Szerző: Lukas Bijikli, termékportfólió-menedzser, integrált hajtóművek, CO2 kompressziós és hőszivattyúk kutatás-fejlesztése, Siemens Energy.
Az integrált fogaskerék-kompresszor (IGC) évek óta a levegőleválasztó üzemek választott technológiája. Ez főként a magas hatásfoknak köszönhető, ami közvetlenül az oxigén, a nitrogén és az inert gáz költségeinek csökkenéséhez vezet. A dekarbonizációra irányuló növekvő hangsúly azonban új követelményeket támaszt az IPC-kkel szemben, különösen a hatékonyság és a szabályozási rugalmasság tekintetében. A tőkekiadások továbbra is fontos tényezők az üzem üzemeltetői számára, különösen a kis- és középvállalkozásoknál.
Az elmúlt években a Siemens Energy számos kutatási és fejlesztési (K+F) projektet indított, amelyek célja az IGC-képességek bővítése a levegőleválasztási piac változó igényeinek kielégítése érdekében. Ez a cikk kiemel néhány konkrét tervezési fejlesztést, amelyet elvégeztünk, és azt tárgyalja, hogy ezek a változtatások hogyan segíthetnek ügyfeleink költség- és szén-dioxid-csökkentési céljainak elérésében.
A legtöbb mai levegőleválasztó egység két kompresszorral van felszerelve: egy fő légkompresszorral (MAC) és egy nyomásfokozó légkompresszorral (BAC). A fő légkompresszor jellemzően a teljes légáramot a légköri nyomásról körülbelül 6 bar nyomásra sűríti össze. Ennek az áramlásnak egy részét ezután a BAC-ban tovább sűrítik akár 60 bar nyomásra.
Az energiaforrástól függően a kompresszort általában gőzturbina vagy villanymotor hajtja. Gőzturbina használata esetén mindkét kompresszort ugyanaz a turbina hajtja két tengelyvégen keresztül. A klasszikus sémában egy közbenső fogaskerék van beépítve a gőzturbina és a hőcserélő légkondicionáló közé (1. ábra).
Mind az elektromos, mind a gőzturbinás rendszerekben a kompresszor hatékonysága erőteljesen befolyásolja a dekarbonizációt, mivel közvetlenül befolyásolja az egység energiafogyasztását. Ez különösen fontos a gőzturbinákkal hajtott MGP-k esetében, mivel a gőztermeléshez szükséges hő nagy részét fosszilis tüzelőanyaggal működő kazánokban nyerik.
Bár a villanymotorok környezetbarátabb alternatívát kínálnak a gőzturbinás hajtásokkal szemben, gyakran nagyobb szükség van a szabályozási rugalmasságra. Sok ma épülő modern levegőleválasztó üzem hálózatra csatlakozik, és magas szintű megújuló energiafelhasználással rendelkezik. Ausztráliában például több zöld ammóniaüzem építését tervezik, amelyek levegőleválasztó egységeket (ASU-kat) használnak majd nitrogén előállítására az ammónia szintéziséhez, és várhatóan a közeli szél- és naperőművekből kapják majd az áramot. Ezeknél az üzemeknél a szabályozási rugalmasság kritikus fontosságú az energiatermelés természetes ingadozásainak kompenzálásához.
A Siemens Energy 1948-ban fejlesztette ki az első IGC-t (korábban VK néven ismert). A vállalat ma világszerte több mint 2300 egységet gyárt, amelyek közül sokat 400 000 m3/h-nál nagyobb áramlási sebességű alkalmazásokhoz terveztek. Modern MGP-ink áramlási sebessége egy épületben akár 1,2 millió köbméter óránként is elérheti. Ezek közé tartoznak a konzolos kompresszorok hajtómű nélküli változatai, amelyek nyomásviszonya egyfokozatú változatokban akár 2,5 vagy annál nagyobb, soros változatokban pedig akár 6-os nyomásviszonyúak.
Az elmúlt években az IGC hatékonyságával, a szabályozási rugalmassággal és a tőkeköltségekkel szembeni növekvő igények kielégítése érdekében néhány jelentős tervezési fejlesztést hajtottunk végre, amelyeket az alábbiakban foglalunk össze.
