Автор: Лукас Биджикли, мениджър продуктово портфолио, интегрирани зъбни задвижвания, научноизследователска и развойна дейност в областта на CO2 компресията и термопомпите, Siemens Energy.
В продължение на много години, интегрираният зъбен компресор (IGC) е предпочитаната технология за инсталациите за разделяне на въздуха. Това се дължи главно на високата му ефективност, която директно води до намалени разходи за кислород, азот и инертен газ. Нарастващият фокус върху декарбонизацията обаче поставя нови изисквания към интегрираните зъбни компресори (IPC), особено по отношение на ефективността и регулаторната гъвкавост. Капиталовите разходи продължават да бъдат важен фактор за операторите на инсталации, особено в малките и средни предприятия.
През последните няколко години Siemens Energy инициира няколко научноизследователски и развойни (НИРД) проекта, насочени към разширяване на възможностите за междуфазово газоразпределение (IGC), за да отговорят на променящите се нужди на пазара на въздухоразделяне. Тази статия подчертава някои специфични подобрения в дизайна, които сме направили, и обсъжда как тези промени могат да помогнат за постигане на целите на нашите клиенти за намаляване на разходите и въглеродните емисии.
Повечето агрегати за разделяне на въздуха днес са оборудвани с два компресора: главен въздушен компресор (MAC) и компресор за допълнително налягане (BAC). Главният въздушен компресор обикновено компресира целия въздушен поток от атмосферно налягане до приблизително 6 бара. Част от този поток след това се компресира допълнително в BAC до налягане до 60 бара.
В зависимост от източника на енергия, компресорът обикновено се задвижва от парна турбина или електрически двигател. При използване на парна турбина и двата компресора се задвижват от една и съща турбина чрез двойни краища на вала. В класическата схема между парната турбина и HAC е монтирана междинна предавка (фиг. 1).
Както при електрически задвижваните, така и при системите, задвижвани от парни турбини, ефективността на компресора е мощен лост за декарбонизация, тъй като тя пряко влияе върху консумацията на енергия на агрегата. Това е особено важно за многофазните газови котли (МГК), задвижвани от парни турбини, тъй като по-голямата част от топлината за производство на пара се получава в котли, работещи с изкопаеми горива.
Въпреки че електрическите двигатели предоставят по-екологична алтернатива на задвижванията на парни турбини, често има по-голяма нужда от гъвкавост в управлението. Много съвременни инсталации за разделяне на въздуха, които се строят днес, са свързани към мрежата и имат високо ниво на използване на възобновяема енергия. В Австралия например има планове за изграждане на няколко зелени амонячни инсталации, които ще използват въздушни разделителни агрегати (ASU) за производство на азот за синтез на амоняк и се очаква да получават електричество от близки вятърни и слънчеви паркове. В тези инсталации регулаторната гъвкавост е от решаващо значение за компенсиране на естествените колебания в производството на електроенергия.
Siemens Energy разработва първия IGC (преди известен като VK) през 1948 г. Днес компанията произвежда над 2300 устройства по целия свят, много от които са проектирани за приложения с дебити над 400 000 m3/h. Нашите съвременни MGP имат дебит до 1,2 милиона кубически метра на час в една сграда. Те включват безредукторни версии на конзолни компресори със съотношения на налягане до 2,5 или по-високи в едностъпални версии и съотношения на налягане до 6 в серийни версии.
През последните години, за да отговорим на нарастващите изисквания за ефективност на междуградското комбинирано производство (IGC), регулаторна гъвкавост и капиталови разходи, направихме някои забележителни подобрения в дизайна, които са обобщени по-долу.
Променливата ефективност на редица работни колела, обикновено използвани в първия етап на MAC, се увеличава чрез промяна на геометрията на лопатките. С това ново работно 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.
Освен това, работното колело има число на Мах по-високо от 1,3, което осигурява на първия етап по-висока плътност на мощността и степен на сгъстяване. Това също така намалява мощността, която зъбните колела в тристепенните MAC системи трябва да предават, което позволява използването на зъбни колела с по-малък диаметър и скоростни кутии с директно задвижване в първите етапи.
В сравнение с традиционния LS дифузьор с пълна дължина, хибридният дифузьор от следващо поколение има повишена ефективност на стъпалата от 2,5% и коефициент на управление от 3%. Това увеличение се постига чрез смесване на лопатките (т.е. лопатките са разделени на секции с пълна и частична височина). В тази конфигурация
Изходният поток между работното колело и дифузера е намален с част от височината на лопатките, която е разположена по-близо до работното колело, отколкото лопатките на конвенционален LS дифузер. Както при конвенционален LS дифузер, водещите ръбове на лопатките с пълна дължина са на еднакво разстояние от работното колело, за да се избегне взаимодействието между работното колело и дифузера, което би могло да повреди лопатките.
Частичното увеличаване на височината на лопатките по-близо до работното колело също подобрява посоката на потока близо до зоната на пулсация. Тъй като водещият ръб на секцията с лопатки по цялата дължина остава със същия диаметър като при конвенционален LS дифузьор, дроселната линия не се влияе, което позволява по-широк диапазон на приложение и настройка.
