HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Autor: Lukas Bijikli, kierownik ds. portfolio produktów, zintegrowane napędy zębate, badania i rozwój w zakresie sprężania CO2 i pomp ciepła, Siemens Energy.
Od wielu lat Zintegrowana Sprężarka Przekładniowa (IGC) jest technologią preferowaną w instalacjach separacji powietrza. Wynika to głównie z ich wysokiej sprawności, która bezpośrednio przekłada się na obniżenie kosztów tlenu, azotu i gazu obojętnego. Jednak rosnący nacisk na dekarbonizację stawia nowe wymagania przed IPC, zwłaszcza w zakresie wydajności i elastyczności regulacyjnej. Nakłady inwestycyjne nadal stanowią istotny czynnik dla operatorów instalacji, zwłaszcza w małych i średnich przedsiębiorstwach.
W ciągu ostatnich kilku lat firma Siemens Energy zainicjowała szereg projektów badawczo-rozwojowych (R&D), których celem jest rozszerzenie możliwości IGC, aby sprostać zmieniającym się potrzebom rynku separacji powietrza. Niniejszy artykuł przedstawia niektóre z wprowadzonych przez nas udoskonaleń konstrukcyjnych i omawia, jak te zmiany mogą pomóc naszym klientom w osiągnięciu celów w zakresie redukcji kosztów i emisji dwutlenku węgla.
Większość współczesnych jednostek separacji powietrza jest wyposażona w dwie sprężarki: główną sprężarkę powietrza (MAC) i sprężarkę powietrza doładowującego (BAC). Główna sprężarka powietrza zazwyczaj spręża cały przepływ powietrza od ciśnienia atmosferycznego do około 6 barów. Część tego przepływu jest następnie sprężana w sprężarce BAC do ciśnienia do 60 barów.
W zależności od źródła energii, sprężarka jest zazwyczaj napędzana turbiną parową lub silnikiem elektrycznym. W przypadku turbiny parowej obie sprężarki są napędzane przez tę samą turbinę poprzez dwa wałki. W klasycznym układzie, pomiędzy turbiną parową a sprężarką HAC zamontowana jest przekładnia pośrednia (rys. 1).
Zarówno w systemach napędzanych elektrycznie, jak i turbinami parowymi, sprawność sprężarki jest istotnym czynnikiem dekarbonizacji, ponieważ bezpośrednio wpływa na zużycie energii przez jednostkę. Jest to szczególnie ważne w przypadku MGP napędzanych turbinami parowymi, ponieważ większość ciepła do produkcji pary pozyskiwana jest w kotłach opalanych paliwami kopalnymi.
Chociaż silniki elektryczne stanowią bardziej ekologiczną alternatywę dla napędów turbin parowych, często istnieje większe zapotrzebowanie na elastyczność sterowania. Wiele budowanych obecnie nowoczesnych instalacji rozdziału powietrza jest podłączonych do sieci i charakteryzuje się wysokim poziomem wykorzystania energii odnawialnej. Na przykład w Australii planowane jest zbudowanie kilku zielonych instalacji amoniaku, które będą wykorzystywać jednostki rozdziału powietrza (ASU) do produkcji azotu do syntezy amoniaku i będą zasilane energią elektryczną z pobliskich farm wiatrowych i słonecznych. W tych elektrowniach elastyczność regulacyjna ma kluczowe znaczenie dla kompensacji naturalnych wahań w wytwarzaniu energii.
Firma Siemens Energy opracowała pierwszy agregat IGC (dawniej VK) w 1948 roku. Obecnie firma produkuje ponad 2300 urządzeń na całym świecie, z których wiele jest przeznaczonych do zastosowań o przepływie przekraczającym 400 000 m³/h. Nasze nowoczesne agregaty MGP osiągają przepływ do 1,2 miliona metrów sześciennych na godzinę w jednym budynku. Należą do nich bezprzekładniowe wersje sprężarek konsolowych o współczynniku sprężu do 2,5 lub wyższym w wersjach jednostopniowych oraz o współczynniku sprężu do 6 w wersjach szeregowych.
Aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym efektywności IGC, elastyczności regulacyjnej i kosztów kapitałowych, w ostatnich latach wprowadziliśmy kilka znaczących udoskonaleń konstrukcyjnych, które podsumowano poniżej.
