Аутор: Лукас Бијикли, менаџер портфолија производа, интегрисани зупчасти погони, истраживање и развој CO2 компресије и топлотних пумпи, Siemens Energy.
Интегрисани зупчасти компресор (IGC) је годинама био технологија избора за постројења за сепарацију ваздуха. То је углавном због њихове високе ефикасности, што директно доводи до смањења трошкова за кисеоник, азот и инертни гас. Међутим, све већи фокус на декарбонизацији поставља нове захтеве пред IPC-ове, посебно у погледу ефикасности и регулаторне флексибилности. Капитални издаци и даље су важан фактор за оператере постројења, посебно у малим и средњим предузећима.
Током протеклих неколико година, компанија Siemens Energy је покренула неколико истраживачко-развојних (R&D) пројеката усмерених на проширење могућности IGC-а како би се задовољиле променљиве потребе тржишта сепарације ваздуха. Овај чланак истиче нека специфична побољшања дизајна која смо направили и разматра како ове промене могу помоћи у испуњавању циљева наших купаца у погледу трошкова и смањења емисије угљеника.
Већина јединица за раздвајање ваздуха данас је опремљена са два компресора: главним компресором ваздуха (MAC) и компресором за појачавање ваздуха (BAC). Главни компресор ваздуха обично компресује цео проток ваздуха са атмосферског притиска на приближно 6 бара. Део овог протока се затим додатно компресује у BAC-у на притисак до 60 бара.
У зависности од извора енергије, компресор се обично покреће парном турбином или електромотором. При коришћењу парне турбине, оба компресора покреће иста турбина преко двоструких крајева вратила. У класичној шеми, између парне турбине и HAC-а је уграђен међузупчаник (Сл. 1).
И у системима са електричним погоном и у системима са парним турбинама, ефикасност компресора је снажна полуга за декарбонизацију јер директно утиче на потрошњу енергије јединице. Ово је посебно важно за вишестепене грејаче (МГП) које покрећу парне турбине, јер се већина топлоте за производњу паре добија у котловима на фосилна горива.
Иако електромотори пружају еколошки прихватљивију алтернативу погонима парних турбина, често постоји већа потреба за флексибилношћу управљања. Многа модерна постројења за раздвајање ваздуха која се данас граде повезана су на мрежу и имају висок ниво коришћења обновљивих извора енергије. У Аустралији, на пример, постоје планови за изградњу неколико зелених постројења за амонијак која ће користити јединице за раздвајање ваздуха (ASU) за производњу азота за синтезу амонијака и очекује се да ће добијати електричну енергију из оближњих ветроелектрана и соларних фарми. У овим постројењима, регулаторна флексибилност је кључна за компензацију природних флуктуација у производњи електричне енергије.
Сименс Енерџи је развио први IGC (раније познат као VK) 1948. године. Данас компанија производи више од 2.300 јединица широм света, од којих су многе дизајниране за примене са протоцима већим од 400.000 м3/х. Наши модерни MGP-ови имају проток до 1,2 милиона кубних метара на сат у једној згради. То укључује верзије конзолних компресора без редуктора са односима притиска до 2,5 или више у једностепеним верзијама и односима притиска до 6 у серијским верзијама.
Последњих година, како бисмо задовољили све веће захтеве за ефикасношћу IGC-а, регулаторном флексибилношћу и капиталним трошковима, направили смо нека значајна побољшања дизајна, која су сумирана у наставку.
Променљива ефикасност бројних импелера који се обично користе у првој MAC фази повећава се променом геометрије лопатица. Са овим новим импелером, променљива ефикасност до 89% може се постићи у комбинацији са конвенционалним LS дифузорима и преко 90% у комбинацији са новом генерацијом хибридних дифузора.
Поред тога, импелер има Махов број већи од 1,3, што првом степену обезбеђује већу густину снаге и степен компресије. Ово такође смањује снагу коју зупчаници у тростепеним MAC системима морају да преносе, омогућавајући употребу зупчаника мањег пречника и мењача са директним погоном у првим степеновима.
У поређењу са традиционалним LS дифузором пуне дужине, хибридни дифузор следеће генерације има повећану ефикасност степени од 2,5% и фактор контроле од 3%. Ово повећање се постиже мешањем лопатица (тј. лопатице су подељене на делове пуне висине и делимичне висине). У овој конфигурацији
Проток између импелера и дифузора је смањен за део висине лопатице који се налази ближе импелеру него лопатице конвенционалног LS дифузора. Као и код конвенционалног LS дифузора, предње ивице лопатица пуне дужине су подједнако удаљене од импелера како би се избегла интеракција између импелера и дифузора која би могла оштетити лопатице.
Делимично повећање висине лопатица ближе импелеру такође побољшава смер протока близу зоне пулсирања. Пошто предња ивица дела лопатица пуне дужине остаје истог пречника као и конвенционални LS дифузор, линија гаса остаје непромењена, што омогућава шири опсег примене и подешавања.
