Autor: Lukas Bijikli, upravitelj portfelja proizvoda, integrirani pogoni zupčanika, R&D CO2 kompresije i toplinske pumpe, Siemens Energy.
Dugi niz godina integrirani kompresor zupčanika (IGC) bio je tehnologija izbora za postrojenja za razdvajanje zraka. To je uglavnom zbog njihove visoke učinkovitosti, što izravno dovodi do smanjenih troškova za kisik, dušik i inertni plin. Međutim, rastući fokus na dekarbonizaciji postavlja nove zahtjeve IPC -a, posebno u pogledu učinkovitosti i regulatorne fleksibilnosti. Kapitalni izdaci i dalje su važan faktor za operatere postrojenja, posebno u malim i srednjim poduzećima.
Tijekom posljednjih nekoliko godina, Siemens Energy pokrenuo je nekoliko projekata istraživanja i razvoja (R&D) usmjeren na širenje mogućnosti IGC -a kako bi zadovoljio promjenjive potrebe tržišta razdvajanja zraka. Ovaj članak naglašava neka specifična poboljšanja dizajna koja smo napravili i raspravlja o tome kako te promjene mogu pomoći u ispunjavanju ciljeva troškova i smanjenja ugljika.
Većina jedinica za odvajanje zraka danas su opremljene s dva kompresora: glavni zračni kompresor (MAC) i pojačani kompresor zraka (BAC). Glavni zračni kompresor obično komprimira cijeli protok zraka od atmosferskog tlaka do približno 6 bara. Dio ovog protoka se zatim dodatno komprimira u BAC do tlaka do 60 bara.
Ovisno o izvoru energije, kompresor obično pokreće parna turbina ili električni motor. Kada koristite parnu turbinu, oba kompresora pokreću istu turbinu kroz krajeve dvostruke osovine. U klasičnoj shemi instaliran je intermedijarni zupčanik između parne turbine i HAC -a (Sl. 1).
U sustavima koji se pokreću električno i parnim turbinama, učinkovitost kompresora snažna je poluga za dekarbonizaciju jer izravno utječe na potrošnju energije jedinice. To je posebno važno za MGP-ove pokrećene parne turbine, jer se većina topline za proizvodnju pare dobiva u kotlovima na fosilnim gorivom.
Iako električni motori pružaju zeleniju alternativu pogonima parnih turbina, često postoji veća potreba za kontrolnom fleksibilnošću. Mnoge moderne postrojenja za razdvajanje zraka koje se danas grade spojene su na mrežu i imaju visoku razinu upotrebe obnovljivih izvora energije. U Australiji, na primjer, planiraju izgraditi nekoliko biljaka zelenih amonijaka koje će koristiti jedinice za razdvajanje zraka (ASUS) za proizvodnju dušika za sintezu amonijaka i očekuje se da će dobiti električnu energiju s obližnjih i solarnih farmi. U tim je biljkama regulatorna fleksibilnost presudna za nadoknadu prirodnih fluktuacija u proizvodnji energije.
Siemens Energy razvio je prvi IGC (ranije poznat kao VK) 1948. godine. Danas tvrtka proizvodi više od 2.300 jedinica širom svijeta, od kojih su mnoge dizajnirane za primjene s brzinom protoka veće od 400 000 m3/h. Naši moderni MGP -ovi imaju protok do 1,2 milijuna kubičnih metara na sat u jednoj zgradi. Oni uključuju verzije kompresora konzola bez zupčanika s omjerima tlaka do 2,5 ili više u jednostepenim verzijama i omjerima tlaka do 6 u serijskim verzijama.
Posljednjih godina, kako bismo udovoljili sve većim zahtjevima za učinkovitošću IGC -a, regulatornom fleksibilnošću i kapitalnim troškovima, napravili smo neka značajna poboljšanja dizajna, koja su sažeta u nastavku.
Promjenjiva učinkovitost niza Impellera koji se obično koriste u prvoj fazi MAC -a povećava se promjenom geometrije noža. Pomoću ovog novog rotora, promjenjiva učinkovitost do 89% može se postići u kombinaciji s konvencionalnim difuzorima LS -a i preko 90% u kombinaciji s novom generacijom hibridnih difuzora.
Pored toga, Impeler ima MAC -ov broj veći od 1,3, što prvu fazu pruža veću gustoću snage i kompresije. To također smanjuje snagu koju zupčanici u trostupanjskim MAC sustavima moraju prenositi, omogućujući upotrebu zupčanika manjeg promjera i izravnih pogonskih mjenjača u prvim fazama.
U usporedbi s tradicionalnim difuzorom LS-a pune duljine, hibridni difuzor sljedeće generacije ima povećanu stadijsku učinkovitost od 2,5% i kontrolni faktor od 3%. Ovo povećanje postiže se miješanjem lopatica (tj. Oštrice su podijeljene u odjeljke pune visine i djelomične visine). U ovoj konfiguraciji
Izlaz protoka između rotora i difuzora smanjen je dijelom visine oštrice koji se nalazi bliže rotoru od lopatica konvencionalnog difuzora LS. Kao i kod konvencionalnog LS difuzera, vodeći rubovi noževa pune duljine jednak je udaljenim od rotora kako bi se izbjegla interakcija rotora-difusa koja bi mogla oštetiti lopatice.
Djelomično povećanje visine noževa bliže rotolu također poboljšava smjer protoka u blizini zone pulsacije. Budući da vodeći rub pune duljine vane ostaje isti promjer kao i konvencionalni LS difuzor, na liniju leptira za gas ne utječe, što omogućava 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, smanjujući na taj način temperaturu ulaza u fazu kompresije. To rezultira smanjenjem potreba za izentropskom energijom i povećanjem učinkovitosti veće od 1%.
