك فشار ثابت و اگر دماي گاز در سمت راست خط نقطه شبنم باشد گاز صد در صد به صورت بخار مي باشد. اگر گاز سرد شود بخار زمانيكه به خط نقطه شبنم برسد شروع به مايع شدن ميكند. چنانكه عمل سردسازي ادامه يابد مقدار بيشتري بخار به مايع تبديل شده تا اينكه به نقطه حباب (خط سمت چپ) برسيم در اين نقطه همه گاز مايع مي شود. سردسازي بيشتر باعث سرد شدن بيشتر مايع خواهد شد.

شكل (19)
شرايط گاز بعد از فرايند پالايش و حذف ناخالصي هاي گاز ، با نقطه 1 در شكل هاي 18 و 19 مشخص شده است. زمانيكه گاز بوسيله مبدل گاز-گاز و جريان جانبي برج متان زدا سرد شد دما به نقطه 2 بر روي نقطه چين منتقل مي شود. گاز قبل از ورود به اكسپندر وارد يك جداكننده (Separator) مي شود و جريان مايع از بخار جدا خواهد شد.
بخار خروجي از جدا كننده داراي يك دياگرام فشار – دما است كه در شكل با خط چين مشخص شده است. گاز در وردي اكسپندر بر روي خط نقطه شبنم قرار دارد.
زمانيكه گاز داخل اكسپندر جريان مي يابد مسير دما – فشار آن از نقطه 2 به نقطه 3 منتقل مي شود. نقطه 3 بيانگر شرايط گاز خروجي از اكسپندر مي باشد. اهميت اكسپندرها ، استفاده از آنها به عنوان نيروي محركه كمپرسور مي باشد. اگر در انبساط گازها نيروي محركه اي توليد نشود مسير انبساط از نقطه (2) به نقطه (4) منتقل مي شود به اين انبساط گاز ژول تامسون يا انبساط در آنتالپي ثابت مي گويند دما و فشار گاز خروجي در اين حالت بالاتر از زماني است كه انبساط گاز ها توسط اكسپندر (انبساط ايزنتروپيك) صورت ميگيرد. فشاري كه در نقطه 4 بدست مي آيد به كمي مقدار فشار در عبور جريان از اكسپندر (نقطه 3) نيست.
در اين مثال فرض شده است كه بدون استفاده از اكسپندر و در نتيجه عدم استفاده از كمپرسور با نيروي محركه اكسپندر ، فرايند قادر به تامين فشار گاز خروجي از بالاي برج متان زدا با استفاده از يك كمپرسور جداگانه به تنهايي نخواهد بود. همچنين مسير (4-2) به علت آدياباتيك بودن فرايند به اندازه مسير (3-2) سرد نخواهد شدو مسير (3-2 )يك فرايند انبساط ايزونتروپيك همراه با توليد نيروي محركه مي باشد در نتيجه ميزان سرسازي گاز در اين فرايند بيشتر از فرايند ايزونتروپيك يا عبور جريان از شير ژول تامسون مي باشد. بالا بودن دماي گاز در فرايند انبساط ژول تامسون باعث كاهش بازيافت محصولات خواهد شد.
ترموديناميك :
در فرايند استفاده از توربواكسپندر كه به صورت ايزونتروپيك در حالت ايده آل صورت ميگيرد كاري كمتر از كار تئوري در حالت واقعي توليد مي شود. در اين فرايند كه همراه با توليد كار مي باشد اكسپندر دماي جريان را كاهش داده كه اين امر باعث مايع شدن قسمتي از جريان خواهد شد.

شكل (20)
تشكيل جامد Solid Formation :
جداسازي آب از جريان گاز به منظور حفاظت اكسپندر در دماهاي پايين و جلوگيري از جامد شدن آب مي باشد. همچنين اين احتمال وجود دارد كه مواد ديگري نيز باعث تشكيل جامد در خوط لوله شود. آمين ها ، گليكول ها و روغن هاي روانكاري كمپرسورها در جريان گاز قادر به انسداد سيستم هستند.
