Autor: Lukas Bijikli, manager de portofoliu de produse, unități de viteză integrate, compresie CO2 R&D CO2 și pompe de căldură, Siemens Energy.
Timp de mai mulți ani, compresorul de viteze integrat (IGC) a fost tehnologia alegerii pentru instalațiile de separare a aerului. Acest lucru se datorează în principal eficienței lor ridicate, ceea ce duce direct la costuri reduse pentru oxigen, azot și gaze inerte. Cu toate acestea, accentul din ce în ce mai mare pe decarbonizare pune noi cerințe pe IPC, în special în ceea ce privește eficiența și flexibilitatea de reglementare. 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 (cercetare și dezvoltare) care vizează extinderea capacităților IGC pentru a răspunde nevoilor în schimbare ale pieței de separare a aerului. Acest articol evidențiază unele îmbunătățiri specifice ale proiectării pe care le -am făcut și discută modul în care aceste modificări pot ajuta la îndeplinirea obiectivelor clienților noștri și de reducere a carbonului.
Majoritatea unităților de separare a aerului astăzi sunt echipate cu două compresoare: un compresor de aer principal (MAC) și un compresor de aer Boost (BAC). Compresorul principal de aer comprimă de obicei întregul flux de aer de la presiunea atmosferică la aproximativ 6 bar. O porțiune din acest flux este apoi comprimată în BAC până la o presiune de până la 60 de bar.
În funcție de sursa de energie, compresorul este de obicei condus de o turbină cu abur sau de un motor electric. Când utilizați o turbină cu abur, ambele compresoare sunt conduse de aceeași turbină prin capetele arborelui gemene. În schema clasică, se instalează un angrenaj intermediar între turbina cu abur și HAC (Fig. 1).
Atât în sistemele conduse electric, cât și în cele cu abur, eficiența compresorului este o pârghie puternică pentru decarbonizare, deoarece afectează direct consumul de energie al unității. Acest lucru este important în special pentru MGP-urile conduse de turbinele cu abur, deoarece cea mai mare parte a căldurii pentru producția de abur este obținută în cazanele cu combustibil fosil.
Deși motoarele electrice oferă o alternativă mai ecologică la unitățile de turbină cu abur, există adesea o nevoie mai mare de flexibilitate a controlului. Multe plante moderne de separare a aerului construit astăzi sunt conectate la rețea și au un nivel ridicat de consum de energie regenerabilă. În Australia, de exemplu, există planuri de a construi mai multe plante de amoniac verde care vor folosi unități de separare a aerului (ASU) pentru a produce azot pentru sinteza amoniacului și este de așteptat să primească energie electrică din fermele eoliene și solare din apropiere. La aceste plante, flexibilitatea de reglementare este esențială pentru a compensa fluctuațiile naturale în generarea de energie electrică.
Siemens Energy a dezvoltat primul IGC (cunoscut anterior sub numele de VK) în 1948. Astăzi, compania produce peste 2.300 de unități la nivel mondial, multe dintre ele fiind concepute pentru aplicații cu debituri care depășesc 400.000 m3/h. MGP -urile noastre moderne au un debit de până la 1,2 milioane de metri cubi pe oră într -o clădire. Acestea includ versiuni fără viteze ale compresoarelor consolei cu raporturi de presiune până la 2,5 sau mai mari în versiuni cu o singură etapă și raporturi de presiune până la 6 în versiuni seriale.
În ultimii ani, pentru a răspunde cerințelor din ce în ce mai mari de eficiență IGC, flexibilitate de reglementare și costuri de capital, am făcut unele îmbunătățiri notabile ale proiectării, care sunt rezumate mai jos.
Eficiența variabilă a unui număr de rotatori utilizați de obicei în prima etapă MAC este crescută prin variația geometriei lamei. Cu acest nou rotor, se pot obține eficiențe variabile de până la 89% în combinație cu difuzoarele LS convenționale și 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 prima etapă cu o densitate de putere mai mare și un raport de compresie. Acest lucru reduce, de asemenea, puterea pe care o angrenajele în sistemele MAC în trei etape trebuie să o transmită, permițând utilizarea angrenajelor cu diametrul mai mic și a cutiilor de viteze de antrenare directă în primele etape.
În comparație cu difuzorul tradițional LS Vane, difuzorul hibrid de generație următoare are o eficiență crescută de 2,5% și factorul de control de 3%. Această creștere se realizează prin amestecarea lamelor (adică lamele sunt împărțite în secțiuni cu înălțime completă și cu înălțime parțială). În această configurație
Ieșirea de flux între rotor și difuzor este redusă de o porțiune a înălțimii lamei care este situată mai aproape de rotor decât lamele unui difuzor LS convențional. Ca și în cazul unui difuzor LS convențional, marginile de frunte ale lamelor cu lungime întreagă sunt echidistante de la rotor pentru a evita interacțiunea rotorului-difuzor care ar putea deteriora lamele.
Creșterea parțială a înălțimii lamelor mai aproape de rotor îmbunătățește, de asemenea, direcția fluxului în apropierea zonei de pulsare. Deoarece marginea de frunte a secțiunii cu palete cu lungime întreagă rămâne același diametru ca un difuzor LS convențional, linia de accelerație nu este afectată, permițând o gamă mai largă de aplicație și reglare.
