Συντάκτης: Lukas Bijikli, Διευθυντής Χαρτοφυλακίου Προϊόντων, Ολοκληρωμένων Οδών Οδών, Συμπίεση Ε & Α CO2 και Αντλίες Θερμότητας, Siemens Energy.
Για πολλά χρόνια, ο ολοκληρωμένος συμπιεστής εργαλείων (IGC) ήταν η τεχνολογία επιλογής για τα εργοστάσια διαχωρισμού αέρα. Αυτό οφείλεται κυρίως στην υψηλή απόδοση τους, η οποία οδηγεί άμεσα σε μειωμένο κόστος για οξυγόνο, άζωτο και αδρανές αέριο. Ωστόσο, η αυξανόμενη εστίαση στην αποκλεισμένη άνθρακα θέτει νέες απαιτήσεις σε IPC, ειδικά όσον αφορά την αποτελεσματικότητα και την ευελιξία των ρυθμιστικών ρυθμίσεων. Οι κεφαλαιουχικές δαπάνες εξακολουθούν να αποτελούν σημαντικό παράγοντα για τους φορείς εκμετάλλευσης των εγκαταστάσεων, ειδικά σε μικρές και μεσαίες επιχειρήσεις.
Τα τελευταία χρόνια, η Siemens Energy έχει ξεκινήσει πολλά έργα έρευνας και ανάπτυξης (Ε & Α) που αποσκοπούν στην επέκταση των δυνατοτήτων IGC για την κάλυψη των μεταβαλλόμενων αναγκών της αγοράς διαχωρισμού αέρα. Αυτό το άρθρο υπογραμμίζει ορισμένες συγκεκριμένες βελτιώσεις σχεδιασμού που έχουμε κάνει και συζητά πώς αυτές οι αλλαγές μπορούν να βοηθήσουν στην κάλυψη των στόχων κόστους και μείωσης του άνθρακα των πελατών μας.
Οι περισσότερες μονάδες διαχωρισμού αέρα σήμερα είναι εξοπλισμένες με δύο συμπιεστές: ένας κύριος συμπιεστής αέρα (MAC) και ένας συμπιεστής αέρα ώθησης (BAC). Ο κύριος συμπιεστής αέρα συνήθως συμπιέζει ολόκληρη τη ροή αέρα από την ατμοσφαιρική πίεση σε περίπου 6 bar. Ένα τμήμα αυτής της ροής στη συνέχεια συμπιέζεται περαιτέρω στο BAC σε πίεση μέχρι 60 bar.
Ανάλογα με την πηγή ενέργειας, ο συμπιεστής συνήθως οδηγείται από ατμοστρόβιλο ή ηλεκτρικό κινητήρα. Όταν χρησιμοποιείτε ατμοστρόβιλλο, και οι δύο συμπιεστές οδηγούνται από τον ίδιο στρόβιλο μέσω των δίδυμων άκρων του άξονα. Στο κλασικό σχήμα, εγκαθίσταται ένα ενδιάμεσο γρανάζι μεταξύ του ατμοστρόβιλου και του HAC (Εικόνα 1).
Και στα δύο ηλεκτρικά καθοδηγούμενα και στα συστήματα με ατμό τροχό, η απόδοση του συμπιεστή είναι ένας ισχυρός μοχλός για την αποταμίευση, καθώς επηρεάζει άμεσα την κατανάλωση ενέργειας της μονάδας. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τα MGP που οδηγούνται από ατμοστρόβιλους, καθώς το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας για την παραγωγή ατμού επιτυγχάνεται σε λέβητες με ορυκτά καύσιμα.
