Autor: Lukas Bijikli, manažér produktového portfólia, integrované prevodové pohony, výskum a vývoj kompresie CO2 a tepelných čerpadiel, Siemens Energy.
Integrovaný prevodový kompresor (IGC) je už mnoho rokov preferovanou technológiou pre zariadenia na delenie vzduchu. Je to najmä vďaka jeho vysokej účinnosti, ktorá priamo vedie k zníženiu nákladov na kyslík, dusík a inertný plyn. Rastúci dôraz na dekarbonizáciu však kladie na integrované prevodové kompresory nové nároky, najmä pokiaľ ide o efektívnosť a regulačnú flexibilitu. Kapitálové výdavky sú naďalej dôležitým faktorom pre prevádzkovateľov zariadení, najmä v malých a stredných podnikoch.
V posledných rokoch spoločnosť Siemens Energy iniciovala niekoľko výskumných a vývojových projektov (R&D) zameraných na rozšírenie možností IGC s cieľom splniť meniace sa potreby trhu so systémami separácie vzduchu. Tento článok zdôrazňuje niektoré konkrétne konštrukčné vylepšenia, ktoré sme vykonali, a rozoberá, ako tieto zmeny môžu pomôcť splniť ciele našich zákazníkov v oblasti znižovania nákladov a emisií uhlíka.
Väčšina jednotiek na separáciu vzduchu je dnes vybavená dvoma kompresormi: hlavným vzduchovým kompresorom (MAC) a prídavným vzduchovým kompresorom (BAC). Hlavný vzduchový kompresor zvyčajne stláča celý prúd vzduchu z atmosférického tlaku na približne 6 barov. Časť tohto prúdu sa potom ďalej stláča v BAC na tlak až 60 barov.
V závislosti od zdroja energie je kompresor zvyčajne poháňaný parnou turbínou alebo elektromotorom. Pri použití parnej turbíny sú oba kompresory poháňané tou istou turbínou cez dvojité konce hriadeľa. V klasickej schéme je medzi parnou turbínou a HAC nainštalované medziľahlé ozubené koleso (obr. 1).
V systémoch poháňaných elektrickou energiou aj parnou turbínou je účinnosť kompresora silným nástrojom na dekarbonizáciu, pretože priamo ovplyvňuje spotrebu energie jednotky. Toto je obzvlášť dôležité pre viacstupňové generátory teplej pary poháňané parnými turbínami, pretože väčšina tepla na výrobu pary sa získava v kotloch na fosílne palivá.
Hoci elektromotory predstavujú ekologickejšiu alternatívu k pohonom parných turbín, často je potrebná väčšia flexibilita riadenia. Mnohé moderné zariadenia na delenie vzduchu, ktoré sa dnes budujú, sú pripojené k sieti a majú vysokú mieru využívania obnoviteľnej energie. Napríklad v Austrálii sa plánuje výstavba niekoľkých zelených zariadení na výrobu amoniaku, ktoré budú využívať jednotky na delenie vzduchu (ASU) na výrobu dusíka na syntézu amoniaku a očakáva sa, že budú dostávať elektrinu z blízkych veterných a solárnych elektrární. V týchto elektrárňach je regulačná flexibilita kľúčová pre kompenzáciu prirodzených výkyvov vo výrobe energie.
Spoločnosť Siemens Energy vyvinula prvý IGC (predtým známy ako VK) v roku 1948. Dnes spoločnosť vyrába viac ako 2 300 jednotiek po celom svete, 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 bezprevodové verzie konzolových kompresorov s tlakovými pomermi až 2,5 alebo vyššími v jednostupňových verziách a tlakovými pomermi až 6 v sériových verziách.
V posledných rokoch sme s cieľom splniť rastúce požiadavky na efektívnosť medzigeneračného miešania (IGC), regulačnú flexibilitu a kapitálové náklady vykonali niekoľko významných vylepšení dizajnu, ktoré sú zhrnuté nižšie.