Az első MAC fokozatban jellemzően használt számos járókerék változtatható hatásfokát a lapátgeometria változtatásával növelték. Ezzel az új járókerékkel a hagyományos LS diffúzorokkal akár 89%-os, az új generációs hibrid diffúzorokkal pedig több mint 90%-os változtatható hatásfok is elérhető.
Ezenkívül a járókerék Mach-száma nagyobb, mint 1,3, ami nagyobb teljesítménysűrűséget és sűrítési arányt biztosít az első fokozatnak. Ez csökkenti a háromfokozatú MAC-rendszerekben a fogaskerekek által továbbítandó teljesítményt is, lehetővé téve kisebb átmérőjű fogaskerekek és közvetlen hajtású sebességváltók használatát az első fokozatokban.
A hagyományos, teljes hosszúságú LS lamellás diffúzorhoz képest a következő generációs hibrid diffúzor 2,5%-kal nagyobb fokozathatásfokkal és 3%-kal nagyobb szabályozási tényezővel rendelkezik. Ezt a növekedést a lapátok keverésével érik el (azaz a lapátokat teljes magasságú és részleges magasságú szakaszokra osztják). Ebben a konfigurációban
A járókerék és a diffúzor közötti áramlási teljesítményt a lapátmagasság egy olyan részével csökkentik, amely közelebb van a járókerékhez, mint a hagyományos LS diffúzor lapátjai. A hagyományos LS diffúzorhoz hasonlóan a teljes hosszúságú lapátok elülső élei egyenlő távolságra vannak a járókeréktől, hogy elkerüljék a járókerék és a diffúzor kölcsönhatását, amely károsíthatja a lapátokat.
A lapátok magasságának részleges növelése a járókerékhez közelebb szintén javítja az áramlási irányt a pulzációs zóna közelében. Mivel a teljes hosszúságú lapátszakasz belépőéle átmérője megegyezik a hagyományos LS diffúzor átmérőjével, a fojtószelep-vezeték nem változik, ami szélesebb alkalmazási és hangolási tartományt tesz lehetővé.
A vízbefecskendezés során vízcseppeket fecskendeznek a szívócsőben lévő légáramba. A cseppek elpárolognak és elnyelik a hőt a technológiai gázáramból, ezáltal csökkentve a belépő hőmérsékletet a kompressziós szakaszban. Ez az izentropikus teljesítményigény csökkenését és a hatásfok több mint 1%-os növekedését eredményezi.
A fogaskerék tengelyének edzése lehetővé teszi a megengedett felületi feszültség növelését, ami lehetővé teszi a fogszélesség csökkentését. Ez akár 25%-kal is csökkenti a sebességváltó mechanikai veszteségeit, ami akár 0,5%-os összhatásfok-növekedést is eredményez. Ezenkívül a fő kompresszor költségei akár 1%-kal is csökkenthetők, mivel a nagy sebességváltóban kevesebb fémet használnak fel.
Ez a járókerék akár 0,25 áramlási együtthatóval (φ) is működhet, és 6%-kal nagyobb szállítómagasságot biztosít, mint a 65 fokos járókerekek. Ezenkívül az áramlási együttható eléri a 0,25-öt, az IGC gép kettős áramlású kialakításában pedig a térfogatáram eléri az 1,2 millió m3/h vagy akár a 2,4 millió m3/h értéket is.
A magasabb phi érték lehetővé teszi kisebb átmérőjű járókerék használatát azonos térfogatáram mellett, ezáltal akár 4%-kal is csökkentve a fő kompresszor költségét. Az első fokozat járókerekének átmérője még tovább csökkenthető.
A nagyobb nyomást a járókerék 75°-os eltérítési szöge biztosítja, ami növeli a kerületi sebességkomponenst a kimeneten, és így az Euler-egyenlet szerint nagyobb nyomást biztosít.
A nagy sebességű és nagy hatásfokú járókerekekhez képest a járókerék hatásfoka kissé csökken a volutában fellépő nagyobb veszteségek miatt. Ez egy közepes méretű csiga használatával kompenzálható. Azonban még ezen voluták nélkül is akár 87%-os változó hatásfok érhető el 1,0 Mach-szám és 0,24 áramlási együttható mellett.