Παρόλο που οι ηλεκτρικοί κινητήρες παρέχουν μια πιο πράσινη εναλλακτική λύση στις κινήσεις των ατμοστρόβιλων, υπάρχει συχνά μεγαλύτερη ανάγκη για ευελιξία ελέγχου. Πολλές σύγχρονες μονάδες διαχωρισμού αέρα που κατασκευάζονται σήμερα είναι συνδεδεμένα με το δίκτυο και έχουν υψηλό επίπεδο χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στην Αυστραλία, για παράδειγμα, υπάρχουν σχέδια για την κατασκευή αρκετών φυτών πράσινης αμμωνίας που θα χρησιμοποιούν μονάδες διαχωρισμού αέρα (ASUS) για την παραγωγή αζώτου για σύνθεση αμμωνίας και αναμένεται να λάβουν ηλεκτρική ενέργεια από κοντινές αιολικές και ηλιακές εκμεταλλεύσεις. Σε αυτά τα φυτά, η ρυθμιστική ευελιξία είναι κρίσιμη για την αντιστάθμιση των φυσικών διακυμάνσεων στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
Η Siemens Energy ανέπτυξε το πρώτο IGC (πρώην γνωστό ως VK) το 1948. Σήμερα η εταιρεία παράγει πάνω από 2.300 μονάδες παγκοσμίως, πολλές από τις οποίες έχουν σχεδιαστεί για εφαρμογές με ποσοστά ροής που υπερβαίνουν τα 400.000 m3/h. Τα σύγχρονα MGP μας έχουν ρυθμό ροής μέχρι 1,2 εκατομμύρια κυβικά μέτρα ανά ώρα σε ένα κτίριο. Αυτές περιλαμβάνουν εκδοχές συμπιεστών κονσόλας με αναλογίες πίεσης έως 2,5 ή υψηλότερα σε εκδόσεις ενός σταδίου και αναλογίες πίεσης έως 6 σε σειριακές εκδόσεις.
Τα τελευταία χρόνια, για να ανταποκριθούν στις αυξανόμενες απαιτήσεις για αποτελεσματικότητα IGC, ρυθμιστική ευελιξία και κόστος κεφαλαίου, πραγματοποιήσαμε κάποιες αξιοσημείωτες βελτιώσεις σχεδιασμού, οι οποίες συνοψίζονται παρακάτω.
Η μεταβλητή απόδοση ενός αριθμού των πτερωτών που χρησιμοποιούνται συνήθως στο πρώτο στάδιο MAC αυξάνεται μεταβάλλοντας τη γεωμετρία της λεπίδας. Με αυτή τη νέα πτερωτή, οι μεταβλητές αποτελεσματικότητες έως και 89% μπορούν να επιτευχθούν σε συνδυασμό με συμβατικούς διαχυτές LS και πάνω από 90% σε συνδυασμό με τη νέα γενιά υβριδικών διαχυτών.
Επιπλέον, ο πτερωτής έχει αριθμό Mach υψηλότερο από 1,3, ο οποίος παρέχει το πρώτο στάδιο με υψηλότερη αναλογία πυκνότητας ισχύος και συμπίεσης. Αυτό μειώνει επίσης την ισχύ που οδηγεί σε συστήματα MAC τριών σταδίων πρέπει να μεταδίδουν, επιτρέποντας τη χρήση γραναζιών μικρότερης διαμέτρου και άμεσων κιβωτίων ταχυτήτων στα πρώτα στάδια.
Σε σύγκριση με τον παραδοσιακό διαχύτη Vane πλήρους μήκους LS, ο υβριδικός διαχύτης επόμενης γενιάς έχει αυξημένη απόδοση σταδίου 2,5% και συντελεστή ελέγχου 3%. Αυτή η αύξηση επιτυγχάνεται με ανάμειξη των λεπίδων (δηλαδή οι λεπίδες χωρίζονται σε τμήματα πλήρους ύψους και μερικής ύψους). Σε αυτήν τη διαμόρφωση
Η έξοδος ροής μεταξύ της πτερωτής και του διαχύτη μειώνεται από ένα τμήμα του ύψους της λεπίδας που βρίσκεται πιο κοντά στην πτερωτή από τις λεπίδες ενός συμβατικού διαχυτή LS. Όπως και με έναν συμβατικό διαχύτη LS, οι κορυφαίες άκρες των λεπίδων πλήρους μήκους είναι ισότιμες από την πτερωτή για να αποφευχθεί η αλληλεπίδραση του πτερυγίου-diffuser που θα μπορούσε να βλάψει τις λεπίδες.
Η εν μέρει η αύξηση του ύψους των λεπίδων πιο κοντά στην πτερωτή βελτιώνει επίσης την κατεύθυνση ροής κοντά στη ζώνη παλμού. Επειδή η πρόσθια άκρη του τμήματος πτερυγίων πλήρους μήκους παραμένει η ίδια διάμετρο με ένα συμβατικό διαχύτη LS, η γραμμή πεταλούδας δεν επηρεάζεται, επιτρέποντας ένα ευρύτερο φάσμα εφαρμογής και συντονισμού.