Впръскването на вода включва впръскване на водни капчици във въздушния поток във всмукателната тръба. Капчиците се изпаряват и абсорбират топлина от потока на технологичния газ, като по този начин намаляват входната температура на етапа на компресия. Това води до намаляване на изоентропните изисквания за мощност и повишаване на ефективността с повече от 1%.
Закаляването на зъбния вал позволява увеличаване на допустимото напрежение на единица площ, което позволява намаляване на ширината на зъба. Това намалява механичните загуби в скоростната кутия с до 25%, което води до повишаване на общата ефективност с до 0,5%. Освен това, разходите за главен 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 потока (φ) до 0,25 и осигурява 6% по-голям напор от работното колело с 65 градуса. Освен това, коефициентът на потока достига 0,25, а при двупоточната конструкция 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 работно колело с по-малък диаметър при същия обемен поток, като по този начин се намалява цената на главния компресор с до 4%. Диаметърът на работното колело на първия етап може да бъде намален още повече.
По-високият напор се постига чрез ъгъл на отклонение на работното колело от 75°, което увеличава компонента на периферната скорост на изхода и по този начин осигурява по-висок напор съгласно уравнението на Ойлер.
В сравнение с високоскоростните и високоефективни работни колела, ефективността на работното колело е леко намалена поради по-големите загуби в спиралата. Това може да се компенсира с използването на охлюв със среден размер. Въпреки това, дори и без тези спирали, може да се постигне променлива ефективност до 87% при число на Мах 1,0 и коефициент на потока 0,24.
По-малката спирала ви позволява да избегнете сблъсъци с други спирали, когато диаметърът на голямото зъбно колело е намален. Операторите могат да спестят разходи, като преминат от 6-полюсен двигател към по-високоскоростен 4-полюсен двигател (1000 об/мин до 1500 об/мин), без да превишават максимално допустимата скорост на зъбното колело. Освен това, това може да намали разходите за материали за спираловидни и големи зъбни колела.
Като цяло, главният компресор може да спести до 2% капиталови разходи, плюс двигателят също може да спести 2% капиталови разходи. Тъй като компактните спирални компресори са малко по-неефективни, решението за използването им до голяма степен зависи от приоритетите на клиента (цена спрямо ефективност) и трябва да се оценява за всеки проект поотделно.
За да се увеличат възможностите за контрол, IGV може да бъде инсталиран пред няколко етапа. Това е в рязък контраст с предишни проекти на IGC, които включваха IGV само до първата фаза.
В по-ранни итерации на IGC, коефициентът на вихъра (т.е. ъгълът на втория IGV, разделен на ъгъла на първия IGV1) остава постоянен, независимо дали потокът е бил посоки напред (ъгъл > 0°, намаляване на налягането) или назад вихър (ъгъл < 0°, налягането се увеличава). Това е недостатък, защото знакът на ъгъла се променя между положителни и отрицателни вихри.
Новата конфигурация позволява използването на две различни съотношения на вихровост, когато машината е в режим на вихровост напред и назад, като по този начин се увеличава обхватът на управление с 4%, като същевременно се поддържа постоянна ефективност.
Чрез включване на LS дифузор за работното колело, често използвано в BAC, многостепенната ефективност може да се увеличи до 89%. Това, комбинирано с други подобрения в ефективността, намалява броя на етапите на BAC, като същевременно запазва общата ефективност на тракта. Намаляването на броя на етапите елиминира необходимостта от интеркулер, свързани тръбопроводи за технологичен газ и компоненти на ротора и статора, което води до икономия на разходи от 10%. Освен това, в много случаи е възможно да се комбинират основният въздушен компресор и бустерният компресор в една машина.
Както бе споменато по-рано, обикновено е необходима междинна предавка между парната турбина и VAC. С новия дизайн на IGC от Siemens Energy, тази празна предавка може да бъде интегрирана в скоростната кутия чрез добавяне на празен вал между зъбния вал и голямата предавка (4 предавки). Това може да намали общите разходи за линията (основен компресор плюс спомагателно оборудване) с до 4%.
Освен това, 4-пиньонните зъбни колела са по-ефективна алтернатива на компактните спираловидни мотори за превключване от 6-полюсни към 4-полюсни мотори в големи главни въздушни компресори (ако има вероятност от сблъсък на спиралата или ако максималната допустима скорост на зъбното колело ще бъде намалена).
Тяхната употреба става все по-често срещана и в няколко пазара, важни за промишлената декарбонизация, включително термопомпи и компресиране на пара, както и компресиране на CO2 при разработки за улавяне, използване и съхранение на въглерод (CCUS).
Siemens Energy има дълга история в проектирането и експлоатацията на междуградски газови котелни (IGC). Както се вижда от гореспоменатите (и други) научноизследователски и развойни усилия, ние сме ангажирани с непрекъснатото усъвършенстване на тези машини, за да отговорим на уникалните нужди на приложенията и да отговорим на нарастващите пазарни изисквания за по-ниски разходи, повишена ефективност и по-голяма устойчивост. KT2
Време на публикуване: 28 април 2024 г.