Autor: Lukas Bijikli, kierownik ds. portfolio produktów, zintegrowane napędy zębate, badania i rozwój w zakresie sprężania CO2 i pomp ciepła, Siemens Energy.
Przez wiele lat Integrated Gear Compressor (IGC) był technologią z wyboru dla zakładów separacji powietrza. Wynika to głównie z ich wysokiej wydajności, która bezpośrednio prowadzi do obniżenia kosztów tlenu, azotu i gazu obojętnego. Jednak rosnący nacisk na dekarbonizację stawia nowe wymagania przed IPC, szczególnie pod względem wydajności i elastyczności regulacyjnej. Nakłady inwestycyjne nadal stanowią ważny czynnik dla operatorów zakładów, zwłaszcza w małych i średnich przedsiębiorstwach.
W ciągu ostatnich kilku lat Siemens Energy zainicjował kilka projektów badawczo-rozwojowych (R&D) mających na celu rozszerzenie możliwości IGC w celu zaspokojenia zmieniających się potrzeb rynku separacji powietrza. W tym artykule podkreślono niektóre konkretne ulepszenia konstrukcyjne, które wprowadziliśmy, i omówiono, w jaki sposób te zmiany mogą pomóc naszym klientom w osiągnięciu celów w zakresie redukcji kosztów i emisji dwutlenku węgla.
Większość dzisiejszych jednostek separacji powietrza jest wyposażona w dwa kompresory: główny kompresor powietrza (MAC) i kompresor powietrza wspomagającego (BAC). Główny kompresor powietrza zazwyczaj spręża cały przepływ powietrza od ciśnienia atmosferycznego do około 6 barów. Część tego przepływu jest następnie dalej sprężana w BAC do ciśnienia do 60 barów.
W zależności od źródła energii sprężarka jest zwykle napędzana turbiną parową lub silnikiem elektrycznym. W przypadku turbiny parowej obie sprężarki są napędzane tą samą turbiną przez dwa końce wału. W klasycznym schemacie, przekładnia pośrednia jest instalowana pomiędzy turbiną parową a HAC (rys. 1).
W systemach napędzanych zarówno elektrycznie, jak i turbiną parową, wydajność sprężarki jest potężną dźwignią 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 jest uzyskiwana w kotłach opalanych paliwami kopalnymi.
Chociaż silniki elektryczne stanowią bardziej ekologiczną alternatywę dla napędów turbin parowych, często istnieje większe zapotrzebowanie na elastyczność sterowania. Wiele nowoczesnych zakładów rozdziału powietrza budowanych obecnie jest podłączonych do sieci i charakteryzuje się wysokim poziomem wykorzystania energii odnawialnej. Na przykład w Australii istnieją plany budowy kilku zielonych zakładów amoniaku, które będą wykorzystywać jednostki rozdziału powietrza (ASU) do produkcji azotu do syntezy amoniaku i oczekuje się, że będą otrzymywać energię elektryczną z pobliskich farm wiatrowych i słonecznych. W tych zakładach elastyczność regulacyjna ma kluczowe znaczenie dla kompensacji naturalnych wahań w wytwarzaniu energii.
Siemens Energy opracował pierwszy IGC (dawniej znany jako VK) w 1948 roku. Obecnie firma produkuje ponad 2300 jednostek na całym świecie, z których wiele jest zaprojektowanych do zastosowań o przepływach przekraczających 400 000 m3/h. Nasze nowoczesne MGP mają przepływ do 1,2 miliona metrów sześciennych na godzinę w jednym budynku. Należą do nich bezprzekładniowe wersje sprężarek konsolowych o współczynnikach sprężania do 2,5 lub wyższych w wersjach jednostopniowych i współczynnikach sprężania do 6 w wersjach szeregowych.
Aby sprostać rosnącym wymaganiom dotyczącym wydajności IGC, elastyczności regulacyjnej i kosztów kapitałowych, w ostatnich latach wprowadziliśmy kilka istotnych udoskonaleń konstrukcyjnych, które podsumowano poniżej.
Zmienna sprawność szeregu wirników typowo stosowanych w pierwszym etapie MAC jest zwiększana 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 większą gęstość mocy i współczynnik sprężania. Zmniejsza to również moc, jaką muszą przenosić koła zębate w trzystopniowych systemach MAC, co pozwala na stosowanie kół zębatych o mniejszej średnicy i przekładni z napędem bezpośrednim w pierwszych stopniach.
W porównaniu do tradycyjnego pełnowymiarowego dyfuzora łopatkowego LS, hybrydowy dyfuzor nowej generacji ma zwiększoną wydajność stopnia o 2,5% i współczynnik kontroli 3%. Ten wzrost jest osiągany przez mieszanie łopatek (tj. łopatki są podzielone na sekcje pełnej wysokości i częściowej wysokości). W tej konfiguracji
Wyjście przepływu pomiędzy wirnikiem a dyfuzorem jest zmniejszone o część wysokości łopatki, która znajduje się bliżej wirnika niż łopatki konwencjonalnego dyfuzora LS. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego dyfuzora LS, krawędzie natarcia łopatek pełnej długości są w równej odległości od wirnika, aby uniknąć interakcji wirnik-dyfuzor, która mogłaby uszkodzić łopatki.
