Szerző: Lukas Bijikli, termékportfóliókezelő, integrált sebességváltók, K + F CO2 kompressziós és hőszivattyúk, Siemens Energy.
Sok éven át az integrált sebességváltó -kompresszor (IGC) volt a választott technológia a levegő elválasztó üzemek számára. Ez elsősorban nagy hatékonyságuknak köszönhető, ami közvetlenül az oxigén, a nitrogén és az inert gáz költségeinek csökkentéséhez vezet. A dekarbonizációra való növekvő összpontosítás azonban új követelményeket támaszt az IPC -kkel szemben, különös tekintettel a hatékonyság és a szabályozási rugalmasság szempontjából. A beruházások továbbra is fontos tényezőt jelentenek az üzem üzemeltetők számára, különösen a kis- és középvállalkozásoknál.
Az elmúlt években a Siemens Energy számos kutatási és fejlesztési (K + F) projektet kezdeményezett, amelynek célja az IGC képességek bővítése a légi szétválasztási piac változó igényeinek kielégítése érdekében. Ez a cikk kiemeli néhány konkrét tervezési fejlesztést, amelyet elvégeztünk, és megvitatja, hogy ezek a változások hogyan segíthetnek ügyfeleink költség- és szén -dioxid -csökkentési céljainak elérésében.
A legtöbb levegő -elválasztó egység manapság két kompresszorral van felszerelve: a fő légkompresszor (MAC) és a Boost légkompresszor (BAC). A fő légkompresszor általában a teljes légáramlást a légköri nyomástól kb. 6 bar -ra tömöríti. Ennek az áramlásnak egy részét ezután tovább tömörítik a BAC -ban, akár 60 bar nyomásig.
Az energiaforrástól függően a kompresszort általában gőzturbina vagy elektromos motor hajtja. Gőzturbina használatakor mindkét kompresszort ugyanaz a turbina hajtja az iker tengely végén. A klasszikus sémában egy közbenső fogaskerék van felszerelve a gőzturbina és a HAC között (1. ábra).
Mind az elektromosan meghajtott, mind a gőzturbinával hajtott rendszerekben a kompresszor hatékonysága a szén -dioxid -szén -dioxid -kart, mivel ez közvetlenül befolyásolja az egység energiafogyasztását. Ez különösen fontos a gőzturbinák által vezérelt MGP-k számára, mivel a gőztermelés hő nagy részét fosszilis tüzelőanyag-kezelésű kazánokban kapják meg.
Noha az elektromos motorok zöldebb alternatívát kínálnak a gőzturbina meghajtók számára, gyakran nagyobb szükség van a kontroll rugalmasságára. Számos modern levegő-elválasztó üzem, amelyet ma építettek, rácshoz kapcsolódnak és magas szintű megújuló energiafelhasználással rendelkeznek. Például Ausztráliában tervezik több zöld ammónia növény felépítését, amelyek légszivárgási egységeket (ASUS) fognak használni az ammónia szintézishez történő nitrogén előállításához, és várhatóan villamos energiát kapnak a közeli szél- és napenergia -gazdaságokból. Ezekben a növényekben a szabályozási rugalmasság kritikus fontosságú az energiatermelés természetes ingadozásainak kompenzálása érdekében.
A Siemens Energy kifejlesztette az első IGC -t (korábban VK néven) 1948 -ban. Ma a vállalat világszerte több mint 2300 egységet termel, amelyek közül sok olyan alkalmazásokra tervezték, amelyek áramlási sebessége meghaladja a 400 000 m3/h -t. Modern MGP -jeink áramlási sebessége óránként akár 1,2 millió köbméter / óránként lehet. Ide tartoznak a konzol kompresszorok sebességváltó nélküli verziói, amelyek nyomásértéke vagy annál magasabb az egylépcsős verziókban, és a nyomástarányok 6-ig a soros verziókban.
Az utóbbi években az IGC hatékonyságával, a szabályozási rugalmassággal és a tőkeköltségekkel kapcsolatos növekvő igények kielégítése érdekében néhány figyelemre méltó tervezési fejlesztést végeztünk, amelyeket az alábbiakban foglalunk össze.