Variabilná účinnosť viacerých obežných kolies, ktoré sa typicky používajú v prvom stupni MAC, sa zvyšuje zmenou geometrie lopatiek. S týmto novým obežným kolesom je možné dosiahnuť variabilnú účinnosť až 89 % v kombinácii s konvenčnými difúzormi LS a viac ako 90 % v kombinácii s novou generáciou hybridných difúzorov.
Okrem toho má obežné koleso Machovo číslo vyššie ako 1,3, čo poskytuje prvému stupňu vyššiu hustotu výkonu a kompresný pomer. To tiež znižuje výkon, ktorý musia ozubené kolesá v trojstupňových systémoch MAC prenášať, čo umožňuje použitie ozubených kolies s menším priemerom a prevodoviek s priamym pohonom v prvých stupňoch.
V porovnaní s tradičným difúzorom s lopatkami LS plnej dĺžky má hybridný difúzor novej generácie zvýšenú účinnosť stupňa o 2,5 % a regulačný faktor 3 %. Toto zvýšenie sa dosahuje zmiešaním lopatiek (t. j. lopatky sú rozdelené na sekcie s plnou a čiastočnou výškou). V tejto konfigurácii
Prietok medzi obežným kolesom a difúzorom je znížený o časť výšky lopatiek, ktorá je umiestnená bližšie k obežnému kolesu ako lopatky konvenčného difúzora LS. Rovnako ako pri konvenčnom difúzore LS sú predné hrany lopatiek po celej dĺžke rovnako vzdialené od obežného kolesa, aby sa zabránilo interakcii medzi obežným kolesom a difúzorom, ktorá by mohla poškodiť lopatky.
Čiastočné zväčšenie výšky lopatiek bližšie k obežnému kolesu tiež zlepšuje smer prúdenia v blízkosti pulzačnej zóny. Pretože nábežná hrana lopatkovej sekcie po celej dĺžke zostáva rovnako priemerná ako pri konvenčnom difúzore LS, škrtiace potrubie nie je ovplyvnené, čo umožňuje širší rozsah použitia a ladenia.
Vstrekovanie vody zahŕňa vstrekovanie kvapôčok vody do prúdu vzduchu v sacej trubici. Kvapôčky sa odparujú a absorbujú teplo z prúdu procesného plynu, čím sa znižuje vstupná teplota do kompresného stupňa. To vedie k zníženiu izentropických požiadaviek na energiu a zvýšeniu účinnosti o viac ako 1 %.
Kalenie hriadeľa prevodovky umožňuje zvýšiť prípustné napätie na jednotku plochy, čo umožňuje zmenšiť šírku zuba. To znižuje mechanické straty v prevodovke až o 25 %, čo vedie k zvýšeniu celkovej účinnosti až o 0,5 %. Okrem toho je možné znížiť náklady na hlavný kompresor 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 % vyšší tlak ako obežné kolesá so 65 stupňovým uhlom. Okrem toho koeficient prietoku dosahuje 0,25 a v dvojprúdovom prevedení IGC stroja objemový prietok dosahuje 1,2 milióna m3/h alebo dokonca 2,4 milióna m3/h.
Vyššia hodnota phi umožňuje použitie obežného kolesa s menším priemerom pri rovnakom objemovom prietoku, čím sa znižujú náklady na hlavný kompresor až o 4 %. Priemer obežného kolesa prvého stupňa sa dá ešte viac zmenšiť.
Vyšší tlak sa dosahuje uhlom vychýlenia obežného kolesa 75°, čo zvyšuje zložku obvodovej rýchlosti na výstupe, a tým podľa Eulerovej rovnice zabezpečuje vyšší tlak.
V porovnaní s vysokorýchlostnými a vysokoúčinnými obežnými kolesami je účinnosť obežného kolesa mierne znížená v dôsledku vyšších strát v špirále. Toto je možné kompenzovať použitím stredne veľkého slimáka. Avšak aj bez týchto špirál je možné dosiahnuť variabilnú účinnosť až 87 % pri Machovom čísle 1,0 a koeficiente prietoku 0,24.
