Συγγραφέας: Lukas Bijikli, Διευθυντής Χαρτοφυλακίου Προϊόντων, Ολοκληρωμένα Συστήματα Μετάδοσης Κίνησης, Έρευνα και Ανάπτυξη Αντλιών Συμπίεσης CO2 και Θερμότητας, Siemens Energy.
Για πολλά χρόνια, ο Ολοκληρωμένος Συμπιεστής Γραναζιών (IGC) αποτελεί την τεχνολογία επιλογής για τις μονάδες διαχωρισμού αέρα. Αυτό οφείλεται κυρίως στην υψηλή τους απόδοση, η οποία οδηγεί άμεσα σε μειωμένο κόστος για οξυγόνο, άζωτο και αδρανές αέριο. Ωστόσο, η αυξανόμενη έμφαση στην απαλλαγή από τον άνθρακα θέτει νέες απαιτήσεις για τα IPC, ιδίως όσον αφορά την αποδοτικότητα και την κανονιστική ευελιξία. Οι κεφαλαιουχικές δαπάνες εξακολουθούν να αποτελούν σημαντικό παράγοντα για τους φορείς εκμετάλλευσης μονάδων, ιδίως στις μικρές και μεσαίες επιχειρήσεις.
Τα τελευταία χρόνια, η Siemens Energy έχει ξεκινήσει διάφορα έργα έρευνας και ανάπτυξης (Ε&Α) με στόχο την επέκταση των δυνατοτήτων IGC για την κάλυψη των μεταβαλλόμενων αναγκών της αγοράς διαχωρισμού αέρα. Αυτό το άρθρο επισημαίνει ορισμένες συγκεκριμένες βελτιώσεις στο σχεδιασμό που έχουμε κάνει και συζητά πώς αυτές οι αλλαγές μπορούν να βοηθήσουν στην επίτευξη των στόχων κόστους και μείωσης των εκπομπών άνθρακα των πελατών μας.
Οι περισσότερες μονάδες διαχωρισμού αέρα σήμερα είναι εξοπλισμένες με δύο συμπιεστές: έναν κύριο αεροσυμπιεστή (MAC) και έναν αεροσυμπιεστή ενίσχυσης (BAC). Ο κύριος αεροσυμπιεστής συνήθως συμπιέζει ολόκληρη τη ροή αέρα από την ατμοσφαιρική πίεση σε περίπου 6 bar. Ένα μέρος αυτής της ροής στη συνέχεια συμπιέζεται περαιτέρω στο BAC σε πίεση έως και 60 bar.
Ανάλογα με την πηγή ενέργειας, ο συμπιεστής συνήθως κινείται από ατμοστρόβιλο ή ηλεκτροκινητήρα. Όταν χρησιμοποιείται ατμοστρόβιλος, και οι δύο συμπιεστές κινούνται από τον ίδιο στρόβιλο μέσω δύο άκρων άξονα. Στο κλασικό σχήμα, ένας ενδιάμεσος οδοντωτός τροχός εγκαθίσταται μεταξύ του ατμοστροβίλου και του HAC (Εικ. 1).
Τόσο σε ηλεκτρικά όσο και σε συστήματα που κινούνται με ατμοστρόβιλους, η απόδοση του συμπιεστή αποτελεί ισχυρό μοχλό για την απαλλαγή από τον άνθρακα, καθώς επηρεάζει άμεσα την κατανάλωση ενέργειας της μονάδας. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τα MGP που κινούνται με ατμοστρόβιλους, καθώς το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας για την παραγωγή ατμού λαμβάνεται σε λέβητες που τροφοδοτούνται με ορυκτά καύσιμα.
Παρόλο που οι ηλεκτροκινητήρες παρέχουν μια πιο πράσινη εναλλακτική λύση σε σχέση με τους κινητήρες ατμοστροβίλων, συχνά υπάρχει μεγαλύτερη ανάγκη για ευελιξία ελέγχου. Πολλές σύγχρονες μονάδες διαχωρισμού αέρα που κατασκευάζονται σήμερα είναι συνδεδεμένες με το δίκτυο και έχουν υψηλό επίπεδο χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στην Αυστραλία, για παράδειγμα, υπάρχουν σχέδια για την κατασκευή αρκετών μονάδων πράσινης αμμωνίας που θα χρησιμοποιούν μονάδες διαχωρισμού αέρα (ASU) για την παραγωγή αζώτου για σύνθεση αμμωνίας και αναμένεται να λαμβάνουν ηλεκτρική ενέργεια από κοντινά αιολικά και ηλιακά πάρκα. Σε αυτές τις μονάδες, η ρυθμιστική ευελιξία είναι κρίσιμη για την αντιστάθμιση των φυσικών διακυμάνσεων στην παραγωγή ενέργειας.
