توربو إكسباندر

_{يتكون الغاز الطبيعي} الخام بشكل أساسي من الميثان (CH₄ _{) ، وهو أقصر جزيئات} الهيدروكربونات وأخفها ، بالإضافة إلى كميات متفاوتة من غازات هيدروكربونية أثقل مثل الإيثان (C₂H₆)، والبروبان (C₃H₈)، والبيوتان العادي (n-C₄H₁₀ ₎ ، والأيزوبيوتان ₍ i - C₄H₁₀ ) ، _{والبنتانات} ، وحتى هيدروكربونات ذات _كتل جزيئية أعلى . كما يحتوي _الغاز الخام على _كميات متفاوتة من الغازات _{الحمضية} مثل ثاني أكسيد الكربون ( CO₂ ) _، وكبريتيد الهيدروجين (H₂S ₎ ، _{والمركابتانات} مثل ميثانثيول ( CH₃SH ₎ وإيثانثيول ( C₂H₅SH ₎ .

عند معالجتها وتحويلها إلى منتجات ثانوية نهائية (انظر معالجة الغاز الطبيعي )، تُعرف هذه الهيدروكربونات الأثقل مجتمعةً باسم سوائل الغاز الطبيعي (NGL). غالبًا ما تتضمن عملية استخلاص سوائل الغاز الطبيعي استخدام توربين تمدد ^{[ 7 ]} وعمود تقطير منخفض الحرارة (يُسمى وحدة إزالة الميثان ) كما هو موضح في الشكل. يُبرَّد الغاز الداخل إلى وحدة إزالة الميثان أولًا إلى حوالي -51  درجة مئوية في مبادل حراري (يُشار إليه باسم صندوق التبريد )، مما يُكثِّف الغاز الداخل جزئيًا. ثم يُفصل خليط الغاز والسائل الناتج إلى تيار غازي وتيار سائل.

يتدفق تيار السائل من فاصل الغاز والسائل عبر صمام ويخضع لتمدد خانق من ضغط مطلق يبلغ 62 بار إلى 21 بار (6.2 إلى 2.1 ميجا باسكال)، وهي عملية متساوية المحتوى الحراري (أي عملية ذات محتوى حراري ثابت) تؤدي إلى خفض درجة حرارة التيار من حوالي -51  درجة مئوية إلى حوالي -81  درجة مئوية عند دخول التيار إلى وحدة إزالة الميثان.

يدخل تيار الغاز من فاصل الغاز والسائل إلى التوربين الموسع، حيث يخضع لتمدد متساوي الإنتروبيا من ضغط مطلق يبلغ 62 بار إلى 21 بار (6.2 إلى 2.1 ميجا باسكال) مما يؤدي إلى خفض درجة حرارة تيار الغاز من حوالي -51  درجة مئوية إلى حوالي -91  درجة مئوية عند دخوله إلى وحدة إزالة الميثان ليعمل كتدفق ارتدادي للتقطير .

Liquid from the top tray of the demethanizer (at about −90 °C) is routed through the cold box, where it is warmed to about 0 °C as it cools the inlet gas, and is then returned to the lower section of the demethanizer. Another liquid stream from the lower section of the demethanizer (at about 2 °C) is routed through the cold box and returned to the demethanizer at about 12 °C. In effect, the inlet gas provides the heat required to "reboil" the bottom of the demethanizer, and the turboexpander removes the heat required to provide reflux in the top of the demethanizer.

The overhead gas product from the demethanizer at about −90 °C is processed natural gas that is of suitable quality for distribution to end-use consumers by pipeline. It is routed through the cold box, where it is warmed as it cools the inlet gas. It is then compressed in the gas compressor driven by the turboexpander and further compressed in a second-stage gas compressor driven by an electric motor before entering the distribution pipeline.

The bottom product from the demethanizer is also warmed in the cold box, as it cools the inlet gas, before it leaves the system as NGL.

The operating conditions of an offshore gas conditioning turbo-expander/recompressor are as follows:^[8]

The figure depicts an electric power-generation system that uses a heat source, a cooling medium (air, water or other), a circulating working fluid and a turboexpander. The system can accommodate a wide variety of heat sources such as:

• geothermal hot water,
• exhaust gas from internal combustion engines burning a variety of fuels (natural gas, landfill gas, diesel oil, or fuel oil),
• a variety of waste heat sources (in the form of either gas or liquid).

The circulating working fluid (usually an organic compound such as R-134a) is pumped to a high pressure and then vaporized in the evaporator by heat exchange with the available heat source. The resulting high-pressure vapor flows to the turboexpander, where it undergoes an isentropic expansion and exits as a vapor–liquid mixture, which is then condensed into a liquid by heat exchange with the available cooling medium. The condensed liquid is pumped back to the evaporator to complete the cycle.

يُطبّق النظام الموضح في الشكل دورة رانكين كما تُستخدم في محطات توليد الطاقة التي تعمل بالوقود الأحفوري ، حيث يُستخدم الماء كسائل تشغيل، ويُستمد مصدر الحرارة من احتراق الغاز الطبيعي أو زيت الوقود أو الفحم المستخدم لتوليد بخار عالي الضغط. يخضع هذا البخار عالي الضغط بعد ذلك لتمدد متساوي الإنتروبيا في توربين بخاري تقليدي . ثم يُكثّف بخار العادم الناتج من التوربين البخاري إلى ماء سائل، والذي يُضخّ بدوره عائدًا إلى مولد البخار لإكمال الدورة.