Menšia špirála umožňuje vyhnúť sa kolíziám s inými špirálami pri zmenšení priemeru veľkého ozubeného kolesa. Prevádzkovatelia môžu ušetriť náklady prechodom zo 6-pólového motora na 4-pólový motor s vyššími otáčkami (1 000 ot./min. až 1 500 ot./min.) bez prekročenia maximálnej povolenej rýchlosti ozubeného kolesa. Okrem toho môže znížiť náklady na materiál pre špirálové a veľké ozubené kolesá.
Celkovo môže hlavný kompresor ušetriť až 2 % kapitálových nákladov a motor môže tiež ušetriť 2 % kapitálových nákladov. Keďže kompaktné špirálové kompresory sú o niečo menej účinné, rozhodnutie o ich použití do značnej miery závisí od priorít klienta (náklady vs. efektívnosť) a musí sa posudzovať projekt z projektu.
Pre zvýšenie možností regulácie je možné IGV nainštalovať pred viacero stupňov. To je v ostrom kontraste s predchádzajúcimi projektmi IGC, ktoré zahŕňali IGV iba do prvej fázy.
V skorších iteráciách IGC zostal koeficient víru (t. j. uhol druhého IGV delený uhlom prvého IGV1) konštantný bez ohľadu na to, či bol tok priamy (uhol > 0°, zníženie tlaku) alebo spätný vír (uhol < 0°, tlak sa zvyšuje). To je nevýhodné, pretože znamienko uhla sa mení medzi kladnými a zápornými vírmi.
Nová konfigurácia umožňuje použitie dvoch rôznych pomerov vírenia, keď je stroj v režime vírenia vpred a vzad, čím sa zvyšuje rozsah regulácie o 4 % pri zachovaní konštantnej účinnosti.
Zabudovaním difúzora LS pre obežné koleso bežne používané v BAC je možné zvýšiť účinnosť viacstupňového systému na 89 %. To v kombinácii s ďalšími vylepšeniami účinnosti znižuje počet stupňov BAC a zároveň zachováva celkovú účinnosť sústavy. Zníženie počtu stupňov eliminuje potrebu medzichladiča, súvisiaceho potrubia procesného plynu a komponentov rotora a statora, čo vedie k úspore nákladov až 10 %. Okrem toho je v mnohých prípadoch možné kombinovať hlavný vzduchový kompresor a pomocný kompresor v jednom stroji.
Ako už bolo spomenuté, medzi parnou turbínou a klimatizačným systémom je zvyčajne potrebný medziľahlý prevodový stupeň. Vďaka novému dizajnu IGC od spoločnosti Siemens Energy je možné tento vložený prevodový stupeň integrovať do prevodovky pridaním vloženého hriadeľa medzi hriadeľ pastorka a veľký prevodový stupeň (4 prevody). To môže znížiť celkové náklady na linku (hlavný kompresor plus pomocné zariadenia) až o 4 %.
Okrem toho sú 4-pastorkové prevody efektívnejšou alternatívou ku kompaktným špirálovým motorom na prepínanie zo 6-pólových na 4-pólové motory vo veľkých hlavných vzduchových kompresoroch (ak existuje možnosť kolízie špirály alebo ak sa zníži maximálna povolená rýchlosť pastorka).
Ich používanie sa stáva čoraz bežnejším na viacerých trhoch dôležitých pre priemyselnú dekarbonizáciu, vrátane tepelných čerpadiel a kompresie pary, ako aj kompresie CO2 pri vývoji technológií na zachytávanie, využívanie a ukladanie uhlíka (CCUS).
Spoločnosť Siemens Energy má dlhú históriu v oblasti navrhovania a prevádzky medzigeneračných plynových kalíškov (IGC). Ako dokazujú vyššie uvedené (a ďalšie) výskumné a vývojové snahy, sme odhodlaní neustále inovovať tieto stroje, aby sme spĺňali jedinečné potreby aplikácií a uspokojovali rastúce požiadavky trhu na nižšie náklady, zvýšenú účinnosť a zvýšenú udržateľnosť. KT2
Čas uverejnenia: 28. apríla 2024