A kisebb spirálfog lehetővé teszi az ütközések elkerülését más spirálfogakkal, amikor a nagy fogaskerék átmérője csökken. A kezelők költségeket takaríthatnak meg azáltal, hogy 6 pólusú motorról nagyobb sebességű, 4 pólusú motorra (1000 ford/perc és 1500 ford/perc között) váltanak anélkül, hogy túllépnék a maximálisan megengedett fogaskerék-fordulatszámot. Ezenkívül csökkentheti a ferde fogazású és nagy fogaskerekek anyagköltségeit.
Összességében a fő kompresszor akár 2%-os tőkeköltség-megtakarítást is jelenthet, a motor pedig szintén 2%-os tőkemegtakarítást eredményezhet. Mivel a kompakt voluták némileg kevésbé hatékonyak, a használatukról szóló döntés nagymértékben az ügyfél prioritásaitól (költség kontra hatékonyság) függ, és projektenként kell értékelni.
A vezérlési képességek növelése érdekében az IGV több színpad elé is telepíthető. Ez éles ellentétben áll a korábbi IGC projektekkel, amelyek csak az első fázisig tartalmaztak IGV-ket.
Az IGC korábbi iterációiban az örvénylési együttható (azaz a második IGV szöge osztva az első IGV1 szögével) állandó maradt, függetlenül attól, hogy az áramlás előre irányuló (szög > 0°, csökkenő magasság) vagy fordított örvénylés (szög < 0) volt-e. °-kal a nyomás növekszik. Ez azért hátrányos, mert a szög előjele a pozitív és negatív örvények között változik.
Az új konfiguráció lehetővé teszi két különböző örvényarány használatát, amikor a gép előre és hátrafelé örvénylő üzemmódban van, ezáltal 4%-kal növelve a szabályozási tartományt, miközben állandó hatásfokot tart fenn.
A BAC-okban általánosan használt járókerék LS diffúzorának beépítésével a többfokozatú hatásfok 89%-ra növelhető. Ez, más hatékonyságnövelő fejlesztésekkel kombinálva, csökkenti a BAC fokozatok számát, miközben megőrzi a teljes rendszer hatásfokát. A fokozatok számának csökkentése kiküszöböli a közbenső hűtő, a kapcsolódó technológiai gázcsövek, valamint a rotor- és állórész-alkatrészek szükségességét, ami 10%-os költségmegtakarítást eredményez. Ezenkívül sok esetben lehetőség van a fő légkompresszor és a nyomásfokozó kompresszor egyetlen gépben történő kombinálására.
Amint azt korábban említettük, a gőzturbina és a vákuumszivattyú között általában egy közbenső fogaskerékre van szükség. A Siemens Energy új IGC-kialakításával ez a feszítőgörgő integrálható a sebességváltóba egy feszítőtengely hozzáadásával a fogaskeréktengely és a nagy fogaskerék (4 fogaskerék) közé. Ez akár 4%-kal is csökkentheti a teljes sorköltséget (fő kompresszor plusz segédberendezések).
Ezenkívül a 4 fogaskerekes fogaskerekek hatékonyabb alternatívát jelentenek a kompakt görgetőmotorokkal szemben a nagy fő légkompresszorokban a 6 pólusúról 4 pólusú motorokra való átkapcsoláshoz (ha fennáll a spirálkerék ütközésének veszélye, vagy ha a megengedett maximális fogaskerék-sebesség csökken). ).
Használatuk egyre gyakoribb számos, az ipari dekarbonizáció szempontjából fontos piacon, beleértve a hőszivattyúkat és a gőzkompressziót, valamint a CO2-kompressziót a szén-dioxid-leválasztás, -hasznosítás és -tárolás (CCUS) fejlesztéseiben.
A Siemens Energy hosszú múltra tekint vissza az IGC-k tervezésében és üzemeltetésében. Amint azt a fenti (és egyéb) kutatási és fejlesztési erőfeszítések is bizonyítják, elkötelezettek vagyunk ezen gépek folyamatos fejlesztése iránt, hogy megfeleljünk az egyedi alkalmazási igényeknek, és kielégítsük a növekvő piaci igényeket az alacsonyabb költségek, a nagyobb hatékonyság és a fokozott fenntarthatóság iránt. KT2
Közzététel ideje: 2024. április 28.