Autor: Lukas Bijikli, menedżer portfela produktów, zintegrowane napędowe napędowe napęd, kompresja i pompy ciepła R&D CO2, Siemens Energy.
Od wielu lat zintegrowana sprężarka biegów (IGC) jest technologią z wyboru dla roślin separacji powietrza. Wynika to głównie z ich wysokiej wydajności, co bezpośrednio prowadzi do zmniejszenia kosztów tlenu, azotu i gazu obojętnego. Jednak rosnący nacisk na dekarbonizację nakłada nowe wymagania na IPC, szczególnie pod względem wydajności i elastyczności regulacyjnej. Wydatki kapitałowe są nadal ważnym czynnikiem dla operatorów zakładu, szczególnie w małych i średnich przedsiębiorstwach.
W ciągu ostatnich kilku lat Siemens Energy zainicjował kilka projektów badań i rozwoju (R&D) mające na celu rozszerzenie możliwości IGC w celu zaspokojenia zmieniających się potrzeb rynku separacji powietrznej. W tym artykule przedstawiono pewne konkretne ulepszenia projektu, które dokonaliśmy i omawia, w jaki sposób zmiany te mogą pomóc w osiągnięciu celów naszych klientów i redukcji emisji dwutlenku węgla.
Większość dzisiejszych jednostek separacji powietrza jest wyposażona w dwa sprężarki: główną sprężarkę powietrza (MAC) i sprężarkę powietrza Boost (BAC). Główna sprężarka powietrza zwykle ściska cały przepływ powietrza z ciśnienia atmosferycznego do około 6 barów. Część tego przepływu jest następnie dalej ściskana w BAC do ciśnienia do 60 barów.
W zależności od źródła energii sprężarka jest zwykle napędzana turbiną parową lub silnikiem elektrycznym. Podczas korzystania z turbiny parowej oba sprężarki są napędzane przez tę samą turbinę przez podwójne końce wału. W klasycznym schemacie instalowane jest pośredniczne zębate między turbiną parową a HAC (ryc. 1).
Zarówno w układach napędzanych elektrycznie i pary napędzanej turbiną parą, wydajność sprężarki jest potężną dźwignią dekarbonizacji, ponieważ wpływa bezpośrednio na zużycie energii jednostki. Jest to szczególnie ważne w przypadku MGPS napędzanych turbinami parowymi, ponieważ większość ciepła do produkcji pary uzyskuje się w kotłach opalanych paliwem kopalnym.
Chociaż silniki elektryczne stanowią bardziej zieloną alternatywę dla napędów turbin parowych, często istnieje większa potrzeba elastyczności kontroli. Wiele nowoczesnych zakładów separacji powietrza budowanych obecnie jest połączonych z siatką i ma wysoki poziom zużycia energii odnawialnej. Na przykład w Australii planuje się zbudować kilka zielonych roślin amoniaku, które będą wykorzystywać jednostki separacji powietrza (ASUS) do produkcji azotu do syntezy amoniaku i oczekuje się, że otrzymają energię elektryczną z pobliskich gospodarstw wiatru i słonecznych. W tych roślinach elastyczność regulacyjna ma kluczowe znaczenie dla zrekompensowania naturalnych wahań wytwarzania energii.
Siemens Energy opracował pierwszy IGC (wcześniej znany jako VK) w 1948 r. Obecnie firma produkuje ponad 2300 jednostek na całym świecie, z których wiele zostało zaprojektowanych do zastosowań o prędkościach przepływowych przekraczających 400 000 m3/h. Nasze nowoczesne MGP mają prędkość przepływu do 1,2 miliona metrów sześciennych na godzinę w jednym budynku. Obejmują one bez przekładni wersje sprężarek konsolowych ze współczynnikami ciśnienia do 2,5 lub wyższej w jednoetapowych wersjach i współczynnikach ciśnienia do 6 w wersjach szeregowych.
W ostatnich latach, aby zaspokoić rosnące wymagania dotyczące wydajności IGC, elastyczności regulacyjnej i kosztów kapitałowych, dokonaliśmy znaczących ulepszeń projektowych, które zostały podsumowane poniżej.