اين مواد در دماهاي پايين و بعد از انبساط در اكسپندر باعث انسداد سيستم خواهند شد. دي اكسيد كربن هم مي تواند به صورت جامد در سيستم تشكيل شود كه اين عمل در دماهاي پايين در خروجي اكسپندرها بيشتر اتفاق مي افتد. شكل 20 احتمال جامد شدن Co2 را نشان مي دهد. اگر شرايط كاركرد در محدوده اي باشد كه متان بصورت مايع باشد از خط چين تعادلي مايع – جامد استفاده مي شود در غير اين صورت از خطوط ديگر جهت محاسبه احتمال تشكيل جامد Co2 استفاده خواهد شد. به عنوان مثال در فشار Kpa 2000 و در دماي Cْ110- مطابق شكل 20 متان به صورت مايع مي باشد در نتيجه از خط چين در اين شرايط عملياتي مقدار 5/2 درصد Co2 احتمال تشكيل جامد خواهد داشت.
مايع خروجي از اكسپندر ، خوراك بالاي برج متان زدا مي شود . مطابق شكل احتمال جامد شدن Co2 در سيني هاي پايين برج متان زدا بيشتر از خروجي اكسپندر مي باشد.
در توربواكسپندر – كمپرسورها از نيروي اكسپندر جهت متراكم كردن گاز توسط كمپرسور استفاده مي شود همچنين مي توان از اكسپندرها به عنوان نيروي محركه پمپ ها و ژنراتورها استفاده كرد. همچنين براي كاهش سرعت اكسپندر جهت استفاده از نيروي محركه آن در كمپرسورها و پمپ ها از چرخ دنده استفاده مي شود. زمانيكه استفاده از نيروي اكسپندر ها و سردسازي مد نظر باشد سرعت چرخش بر اساس ميزان بهينه راندمان اكسپندر تنظيم مي شود كه اين امر باعث كاهش راندمان كمپرسور خواهد شد.
بطور معمول ميزان راندمان 85-75% را براي اكسپندرها و 50-65% را براي كمپرسورها در نظر ميگيرند. در هنگام نصب و راه اندازي توربواكسپندرها بايد به نكات زير توجه كرد :
1) جريان گاز ورودي به اكسپندر بايد عاري از مواد جامد و مايع باشد. مايعات در يك جدا كننده فشار بالا جدا مي شوند. جهت جداسازي جامدات از يك صفحه توري شكل در ورودي جريان استفاده مي شود. با اندازه گيري افت فشار در طول عبور جريان از صفحه توري شكل مي توان به تشكيل جامد (Co2 و آمين ها و روغن هاي ديگر) پي برد.
2) گازي كه جهت آببندي استفاده مي شود بويژه در زمان راه اندازي دستگاه بايد تميز و خنك و داراي فشار كافي باشد.
3) عموما از يك شير جهت باز و بسته كردن مايع در ورودي اكسپندر استفاده مي شود انتخاب اين شير بر اساس شرايط عمليات و خاموش و روشن كردن اكسپندر مي باشد.
4) معمولا از يك وسيله جهت مشخص كردن Vibration دستگاه استفاده مي شود.
