Autor: Lukas Bijikli, Manager Portofoliu Produse, Transmisii cu Angrenaj Integrat, Cercetare și Dezvoltare Pompe de Căldură și Compresie CO2, Siemens Energy.
Timp de mulți ani, compresorul integrat cu angrenaje (IGC) a fost tehnologia preferată pentru instalațiile de separare a aerului. Acest lucru se datorează în principal eficienței lor ridicate, care duce direct la reducerea costurilor pentru oxigen, azot și gaz inert. Cu toate acestea, accentul tot mai mare pus pe decarbonizare impune noi cerințe pentru IPC-uri, în special în ceea ce privește eficiența și flexibilitatea reglementărilor. Cheltuielile de capital continuă să fie un factor important pentru operatorii de instalații, în special în întreprinderile mici și mijlocii.
În ultimii ani, Siemens Energy a inițiat mai multe proiecte de cercetare și dezvoltare (C&D) care vizează extinderea capacităților IGC pentru a satisface nevoile în schimbare ale pieței de separare a aerului. Acest articol evidențiază câteva îmbunătățiri specifice de design pe care le-am adus și discută modul în care aceste modificări pot ajuta la atingerea obiectivelor clienților noștri de costuri și de reducere a emisiilor de carbon.
Majoritatea unităților de separare a aerului din prezent sunt echipate cu două compresoare: un compresor principal de aer (MAC) și un compresor de aer de supraalimentare (BAC). Compresorul principal de aer comprimă de obicei întregul debit de aer de la presiunea atmosferică la aproximativ 6 bari. O parte din acest debit este apoi comprimată în continuare în BAC la o presiune de până la 60 bari.
În funcție de sursa de energie, compresorul este de obicei acționat de o turbină cu abur sau de un motor electric. Atunci când se utilizează o turbină cu abur, ambele compresoare sunt acționate de aceeași turbină prin intermediul unor capete de arbore gemene. În schema clasică, o roată dințată intermediară este instalată între turbina cu abur și compresorul cu abur (HAC) (Fig. 1).
Atât în sistemele acționate electric, cât și în cele acționate de turbine cu abur, eficiența compresorului este o pârghie puternică pentru decarbonizare, deoarece are un impact direct asupra consumului de energie al unității. Acest lucru este deosebit de important pentru turbinele cu abur acționate de turbine cu abur, deoarece cea mai mare parte a căldurii pentru producerea de abur este obținută în cazane alimentate cu combustibili fosili.
Deși motoarele electrice oferă o alternativă mai ecologică la acționările turbinelor cu abur, există adesea o nevoie mai mare de flexibilitate în control. Multe instalații moderne de separare a aerului construite astăzi sunt conectate la rețea și utilizează un nivel ridicat de energie regenerabilă. În Australia, de exemplu, există planuri de construire a mai multor instalații de amoniac ecologice care vor utiliza unități de separare a aerului (ASU) pentru a produce azot pentru sinteza amoniacului și se așteaptă să primească electricitate de la parcurile eoliene și solare din apropiere. La aceste instalații, flexibilitatea în reglementări este esențială pentru a compensa fluctuațiile naturale ale generării de energie.
Siemens Energy a dezvoltat primul IGC (cunoscut anterior ca VK) în 1948. Astăzi, compania produce peste 2.300 de unități la nivel mondial, multe dintre acestea fiind proiectate pentru aplicații cu debite de peste 400.000 m3/h. MGP-urile noastre moderne au un debit de până la 1,2 milioane de metri cubi pe oră într-o singură clădire. Acestea includ versiuni fără angrenaj ale compresoarelor de consolă cu rapoarte de presiune de până la 2,5 sau mai mari în versiunile monoetajate și rapoarte de presiune de până la 6 în versiunile de serie.
În ultimii ani, pentru a satisface cerințele tot mai mari privind eficiența IGC, flexibilitatea reglementărilor și costurile de capital, am adus câteva îmbunătățiri notabile de design, care sunt rezumate mai jos.