Zmienna wydajność wielu impelrów zwykle stosowanych w pierwszym etapie MAC jest zwiększona poprzez zmianę geometrii ostrza. Dzięki temu nowemu wirnikowi zmienna wydajność do 89% można osiągnąć 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 pierwszy etap wyższy współczynnik gęstości i kompresji. Zmniejsza to również moc przekładnia w trzyetapowych systemach MAC, umożliwiając zużycie biegów o mniejszej średnicy i skrzyni biegów bezpośrednich napędowych w pierwszych etapach.
W porównaniu z tradycyjnym dyfuzorem łopatki LS pełnej długości, hybrydowy dyfuzor nowej generacji ma zwiększoną wydajność stadium 2,5% i współczynnik kontrolny 3%. Wzrost ten osiąga się poprzez mieszanie ostrzy (tj. Ostrza są podzielone na sekcje o pełnej wysokości i częściowej wysokości). W tej konfiguracji
Wydajność przepływu między wirnikiem a dyfuzorem jest zmniejszona przez część wysokości łopatki, która znajduje się bliżej wirnika niż ostrza konwencjonalnego dyfuzora LS. Podobnie jak w przypadku konwencjonalnego dyfuzora LS, wiodące krawędzie łopat pełnej długości są w równym stopniu od wirnika, aby uniknąć interakcji wirnika-diffusera, która mogłaby uszkodzić ostrza.
Częściowo zwiększenie wysokości łopat bliżej wirnika poprawia również kierunek przepływu w pobliżu strefy pulsacji. Ponieważ krawędź czołowa sekcji łopatowej pełnej długości pozostaje taką samą średnicą co konwencjonalny dyfuzor LS, linia przepustnicy pozostaje nienaruszona, umożliwiając szerszy zakres zastosowania i strojenia.
Wtrysk wody polega na wstrzykiwaniu kropelek wody do strumienia powietrza w rurce ssącej. Krople odparowują i pochłaniają ciepło ze strumienia gazu procesowego, zmniejszając w ten sposób temperaturę wlotową do stadium kompresji. Powoduje to zmniejszenie wymagań isentropowych mocy i wzrost wydajności o więcej niż 1%.
Hartowanie wału przekładni pozwala zwiększyć dopuszczalne naprężenie na jednostkę obszaru, co pozwala zmniejszyć szerokość zęba. Zmniejsza to straty mechaniczne w skrzyni biegów nawet o 25%, co powoduje wzrost ogólnej wydajności nawet o 0,5%. Ponadto główne koszty sprężarki można zmniejszyć nawet o 1%, ponieważ w dużej skrzyni biegów używanych jest mniej metalu.
Ten wirnik może działać ze współczynnikiem przepływu (φ) do 0,25 i zapewnia 6% więcej niż 65 stopni. Ponadto współczynnik przepływu osiąga 0,25, aw konstrukcji podwójnego przepływu maszyny IGC przepływ objętościowy osiąga 1,2 miliona m3/h, a nawet 2,4 miliona m3/h.
Wyższa wartość PHI pozwala na zastosowanie wirnika o mniejszej średnicy przy tym samym przepływie objętości, zmniejszając w ten sposób koszt głównej sprężarki nawet o 4%. Średnicę wirnika pierwszego etapu można jeszcze bardziej zmniejszyć.
Wyższa głowica osiąga się przez kąt ugięcia wirnika 75 °, który zwiększa składnik prędkości obwodowej w gniazdku, a zatem zapewnia wyższą głowę zgodnie z równaniem Eulera.
W porównaniu z ciężkim i wysokim wydajnością, wydajność wirnika jest nieznacznie zmniejszona z powodu wyższych strat w objętości. Można to zrekompensować za pomocą średniej wielkości ślimaka. Jednak nawet bez tych objętości zmienna wydajność do 87% można osiągnąć przy liczbie Macha 1,0 i współczynniku przepływu 0,24.