Częściowe zwiększenie wysokości łopatek bliżej wirnika poprawia również kierunek przepływu w pobliżu strefy pulsacji. Ponieważ przednia krawędź pełnej długości sekcji łopatkowej pozostaje tej samej średnicy co konwencjonalny dyfuzor LS, linia przepustnicy pozostaje niezmieniona, co pozwala na szerszy zakres zastosowań i strojenia.
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 etapu sprężania. Powoduje to zmniejszenie izentropowych wymagań mocy i wzrost sprawności o ponad 1%.
Hartowanie wału przekładni pozwala na zwiększenie dopuszczalnego naprężenia na jednostkę powierzchni, co pozwala na zmniejszenie szerokości zęba. Zmniejsza to straty mechaniczne w przekładni nawet o 25%, co skutkuje wzrostem ogólnej sprawności nawet o 0,5%. Ponadto koszty głównej sprężarki można zmniejszyć nawet o 1%, ponieważ w dużej przekładni stosuje się mniej metalu.
Ten wirnik może pracować ze współczynnikiem przepływu (φ) do 0,25 i zapewnia o 6% więcej ciśnienia niż wirniki 65-stopniowe. Ponadto współczynnik przepływu osiąga 0,25, a w konstrukcji dwuprzepływowej maszyny IGC przepływ objętościowy osiąga 1,2 miliona m3/h lub nawet 2,4 miliona m3/h.
Wyższa wartość phi pozwala na zastosowanie wirnika o mniejszej średnicy przy takim samym przepływie objętościowym, co pozwala na redukcję kosztów 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 do wirników o dużej prędkości i wysokiej sprawności, sprawność wirnika jest nieznacznie zmniejszona ze względu na większe straty w spirali. Można to zrekompensować, stosując ślimak średniej wielkości. Jednak nawet bez tych spiral można osiągnąć zmienną sprawność do 87% przy liczbie Macha 1,0 i współczynniku przepływu 0,24.
Mniejsza spirala pozwala uniknąć kolizji z innymi spiralami, gdy średnica dużego koła zębatego jest zmniejszona. Operatorzy mogą zaoszczędzić 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 koła zębatego. Ponadto może to obniżyć koszty materiałów dla kół zębatych śrubowych i dużych.
Ogólnie rzecz biorąc, główny kompresor może zaoszczędzić do 2% kosztów kapitałowych, a silnik również może zaoszczędzić 2% kosztów kapitałowych. Ponieważ kompaktowe spirale są nieco mniej wydajne, decyzja o ich użyciu zależy w dużej mierze od priorytetów klienta (koszt kontra wydajność) i musi być oceniana na podstawie projektu po projekcie.
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 był 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 użycie 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 do wirnika powszechnie stosowanego w BAC, wydajność wielostopniowa może zostać zwiększona do 89%. To, w połączeniu z innymi ulepszeniami wydajności, zmniejsza liczbę stopni BAC, przy jednoczesnym zachowaniu ogólnej wydajności układu. Zmniejszenie liczby stopni eliminuje potrzebę stosowania chłodnicy międzystopniowej, powiązanego rurociągu gazu procesowego oraz komponentów wirnika i stojana, co skutkuje oszczędnością kosztów na poziomie 10%. Ponadto w wielu przypadkach możliwe jest połączenie głównej sprężarki powietrza i sprężarki wspomagającej w jednej maszynie.
Jak wspomniano wcześniej, między turbiną parową a VAC zwykle wymagane jest pośrednie koło zębate. Dzięki nowej konstrukcji IGC firmy Siemens Energy to koło zębate pośrednie można zintegrować ze skrzynią biegów, dodając wałek pośredniczący między wałkiem zębatym a dużym kołem zębatym (4 koła zębate). Może to zmniejszyć całkowity koszt linii (główny kompresor plus wyposażenie 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 ryzyko kolizji spirali lub jeśli maksymalna dopuszczalna prędkość zębatki ulegnie zmniejszeniu). ) przeszłości.
Ich zastosowanie staje się coraz powszechniejsze w kilku sektorach przemysłu mających znaczenie dla dekarbonizacji, w tym w sektorze pomp ciepła i sprężania pary wodnej, a także w sektorze sprężania CO2 w procesach wychwytywania, wykorzystywania i składowania dwutlenku węgla (CCUS).
Siemens Energy ma długą historię projektowania i obsługi IGC. Jak wynika z powyższych (i innych) wysiłków badawczo-rozwojowych, jesteśmy zobowiązani do ciągłego wprowadzania innowacji w tych maszynach, aby sprostać unikalnym potrzebom aplikacji i rosnącym wymaganiom rynku w zakresie niższych kosztów, zwiększonej wydajności i zwiększonej zrównoważoności. KT2
Czas publikacji: 28-kwi-2024