Impact of gas internal subflows in a turboexpander unit operating on an expander-compressor scheme on its power balance

Abstract

This article presents operational data from turboexpander units (TEU) wherein a stable temperature gradient across both the turboexpander and the turbo compressor coexists with its power imbalance. A hypothesis attributing this phenomenon to internal gas internal subflows within the TEU flow path is proposed. The primary objective is to investigate the effect of such internal subflows on the power balance of a TEU configured as an expander-compressor unit and to substantiate the necessity of accounting for this effect during parametric diagnostics. Analytical power balance relations for the compressor and expander are formulated, incorporating potential gas internal subflows through diverse structural elements of the flow path. These relations are subsequently validated against gas-dynamic test data. Establishing that the computed power imbalance between the turbine and compressor may originate from internal subflows induced by wear of flow-path components enables the identification of critical assemblies requiring heightened attention during both design and operational phases, thereby informing future design improvements. Furthermore, prospective enhancements to the proposed methodology are examined within the framework of integrating TEU parametric diagnostic systems with big data analytics. The most significant outcome is the quantification of specific gas internal subflows exerting the greatest influence on the compressor-turbine power balance ratio, along with an upper-bound estimate of this influence. The scientific and practical relevance of these findings lies in augmenting TEU operational efficiency and reliability, providing a basis for design optimization, and enabling advanced performance monitoring methodologies.

Acest articol prezintă date operaționale de la unități de turbodetensoare(TEU) în care un gradient de temperatură stabil atât în turboexpander, cât și în turbocompresor coexistă cu dezechilibrul său de putere. Se propune o ipoteză care atribuie acest fenomen fluxurilorinterne de gaz din cadrul traseului de curgere al TEU. Obiectivul principal este de a investiga efectul acestor fluxuri interne asupra bilanțului de putere al unui TEU configurat ca o unitate de detensor-compresor și de a justifica necesitatea luării în considerare a acestui efect în timpul diagnosticării parametrice. Sunt formulate relații analitice de bilanț de putere pentru compresor și detensor, încorporând potențialele fluxuri interne de gaz prin diverse elemente structurale ale traseului decurgere. Aceste relații sunt ulterior validate în funcție de datele testelor gazodinamice. Stabilirea faptului că dezechilibrul de putere calculat dintre turbină și compresor poate proveni din fluxuri interne induse de uzură componentelor traseului de curgere permite identificarea ansamblurilor critice care necesită o atenție sporită atât în fazele de proiectare, cât și în cele operaționale, informând astfel crearea viitoare ale proiectării. În plus, sunt examinate posibile prospective ale metodologiei propuse în cadrul integrării sistemelor de diagnosticare parametrică TEU cu analiza big data. Cel mai semnificativ rezultat este cuantificarea fluxurilorinterne specifice de gaze care exercită cea mai mare influență asupra raportului de echilibru al puterilor compresor-turbină, împreună cu o estimare a limitelor superioare a acestei influențe. Relevanța științifică și practică a acestor descoperiri constă în creșterea eficienței operaționale și a fiabilității TEU, oferind o bază pentru optimizarea proiectării și permițând utilizarea unor metodologii avansate de monitorizare a performanței.

В статье представлены примеры значений показателей режимов работы турбодетандерных агрегатов (ТДА), полученных из опыта эксплуатации, при которых стабильная разность температур на входе и выходе турбодетандера, а также на входе и выходе турбокомпрессора сопровождается небалансом мощностей, и предложено объяснение причины данного явления наличием перетоков газа в проточной части ТДА. Основной целью исследования является проведение анализа влияния перетоков газа в ТДА, работающем по схеме «детандер-компрессор», на баланс его мощностей и обоснование необходимости учета данного влияния при проведении параметрической диагностики. Для достижения поставленной цели сформированы аналитические расчетные соотношения для баланса мощностей компрессора и детандера с учетом возможных перетоков газа через различные элементы конструкции проточной части ТДА и проведен анализ результатов газодинамических испытаний ТДА. Обоснование того факта, что расчетный «небаланс» мощностей турбины и компрессора может быть вызван перетоками газа, обусловленных износом элементов проточной части, позволит выявлять узлы, которым надо уделить особое внимание при конструировании и при эксплуатации ТДА, а в перспективе –разработать рекомендации по совершенствованию конструкции ТДА. Дополнительно рассмотрены перспективные направления развития предложенного решения в контексте совершенствования систем параметрической диагностики ТДА за счет интеграции с технологиями интеллектуального анализа больших данных. Наиболее важным результатом является определение перетоков газа в ТДА, оказывающих наибольшее влияние на отношение баланса мощностей компрессора и турбины ТДА и расчет максимальной величины этого влияния. Значимость полученных результатов состоит в повышении эффективности и надежности работы ТДА на основе полученных данных, а также в возможности разработки рекомендаций по совершенствованию конструкции ТДА и мониторингу эффективности их работы.