سيستم روانكاري :
مطابق شكل 21 سيستم هاي روانكاري جهت چرخش روغن هاي خنك و فيلتر شده حول ياتاقان هاي توربواكسپندر خواهد بود. اين سيستم شامل دو پمپ الكتريكي جهت چرخش روغن ، يك خنك كننده روغن ، يك شير فيلتر دوتايي ، يك مخزن ذخيره روغن و يك مخزن تحت فشار همراه با حذف ناخالصي ها مي باشد. پمپ هاي روغن بايد جريان ثابتي از روغن را اطراف ياتاقان محوري و شعاعي برقرار كنند . كمبود روغن باعث خرابي ياتاقان ها خواهد شد. اكثرا از روغن هاي سبك (40 mpa.s at 40oC) جهت بالا بردن راندمان ماشين استفاده مي شود. خنك كننده هاي روغن جهت كاهش حرارت كه در ياتاقان ها توليد شده مي باشند كه به صورت فن هاي هوايي يا پوسته و لوله اي (Shell and Tube) مي باشند كه با آب خنك مي شوند اگر احتمال ايجاد رسوب توسط آب وجود داشته باشد از دو تا خنك كننده ( يكي بصورت يدكي) استفاده مي شود. مخزن روغن به عنوان يك تانك نوسان گير قبل از پمپ ها مي باشد. همينطور در صورت لزوم از يك گرم كننده جهت افزايش دماي روغن در مواقع استارت استفاده مي شودچرا كه دماي روغن در زمان شروع پايين مي باشد.

شكل (21)
سيستم آب بندي با استفاده از گاز :
سيستم هاي آب بندي گازي به منظور جلوگيري از اتلاف گاز فرايند و همچنين جلوگيري از ورود روغن به جريان گاز فرايند مي باشد. به همين منظور يك جريان گاز به عنوان آببند به داخل Labyrinth در يك فشار بالاتر از فشار گاز فرايند تزريق مي شود. نشتي گاز آببند در مخزن روغن جمع شده و به سيستم سوخت گازي برگشت داده مي شود. سيستم هاي آببند گازي شامل يك مخزن جمع كننده مايع ، گرم كننده الكتريكي ( در صورت لزوم) دوتا فيلتر و مشخص كننده هاي اختلاف فشار مي باشد.
اگر در واحد از تراكم مجدد گاز عملياتي با استفاده از يك كمپرسور مجزا استفاده كنيم ، از اين گاز مي توان جهت آببندي استفاده كرد در صورت عدم استفاده از سيستم تراكم مجدد گاز يك جريان از جدا كننده ورودي اكسپندر پس از گرم شدن به عنوان آببندي استفاده مي شود. حداقل دماي گاز آببندي حدود 20 درجه سانتي گراد مي باشد كه اين دما به منظور كاهش ويسكوزيته روغن است.
سيستم هاي كنترل :
جهت كنترل جريان فرايند ، آبگيري و فيلتر سازي از جريان گاز صورت ميگيرد. همچنين از يك صفحه مشبك به عنوان حفاظت كننده نهايي به منظور جلوگيري از ورود CO2 جامد به اكسپندر استفاده مي شود. همچنين از متانول جهت جلوگيري از يخ زدگي آب استفاده مي شود.
سرعت اكسپندر ها بسته به شرايط فرايند در كارخانه سازنده مشخص مي شود كه اين كار با محاسبه قطر پره ها و سرعت مخصوص انجام مي شود. زمانيكه شرايطي عملياتي تغيير مي كند ، سرعت اكسپندر هم تغيير خواهد كرد. شكل 66-13 تغييرات راندمان را بصورت تابعي از تغييرات دبي نشان مي دهد. جهت گاز ورودي به اكسپندر توسط نازل هاي قابل تنظيم مشخص مي شود. حدودا نيمي از افت فشار اكسپندر در اين نازل ها صورت مي گيرد. انرژي گاز بوسيله چرخ هاي اكسپندر به نيروي شفت تبديل مي شود. كاهش فشار در اكسپندر ها معمولا به نسبت 3 به 4 است در صورت افزايش بيشتر اين نسبت از يك اكسپندر دو مرحله اي استفاده ميشود. نازل هاي قابل تنظيم به عنوان شير كنترل فشار عمل مي كنند. توسط يك عملگر بادي در دامنه سيگنال (20-60 Kpa) نازل ها از حالت كاملا بسته تا كاملا باز تنظيم مي شوند. اگر مقدار جريان از اين حد بالاتر باشد توسط يك سيگنال 60-100Kpa كنترل كننده فشار شير كنترل جانبي باز مي شود. اين شير به شير ژول تامسون معروف است .