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 απαιτήσεων ισοεντροπικής ισχύος και την αύξηση της απόδοσης μεγαλύτερη από 1%.
Η σκλήρυνση του άξονα του γραναζιού σας επιτρέπει να αυξήσετε την επιτρεπτή τάση ανά μονάδα επιφάνειας, η οποία σας επιτρέπει να μειώσετε το πλάτος των δοντιών. Αυτό μειώνει τις μηχανικές απώλειες στο κιβώτιο ταχυτήτων κατά 25%, με αποτέλεσμα την αύξηση της συνολικής απόδοσης έως και 0,5%. Επιπλέον, το κύριο κόστος συμπιεστή μπορεί να μειωθεί έως και 1%, διότι χρησιμοποιείται λιγότερα μέταλλα στο μεγάλο κιβώτιο ταχυτήτων.
Αυτή η πτερωτή μπορεί να λειτουργήσει με συντελεστή ροής (Φ) έως 0,25 και παρέχει 6% περισσότερη κεφαλή από 65 βαθμούς. Επιπλέον, ο συντελεστής ροής φτάνει το 0,25 και στο σχεδιασμό διπλής ροής της μηχανής IGC, η ογκομετρική ροή φτάνει τα 1,2 εκατομμύρια M3/h ή ακόμα και 2,4 εκατομμύρια M3/h.
Μια υψηλότερη τιμή PHI επιτρέπει τη χρήση ενός πτερωτή μικρότερης διαμέτρου στην ίδια ροή όγκου, μειώνοντας έτσι το κόστος του κύριου συμπιεστή κατά 4%. Η διάμετρος του πτερυγίου πρώτου σταδίου μπορεί να μειωθεί ακόμη περισσότερο.
Η υψηλότερη κεφαλή επιτυγχάνεται από τη γωνία εκτροπής 75 °, η οποία αυξάνει το στοιχείο περιφερειακής ταχύτητας στην έξοδο και έτσι παρέχει υψηλότερη κεφαλή σύμφωνα με την εξίσωση του Euler.
Σε σύγκριση με τους πτερωτές υψηλής ταχύτητας και υψηλής απόδοσης, η αποτελεσματικότητα του πτερυγίου μειώνεται ελαφρώς λόγω των υψηλότερων απώλειων στο Volute. Αυτό μπορεί να αντισταθμιστεί χρησιμοποιώντας ένα μεσαίου μεγέθους σαλιγκάρι. Ωστόσο, ακόμη και χωρίς αυτά τα Volutes, η μεταβλητή απόδοση έως και 87% μπορεί να επιτευχθεί σε αριθμό MACH 1,0 και συντελεστή ροής 0,24.
Το μικρότερο Volute σας επιτρέπει να αποφύγετε συγκρούσεις με άλλα όγκους όταν μειώνεται η διάμετρος του μεγάλου εργαλείου. Οι φορείς εκμετάλλευσης μπορούν να εξοικονομήσουν κόστος μεταβάλλοντας από έναν κινητήρα 6-πόλων σε κινητήρα 4-πόλων υψηλότερης ταχύτητας (1000 σ.α.λ. έως 1500 σ.α.λ.) χωρίς να υπερβαίνει τη μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητα ταχύτητας. Επιπλέον, μπορεί να μειώσει το κόστος υλικού για ελικοειδείς και μεγάλες ταχύτητες.
Συνολικά, ο κύριος συμπιεστής μπορεί να εξοικονομήσει έως και 2% στο κόστος κεφαλαίου, καθώς και ο κινητήρας μπορεί επίσης να εξοικονομήσει 2% στο κόστος κεφαλαίου. Επειδή τα συμπαγή volutes είναι κάπως λιγότερο αποτελεσματικά, η απόφαση να τα χρησιμοποιηθούν σε μεγάλο βαθμό εξαρτάται από τις προτεραιότητες του πελάτη (κόστος έναντι της αποτελεσματικότητας) και πρέπει να αξιολογείται με βάση το έργο.
Για να αυξηθεί οι δυνατότητες ελέγχου, το IGV μπορεί να εγκατασταθεί μπροστά σε πολλαπλά στάδια. Αυτό έρχεται σε έντονη αντίθεση με προηγούμενα έργα IGC, τα οποία περιλάμβαναν μόνο IGVs μέχρι την πρώτη φάση.
