Autor: Lukas Bijikli, manažér portfólia produktov, integrované prevodové koláre, kompresia výskumu a vývoja CO2 a tepelné čerpadlá, Siemens Energy.
Po mnoho rokov je integrovaný kompresor prevodového stupňa (IGC) technológiou voľby pre rastliny separácie vzduchu. Je to hlavne kvôli ich vysokej účinnosti, čo priamo vedie k zníženiu nákladov na kyslík, dusík a inertný plyn. Rastúce zameranie na dekarbonizáciu však kladie nové požiadavky na IPC, najmä pokiaľ ide o efektívnosť a regulačnú flexibilitu. Kapitálové výdavky sú pre prevádzkovateľov rastlín naďalej dôležitým faktorom, najmä v malých a stredných podnikoch.
V posledných rokoch spoločnosť Siemens Energy iniciovala niekoľko projektov v oblasti výskumu a vývoja (R&D) zamerané na rozšírenie schopností IGC tak, aby vyhovovali meniacim sa potrebám trhu s separáciou vzduchu. Tento článok zdôrazňuje niektoré špecifické vylepšenia dizajnu, ktoré sme dosiahli, a diskutuje o tom, ako tieto zmeny môžu pomôcť splniť ciele nákladov na našich zákazníkov a zníženie uhlíka.
Väčšina jednotiek na separáciu vzduchu je dnes vybavená dvoma kompresormi: hlavným vzduchovým kompresorom (MAC) a kompresorom BOOST Air (BAC). Hlavný vzduchový kompresor zvyčajne komprimuje celý prietok vzduchu z atmosférického tlaku na približne 6 barov. Časť tohto prietoku sa potom ďalej komprimuje v BAC na tlak až do 60 barov.
V závislosti od zdroja energie je kompresor zvyčajne poháňaný parnou turbínou alebo elektrickým motorom. Pri použití parnej turbíny sú oba kompresory poháňané rovnakou turbínou cez konce dvojitých hriadeľov. V klasickej schéme je medzi parnou turbínou a HAC inštalovaný medziprodukt a HAC (obr. 1).
V systémoch riadených elektricky riadených aj parnými turbínami je účinnosť kompresora silnou pákou pre dekarbonizáciu, pretože priamo ovplyvňuje spotrebu energie jednotky. Toto je obzvlášť dôležité pre MGP poháňané parnými turbínami, pretože väčšina tepla na výrobu pary sa získava vo fosílnych kotloch spaľovaných palivom.
Aj keď elektrické motory poskytujú ekologickejšiu alternatívu k jednotkám parných turbín, často existuje väčšia potreba flexibility kontroly. Mnoho moderných rastlín separácie vzduchu, ktoré sa dnes vybudujú, sú spojené s mriežkou a majú vysokú úroveň využívania obnoviteľnej energie. Napríklad v Austrálii existujú plány na výstavbu niekoľkých závodov zeleného amoniaku, ktoré použijú jednotky na separáciu vzduchu (ASUS) na výrobu dusíka na syntézu amoniaku a očakáva sa, že dostanú elektrinu z okolitých veterných a solárnych fariem. V týchto rastlinách je regulačná flexibilita rozhodujúca pre kompenzáciu prirodzených výkyvov pri výrobe energie.
Spoločnosť Siemens Energy vyvinula prvý IGC (predtým známy ako VK) v roku 1948. Spoločnosť dnes vyrába na celom svete viac ako 2 300 jednotiek, z ktorých mnohé sú určené pre aplikácie s prietokmi presahujúcimi 400 000 m3/h. Naše moderné MGP majú prietok až 1,2 milióna metrov kubických za hodinu v jednej budove. Patria sem verzie konzolových kompresorov bez prevodových stupňov s tlakovými pomermi až do 2,5 alebo vyšších v jednostupňových verziách a tlakových pomerov do 6 v sériových verziách.
V posledných rokoch sme splnili rastúce požiadavky na efektívnosť IGC, regulačnú flexibilitu a kapitálové náklady, urobili sme niekoľko významných vylepšení dizajnu, ktoré sú zhrnuté nižšie.