Η Siemens Energy ανέπτυξε το πρώτο IGC (παλαιότερα γνωστό ως VK) το 1948. Σήμερα, η εταιρεία παράγει περισσότερες από 2.300 μονάδες παγκοσμίως, πολλές από τις οποίες έχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές με ρυθμούς ροής άνω των 400.000 m3/h. Οι σύγχρονοι MGP μας έχουν ρυθμό ροής έως και 1,2 εκατομμύρια κυβικά μέτρα ανά ώρα σε ένα κτίριο. Σε αυτές περιλαμβάνονται εκδόσεις χωρίς μειωτήρα συμπιεστών κονσόλας με λόγους πίεσης έως και 2,5 ή υψηλότερους σε μονοβάθμιες εκδόσεις και λόγους πίεσης έως και 6 σε σειριακές εκδόσεις.
Τα τελευταία χρόνια, για να ανταποκριθούμε στις αυξανόμενες απαιτήσεις για αποτελεσματικότητα του IGC, κανονιστική ευελιξία και κεφαλαιουχικό κόστος, έχουμε κάνει ορισμένες αξιοσημείωτες βελτιώσεις στο σχεδιασμό, οι οποίες συνοψίζονται παρακάτω.
Η μεταβλητή απόδοση ορισμένων πτερωτών που χρησιμοποιούνται συνήθως στο πρώτο στάδιο MAC αυξάνεται μεταβάλλοντας τη γεωμετρία της λεπίδας. Με αυτήν τη νέα πτερωτή, μπορούν να επιτευχθούν μεταβλητές αποδόσεις έως και 89% σε συνδυασμό με συμβατικούς διαχυτές LS και πάνω από 90% σε συνδυασμό με τη νέα γενιά υβριδικών διαχυτών.
Επιπλέον, η πτερωτή έχει αριθμό Mach μεγαλύτερο από 1,3, γεγονός που παρέχει στο πρώτο στάδιο υψηλότερη πυκνότητα ισχύος και λόγο συμπίεσης. Αυτό μειώνει επίσης την ισχύ που πρέπει να μεταδίδουν τα γρανάζια σε συστήματα MAC τριών σταδίων, επιτρέποντας τη χρήση γραναζιών μικρότερης διαμέτρου και κιβωτίων ταχυτήτων άμεσης κίνησης στα πρώτα στάδια.
Σε σύγκριση με τον παραδοσιακό διαχύτη LS πλήρους μήκους με πτερύγια, ο υβριδικός διαχύτης επόμενης γενιάς έχει αυξημένη απόδοση βαθμίδας 2,5% και συντελεστή ελέγχου 3%. Αυτή η αύξηση επιτυγχάνεται με την ανάμειξη των πτερυγίων (δηλαδή, τα πτερύγια χωρίζονται σε τμήματα πλήρους ύψους και μερικού ύψους). Σε αυτή τη διαμόρφωση.
Η ροή εξόδου μεταξύ της πτερωτής και του διαχύτη μειώνεται κατά ένα τμήμα του ύψους των λεπίδων που βρίσκεται πιο κοντά στην πτερωτή από ό,τι οι λεπίδες ενός συμβατικού διαχύτη LS. Όπως και με έναν συμβατικό διαχύτη LS, οι μπροστινές άκρες των λεπίδων πλήρους μήκους ισαπέχουν από την πτερωτή για να αποφευχθεί η αλληλεπίδραση πτερωτής-διαχύτη που θα μπορούσε να προκαλέσει ζημιά στις λεπίδες.
Η μερική αύξηση του ύψους των πτερυγίων πιο κοντά στην πτερωτή βελτιώνει επίσης την κατεύθυνση ροής κοντά στη ζώνη παλμών. Επειδή η μπροστινή άκρη του τμήματος πτερυγίου πλήρους μήκους παραμένει η ίδια διάμετρος με έναν συμβατικό διαχύτη LS, η γραμμή πεταλούδας δεν επηρεάζεται, επιτρέποντας ένα ευρύτερο εύρος εφαρμογής και ρύθμισης.