Randamentul variabil al unui număr de rotoare utilizate de obicei în prima etapă MAC este crescut prin variația geometriei palelor. Cu acest nou rotor, se pot obține randamente variabile de până la 89% în combinație cu difuzoarele LS convenționale și de peste 90% în combinație cu noua generație de difuzoare hibride.
În plus, rotorul are un număr Mach mai mare de 1,3, ceea ce oferă primei etape o densitate de putere și un raport de compresie mai mari. Acest lucru reduce, de asemenea, puterea pe care trebuie să o transmită angrenajele din sistemele MAC în trei etape, permițând utilizarea angrenajelor cu diametru mai mic și a cutiilor de viteze cu acționare directă în primele etape.
Comparativ cu difuzorul tradițional LS cu palete pe toată lungimea, difuzorul hibrid de generație următoare are o eficiență sporită de 2,5% și un factor de control de 3%. Această creștere se realizează prin amestecarea paletelor (adică paletele sunt împărțite în secțiuni de înălțime completă și secțiuni de înălțime parțială). În această configurație
Debitul dintre rotor și difuzor este redus cu o porțiune din înălțimea palei care este situată mai aproape de rotor decât palele unui difuzor LS convențional. Ca și în cazul unui difuzor LS convențional, muchiile anterioare ale palelor pe toată lungimea sunt echidistante față de rotor pentru a evita interacțiunea rotor-difuzor care ar putea deteriora palele.
Creșterea parțială a înălțimii palelor mai aproape de rotor îmbunătățește, de asemenea, direcția fluxului în apropierea zonei de pulsație. Deoarece marginea anterioară a secțiunii palelor pe toată lungimea rămâne de același diametru ca la un difuzor LS convențional, linia de accelerație nu este afectată, permițând o gamă mai largă de aplicații și reglaje.
Injecția cu apă implică injectarea picăturilor de apă în fluxul de aer din tubul de aspirație. Picăturile se evaporă și absorb căldura din fluxul de gaz de proces, reducând astfel temperatura de intrare în etapa de compresie. Acest lucru are ca rezultat o reducere a necesarului de putere izentropică și o creștere a eficienței cu peste 1%.
Călirea arborelui dințat permite creșterea tensiunii admisibile pe unitatea de suprafață, ceea ce permite reducerea lățimii dinților. Acest lucru reduce pierderile mecanice din cutia de viteze cu până la 25%, rezultând o creștere a eficienței generale de până la 0,5%. În plus, costurile compresorului principal pot fi reduse cu până la 1%, deoarece se utilizează mai puțin metal în cutia de viteze mare.
Acest rotor poate funcționa cu un coeficient de debit (φ) de până la 0,25 și oferă o înălțime de pompare cu 6% mai mare decât rotoarele de 65 de grade. În plus, coeficientul de debit ajunge la 0,25, iar în designul cu flux dublu al mașinii IGC, debitul volumetric ajunge la 1,2 milioane m3/h sau chiar 2,4 milioane m3/h.
O valoare phi mai mare permite utilizarea unui rotor cu diametru mai mic la același debit volumetric, reducând astfel costul compresorului principal cu până la 4%. Diametrul rotorului din prima treaptă poate fi redus și mai mult.
Înălțimea de pompare mai mare se obține datorită unghiului de deviere de 75° al rotorului, care crește componenta vitezei circumferențiale la ieșire și astfel asigură o înălțime de pompare mai mare conform ecuației lui Euler.
Comparativ cu rotoarele cu viteză mare și eficiență ridicată, eficiența rotorului este ușor redusă din cauza pierderilor mai mari în spirală. Acest lucru poate fi compensat prin utilizarea unui melc de dimensiuni medii. Cu toate acestea, chiar și fără aceste spirale, se poate obține o eficiență variabilă de până la 87% la un număr Mach de 1,0 și un coeficient de debit de 0,24.