Σε προηγούμενες επαναλήψεις του IGC, ο συντελεστής στροβιλισμού (δηλαδή η γωνία του δεύτερου IGV διαιρούμενο με τη γωνία του πρώτου IGV1) παρέμεινε σταθερή ανεξάρτητα από το αν η ροή ήταν προς τα εμπρός (γωνία> 0 °, μειωμένη κεφαλή) ή αντίστροφη στροβίλου (γωνία <0). °, η πίεση αυξάνεται). Αυτό είναι μειονεκτικό, επειδή το σημάδι της γωνίας αλλάζει μεταξύ θετικών και αρνητικών στροβίλων.
Η νέα διαμόρφωση επιτρέπει τη χρήση δύο διαφορετικών αναλογιών στροβίλου όταν το μηχάνημα βρίσκεται σε λειτουργία προς τα εμπρός και αντίστροφης στροβίλου, αυξάνοντας έτσι το εύρος ελέγχου κατά 4% διατηρώντας παράλληλα τη σταθερή απόδοση.
Με την ενσωμάτωση ενός διαχύτη LS για την πτερωτή που χρησιμοποιείται συνήθως σε BACs, η απόδοση πολλαπλών σταδίων μπορεί να αυξηθεί στο 89%. Αυτό, σε συνδυασμό με άλλες βελτιώσεις απόδοσης, μειώνει τον αριθμό των σταδίων BAC διατηρώντας παράλληλα τη συνολική αποτελεσματικότητα της αμαξοστοιχίας. Η μείωση του αριθμού των σταδίων εξαλείφει την ανάγκη για ένα intercooler, σχετιζόμενες σωληνώσεις φυσικού αερίου και εξαρτήματα του ρότορα και του στάτορα, με αποτέλεσμα την εξοικονόμηση κόστους 10%. Επιπλέον, σε πολλές περιπτώσεις είναι δυνατόν να συνδυαστεί ο κύριος συμπιεστής αέρα και ο συμπιεστής ενισχυτής σε ένα μηχάνημα.
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, απαιτείται συνήθως ενδιάμεση ταχύτητα μεταξύ του ατμοστρόβιλου και του VAC. Με το νέο σχεδιασμό IGC από την Siemens Energy, αυτό το γρανάζι IGC μπορεί να ενσωματωθεί στο κιβώτιο ταχυτήτων προσθέτοντας έναν άξονα αναποδογυρισμού μεταξύ του άξονα του πινιόν και των μεγάλων εργαλείων (4 γρανάζια). Αυτό μπορεί να μειώσει το συνολικό κόστος γραμμής (κύριος συμπιεστής συν βοηθητικό εξοπλισμό) έως και 4%.
Επιπλέον, τα γρανάζια 4-pinion είναι μια πιο αποτελεσματική εναλλακτική λύση για τους συμπαγείς κινητήρες κύλισης για μετάβαση από 6-πόλους σε 4-πόλους κινητήρες σε μεγάλους κύριους συμπιεστές αέρα (εάν υπάρχει πιθανότητα σύγκρουσης ή εάν μειωθεί η μέγιστη επιτρεπτή ταχύτητα πινιονίου). ) παρελθόν.
Η χρήση τους γίνεται όλο και πιο συχνή σε διάφορες αγορές σημαντικές για τη βιομηχανική αποταμίευση, συμπεριλαμβανομένων των αντλιών θερμότητας και της συμπίεσης ατμού, καθώς και της συμπίεσης CO2 στη σύλληψη άνθρακα, τις εξελίξεις χρήσης και αποθήκευσης (CCUs).
Η Siemens Energy έχει μακρά ιστορία σχεδιασμού και λειτουργίας IGCS. Όπως αποδεικνύεται από τις παραπάνω (και άλλες) προσπάθειες έρευνας και ανάπτυξης, δεσμευόμαστε να καινοτομούμε συνεχώς αυτά τα μηχανήματα για να ανταποκριθούμε στις μοναδικές ανάγκες εφαρμογών και να ανταποκριθούμε στις αυξανόμενες απαιτήσεις της αγοράς για χαμηλότερο κόστος, αυξημένη αποτελεσματικότητα και αυξημένη βιωσιμότητα. KT2
Χρόνος δημοσίευσης: Απριλίου-28-2024