Автор: Lukas Bijikli, мениджър на продуктово портфолио, интегрирани задвижвания, R&D CO2 компресия и термопомпи, Siemens Energy.
В продължение на много години интегрираният компресор на зъбни колела (IGC) е технологията за избор на инсталации за отделяне на въздух. Това се дължи главно на тяхната висока ефективност, което директно води до намалени разходи за кислород, азот и инертен газ. Въпреки това, нарастващият фокус върху декарбонизацията поставя нови изисквания към IPC, особено по отношение на ефективността и регулаторната гъвкавост. Капиталовите разходи продължават да бъдат важен фактор за операторите на растенията, особено в малките и средните предприятия.
През последните няколко години Siemens Energy инициира няколко проекта за научни изследвания и разработки (R&D), насочени към разширяване на възможностите на IGC, за да отговори на променящите се нужди на пазара за отделяне на въздух. Тази статия подчертава някои специфични подобрения в дизайна, които сме направили и обсъжда как тези промени могат да помогнат за постигане на целите на разходите и намаляването на въглеродните клиенти на нашите клиенти.
Повечето единици за разделяне на въздуха днес са оборудвани с два компресора: основен въздушен компресор (MAC) и компресор за повишаване на въздуха (BAC). Основният въздушен компресор обикновено компресира целия въздушен поток от атмосферно налягане до приблизително 6 бара. След това част от този поток се компресира допълнително в BAC до налягане до 60 бара.
В зависимост от енергийния източник, компресорът обикновено се задвижва от парна турбина или електрически двигател. Когато използвате парна турбина, и двата компресора се задвижват от една и съща турбина през краища на двойни вала. В класическата схема се монтира междинна предавка между парната турбина и HAC (фиг. 1).
Както в електрически задвижвани, така и в парни турбини системи, ефективността на компресора е мощен лост за декарбонизация, тъй като пряко влияе върху консумацията на енергия на устройството. Това е особено важно за MGP, задвижвани от парни турбини, тъй като по-голямата част от топлината за производството на пара се получава в котли на изкопаеми горива.
Въпреки че електрическите двигатели осигуряват по -зелена алтернатива на задвижванията на парни турбини, често има по -голяма нужда от гъвкавост на контрола. Много съвременни растения за разделяне на въздух, които се изграждат днес, са свързани с мрежата и имат високо ниво на използване на възобновяема енергия. Например в Австралия има планове за изграждане на няколко зелени амонячни растения, които ще използват въздушни единици за отделяне на въздуха (ASU) за производство на азот за синтез на амоняк и се очаква да получат електричество от близките ферми на вятъра и слънчевите стопанства. При тези растения гъвкавостта на регулацията е от решаващо значение за компенсиране на естествените колебания в производството на енергия.
Siemens Energy разработи първия IGC (преди известен като VK) през 1948 г. Днес компанията произвежда повече от 2300 единици по целия свят, много от които са проектирани за приложения с дебит над 400 000 м3/ч. Нашите съвременни MGP имат дебит до 1,2 милиона кубически метра на час в една сграда. Те включват версии без предавки на конзолни компресори със съотношения на налягане до 2,5 или по-високи в едноетапни версии и съотношения на налягане до 6 в серийни версии.
През последните години, за да отговорим на нарастващите изисквания за ефективност на IGC, регулаторна гъвкавост и капиталови разходи, ние направихме някои забележителни подобрения в дизайна, които са обобщени по -долу.
Променливата ефективност на редица колеги, които обикновено се използват в първия етап на MAC, се увеличава чрез промяна на геометрията на острието. С това ново колело може да се постигне променлива ефективност до 89% в комбинация с конвенционални LS дифузори и над 90% в комбинация с новото поколение хибридни дифузори.
В допълнение, работното колело има MACH номер по -високо от 1,3, което осигурява първия етап с по -висока плътност на мощността и коефициент на компресия. Това също намалява мощността, която се предаде в триетапни Mac системи, трябва да предава, което позволява използването на зъбни колела с по-малък диаметър и директни задвижващи скоростни кутии в първите етапи.
В сравнение с традиционния LS дифузьор с пълна дължина, хибридният дифузьор от следващо поколение има повишена ефективност на етапа от 2,5% и контролен фактор 3%. Това увеличение се постига чрез смесване на остриетата (т.е. остриетата са разделени на секции с пълна височина и частична височина). В тази конфигурация
Изходът на потока между работното колело и дифузора се намалява с част от височината на острието, която е разположена по -близо до работното колело, отколкото остриетата на конвенционалния LS дифузьор. Както при конвенционалния LS дифузьор, водещите ръбове на остриетата с пълна дължина са на еднакво разстояние от работното колело, за да се избегне взаимодействието на колело-дифузера, което може да повреди лопатките.
Частично увеличаването на височината на остриетата по -близо до работното колело също подобрява посоката на потока близо до зоната на пулсация. Тъй като водещият ръб на централната секция с пълна дължина остава същия диаметър като конвенционалния LS дифузьор, дроселната линия не се влияе, което позволява по-широк обхват на приложение и настройка.
