Autor: Lukas Bijikli, menadžer portfolija proizvoda, integrisani zupčasti pogoni, istraživanje i razvoj CO2 kompresije i toplotnih pumpi, Siemens Energy.
Već dugi niz godina, integrirani zupčasti kompresor (IGC) je tehnologija izbora za postrojenja za separaciju zraka. To je uglavnom zbog njihove visoke efikasnosti, što direktno dovodi do smanjenja troškova za kisik, dušik i inertni plin. Međutim, rastući fokus na dekarbonizaciju postavlja nove zahtjeve pred IPC-ove, posebno u pogledu efikasnosti i regulatorne fleksibilnosti. Kapitalni izdaci i dalje su važan faktor za operatere postrojenja, posebno u malim i srednjim preduzećima.
Tokom proteklih nekoliko godina, Siemens Energy je pokrenuo nekoliko istraživačko-razvojnih (R&D) projekata usmjerenih na proširenje IGC mogućnosti kako bi se zadovoljile promjenjive potrebe tržišta separacije zraka. Ovaj članak ističe neka specifična poboljšanja dizajna koja smo napravili i razmatra kako ove promjene mogu pomoći u ispunjavanju ciljeva naših kupaca u smanjenju troškova i emisija ugljika.
Većina današnjih jedinica za separaciju zraka opremljena je s dva kompresora: glavnim kompresorom zraka (MAC) i kompresorom za dodatni zrak (BAC). Glavni kompresor zraka obično komprimira cijeli protok zraka s atmosferskog tlaka na približno 6 bara. Dio ovog protoka se zatim dodatno komprimira u BAC-u na tlak do 60 bara.
Ovisno o izvoru energije, kompresor obično pokreće parna turbina ili elektromotor. Kod korištenja parne turbine, oba kompresora pokreće ista turbina preko dvostrukih krajeva vratila. U klasičnoj shemi, između parne turbine i HAC-a ugrađen je međuzupčanik (slika 1).
I u sistemima s električnim pogonom i u sistemima s parnim turbinama, efikasnost kompresora je snažna poluga za dekarbonizaciju jer direktno utiče na potrošnju energije jedinice. Ovo je posebno važno za višegeneratorske peći (MGP) pokretane parnim turbinama, budući da se većina toplote za proizvodnju pare dobija u kotlovima na fosilna goriva.
Iako elektromotori pružaju zeleniju alternativu pogonima parnih turbina, često postoji veća potreba za fleksibilnošću upravljanja. Mnoga moderna postrojenja za separaciju zraka koja se danas grade priključena su na mrežu i imaju visok nivo korištenja obnovljivih izvora energije. U Australiji, na primjer, postoje planovi za izgradnju nekoliko zelenih postrojenja za amonijak koja će koristiti jedinice za separaciju zraka (ASU) za proizvodnju dušika za sintezu amonijaka i očekuje se da će primati električnu energiju iz obližnjih vjetroelektrana i solarnih elektrana. U ovim postrojenjima, regulatorna fleksibilnost je ključna za kompenzaciju prirodnih fluktuacija u proizvodnji energije.
Siemens Energy je razvio prvi IGC (ranije poznat kao VK) 1948. godine. Danas kompanija proizvodi više od 2.300 jedinica širom svijeta, od kojih su mnoge dizajnirane za primjene s protokom većim od 400.000 m3/h. Naši moderni MGP-ovi imaju protok do 1,2 miliona kubnih metara na sat u jednoj zgradi. To uključuje verzije konzolnih kompresora bez zupčanika s omjerima pritiska do 2,5 ili više u jednostepenim verzijama i omjerima pritiska do 6 u serijskim verzijama.
Posljednjih godina, kako bismo zadovoljili rastuće zahtjeve za efikasnošću IGC-a, regulatornom fleksibilnošću i kapitalnim troškovima, napravili smo neka značajna poboljšanja dizajna, koja su sažeta u nastavku.
Promjenjiva efikasnost brojnih impelera koji se obično koriste u prvoj MAC fazi povećava se promjenom geometrije lopatica. S ovim novim impelerom, promjenjiva efikasnost do 89% može se postići u kombinaciji s konvencionalnim LS difuzorima i preko 90% u kombinaciji s novom generacijom hibridnih difuzora.
Osim toga, impeler ima Machov broj veći od 1,3, što prvom stepenu omogućava veću gustinu snage i stepen kompresije. Ovo također smanjuje snagu koju zupčanici u trostepenim MAC sistemima moraju prenositi, omogućavajući upotrebu zupčanika manjeg prečnika i mjenjača sa direktnim pogonom u prvim stepenima.
U poređenju sa tradicionalnim LS difuzorom pune dužine, hibridni difuzor sljedeće generacije ima povećanu efikasnost stepena od 2,5% i faktor regulacije od 3%. Ovo povećanje se postiže miješanjem lopatica (tj. lopatice su podijeljene u dijelove pune i djelomične visine). U ovoj konfiguraciji
Izlazni protok između impelera i difuzora smanjen je za dio visine lopatice koja se nalazi bliže impeleru nego lopatice konvencionalnog LS difuzora. Kao i kod konvencionalnog LS difuzora, prednje ivice lopatica pune dužine su jednako udaljene od impelera kako bi se izbjegla interakcija impelera i difuzora koja bi mogla oštetiti lopatice.
Djelomično povećanje visine lopatica bliže impeleru također poboljšava smjer protoka u blizini zone pulsiranja. Budući da prednja ivica dijela lopatica pune dužine ostaje istog promjera kao i konvencionalni LS difuzor, linija gasa ostaje nepromijenjena, 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, čime se smanjuje ulazna temperatura u fazu kompresije. To rezultira smanjenjem izentropskih zahtjeva za snagom i povećanjem efikasnosti za više od 1%.