Убризгавање воде подразумева убризгавање капљица воде у струју ваздуха у усисној цеви. Капљице испаравају и апсорбују топлоту из струје процесног гаса, чиме се смањује температура на улазу у фазу компресије. То резултира смањењем изоентропских потреба за снагом и повећањем ефикасности за више од 1%.
Каљење вратила зупчаника омогућава повећање дозвољеног напрезања по јединици површине, што вам омогућава да смањите ширину зуба. Ово смањује механичке губитке у мењачу до 25%, што резултира повећањем укупне ефикасности до 0,5%. Поред тога, трошкови главног компресора могу се смањити до 1% јер се у великом мењачу користи мање метала.
Ово импелер може да ради са коефицијентом протока (φ) до 0,25 и обезбеђује 6% већи притисак од импелера од 65 степени. Поред тога, коефицијент протока достиже 0,25, а у двоструком проточном дизајну IGC машине, запремински проток достиже 1,2 милиона м3/х или чак 2,4 милиона м3/х.
Већа вредност фи омогућава употребу ротора мањег пречника при истом протоку, чиме се смањују трошкови главног компресора до 4%. Пречник ротора прве фазе може се додатно смањити.
Већи притисак се постиже углом скретања ротора од 75°, што повећава компоненту обимне брзине на излазу и тиме обезбеђује већи притисак према Ојлеровој једначини.
У поређењу са брзим и високо ефикасним импелерима, ефикасност импелера је незнатно смањена због већих губитака у спирали. Ово се може надокнадити употребом пужа средње величине. Међутим, чак и без ових спирала, може се постићи променљива ефикасност до 87% при Маховом броју од 1,0 и коефицијенту протока од 0,24.
Мања спирала вам омогућава да избегнете сударе са другим спиралама када се смањи пречник великог зупчаника. Оператори могу уштедети трошкове преласком са 6-полног мотора на 4-полни мотор веће брзине (1000 о/мин до 1500 о/мин) без прекорачења максималне дозвољене брзине зупчаника. Поред тога, може смањити трошкове материјала за спиралне и велике зупчанике.
Генерално, главни компресор може уштедети до 2% капиталних трошкова, плус мотор такође може уштедети 2% капиталних трошкова. Пошто су компактне спиралне компресоре донекле мање ефикасне, одлука о њиховој употреби у великој мери зависи од приоритета клијента (трошкови наспрам ефикасности) и мора се процењивати за сваки пројекат појединачно.
Да би се повећале могућности контроле, IGV се може инсталирати испред више фаза. Ово је у потпуној супротности са претходним IGC пројектима, који су укључивали IGV-ове само до прве фазе.
У ранијим итерацијама IGC-а, коефицијент вртлога (тј. угао другог IGV подељен са углом првог IGV1) остао је константан без обзира на то да ли је ток био напредни (угао > 0°, смањење притиска) или обрнути вртлог (угао < 0°, притисак се повећава). Ово је неповољно јер се знак угла мења између позитивних и негативних вртлога.
Нова конфигурација омогућава коришћење два различита односа вртлога када је машина у режиму вртлога напред и назад, чиме се повећава опсег контроле за 4% уз одржавање константне ефикасности.
Уградњом LS дифузора за импелер који се обично користи у BAC-овима, вишестепена ефикасност може се повећати на 89%. Ово, у комбинацији са другим побољшањима ефикасности, смањује број BAC фаза уз одржавање укупне ефикасности низа. Смањење броја фаза елиминише потребу за интеркулером, пратећим цевима за процесни гас и компонентама ротора и статора, што резултира уштедом трошкова од 10%. Поред тога, у многим случајевима је могуће комбиновати главни ваздушни компресор и појачивач компресора у једној машини.
Као што је раније поменуто, обично је потребан међузупчаник између парне турбине и VAC система. Са новим IGC дизајном компаније Siemens Energy, овај затезни зупчаник може се интегрисати у мењач додавањем затезног вратила између вратила зупчаника и великог зупчаника (4 зупчаника). Ово може смањити укупне трошкове линије (главни компресор плус помоћна опрема) до 4%.
Поред тога, зупчаници са 4 зупчаника су ефикаснија алтернатива компактним спиралним моторима за пребацивање са 6-полних на 4-полне моторе у великим главним ваздушним компресорима (ако постоји могућност судара спиралне цеви или ако ће се смањити максимална дозвољена брзина зупчаника).
Њихова употреба такође постаје све чешћа на неколико тржишта важних за индустријску декарбонизацију, укључујући топлотне пумпе и компресију паре, као и компресију CO2 у развоју хватања, коришћења и складиштења угљеника (CCUS).
Сименс Енерџи има дугу историју пројектовања и рада међукристалних коксних гасова (IGC). Као што је потврђено горе наведеним (и другим) истраживачким и развојним напорима, посвећени смо континуираном иновирању ових машина како бисмо задовољили јединствене потребе примене и растуће захтеве тржишта за нижим трошковима, повећаном ефикасношћу и повећаном одрживошћу. KT2
Време објаве: 28. април 2024.