Η έγχυση νερού περιλαμβάνει την έγχυση σταγονιδίων νερού στο ρεύμα αέρα στον σωλήνα αναρρόφησης. Τα σταγονίδια εξατμίζονται και απορροφούν θερμότητα από το ρεύμα αερίου διεργασίας, μειώνοντας έτσι τη θερμοκρασία εισόδου στο στάδιο συμπίεσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των ισεντροπικών απαιτήσεων ισχύος και την αύξηση της απόδοσης κατά περισσότερο από 1%.
Η σκλήρυνση του άξονα του γραναζιού σάς επιτρέπει να αυξήσετε την επιτρεπόμενη τάση ανά μονάδα επιφάνειας, η οποία σας επιτρέπει να μειώσετε το πλάτος του δοντιού. Αυτό μειώνει τις μηχανικές απώλειες στο κιβώτιο ταχυτήτων έως και 25%, με αποτέλεσμα την αύξηση της συνολικής απόδοσης έως και 0,5%. Επιπλέον, το κόστος του κύριου συμπιεστή μπορεί να μειωθεί έως και 1% επειδή χρησιμοποιείται λιγότερο μέταλλο στο μεγάλο κιβώτιο ταχυτήτων.
Αυτή η πτερωτή μπορεί να λειτουργήσει με συντελεστή ροής (φ) έως 0,25 και παρέχει 6% μεγαλύτερο μανομετρικό ύψος από τις πτερωτές 65 μοιρών. Επιπλέον, ο συντελεστής ροής φτάνει το 0,25, και στον σχεδιασμό διπλής ροής της μηχανής IGC, η ογκομετρική ροή φτάνει τα 1,2 εκατομμύρια m3/h ή ακόμα και τα 2,4 εκατομμύρια m3/h.
Μια υψηλότερη τιμή φ επιτρέπει τη χρήση πτερωτής μικρότερης διαμέτρου στην ίδια ογκομετρική ροή, μειώνοντας έτσι το κόστος του κύριου συμπιεστή έως και 4%. Η διάμετρος της πτερωτής πρώτου σταδίου μπορεί να μειωθεί ακόμη περισσότερο.
Το υψηλότερο ύψος πτώσης επιτυγχάνεται με τη γωνία εκτροπής της πτερωτής 75°, η οποία αυξάνει τη συνιστώσα της περιφερειακής ταχύτητας στην έξοδο και έτσι παρέχει υψηλότερο ύψος πτώσης σύμφωνα με την εξίσωση του Euler.
Σε σύγκριση με τις πτερωτές υψηλής ταχύτητας και υψηλής απόδοσης, η απόδοση της πτερωτής μειώνεται ελαφρώς λόγω των μεγαλύτερων απωλειών στον σπειροειδή κύλινδρο. Αυτό μπορεί να αντισταθμιστεί με τη χρήση ενός μεσαίου μεγέθους σαλιγκαριού. Ωστόσο, ακόμη και χωρίς αυτούς τους σπειροειδείς κύλινδρους, μπορεί να επιτευχθεί μεταβλητή απόδοση έως και 87% με αριθμό Mach 1,0 και συντελεστή ροής 0,24.
Η μικρότερη έλικα σάς επιτρέπει να αποφεύγετε τις συγκρούσεις με άλλες έλικες όταν μειώνεται η διάμετρος του μεγάλου γραναζιού. Οι χειριστές μπορούν να εξοικονομήσουν κόστος αλλάζοντας από έναν 6πολικό κινητήρα σε έναν 4πολικό κινητήρα υψηλότερης ταχύτητας (1000 σ.α.λ. έως 1500 σ.α.λ.) χωρίς να υπερβαίνουν τη μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα γραναζιού. Επιπλέον, μπορεί να μειώσει το κόστος υλικών για ελικοειδή και μεγάλα γρανάζια.
Συνολικά, ο κύριος συμπιεστής μπορεί να εξοικονομήσει έως και 2% στο κόστος κεφαλαίου, ενώ ο κινητήρας μπορεί επίσης να εξοικονομήσει 2% στο κόστος κεφαλαίου. Επειδή οι συμπαγείς έλικες είναι κάπως λιγότερο αποδοτικοί, η απόφαση χρήσης τους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις προτεραιότητες του πελάτη (κόστος έναντι απόδοσης) και πρέπει να αξιολογείται σε κάθε έργο ξεχωριστά.