Zmienna sprawność wielu wirników, typowo stosowanych w pierwszym stopniu MAC, jest zwiększona poprzez zmianę geometrii łopatek. Dzięki temu nowemu wirnikowi można osiągnąć zmienną sprawność do 89% w połączeniu z konwencjonalnymi dyfuzorami LS i ponad 90% w połączeniu z nową generacją dyfuzorów hybrydowych.
Ponadto wirnik ma liczbę Macha wyższą niż 1,3, co zapewnia pierwszemu stopniowi wyższą gęstość mocy i stopień sprężania. Zmniejsza to również moc, jaką muszą przenosić koła zębate w trzystopniowych układach MAC, umożliwiając zastosowanie kół zębatych o mniejszej średnicy i przekładni z napędem bezpośrednim w pierwszych stopniach.
W porównaniu z tradycyjnym, pełnowymiarowym dyfuzorem łopatkowym LS, hybrydowy dyfuzor nowej generacji charakteryzuje się zwiększoną sprawnością stopniową o 2,5% i współczynnikiem regulacji o 3%. Wzrost ten uzyskano poprzez mieszanie łopatek (tj. łopatki są podzielone na sekcje o pełnej i częściowej wysokości). W tej konfiguracji
Wydatek przepływu między wirnikiem a dyfuzorem jest zmniejszony o część wysokości łopatek, która znajduje się bliżej wirnika niż łopatki konwencjonalnego dyfuzora LS. Podobnie jak w konwencjonalnym dyfuzorze LS, krawędzie natarcia łopatek na całej długości są jednakowo oddalone od wirnika, aby uniknąć interakcji wirnika z dyfuzorem, która mogłaby uszkodzić łopatki.
Częściowe zwiększenie wysokości łopatek bliżej wirnika poprawia również kierunek przepływu w pobliżu strefy pulsacji. Ponieważ krawędź natarcia pełnej długości sekcji łopatkowej zachowuje tę samą średnicę, co w konwencjonalnym dyfuzorze LS, linia przepustnicy pozostaje niezmieniona, co pozwala na szerszy zakres zastosowań i regulacji.
Wtrysk wody polega na wtryskiwaniu kropelek wody do strumienia powietrza w rurze ssącej. Krople odparowują i pochłaniają ciepło ze strumienia gazu procesowego, obniżając w ten sposób temperaturę wlotową do stopnia sprężania. Powoduje to zmniejszenie izentropowego zapotrzebowania na moc i wzrost sprawności o ponad 1%.
Hartowanie wału przekładni pozwala na zwiększenie dopuszczalnego naprężenia na jednostkę powierzchni, co pozwala na zmniejszenie szerokości zębów. Zmniejsza to straty mechaniczne w przekładni nawet o 25%, co przekłada się na wzrost ogólnej sprawności nawet o 0,5%. Dodatkowo, koszty sprężarki głównej można obniżyć nawet o 1%, ponieważ w dużej przekładni zastosowano mniej metalu.
Ten wirnik może pracować ze współczynnikiem przepływu (φ) do 0,25 i zapewnia o 6% większą wysokość podnoszenia niż wirniki o kącie 65 stopni. Ponadto współczynnik przepływu sięga 0,25, a w dwustrumieniowej konstrukcji maszyny IGC, przepływ objętościowy sięga 1,2 mln m³/h, a nawet 2,4 mln m³/h.
Wyższa wartość phi pozwala na zastosowanie wirnika o mniejszej średnicy przy tym samym przepływie objętościowym, co pozwala obniżyć koszt głównej sprężarki nawet o 4%. Średnicę wirnika pierwszego stopnia można zmniejszyć jeszcze bardziej.
Wyższą wysokość podnoszenia uzyskano dzięki kątowi odchylenia wirnika wynoszącemu 75°, co zwiększa składową prędkości obwodowej na wylocie, a tym samym zapewnia wyższą wysokość podnoszenia zgodnie z równaniem Eulera.
W porównaniu z wirnikami szybkoobrotowymi i wysokosprawnymi, sprawność wirnika jest nieznacznie niższa ze względu na wyższe straty w spirali. Można to skompensować stosując ślimak średniej wielkości. Jednak nawet bez tych spirali można osiągnąć zmienną sprawność do 87% przy liczbie Macha 1,0 i współczynniku przepływu 0,24.