عند استخدام سائل تشغيل عضوي مثل R-134a في دورة رانكين، يُشار إلى الدورة أحيانًا باسم دورة رانكين العضوية (ORC). ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

يستخدم نظام التبريد ضاغطًا وتوربينًا موسعًا ومحركًا كهربائيًا.

بحسب ظروف التشغيل، يُقلل التوربو-إكسباندر الحمل على المحرك الكهربائي بنسبة تتراوح بين 6 و15% مقارنةً بنظام التبريد التقليدي بضغط البخار الذي يستخدم صمام تمدد خانق بدلاً من التوربو-إكسباندر. ^{[ 12 ]} ويمكن اعتبار ذلك شكلاً من أشكال التكثيف التوربيني .

يستخدم النظام مادة تبريد عالية الضغط (أي مادة ذات نقطة غليان عادية منخفضة ) مثل: ^{[ 12 ]}

• الكلوروديفلوروميثان (CHClF ₂ ) المعروف باسم R-22، وله نقطة غليان عادية تبلغ -47  درجة مئوية؛
• 1,1,1,2-رباعي فلورو الإيثان (C2H2F4 ) _{المعروف باسم} R- 134a ، وله نقطة غليان عادية تبلغ -26 _درجة مئوية. 

كما هو موضح في الشكل، يُضغط بخار المُبرِّد إلى ضغط أعلى، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارته. ثم يُكثَّف البخار الساخن المضغوط ليتحول إلى سائل. في المُكثِّف ، تُطرد الحرارة من المُبرِّد المتداول وتُنقل بواسطة وسيط التبريد المُستخدم فيه (الهواء، الماء، إلخ).

يتدفق سائل التبريد عبر التوربين التوسعي، حيث يتبخر، ثم يخضع البخار لتمدد متساوي الإنتروبيا، مما ينتج عنه خليط منخفض الحرارة من البخار والسائل. بعد ذلك، يُوجَّه خليط البخار والسائل عبر المبخر، حيث يتبخر بفعل الحرارة الممتصة من الحيز المراد تبريده. يتدفق سائل التبريد المتبخر إلى مدخل الضاغط لإكمال الدورة.

في حالة بقاء سائل التشغيل غازيًا في المبادلات الحرارية دون أن يخضع لتغيرات في الطور، يشار إلى هذه الدورة أيضًا باسم دورة برايتون العكسية أو "دورة برايتون للتبريد".

تصل درجة حرارة غازات الاحتراق الخارجة من وحدة تجديد المحفز في وحدة التكسير التحفيزي المائع إلى حوالي 715 درجة مئوية، وضغطها إلى حوالي 2.4 بار (240 كيلو باسكال). تتكون هذه الغازات في معظمها من أول أكسيد الكربون (CO) وثاني أكسيد الكربون (CO₂ ₎ والنيتروجين ( N₂ ₎ . وعلى الرغم من مرور غازات الاحتراق بمرحلتين من الفواصل الإعصارية (الموجودة داخل وحدة التجديد) لإزالة جزيئات المحفز العالقة، إلا أنها لا تزال تحتوي على بعض بقايا هذه الجزيئات. 

يوضح الشكل كيفية استعادة الطاقة واستخدامها من خلال توجيه غازات الاحتراق الناتجة عن المُجدِّد عبر مُوسِّع توربيني. بعد خروج غازات الاحتراق من المُجدِّد، يتم توجيهها عبر فاصل حفاز ثانوي يحتوي على أنابيب دوامية مصممة لإزالة ما بين 70 و90% من جزيئات الحفاز المتبقية. ^{[ 13 ]} هذا ضروري لمنع تآكل المُوسِّع التوربيني.

كما هو موضح في الشكل، يوفر تمدد غازات الاحتراق عبر التوربين الموسع طاقة كافية لتشغيل ضاغط هواء الاحتراق في وحدة التجديد. يمكن للمولد الكهربائي في نظام استعادة الطاقة استهلاك أو إنتاج الطاقة الكهربائية. إذا لم يوفر تمدد غازات الاحتراق طاقة كافية لتشغيل ضاغط الهواء، فإن المولد الكهربائي يوفر الطاقة الإضافية اللازمة. أما إذا وفر تمدد غازات الاحتراق طاقة أكبر من اللازم لتشغيل ضاغط الهواء، فإن المولد الكهربائي يحول الطاقة الزائدة إلى طاقة كهربائية ويصدرها إلى النظام الكهربائي للمصفاة. ^{[ 14 ]} تُستخدم التوربينة البخارية لتشغيل ضاغط هواء الاحتراق في وحدة التجديد أثناء بدء تشغيل وحدة التكسير التحفيزي للسوائل حتى يتوفر ما يكفي من غازات الاحتراق لتولي هذه المهمة.

ثم يتم توجيه غاز المداخن المتمدد عبر غلاية لتوليد البخار (تسمى غلاية أول أكسيد الكربون )، حيث يتم حرق أول أكسيد الكربون الموجود في غاز المداخن كوقود لتوفير البخار اللازم للاستخدام في المصفاة. ^{[ 14 ]}

تُعالج غازات الاحتراق الناتجة عن غلاية ثاني أكسيد الكربون من خلال جهاز الترسيب الكهروستاتيكي (ESP) لإزالة الجسيمات المتبقية . ويزيل جهاز الترسيب الكهروستاتيكي الجسيمات التي يتراوح حجمها بين 2 و20 ميكرومترًا من غازات الاحتراق. ^{[ 14 ]}