Mniejsza objętość pozwala uniknąć zderzeń z innymi objętościami, gdy średnica dużego biegu jest zmniejszona. Operatorzy mogą zaoszczędzić koszty, przełączając z 6-biegunowego silnika na 4-biegowy silnik o większej prędkości (1000 obr / min do 1500 obr / min) bez przekraczania maksymalnej dopuszczalnej prędkości przekładni. Dodatkowo może obniżyć koszty materiałów dla spiralnych i dużych biegów.
Ogólnie główny sprężarka może zaoszczędzić do 2% kosztów kapitałowych, a silnik może również zaoszczędzić 2% kosztów kapitałowych. Ponieważ kompaktowe objętości są nieco mniej wydajne, decyzja o ich wykorzystaniu w dużej mierze zależy od priorytetów klienta (koszt vs. wydajność) i musi być oceniana na zasadzie projektu po projekcie.
Aby zwiększyć możliwości sterowania, IGV można zainstalować przed wieloma etapami. Jest to wyraźne kontrast z poprzednimi projektami IGC, które obejmowały IGV tylko do pierwszej fazy.
We wcześniejszych iteracjach IGC współczynnik wiru (tj. Kąt drugiego IGV podzielony przez kąt pierwszego IgV1) pozostawał stały niezależnie od tego, czy przepływ był do przodu (kąt> 0 °, zmniejszenie głowy) lub odwrotny wir (kąt <0). °, wzrasta ciśnienie). Jest to niekorzystne, ponieważ znak kąta zmienia się między wirami dodatnimi i ujemnymi.
Nowa konfiguracja umożliwia użycie dwóch różnych współczynników wirów, gdy maszyna znajduje się w trybie do przodu i odwrotnej wirowej, zwiększając w ten sposób zakres kontroli o 4% przy jednoczesnym utrzymaniu stałej wydajności.
Uwzględniając dyfuzor LS dla wirnika powszechnie stosowanego w BACS, wieloetapowe skuteczność można zwiększyć do 89%. To, w połączeniu z innymi ulepszeniami wydajności, zmniejsza liczbę etapów BAC przy jednoczesnym zachowaniu ogólnej wydajności pociągu. Zmniejszenie liczby etapów eliminuje potrzebę intercoolera, powiązanego rur procesowych oraz komponentów wirnika i stojana, co powoduje oszczędności kosztów wynoszące 10%. Dodatkowo, w wielu przypadkach możliwe jest połączenie głównej sprężarki powietrza i sprężarki przypominającej w jednej maszynie.
Jak wspomniano wcześniej, między turbiną parową i VAC jest zwykle wymagane środkowe zębate. Dzięki nowej konstrukcji IGC z Siemens Energy, ten sprzęt do prędkości można zintegrować z skrzynią biegów, dodając wałek Idler między wałkiem zębatym a dużym biegiem (4 biegi). Może to zmniejszyć całkowity koszt linii (główny sprężarka plus sprzęt pomocniczy) o 4%.
Ponadto 4-pinonowe koła zębate są bardziej wydajną alternatywą dla kompaktowych silników przewijania do przełączania z silników 6-biegunowych na 4-biegunowe w dużych głównych sprężarkach powietrza (jeśli istnieje możliwość kolizji wolnej lub jeśli maksymalna dopuszczalna prędkość zębnika zostanie zmniejszona). ) przeszłość.
Ich stosowanie staje się również bardziej powszechne na kilku rynkach ważnych dla przemysłowej dekarbonizacji, w tym pomp ciepła i kompresji pary, a także kompresji CO2 w zakresie przechwytywania węgla, wykorzystania i magazynowania (CCUS).
Siemens Energy ma długą historię projektowania i obsługi IGC. Jak świadczy powyższe (i inne) działania badawcze i rozwojowe, jesteśmy zaangażowani w ciągłe wprowadzanie innowacji tych maszyn w celu zaspokojenia unikalnych potrzeb zastosowań i zaspokojenia rosnących wymagań rynkowych dla niższych kosztów, zwiększonej wydajności i zwiększonego zrównoważonego rozwoju. KT2
Czas po: 28-2024 kwietnia