Autor: Lukas Bijikli, voditelj portfelja proizvoda, integrirani zupčanički pogoni, istraživanje i razvoj CO2 kompresije i toplinskih pumpi, Siemens Energy.
Već dugi niz godina, integrirani zupčasti kompresor (IGC) je tehnologija izbora za postrojenja za separaciju zraka. To je uglavnom zbog njihove visoke učinkovitosti, što izravno dovodi do smanjenja troškova kisika, dušika i inertnog plina. Međutim, sve veći fokus na dekarbonizaciju postavlja nove zahtjeve pred IPC-ove, posebno u pogledu učinkovitosti i regulatorne fleksibilnosti. Kapitalni izdaci i dalje su važan čimbenik za operatere postrojenja, posebno u malim i srednjim poduzećima.
Tijekom proteklih nekoliko godina, Siemens Energy pokrenuo je nekoliko istraživačko-razvojnih (R&D) projekata usmjerenih na proširenje IGC mogućnosti kako bi se zadovoljile promjenjive potrebe tržišta separacije zraka. Ovaj članak ističe neka specifična poboljšanja dizajna koja smo napravili i raspravlja o tome kako te promjene mogu pomoći u ispunjavanju ciljeva naših kupaca u smanjenju troškova i emisija ugljika.
Većina jedinica za odvajanje zraka danas je opremljena s dva kompresora: glavnim kompresorom zraka (MAC) i kompresorom za dodatni zrak (BAC). Glavni kompresor zraka obično komprimira cijeli protok zraka s atmosferskog tlaka na približno 6 bara. Dio tog protoka zatim se dodatno komprimira u BAC-u na tlak do 60 bara.
Ovisno o izvoru energije, kompresor obično pokreće parna turbina ili elektromotor. Kod korištenja parne turbine, oba kompresora pokreće ista turbina putem dvostrukih krajeva vratila. U klasičnoj shemi, između parne turbine i HAC-a ugrađen je međuzupčanik (slika 1).
I u sustavima s električnim pogonom i u sustavima s parnim turbinama, učinkovitost kompresora snažna je poluga za dekarbonizaciju jer izravno utječe na potrošnju energije jedinice. To je posebno važno za višegeneratorske kotlove pokretane parnim turbinama, budući da se većina topline za proizvodnju pare dobiva u kotlovima na fosilna goriva.
Iako elektromotori pružaju zeleniju alternativu pogonima parnih turbina, često postoji veća potreba za fleksibilnošću upravljanja. Mnoga moderna postrojenja za separaciju zraka koja se danas grade spojena su na mrežu i imaju visoku razinu korištenja obnovljivih izvora energije. U Australiji, na primjer, postoje planovi za izgradnju nekoliko zelenih postrojenja za amonijak koja će koristiti jedinice za separaciju zraka (ASU) za proizvodnju dušika za sintezu amonijaka i očekuje se da će primati električnu energiju iz obližnjih vjetroelektrana i solarnih elektrana. U tim postrojenjima, regulatorna fleksibilnost je ključna za kompenzaciju prirodnih fluktuacija u proizvodnji energije.
Siemens Energy razvio je prvi IGC (ranije poznat kao VK) 1948. godine. Danas tvrtka proizvodi više od 2300 jedinica diljem svijeta, od kojih su mnoge dizajnirane za primjene s protocima većim od 400 000 m3/h. Naši moderni MGP-ovi imaju protok do 1,2 milijuna kubičnih metara na sat u jednoj zgradi. To uključuje verzije konzolnih kompresora bez zupčanika s omjerima tlaka do 2,5 ili više u jednostupanjskim verzijama i omjerima tlaka do 6 u serijskim verzijama.
Posljednjih godina, kako bismo zadovoljili rastuće zahtjeve za učinkovitošću IGC-a, regulatornom fleksibilnošću i kapitalnim troškovima, napravili smo neka značajna poboljšanja dizajna, koja su sažeta u nastavku.
Varijabilna učinkovitost brojnih impelera koji se obično koriste u prvoj fazi MAC-a povećava se promjenom geometrije lopatica. S ovim novim impelerom mogu se postići varijabilne učinkovitosti do 89% u kombinaciji s konvencionalnim LS difuzorima i preko 90% u kombinaciji s novom generacijom hibridnih difuzora.
Osim toga, impeler ima Machov broj veći od 1,3, što prvom stupnju osigurava veću gustoću snage i omjer kompresije. To također smanjuje snagu koju zupčanici u trostupanjskim MAC sustavima moraju prenositi, što omogućuje korištenje zupčanika manjeg promjera i mjenjača s izravnim pogonom u prvim stupnjevima.
U usporedbi s tradicionalnim LS difuzorom pune duljine, hibridni difuzor sljedeće generacije ima povećanu učinkovitost stupnja od 2,5% i faktor regulacije od 3%. To povećanje postiže se miješanjem lopatica (tj. lopatice su podijeljene u dijelove pune i djelomične visine). U ovoj konfiguraciji
Izlazni protok između impelera i difuzora smanjuje se za dio visine lopatice koji se nalazi bliže impeleru nego lopatice konvencionalnog LS difuzora. Kao i kod konvencionalnog LS difuzora, vodeći rubovi lopatica pune duljine jednako su udaljeni od impelera kako bi se izbjegla interakcija impelera i difuzora koja bi mogla oštetiti lopatice.
Djelomično povećanje visine lopatica bliže impeleru također poboljšava smjer protoka u blizini zone pulsiranja. Budući da vodeći rub dijela lopatica pune duljine ostaje istog promjera kao i konvencionalni LS difuzor, linija gasa ostaje nepromijenjena, što omogućuje širi raspon primjene i podešavanja.