Για την αύξηση των δυνατοτήτων ελέγχου, το IGV μπορεί να εγκατασταθεί μπροστά από πολλαπλά στάδια. Αυτό έρχεται σε έντονη αντίθεση με προηγούμενα έργα IGC, τα οποία περιελάμβαναν IGV μόνο μέχρι την πρώτη φάση.
Σε προηγούμενες επαναλήψεις του IGC, ο συντελεστής στροβίλου (δηλαδή, η γωνία του δεύτερου IGV διαιρούμενη με τη γωνία του πρώτου IGV1) παρέμεινε σταθερός ανεξάρτητα από το αν η ροή ήταν προς τα εμπρός (γωνία > 0°, μειούμενη κεφαλή) ή αντίστροφη στροβίλος (γωνία < 0). °, η πίεση αυξάνεται. Αυτό είναι μειονεκτικό επειδή το πρόσημο της γωνίας αλλάζει μεταξύ θετικών και αρνητικών στροβίλων.
Η νέα διαμόρφωση επιτρέπει τη χρήση δύο διαφορετικών λόγων στροβίλου όταν το μηχάνημα βρίσκεται σε λειτουργία στροβίλου προς τα εμπρός και προς τα πίσω, αυξάνοντας έτσι το εύρος ελέγχου κατά 4% διατηρώντας παράλληλα σταθερή την απόδοση.
Ενσωματώνοντας έναν διαχύτη LS για την πτερωτή που χρησιμοποιείται συνήθως στα BAC, η πολυβάθμια απόδοση μπορεί να αυξηθεί στο 89%. Αυτό, σε συνδυασμό με άλλες βελτιώσεις στην απόδοση, μειώνει τον αριθμό των σταδίων BAC διατηρώντας παράλληλα τη συνολική απόδοση της σειράς. Η μείωση του αριθμού των σταδίων εξαλείφει την ανάγκη για intercooler, σχετικές σωληνώσεις αερίου διεργασίας και εξαρτήματα ρότορα και στάτορα, με αποτέλεσμα εξοικονόμηση κόστους 10%. Επιπλέον, σε πολλές περιπτώσεις είναι δυνατό να συνδυαστεί ο κύριος αεροσυμπιεστής και ο ενισχυτικός συμπιεστής σε ένα μηχάνημα.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, συνήθως απαιτείται ένα ενδιάμεσο γρανάζι μεταξύ του ατμοστροβίλου και του VAC. Με το νέο σχεδιασμό IGC από τη Siemens Energy, αυτό το γρανάζι ρελαντί μπορεί να ενσωματωθεί στο κιβώτιο ταχυτήτων προσθέτοντας έναν άξονα ρελαντί μεταξύ του άξονα του πινιόν και του μεγάλου γραναζιού (4 ταχύτητες). Αυτό μπορεί να μειώσει το συνολικό κόστος της γραμμής (κύριος συμπιεστής συν βοηθητικός εξοπλισμός) έως και 4%.
Επιπλέον, τα γρανάζια 4 πινιόν αποτελούν μια πιο αποτελεσματική εναλλακτική λύση σε σχέση με τους συμπαγείς σπειροειδείς κινητήρες για την εναλλαγή από 6-πολικούς σε 4-πολικούς κινητήρες σε μεγάλους κύριους αεροσυμπιεστές (εάν υπάρχει πιθανότητα σπειροειδούς σύγκρουσης ή εάν η μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα πινιόν μειωθεί).
Η χρήση τους γίνεται επίσης όλο και πιο συνηθισμένη σε αρκετές αγορές σημαντικές για τη βιομηχανική απανθρακοποίηση, συμπεριλαμβανομένων των αντλιών θερμότητας και της συμπίεσης ατμού, καθώς και της συμπίεσης CO2 σε εξελίξεις δέσμευσης, αξιοποίησης και αποθήκευσης άνθρακα (CCUS).
Η Siemens Energy έχει μακρά ιστορία στο σχεδιασμό και τη λειτουργία IGCs. Όπως αποδεικνύεται από τις παραπάνω (και άλλες) προσπάθειες έρευνας και ανάπτυξης, έχουμε δεσμευτεί να καινοτομούμε συνεχώς σε αυτά τα μηχανήματα για να καλύψουμε τις μοναδικές ανάγκες εφαρμογών και να ανταποκριθούμε στις αυξανόμενες απαιτήσεις της αγοράς για χαμηλότερο κόστος, αυξημένη απόδοση και αυξημένη βιωσιμότητα. KT2
Ώρα δημοσίευσης: 28 Απριλίου 2024