Očvršćivanje osovine zupčanika omogućava vam povećavanje dopuštenog naprezanja po jedinici površine, što vam omogućuje smanjenje širine zuba. To smanjuje mehaničke gubitke u mjenjaču za do 25%, što je rezultiralo povećanjem ukupne učinkovitosti do 0,5%. Pored toga, glavni troškovi kompresora mogu se smanjiti za do 1% jer se u velikom mjenjaču koristi manje metala.
Ovaj rotor može raditi s koeficijentom protoka (φ) do 0,25 i osigurava 6% više glave od Impellera od 65 stupnjeva. Pored toga, koeficijent protoka doseže 0,25, a u dizajnu dvostrukog protoka IGC strojeva, volumetrijski protok doseže 1,2 milijuna m3/h ili čak 2,4 milijuna m3/h.
Veća vrijednost Phi omogućuje uporabu rotora manjeg promjera pri istom protoku volumena, čime se smanjuje troškovi glavnog kompresora do 4%. Promjer rotora prve faze može se još više smanjiti.
Viša glava postiže se kutom otklona rotora od 75 °, što povećava komponentu obodne brzine na utičnici i tako pruža veću glavu prema Eulerovoj jednadžbi.
U usporedbi s velikim brzinama i ronilacama visoke učinkovitosti, učinkovitost rotora je malo smanjena zbog većih gubitaka u volutu. To se može nadoknaditi korištenjem puževa srednje veličine. Međutim, čak i bez ovih proputa, promjenjiva učinkovitost do 87% može se postići na Machovom broju od 1,0 i koeficijenta protoka od 0,24.
Manji volut omogućuje vam da izbjegavate sudare s drugim volutima kada se smanji promjer velikog zupčanika. Operatori mogu uštedjeti troškove prelaskom s 6-polnog motora na motor s 4-brzinom (1000 o / min od 1000 o / min) bez prelaska maksimalne dopuštene brzine prijenosa. Uz to, može smanjiti troškove materijala za spiralne i velike prijenosnike.
Općenito, glavni kompresor može uštedjeti do 2% kapitalnih troškova, a motor također može uštedjeti 2% kapitalnih troškova. Budući da su kompaktni voluti nešto manje učinkoviti, odluka da ih se koristi u velikoj mjeri ovisi o prioritetima klijenta (trošak u odnosu na učinkovitost) i mora se procijeniti na osnovu projekta po projektiranju.
Da bi se povećala mogućnosti upravljanja, IGV se može instalirati ispred više faza. To je u velikoj suprotnosti s prethodnim IGC projektima, koji su uključivali samo IGV -ove do prve faze.
U ranijim iteracijama IGC, koeficijent vrtloga (tj. Kut drugog IgV -a podijeljen s kutom prvog Igv1) ostao je konstantan bez obzira je li protok bio naprijed (kut> 0 °, smanjenje glave) ili obrnuti vrtlog (kut <0). °, tlak se povećava). To je nepovoljno jer se znak kuta mijenja između pozitivnih i negativnih vrtloga.
Nova konfiguracija omogućuje upotrebu dva različita omjera vrtloga kada je stroj u načinu rada naprijed i obrnuto vrtlog, povećavajući tako upravljački raspon za 4% uz održavanje stalne učinkovitosti.
Uključivanjem LS difuzera za rotor koji se obično koristi u BACS-u, učinkovitost u više stupnjeva može se povećati na 89%. To, u kombinaciji s drugim poboljšanjima učinkovitosti, smanjuje broj BAC faza uz održavanje ukupne učinkovitosti vlaka. Smanjenje broja faza eliminira potrebu za interkulerom, povezanim cjevovodima procesnih plinova i komponentama rotora i statora, što rezultira uštedom troškova od 10%. Uz to, u mnogim je slučajevima moguće kombinirati glavni kompresor zraka i kompresor za potiskivanje u jednom stroju.
Kao što je ranije spomenuto, obično je potreban intermedijarni zupčanik između parne turbine i VAC -a. S novim IGC dizajnom iz Siemens Energy, ovaj se idlinski zupčanik može integrirati u mjenjač dodavanjem osovine praznog hoda između osovine zupčanika i velikog zupčanika (4 zupčanika). To može smanjiti ukupni trošak (glavni kompresor plus pomoćna oprema) za do 4%.
Uz to, 4-pinionski zupčanici su učinkovitija alternativa kompaktnim motorima za pomicanje za prebacivanje s 6-polnih na 4-poljale motore u velikim glavnim kompresorima zraka (ako postoji mogućnost sudara voluta ili ako se smanji maksimalna dopuštena brzina zupčanika). ) prošlost.
Njihova upotreba također postaje sve češća na nekoliko tržišta važnih za industrijsku dekarbonizaciju, uključujući toplinske pumpe i kompresiju pare, kao i CO2 kompresiju u hvatanju, iskorištavanju i skladištu (CCUS).
Siemens Energy ima dugu povijest dizajniranja i upravljanja IGC -ovima. Kao što pokazuju gore navedeni (i drugi) istraživački i razvojni napori, zalažemo se za kontinuirano inoviranje ovih strojeva kako bismo zadovoljili jedinstvene potrebe za primjenom i zadovoljili sve veće potrebe tržišta za nižim troškovima, povećanu učinkovitost i povećanu održivost. KT2
Vrijeme posta: travanj-28-2024