Variabilná účinnosť mnohých obežníkov, ktoré sa zvyčajne používajú v prvom štádiu MAC, sa zvyšuje zmenou geometrie čepele. Vďaka tomuto novému obežnému obehu možno v kombinácii s konvenčnými difúzormi LS dosiahnuť variabilnú účinnosť až 89% v kombinácii s novou generáciou hybridných difúzorov.
Okrem toho má obežné koleso číslo Mach vyššie ako 1,3, čo poskytuje prvú fázu s vyššou hustotou energie a kompresným pomerom. Tým sa tiež znižuje výkon, ktorý musia prenosy v trojstupňových systémoch MAC vysielať, čo umožňuje použitie prevodoviek s menším priemerom a prevodovky s priamym pohonom v prvých fázach.
V porovnaní s tradičným difúzorom LS lopatky s plnou dĺžkou má hybridný difúzor novej generácie zvýšenú účinnosť stupňa 2,5% a kontrolný faktor 3%. Toto zvýšenie sa dosiahne zmiešaním čepelí (tj čepele sú rozdelené do sekcií v celej výške a čiastočnej výške). V tejto konfigurácii
Výstup prietoku medzi obehom a difúzorom je znížený časťou výšky čepele, ktorá sa nachádza bližšie k obežnému kolesu ako čepele konvenčného difuzéra LS. Rovnako ako v prípade konvenčného difúzora LS, predvádzacie okraje čepele s plnou dĺžkou sú vzdialené od obežného kolesa, aby sa zabránilo interakcii obeh-difúzora, ktorá by mohla poškodiť čepele.
Čiastočne zvyšovanie výšky čepelí bližšie k obežnému kolesu tiež zlepšuje smer toku v blízkosti pulznej zóny. Pretože hlavná hrana lopty s plnou dĺžkou zostáva rovnakým priemerom ako konvenčný difúzor LS, škrtiaca čiara nie je ovplyvnená, čo umožňuje širšiu škálu aplikácie a ladenia.
Vstrekovanie vody zahŕňa vstrekovanie kvapôčok vody do prúdu vzduchu do sacej trubice. Kvapky sa odparujú a absorbujú teplo z prúdu procesného plynu, čím sa zníži vstupná teplota do štádia kompresie. To má za následok zníženie požiadaviek na izentropickú energiu a zvýšenie účinnosti o viac ako 1%.
Vytvrdenie hriadeľa prevodovky vám umožňuje zvýšiť prípustné napätie na jednotku plochy, čo vám umožňuje znížiť šírku zubov. To znižuje mechanické straty v prevodovke až o 25%, čo vedie k zvýšeniu celkovej účinnosti až o 0,5%. Okrem toho môžu byť hlavné náklady na kompresor znížené až o 1%, pretože vo veľkej prevodovke sa používa menej kovu.
Toto obežné koleso môže pracovať s koeficientom prietoku (φ) až do 0,25 a poskytuje o 6% viac hlavy ako 65 stupňov. Okrem toho koeficient prietoku dosahuje 0,25 a pri konštrukcii dvojitého toku stroja IGC dosahuje objemový prietok 1,2 milióna m3/h alebo dokonca 2,4 milióna m3/h.
Vyššia hodnota PHI umožňuje použitie obežného kolesa s menším priemerom pri rovnakom toku objemu, čím sa zníži náklady na hlavný kompresor až o 4%. Priemer prvej fázy obežného kolesa sa môže ešte viac znížiť.
Vyššia hlava sa dosiahne pomocou uhlu vychýlenia obežného kolesa 75 °, ktorý zvyšuje zložku obvodovej rýchlosti pri výstupe, a tak poskytuje vyššiu hlavu podľa Eulerovej rovnice.
V porovnaní s vysokorýchlostnými a vysokorýchlostnými obežné kolesá sa účinnosť obežného kolesa mierne zníži v dôsledku vyšších strát v volute. To sa dá kompenzovať použitím stredne veľkých slimákov. Avšak aj bez týchto volút je možné dosiahnuť variabilnú účinnosť až 87% pri machovom počte 1,0 a koeficiente prietoku 0,24.