Mniejsza spirala pozwala uniknąć kolizji z innymi spiralami przy zmniejszonej średnicy dużego koła zębatego. Operatorzy mogą obniżyć koszty, przechodząc z silnika 6-biegunowego na silnik 4-biegunowy o wyższej prędkości (1000 obr./min do 1500 obr./min) bez przekraczania maksymalnej dopuszczalnej prędkości obrotowej przekładni. Dodatkowo, może to obniżyć koszty materiałów w przypadku przekładni śrubowych i dużych.
Ogólnie rzecz biorąc, główna sprężarka może zaoszczędzić do 2% kosztów kapitałowych, a silnik również może zaoszczędzić 2% kosztów kapitałowych. Ponieważ kompaktowe sprężarki spiralne są nieco mniej wydajne, decyzja o ich zastosowaniu zależy w dużej mierze od priorytetów klienta (koszt kontra wydajność) i musi być oceniana indywidualnie dla każdego projektu.
Aby zwiększyć możliwości sterowania, IGV można zainstalować przed wieloma scenami. Stanowi to wyraźny kontrast w porównaniu z poprzednimi projektami IGC, które obejmowały IGV tylko do pierwszej fazy.
We wcześniejszych iteracjach IGC współczynnik wirowy (tj. kąt drugiego IGV podzielony przez kąt pierwszego IGV1) pozostawał stały niezależnie od tego, czy przepływ odbywał się do przodu (kąt > 0°, zmniejszając wysokość), czy do tyłu (kąt < 0°, ciśnienie wzrasta). Jest to niekorzystne, ponieważ znak kąta zmienia się między wirami dodatnimi i ujemnymi.
Nowa konfiguracja pozwala na zastosowanie dwóch różnych współczynników wirowania, gdy maszyna pracuje w trybie wirowania do przodu i do tyłu, zwiększając tym samym zakres sterowania o 4% przy zachowaniu stałej wydajności.
Dzięki zastosowaniu dyfuzora LS dla wirnika, powszechnie stosowanego w sprężarkach BAC, sprawność wielostopniowa może wzrosnąć do 89%. To, w połączeniu z innymi usprawnieniami, zmniejsza liczbę stopni sprężarki BAC, przy jednoczesnym zachowaniu ogólnej sprawności układu. Zmniejszenie liczby stopni eliminuje potrzebę stosowania chłodnicy międzystopniowej, towarzyszących jej rurociągów gazu procesowego oraz elementów wirnika i stojana, co przekłada się na oszczędność kosztów rzędu 10%. Ponadto, w wielu przypadkach możliwe jest połączenie głównej sprężarki powietrza i sprężarki wspomagającej w jednym urządzeniu.
Jak wspomniano wcześniej, między turbiną parową a sprężarką VAC zazwyczaj wymagane jest koło pośrednie. Dzięki nowej konstrukcji IGC firmy Siemens Energy, to koło pośrednie można zintegrować z przekładnią poprzez dodanie wałka pośredniego między wałkiem zębatym a dużym kołem zębatym (4 koła zębate). Pozwala to obniżyć całkowity koszt linii (sprężarka główna i urządzenia pomocnicze) nawet o 4%.
Ponadto przekładnie 4-zębate stanowią wydajniejszą alternatywę dla kompaktowych silników spiralnych przy przełączaniu silników 6-biegunowych na 4-biegunowe w dużych głównych sprężarkach powietrza (jeśli istnieje możliwość kolizji spiral lub jeśli maksymalna dopuszczalna prędkość zębatki ulegnie zmniejszeniu). ) przeszłości.
Ich zastosowanie staje się coraz powszechniejsze w wielu gałęziach przemysłu ważnych z punktu widzenia dekarbonizacji, w tym w pompach ciepła i sprężaniu pary wodnej, a także w sektorze sprężania CO2 w procesach wychwytywania, wykorzystywania i składowania dwutlenku węgla (CCUS).
Siemens Energy ma długą historię projektowania i eksploatacji turbin wiatrowych (IGC). Jak pokazują powyższe (i inne) prace badawczo-rozwojowe, jesteśmy zaangażowani w ciągłe udoskonalanie tych maszyn, aby sprostać unikalnym potrzebom aplikacji i rosnącym wymaganiom rynku w zakresie niższych kosztów, zwiększonej wydajności i zrównoważonego rozwoju. KT2