Injecția de apă implică injectarea picăturilor de apă în fluxul de aer în tubul de aspirație. Picăturile se evaporă și absoarbe căldura din fluxul de gaz de proces, reducând astfel temperatura de intrare la stadiul de compresie. Aceasta duce la o reducere a cerințelor de putere isentropică și o creștere a eficienței mai mare de 1%.
Întărirea arborelui de viteză vă permite să creșteți stresul admis pe unitatea de suprafață, ceea ce vă permite să reduceți lățimea dinților. Acest lucru reduce pierderile mecanice ale cutiei de viteze cu până la 25%, ceea ce duce la o creștere a eficienței globale de până la 0,5%. În plus, costurile principale ale compresorului pot fi reduse cu până la 1%, deoarece se folosește 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 6% mai mult cap decât rotatorii de 65 de grade. În plus, coeficientul de debit ajunge la 0,25, iar în proiectarea cu flux dublu al mașinii IGC, fluxul volumetric atinge 1,2 milioane m3/h sau chiar 2,4 milioane m3/h.
O valoare PHI mai mare permite utilizarea unui rotor cu diametrul mai mic la același flux de volum, reducând astfel costul compresorului principal cu până la 4%. Diametrul primului rotor de etapă poate fi redus și mai mult.
Capul mai înalt este obținut prin unghiul de deviere a rotorului de 75 °, care crește componenta de viteză circumferențială la ieșire și asigură astfel un cap mai mare în funcție de ecuația lui Euler.
În comparație cu rotatorii de mare viteză și de înaltă eficiență, eficiența rotorului este ușor redusă din cauza pierderilor mai mari ale volutei. Acest lucru poate fi compensat prin utilizarea unui melc de dimensiuni medii. Cu toate acestea, chiar și fără aceste volute, eficiența variabilă de până la 87% poate fi obținută la un număr Mach de 1,0 și un coeficient de debit de 0,24.
Volutul mai mic vă permite să evitați coliziunile cu alte volute atunci când diametrul angrenajului mare este redus. Operatorii pot economisi costuri trecând de la un motor cu 6 poli la un motor cu 4 poli cu viteză mai mare (1000 rpm la 1500 rpm), fără a depăși viteza maximă admisă a angrenajului. În plus, poate reduce costurile materialelor pentru angrenaje elicoidale și mari.
În general, compresorul principal poate economisi până la 2% din costurile de capital, plus motorul poate economisi, de asemenea, 2% din costurile de capital. Deoarece volutele compacte sunt ceva mai puțin eficiente, decizia de a le utiliza în mare parte depinde de prioritățile clientului (cost vs. eficiență) și trebuie evaluată pe bază de proiect.
Pentru a crește capacitățile de control, IGV poate fi instalat în fața mai multor etape. Acest lucru este în contrast puternic cu proiectele IGC anterioare, care au inclus doar IGV -uri până la prima fază.
În iterațiile anterioare ale IGC, coeficientul vortex (adică, unghiul celui de -al doilea IGV împărțit la unghiul primului IGV1) a rămas constant indiferent dacă fluxul a fost înainte (unghiul> 0 °, reducând capul) sau vortex invers (unghiul <0). °, presiunea crește). Acest lucru este dezavantajos, deoarece semnul unghiului se modifică între vortirea pozitivă și negativă.
Noua configurație permite utilizarea a două raporturi de vortex diferite atunci când mașina este în modul vortex înainte și invers, crescând 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 BACS, eficiența în mai multe etape poate fi crescută la 89%. Acest lucru, combinat cu alte îmbunătățiri de eficiență, 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, ceea ce duce la economii de costuri de 10%. În plus, în multe cazuri este posibil să se combine compresorul de aer principal și compresorul de rapel într -o singură mașină.
După cum am menționat anterior, este de obicei necesar un angrenaj intermediar între turbina cu abur și VAC. Cu noul design IGC de la Siemens Energy, acest angrenaj de ralanti poate fi integrat în cutia de viteze prin adăugarea unui arbore de ralanti între arborele pinionului și marele angrenaj (4 viteze). Acest lucru poate reduce costul total al liniei (compresorul principal plus echipament auxiliar) cu până la 4%.
În plus, angrenajele cu 4 pini sunt o alternativă mai eficientă la motoarele de defilare compactă pentru trecerea de la motoarele cu 6 poli la 4 poli în compresoare mari de aer principal (dacă există o posibilitate de coliziune volutică sau dacă viteza maximă admisibilă va fi redusă). ) trecut.
Utilizarea lor devine, de asemenea, mai frecventă pe mai multe piețe importante pentru decarbonizarea industrială, inclusiv pompele de căldură și compresia aburului, precum și compresia CO2 în dezvoltarea de captare, utilizare și stocare a carbonului (CCU).
Siemens Energy are o istorie lungă în proiectarea și operarea IGC -urilor. După cum demonstrează eforturile de cercetare și dezvoltare de mai sus (și alte) de mai sus, ne -am angajat să inovăm continuu aceste mașini pentru a satisface nevoile unice de aplicații și pentru a răspunde cerințelor crescânde ale pieței pentru costuri mai mici, eficiență crescută și sustenabilitate sporită. Kt2
Timpul post: 28-2024 aprilie