شكل (22)
عدم تعادل نيروي محوري ياتاقان ها باعث اختلاف فشار بين خروجي اكسپندر و ورودي كمپرسور خواهد شد. اختلاف فشار 140 Kpa به علت بار محوري ياتاقان ها معمول است . در اختلاف فشارهاي بيشتر از اين مقدار لازم است توسط يك كنترل كننده بار محوري ياتاقان ها كنترل شود تا از مقدار مجاز تجاوز نكند.
اين كار با اندازه گيري بار توسط Load meter بر روي هر يك از ياتاقان هاي محوري انجام مي شود شكل 23)و يك شير كنترل محوري ، نيروي محوري را با كنترل فشار پشت (Thrust balancing drum) يا پشت يكي از آببندها تنظيم مي كند. Load meter فشار فيلم روغن ياتاقان هاي محوري را متناسب با بار ياتاقان مشخص ميكند. همچنين فشار پشت درام متوازن كننده را نيز به عنوان وسيله تنظيم بار محوري نشان مي دهد.

شكل (23)
عدم توازن نيروي محوري باعث پديده لرزش در اجزاء چرخنده مي شود. همچنين لرزش لوله ها و نوسانات جريان گاز نيز باعث لرزش اكسپندر خواهد شد. اكثر اكسپندر ها با وسيله هايي تجهيز مي شوند كه در صورت وجود لرزش در شفت جهت جلوگيري از خرابي اكسپندر ، دستگاه را خاموش مي كنند.
روغن هاي روانكاري :
روغن هاي روانكاري بايد فيلتر شوند. اكثر سيستم ها از سيستم اوليه و ثانويه فيلترسازي استفاده مي كنند. كنترل كننده ها ، جريان كافي روغن را در دما و فشار مناسب به ياتاقان ها فراهم مي كنند. دو پمپ روغن كه يكي بصورت يدكي مي باشد وجود دارد كه پمپ يدكي در زمان افت فشار يا خاموش شدن پمپ اصلي در سرويس مي آيد.
جهت كنترل دما و جلوگيري از گرم شدن روغن در ياتاقان ها ، روغن را سرد مي كنيم اين كار توسط يك كولر هوايي انجام مي شود. همچنين از يك جريان جانبي جهت جلوگيري از سرد شدن بيش از اندازه روغن در كولر هوايي استفاده مي شود.
گاز آببند :
از يك جريان گاز همراه با فيلتر و كنترل كننده فشار جهت آببندي شفت استفاده مي شود. اگر گاز آببند از يك منبع سرد (جدا كننده ورودي اكسپندر) تامين شود بايد از يك وسيله گرمايي جهت گرم كردن گاز استفاده شود. گاز آببند بايد قبل از سيستم روغن كاري استارت شود چرا كه ممكن است فشاري كه روغن را در سرويس قرار مي دهد تغيير كند. هر يك از اجزاء چرخنده ( ياتاقان هاي محوري و شعاعي شفت) به علت ميزان ناكافي فيلتر سازي روغن ، كمبود ميزان روغن ، نامناسب بودن فيلتر سازي گاز آببند مي تواند خراب شود.
خاموش شدن دستگاه :
شرايطي كه باعث خاموش شدن دستگاه به منظور جلوگيري از آسيب جدي به اكسپندر مي شود عبارتند از :
1) لرزش بالا
2) جريان كم روغن هاي روانكار
3) ارتفاع بالاي سطح جدا كننده ورودي
4) افت فشار بالا در صفحه ورودي
5) بالا بودن فشار موتور
6) بالا بودن دماي روغن
7) كم بودن فشار روغن
8) سرعت بالا
به محض خاموش شدن دستگاه ، جريان گاز ورودي به اكسپندر و كمپرسور قطع مي شود اين كار توسط يك شير كه در ورودي كمپرسور قرار دارد انجام مي شود در اين حالت شير ژول تامسون بصورت اتوماتيك باز خواهد شد.