Инжектирането на вода включва инжектиране на водни капчици във въздушния поток в смукателната тръба. Капчиците се изпаряват и абсорбират топлината от потока на процеса на газ, като по този начин намаляват температурата на входа до етапа на компресия. Това води до намаляване на изискванията на Isentropic Power и повишаване на ефективността над 1%.
Втвърдяването на зъбния вал ви позволява да увеличите допустимото напрежение на единица площ, което ви позволява да намалите ширината на зъба. Това намалява механичните загуби в скоростната кутия с до 25%, което води до повишаване на общата ефективност до 0,5%. В допълнение, основните разходи за компресор могат да бъдат намалени с до 1%, тъй като в голямата скоростна кутия се използва по -малко метал.
Това работно колело може да работи с коефициент на поток (φ) до 0,25 и осигурява 6% повече глава от 65 градуса. В допълнение, коефициентът на потока достига 0,25, а в дизайна на двоен поток на IGC машината, обемният поток достига 1,2 милиона м3/ч или дори 2,4 милиона м3/ч.
По -високата стойност на PHI позволява използването на колело за по -малък диаметър при същия обемни потоци, като по този начин намалява цената на основния компресор с до 4%. Диаметърът на работното колело на първия етап може да бъде намален още повече.
По -високата глава се постига чрез ъгъла на отклонение на колело 75 °, който увеличава огнеричният компонент на скоростта на изхода и по този начин осигурява по -висока глава според уравнението на Ойлер.
В сравнение с високоскоростните и високоефективните колела, ефективността на работното колело е леко намалена поради по-високите загуби във волата. Това може да се компенсира чрез използване на среден охлюв. Въпреки това, дори и без тези волети, може да се постигне променлива ефективност до 87% при MACH брой 1,0 и коефициент на поток от 0,24.
По -малкият Volute ви позволява да избягвате сблъсъци с други волети, когато диаметърът на голямата предавка е намален. Операторите могат да спестят разходите, като преминат от 6-полюсен двигател към 4-полюсен двигател с по-висока скорост (1000 об / мин до 1500 об / мин), без да надвишават максималната допустима скорост на предавката. Освен това, той може да намали материалните разходи за спирални и големи предавки.
Като цяло основният компресор може да спести до 2% в капиталовите разходи, плюс двигателят също може да спести 2% в капиталовите разходи. Тъй като компактните Volutes са малко по-малко ефективни, решението да ги използвате до голяма степен зависи от приоритетите на клиента (цена спрямо ефективността) и трябва да бъде оценено на база проект по проект.
За да се увеличат възможностите за контрол, IGV може да бъде инсталиран пред множество етапи. Това е в пълен контраст с предишните проекти на IGC, които включват само IGV до първата фаза.
В по -ранните итерации на IGC коефициентът на вихъра (т.е. ъгълът на втория IgV, разделен на ъгъла на първия Igv1), остава постоянен, независимо дали потокът е напред (ъгъл> 0 °, редуцираща глава) или обратна вихър (ъгъл <0). °, налягането се увеличава). Това е недостатъчно, тъй като знакът на ъгъла се променя между положителни и отрицателни вихри.
Новата конфигурация позволява да се използват две различни коефициенти на вихър, когато машината е в режим напред и обратна вихър, като по този начин се увеличава диапазона на контрол с 4%, като същевременно поддържа постоянна ефективност.
Чрез включване на LS дифузьор за работното колело, използван често в BACs, многоетапната ефективност може да бъде увеличена до 89%. Това, комбинирано с други подобрения на ефективността, намалява броя на BAC етапите, като същевременно поддържа общата ефективност на влака. Намаляването на броя на етапите елиминира нуждата от интеркулер, свързаните с тях процесорни газопроводи и компонентите на ротора и статора, което води до икономии на разходи от 10%. Освен това в много случаи е възможно да се комбинира основният въздушен компресор и бустерния компресор в една машина.
Както бе споменато по -рано, обикновено се изисква междинна предавка между парната турбина и вакуята. С новия дизайн на IGC от Siemens Energy, тази зъбна колекция може да бъде интегрирана в скоростната кутия чрез добавяне на вал на празен ход между вала на зъбното колело и голямата предавка (4 предавки). Това може да намали общата цена на линията (основен компресор плюс спомагателно оборудване) с до 4%.
Освен това, 4-пинионните предавки са по-ефективна алтернатива на компактните двигатели за превъртане за превключване от 6-полюсни на 4-полюсни двигатели в големи основни въздушни компресори (ако има възможност за сблъсък на волята или ако максималната допустима скорост на щифта ще бъде намалена). ) минало.
Използването им също става все по -често на няколко пазара, важни за индустриалната декарбонизация, включително термопомпи и компресия на пара, както и за компресия на CO2 при разработване на въглерод, използване и съхранение (CCUS).
Siemens Energy има дълга история на проектирането и експлоатацията на IGC. Както се доказва от горепосочените (и други) усилия за научни изследвания и разработки, ние се ангажираме непрекъснато да иноваваме тези машини, за да отговорим на уникалните нужди на приложението и да отговорим на нарастващите пазарни изисквания за по -ниски разходи, повишена ефективност и повишена устойчивост. KT2
Време за публикация: април-28-2024