Kaljenje osovine zupčanika omogućava povećanje dozvoljenog napona po jedinici površine, što omogućava smanjenje širine zuba. To smanjuje mehaničke gubitke u mjenjaču do 25%, što rezultira povećanjem ukupne efikasnosti do 0,5%. Osim toga, troškovi glavnog kompresora mogu se smanjiti do 1% jer se u velikom mjenjaču koristi manje metala.
Ovaj impeler može raditi s koeficijentom protoka (φ) do 0,25 i osigurava 6% veći pritisak od impelera od 65 stepeni. Osim toga, koeficijent protoka dostiže 0,25, a u dvostrukom protočnom dizajnu IGC mašine, volumetrijski protok dostiže 1,2 miliona m3/h ili čak 2,4 miliona m3/h.
Viša phi vrijednost omogućava upotrebu impelera manjeg promjera pri istom protoku, čime se smanjuju troškovi glavnog kompresora do 4%. Prečnik impelera prve faze može se dodatno smanjiti.
Veći pritisak se postiže uglom skretanja impelera od 75°, što povećava komponentu obodne brzine na izlazu i time obezbjeđuje veći pritisak prema Eulerovoj jednačini.
U poređenju sa brzim i visokoefikasnim impelerima, efikasnost impelera je neznatno smanjena zbog većih gubitaka u spiralnom kolutu. To se može kompenzirati korištenjem puža srednje veličine. Međutim, čak i bez ovih spiralnih koluta, varijabilna efikasnost do 87% može se postići pri Machovom broju od 1,0 i koeficijentu protoka od 0,24.
Manja spirala vam omogućava da izbjegnete sudare s drugim spiralama kada se smanji prečnik velikog zupčanika. Operateri mogu uštedjeti troškove prelaskom sa 6-polnog motora na 4-polni motor veće brzine (1000 o/min do 1500 o/min) bez prekoračenja maksimalne dozvoljene brzine zupčanika. Osim toga, može smanjiti troškove materijala za spiralne i velike zupčanike.
Sveukupno, glavni kompresor može uštedjeti do 2% kapitalnih troškova, a i motor može uštedjeti 2% kapitalnih troškova. Budući da su kompaktne spiralne kompresorske komore nešto manje efikasne, odluka o njihovoj upotrebi uveliko zavisi od prioriteta klijenta (trošak naspram efikasnosti) i mora se procijeniti za svaki projekat pojedinačno.
Kako bi se povećale mogućnosti kontrole, IGV se može instalirati ispred više faza. To je u oštroj suprotnosti s prethodnim IGC projektima, koji su uključivali IGV-ove samo do prve faze.
U ranijim iteracijama IGC-a, koeficijent vrtloga (tj. ugao drugog IGV-a podijeljen s uglom prvog IGV1) ostajao je konstantan bez obzira na to da li je tok bio naprijed (ugao > 0°, smanjenje pritiska) ili obrnuti vrtlog (ugao < 0°, pritisak se povećava). Ovo je nepovoljno jer se znak ugla mijenja između pozitivnih i negativnih vrtloga.
Nova konfiguracija omogućava korištenje dva različita omjera vrtloga kada je mašina u načinu rada vrtloga naprijed i nazad, čime se povećava raspon kontrole za 4% uz održavanje konstantne efikasnosti.
Ugradnjom LS difuzora za impeler koji se obično koristi u BAC-ovima, višestepena efikasnost može se povećati na 89%. Ovo, u kombinaciji s drugim poboljšanjima efikasnosti, smanjuje broj BAC stepeni uz održavanje ukupne efikasnosti lanca. Smanjenje broja stepeni eliminira potrebu za međuhladnjakom, pripadajućim cjevovodima procesnog gasa i komponentama rotora i statora, što rezultira uštedom troškova od 10%. Osim toga, u mnogim slučajevima moguće je kombinovati glavni kompresor vazduha i booster kompresor u jednoj mašini.
Kao što je ranije spomenuto, obično je potreban međuzupčanik između parne turbine i VAC-a. S novim dizajnom IGC-a od Siemens Energyja, ovaj zatezni zupčanik može se integrirati u mjenjač dodavanjem zateznog vratila između osovine zupčanika i velikog zupčanika (4 zupčanika). Ovo može smanjiti ukupne troškove linije (glavni kompresor plus pomoćna oprema) do 4%.
Osim toga, zupčanici sa 4 zupčanika su efikasnija alternativa kompaktnim scroll motorima za prelazak sa 6-polnih na 4-polne motore u velikim glavnim zračnim kompresorima (ako postoji mogućnost sudara spiralnog dijela ili ako će se smanjiti maksimalna dozvoljena brzina zupčanika).
Njihova upotreba također postaje sve češća na nekoliko tržišta važnih za industrijsku dekarbonizaciju, uključujući toplinske pumpe i kompresiju pare, kao i kompresiju CO2 u razvojima hvatanja, korištenja i skladištenja ugljika (CCUS).
Siemens Energy ima dugu istoriju projektovanja i rada IGC-a. Kao što dokazuju gore navedeni (i drugi) istraživački i razvojni napori, posvećeni smo kontinuiranom inoviranju ovih mašina kako bismo zadovoljili jedinstvene potrebe primjene i rastuće tržišne zahtjeve za nižim troškovima, povećanom efikasnošću i povećanom održivošću. KT2
Vrijeme objave: 28. april 2024.