Az első MAC stádiumban általában alkalmazott szennyeződések változó hatékonyságát a penge -geometria változtatásával növelik. Ezzel az új járókerékkel akár 89% -os változó hatékonyságot lehet elérni a hagyományos LS -diffúzorokkal kombinálva, és több mint 90% -kal kombinálva a hibrid diffúzorok új generációjával.
Ezenkívül a járókerék Mach -száma 1,3 -nál magasabb, amely az első stádiumot nagyobb teljesítmény sűrűséggel és tömörítési aránysal biztosítja. Ez csökkenti azt a teljesítményt is, amelyet a háromlépcsős MAC rendszerekben a sebességváltóknak továbbítania kell, lehetővé téve a kisebb átmérőjű fogaskerekek és az első szakaszban a közvetlen meghajtó sebességváltók használatát.
A hagyományos, teljes hosszúságú LS lapát-diffúzorhoz képest a következő generációs hibrid diffúzor 2,5% -os fokos hatékonyságú, a kontroll tényező pedig 3%. Ezt a növekedést a pengék keverésével érik el (azaz a pengéket teljes és részleges magasságú szakaszokra osztják). Ebben a konfigurációban
A járókerék és a diffúzor közötti áramlási teljesítményt a penge magasságának egy olyan részével csökkentik, amely közelebb helyezkedik el a járókerékhez, mint a hagyományos LS diffúzor pengéi. A hagyományos LS-diffúzorhoz hasonlóan a teljes hosszúságú pengék vezető szélei egyenlő távolságra vannak a járókeréktől, hogy elkerüljék a járókerék-diffúziós interakciót, amely károsíthatja a pengéket.
A járókerékhez közelebbi részben növeli a pengék magasságát a pulzációs zóna közelében. Mivel a teljes hosszúságú lapátszakasz élvonala ugyanolyan átmérőjű, mint a hagyományos LS diffúzor, a fojtószelep vonal nem érinti, lehetővé téve az alkalmazás és a hangolás szélesebb körét.
A víz befecskendezése magában foglalja a vízcseppek befecskendezését a szívócsőben lévő légáramba. A cseppek elpárolognak és elnyelik a hőt a folyamat gázáramából, ezáltal csökkentve a bemeneti hőmérsékletet a kompressziós szakaszra. Ennek eredményeként az izentrópiás energiaigény csökkenése és a hatékonyság több mint 1%-os növekedése eredményez.
A fogaskerék tengelyének megkeményedése lehetővé teszi az egységenkénti megengedett feszültség növelését, amely lehetővé teszi a fogszélesség csökkentését. Ez akár 25%-kal csökkenti a sebességváltó mechanikai veszteségeit, ami az általános hatékonyság 0,5%-kal növekszik. Ezenkívül a fő kompresszor költségei akár 1% -kal is csökkenthetők, mivel kevesebb fémet használnak a nagy sebességváltóban.
Ez a járókerék akár 0,25 -ig terjedő áramlási együtthatóval (φ) képes működni, és 6% -kal több fejet biztosít, mint 65 fokos járókerék. Ezenkívül az áramlási együttható eléri a 0,25-et, és az IGC gép kettős áramlási kialakításában a térfogatáram eléri az 1,2 millió m3/h-t, vagy akár 2,4 millió m3/h-t.
A magasabb PHI -érték lehetővé teszi egy kisebb átmérőjű járókerék használatát ugyanabban a térfogatáram mellett, ezáltal a fő kompresszor költségeit akár 4%-kal csökkenti. Az első színpadi járókerék átmérője még tovább csökkenthető.
A magasabb fejet a 75 ° -os járókerék -elhajlási szöggel érik el, amely növeli a kerületi sebességkomponenst a kimeneten, és így magasabb fejet biztosít Euler egyenlete szerint.
A nagysebességű és nagy hatékonyságú járókerülőkhöz képest a járókerék hatékonysága kissé csökken a nagyobb veszteségek miatt. Ez kompenzálható egy közepes méretű csiga használatával. Ugyanakkor még ezen voluták nélkül akár 87% -os változó hatékonyságot lehet elérni 1,0 Mach -számmal és 0,24 áramlási együtthatóval.