Ubrizgavanje vode uključuje ubrizgavanje kapljica vode u struju zraka u usisnoj cijevi. Kapljice isparavaju i apsorbiraju toplinu iz struje procesnog plina, čime se smanjuje ulazna temperatura u fazu kompresije. To rezultira smanjenjem izentropskih zahtjeva za snagom i povećanjem učinkovitosti za više od 1%.
Kaljenje osovine zupčanika omogućuje povećanje dopuštenog naprezanja po jedinici površine, što omogućuje smanjenje širine zuba. To smanjuje mehaničke gubitke u mjenjaču do 25%, što rezultira povećanjem ukupne učinkovitosti do 0,5%. Osim toga, troškovi glavnog kompresora mogu se smanjiti do 1% jer se u velikom mjenjaču koristi manje metala.
Ovaj impeler može raditi s koeficijentom protoka (φ) do 0,25 i osigurava 6% veći tlak od impelera od 65 stupnjeva. Osim toga, koeficijent protoka doseže 0,25, a u dvostrukom protočnom dizajnu IGC stroja, volumetrijski protok doseže 1,2 milijuna m3/h ili čak 2,4 milijuna m3/h.
Viša phi vrijednost omogućuje korištenje impelera manjeg promjera pri istom volumnom protoku, čime se smanjuju troškovi glavnog kompresora do 4%. Promjer impelera prvog stupnja može se dodatno smanjiti.
Veći tlak postiže se kutom otklona rotora od 75°, što povećava komponentu obodne brzine na izlazu i time osigurava veći tlak prema Eulerovoj jednadžbi.
U usporedbi s brzim i visokoučinkovitim impelerima, učinkovitost impelera je neznatno smanjena zbog većih gubitaka u spiralnom kolutu. To se može kompenzirati korištenjem puža srednje veličine. Međutim, čak i bez ovih spiralnih koluta, varijabilna učinkovitost do 87% može se postići pri Machovom broju od 1,0 i koeficijentu protoka od 0,24.
Manja spirala omogućuje izbjegavanje sudara s drugim spiralama kada se smanji promjer velikog zupčanika. Operateri mogu uštedjeti troškove prelaskom sa 6-polnog motora na 4-polni motor veće brzine (1000 o/min do 1500 o/min) bez prekoračenja maksimalne dopuštene brzine zupčanika. Osim toga, može smanjiti troškove materijala za spiralne i velike zupčanike.
Sveukupno, glavni kompresor može uštedjeti do 2% kapitalnih troškova, a i motor može uštedjeti 2% kapitalnih troškova. Budući da su kompaktne spiralne komore nešto manje učinkovite, odluka o njihovoj upotrebi uvelike ovisi o prioritetima klijenta (trošak naspram učinkovitosti) i mora se procijeniti za svaki projekt pojedinačno.
Kako bi se povećale mogućnosti upravljanja, IGV se može instalirati ispred više faza. To je u oštroj suprotnosti s prethodnim IGC projektima, koji su uključivali IGV-ove samo do prve faze.
U ranijim iteracijama IGC-a, koeficijent vrtloga (tj. kut drugog IGV-a podijeljen s kutom prvog IGV1) ostao je konstantan bez obzira na to je li tok bio naprijed (kut > 0°, smanjenje tlaka) ili unatrag usmjeren vrtlog (kut < 0°, tlak se povećava). To je nepovoljno jer se predznak kuta mijenja između pozitivnih i negativnih vrtloga.
Nova konfiguracija omogućuje korištenje dvaju različitih omjera vrtloženja kada je stroj u načinu rada vrtloženja naprijed i natrag, čime se povećava raspon upravljanja za 4% uz održavanje konstantne učinkovitosti.
Ugradnjom LS difuzora za impeler koji se obično koristi u BAC-ovima, višestupanjska učinkovitost može se povećati na 89%. To, u kombinaciji s drugim poboljšanjima učinkovitosti, smanjuje broj BAC stupnjeva uz održavanje ukupne učinkovitosti niza. Smanjenje broja stupnjeva eliminira potrebu za međuhladnjakom, pripadajućim cjevovodima procesnog plina te komponentama rotora i statora, što rezultira uštedom troškova od 10%. Osim toga, u mnogim slučajevima moguće je kombinirati glavni zračni kompresor i dopunski kompresor u jednom stroju.
Kao što je ranije spomenuto, obično je potreban međuzupčanik između parne turbine i VAC-a. S novim dizajnom IGC-a tvrtke Siemens Energy, ovaj zatezni zupčanik može se integrirati u mjenjač dodavanjem zateznog vratila između osovine zupčanika i velikog zupčanika (4 zupčanika). To može smanjiti ukupne troškove linije (glavni kompresor plus pomoćna oprema) do 4%.
Osim toga, zupčanici s 4 zupčanika učinkovitija su alternativa kompaktnim scroll motorima za prebacivanje sa 6-polnih na 4-polne motore u velikim glavnim zračnim kompresorima (ako postoji mogućnost sudara spiralnog dijela ili ako će se smanjiti maksimalna dopuštena brzina zupčanika).
Njihova upotreba također postaje sve češća na nekoliko tržišta važnih za industrijsku dekarbonizaciju, uključujući toplinske pumpe i kompresiju pare, kao i kompresiju CO2 u razvojima hvatanja, korištenja i skladištenja ugljika (CCUS).
Siemens Energy ima dugu povijest projektiranja i rada IGC-a. Kao što dokazuju gore navedeni (i drugi) istraživački i razvojni napori, predani smo kontinuiranom inoviranju ovih strojeva kako bismo zadovoljili jedinstvene potrebe primjene i rastuće tržišne zahtjeve za nižim troškovima, povećanom učinkovitošću i povećanom održivošću. KT2
Vrijeme objave: 28. travnja 2024.