Menšia volute vám umožňuje vyhnúť sa zrážkam s inými volutami, keď sa zníži priemer veľkého prevodového stupňa. Prevádzkovatelia môžu ušetriť náklady prepínaním z 6-pólového motora na vyšší štvorpólový motor (1 000 ot / min až 1500 ot / min) bez prekročenia maximálnej povolenej rýchlosti prevodovky. Okrem toho môže znížiť náklady na materiál pre špirálové a veľké prevody.
Celkovo môže hlavný kompresor ušetriť až 2% kapitálových nákladov a motor môže ušetriť aj 2% kapitálových nákladov. Pretože kompaktné voluty sú o niečo menej efektívne, rozhodnutie ich používať do značnej miery závisí od priorít klienta (náklady verzus efektívnosť) a musí sa posudzovať podľa projektu po projekte.
Aby sa zvýšili riadiace schopnosti, IGV môže byť nainštalovaný pred viacerými stupňami. Je to v ostrom kontraste s predchádzajúcimi projektmi IGC, ktoré zahŕňali iba IGV až do prvej fázy.
V predchádzajúcich iteráciách IGC zostal vírivý koeficient (tj uhol druhého IGV rozdelený uhlom prvého IGV1) konštantný bez ohľadu na to, či bol prietok vpred (uhol> 0 °, redukčná hlava) alebo reverzný vír (uhol <0). °, tlak sa zvyšuje). Je to nevýhodné, pretože znak uhla sa mení medzi pozitívnymi a negatívnymi vírmi.
Nová konfigurácia umožňuje použitie dvoch rôznych pomerov víru, keď je stroj v režime vpred a reverzného víru, čím sa zvýši riadiaci rozsah o 4% pri zachovaní konštantnej účinnosti.
Začlenením LS difúzora pre obežné koleso bežne používané v BACS sa môže viacstupňová účinnosť zvýšiť na 89%. To v kombinácii s ďalšími zlepšeniami účinnosti znižuje počet štádií BAC pri zachovaní celkovej účinnosti vlaku. Zníženie počtu štádií eliminuje potrebu medzichladiča, súvisiaceho procesného plynu a komponentov rotora a statora, čo vedie k úsporám nákladov vo výške 10%. Okrem toho je v mnohých prípadoch možné kombinovať hlavný vzduchový kompresor a kompresor posilňovača v jednom stroji.
Ako už bolo spomenuté, medzi parnou turbínou a VAC sa zvyčajne vyžaduje stredný prevodový stupeň. S novým dizajnom IGC od spoločnosti Siemens Energy je možné tento prevodovka integrovať do prevodovky pridaním hriadeľa medzi pastorkovým hriadeľom a veľkým prevodovým stupňom (4 ozubené kolesá). To môže znížiť celkové náklady na vedenie (hlavný kompresor plus pomocné vybavenie) až o 4%.
Okrem toho sú 4-pasce prevodové stupne efektívnejšou alternatívou k kompaktným posúvaním motorov na prepínanie zo 6-pólových na 4-pólové motory vo veľkých hlavných vzduchových kompresoroch (ak existuje možnosť zrážky volút alebo ak sa zníži maximálna povolená rýchlosť pastorka). ) minulosť.
Ich používanie sa stáva častejším na niekoľkých trhoch dôležitých pre priemyselnú dekarbonizáciu vrátane tepelných čerpadiel a kompresie pary, ako aj kompresie CO2 pri vývoji, využívaní a skladovaní uhlíka (CCUS).
Siemens Energy má dlhú históriu navrhovania a prevádzky IGC. Ako dokazujú vyššie uvedené (a ďalšie) úsilie o výskum a vývoj, sme odhodlaní neustále inovovať tieto stroje tak, aby uspokojili jedinečné potreby aplikácií a uspokojili rastúce požiadavky na trhu s nižšími nákladmi, zvýšenou efektívnosťou a zvýšenou udržateľnosťou. Kt2
Čas príspevku: apríl-28-2024