A kisebb kötet lehetővé teszi, hogy elkerülje az ütközéseket más volutákkal, amikor a nagy fogaskerék átmérője csökken. Az üzemeltetők megtakaríthatnak költségeket, ha egy 6 pólusú motorról egy magasabb sebességű 4 pólusú motorra (1000 fordulat / perc és 1500 ford / perc) váltanak, anélkül, hogy túllépnék a maximális megengedett sebességváltó sebességét. Ezenkívül csökkentheti a spirális és nagy fogaskerekek anyagköltségeit.
Összességében a fő kompresszor akár 2% -ot is megtakaríthat a tőkeköltségekben, plusz a motor 2% -ot takaríthat meg a tőkeköltségekben. Mivel a Compact Volutes valamivel kevésbé hatékony, az ezek használatának döntése nagymértékben függ az ügyfél prioritásaitól (költség vs. hatékonyság), és azokat projektenként kell értékelni.
A vezérlési képességek növelése érdekében az IGV telepíthető több szakasz előtt. Ez éles ellentétben áll a korábbi IGC projektekkel, amelyek csak az IGV -ket tartalmazták az első szakaszig.
Az IGC korábbi iterációiban az örvény együtthatója (azaz a második IGV szöge elosztva az első IGV1 szögével) állandó maradt, függetlenül attól, hogy az áramlás előre (0 ° anag> 0 °, csökkentő fej) vagy fordított örvény (szög <0). °, a nyomás növekszik). Ez hátrányos, mert a szög jele megváltozik a pozitív és a negatív örvények között.
Az új konfiguráció lehetővé teszi két különböző örvény -arányt, amikor a gép előre és fordított örvény módban van, ezáltal 4% -kal növeli a kontroll tartományt, miközben fenntartja az állandó hatékonyságot.
A BACS-ben általában használt járókerék LS diffúzor beépítésével a többlépcsős hatékonyság 89%-ra növelhető. Ez, más hatékonyságjavításokkal kombinálva, csökkenti a BAC stádiumok számát, miközben fenntartja az általános vonat hatékonyságát. A szakaszok számának csökkentése kiküszöböli az intercooler, a kapcsolódó folyamatos gázvezetékek, valamint a rotor és az állórész alkatrészeinek szükségességét, ami 10%-os költségmegtakarítást eredményez. Ezenkívül sok esetben egy gépen lehet a fő légkompresszort és az emlékeztető kompresszort.
Mint korábban említettük, általában egy közbenső fogaskerékre van szükség a gőzturbina és a VAC között. A Siemens Energy új IGC kialakításával ez az alapjárati felszerelés integrálható a sebességváltóba, ha egy tengelyt tengely hozzáad a fogaskerék és a nagy sebességváltó (4 sebességváltó) között. Ez akár 4%-kal csökkentheti a teljes vonalköltséget (fő kompresszor és kiegészítő berendezés).
Ezenkívül a 4 pinion fogaskerekek hatékonyabb alternatíva a kompakt görgetőmotorokhoz a nagy fő légkompresszorokban a 6 pólusú motorokról a 4 pólusú motorokra való váltáshoz (ha van lehetőség a volute ütközésre, vagy ha a maximális megengedett fogaskerék-sebesség csökken). ) múlt.
Használatuk egyre gyakoribb az ipari dekarbonizáció szempontjából fontos számos piacon, ideértve a hőszivattyúkat és a gőzkompressziót, valamint a szén -dioxid -rögzítés, a felhasználás és a tárolás (CCUS) fejlesztéseit.
A Siemens Energy hosszú története van az IGC -k tervezésében és üzemeltetésében. Amint azt a fenti (és egyéb) kutatási és fejlesztési erőfeszítések is bizonyítják, elkötelezettek vagyunk annak érdekében, hogy folyamatosan újítsuk ezeket a gépeket az egyedi alkalmazási igények kielégítése érdekében, és kielégítjük az alacsonyabb költségek, a fokozott hatékonyság és a fokozott fenntarthatóság növekvő piaci igényeit. Kt2
A postai idő: április-28-2024