Voluta mai mică permite evitarea coliziunilor cu alte volute atunci când diametrul roții dințate mari este redus. Operatorii pot economisi costuri prin trecerea de la un motor cu 6 poli la un motor cu 4 poli de viteză mai mare (1000 rpm la 1500 rpm) fără a depăși viteza maximă admisă a roții dințate. În plus, poate reduce costurile materialelor pentru roți dințate elicoidale și mari.
Per total, compresorul principal poate economisi până la 2% din costurile de capital, plus că motorul poate economisi, de asemenea, 2% din costurile de capital. Deoarece volutele compacte sunt oarecum mai puțin eficiente, decizia de a le utiliza depinde în mare măsură de prioritățile clientului (cost vs. eficiență) și trebuie evaluată pentru fiecare proiect în parte.
Pentru a crește capacitățile de control, IGV-ul poate fi instalat în fața mai multor etape. Acest lucru contrastează puternic cu proiectele IGC anterioare, care includeau IGV-uri doar până la prima fază.
În iterațiile anterioare ale IGC, coeficientul vortexului (adică unghiul celui de-al doilea IGV împărțit la unghiul primului IGV1) a rămas constant indiferent dacă fluxul era direct (unghi > 0°, înălțime de presiune redusă) sau invers (unghi < 0°, presiunea crește). Acest lucru este dezavantajos deoarece semnul unghiului se schimbă între vortexurile pozitive și negative.
Noua configurație permite utilizarea a două rapoarte vortex diferite atunci când mașina este în modul vortex înainte și înapoi, mărind astfel intervalul de control cu 4%, menținând în același timp o eficiență constantă.
Prin încorporarea unui difuzor LS pentru rotorul utilizat în mod obișnuit în BAC-uri, eficiența multi-etajată poate fi crescută la 89%. Aceasta, combinată cu alte îmbunătățiri ale eficienței, reduce numărul de etape BAC, menținând în același timp eficiența generală a trenului. Reducerea numărului de etape elimină necesitatea unui intercooler, a conductelor de gaz de proces asociate și a componentelor rotorului și statorului, rezultând economii de costuri de 10%. În plus, în multe cazuri este posibilă combinarea compresorului principal de aer și a compresorului auxiliar într-o singură mașină.
Așa cum am menționat anterior, de obicei este necesară o roată dințată intermediară între turbina cu abur și VAC. Cu noul design IGC de la Siemens Energy, această roată dințată intermediară poate fi integrată în cutia de viteze prin adăugarea unui arbore dințat între arborele pinionului și roata dințată mare (4 roți dințate). Acest lucru poate reduce costul total al liniei (compresorul principal plus echipamentul auxiliar) cu până la 4%.
În plus, angrenajele cu 4 pinioane reprezintă o alternativă mai eficientă la motoarele compacte cu spirală pentru trecerea de la motoare cu 6 poli la motoare cu 4 poli în compresoarele de aer principale mari (dacă există posibilitatea unei coliziuni a spiralei sau dacă viteza maximă admisă a pinionului va fi redusă).
Utilizarea lor devine, de asemenea, din ce în ce mai frecventă pe mai multe piețe importante pentru decarbonizarea industrială, inclusiv pompele de căldură și compresia aburului, precum și compresia CO2 în dezvoltările de captare, utilizare și stocare a carbonului (CCUS).
Siemens Energy are o lungă istorie în proiectarea și operarea IGC-urilor. După cum reiese din eforturile de cercetare și dezvoltare menționate mai sus (și altele), ne angajăm să inovăm continuu aceste mașini pentru a satisface nevoile unice ale aplicațiilor și cerințele tot mai mari ale pieței pentru costuri mai mici, eficiență sporită și sustenabilitate sporită. KT2
Data publicării: 28 aprilie 2024