Forfatter: Lukas Bijikli, produktporteføljechef, Integrated Gear Drives, R&D CO2 -komprimering og varmepumper, Siemens Energy.
I mange år har den integrerede gearkompressor (IGC) været den valgte teknologi til luftparationsanlæg. Dette skyldes hovedsageligt deres høje effektivitet, hvilket direkte fører til reducerede omkostninger for ilt, nitrogen og inert gas. Imidlertid stiller det voksende fokus på dekarbonisering nye krav til IPC'er, især med hensyn til effektivitet og lovgivningsmæssig fleksibilitet. Kapitaludgifter er fortsat en vigtig faktor for planteoperatører, især i små og mellemstore virksomheder.
I løbet af de sidste par år har Siemens Energy indledt flere forsknings- og udviklingsprojekter (F&U) -projekter, der sigter mod at udvide IGC -kapaciteter til at imødekomme de ændrede behov på Air Separation Market. Denne artikel fremhæver nogle specifikke designforbedringer, vi har foretaget, og diskuterer, hvordan disse ændringer kan hjælpe med at opfylde vores kunders omkostninger og kulstofreduktionsmål.
De fleste luftseparationsenheder i dag er udstyret med to kompressorer: en hovedluftkompressor (MAC) og en boost luftkompressor (BAC). Den vigtigste luftkompressor komprimerer typisk hele luftstrømmen fra atmosfærisk tryk til ca. 6 bar. En del af denne strømning komprimeres derefter yderligere i BAC til et tryk på op til 60 bar.
Afhængig af energikilden drives kompressoren normalt af en dampturbin eller en elektrisk motor. Når du bruger en dampturbin, drives begge kompressorer af den samme turbin gennem dobbeltakslens ender. I det klassiske skema installeres et mellemudstyr mellem dampturbinen og HAC (fig. 1).
I både elektrisk drevne og dampturbinedrevne systemer er kompressoreffektivitet en kraftig håndtag til dekarbonisering, da det direkte påvirker enhedens energiforbrug. Dette er især vigtigt for MGP'er, der er drevet af dampturbiner, da det meste af varmen til dampproduktion opnås i fossile brændstoffyrede kedler.
Selvom elektriske motorer giver et grønnere alternativ til dampturbindrev, er der ofte et større behov for kontrolfleksibilitet. Mange moderne luftseparationsanlæg, der bygges i dag, er tilsluttet net og har et højt niveau af brug af vedvarende energi. I Australien er der for eksempel planer om at bygge flere grønne ammoniakplanter, der vil bruge luftparationsenheder (ASUS) til at producere nitrogen til ammoniaksyntese og forventes at modtage elektricitet fra nærliggende vind- og solfarme. På disse planter er lovgivningsmæssig fleksibilitet kritisk for at kompensere for naturlige udsving i kraftproduktion.
Siemens Energy udviklede den første IGC (tidligere kendt som VK) i 1948. I dag producerer virksomheden mere end 2.300 enheder over hele verden, hvoraf mange er designet til applikationer med strømningshastigheder på over 400.000 m3/t. Vores moderne MGP'er har en strømningshastighed på op til 1,2 millioner kubikmeter i timen i en bygning. Disse inkluderer gearløse versioner af konsolkompressorer med trykforhold op til 2,5 eller højere i enkelttrins versioner og trykforhold op til 6 i serielle versioner.
I de senere år, for at imødekomme stigende krav om IGC -effektivitet, lovgivningsmæssig fleksibilitet og kapitalomkostninger, har vi foretaget nogle bemærkelsesværdige designforbedringer, som er sammenfattet nedenfor.
Den variable effektivitet af et antal skovlhjul, der typisk anvendes i den første Mac -fase, øges ved at variere bladgeometrien. Med denne nye pumpehjul kan variabel effektivitet på op til 89% opnås i kombination med konventionelle LS -diffusorer og over 90% i kombination med den nye generation af hybriddiffusorer.
Derudover har pumpehjulet et Mach -nummer højere end 1,3, hvilket giver den første fase en højere effekttæthed og komprimeringsforhold. Dette reducerer også den strøm, som gear i tre-trins MAC-systemer skal transmittere, hvilket tillader brug af gear med mindre diameter og direkte drivgearkasser i de første faser.
Sammenlignet med den traditionelle LS-diffusor i fuld længde har den næste generations hybriddiffusor en øget stadiumeffektivitet på 2,5% og kontrolfaktor på 3%. Denne stigning opnås ved at blande knivene (dvs. bladene er opdelt i sektioner i fuld højde og delvis højde). I denne konfiguration
Strømningsudgangen mellem pumpehjulet og diffusoren reduceres med en del af knivhøjden, der er placeret tættere på pumpehjulet end bladene i en konventionel LS -diffusor. Som med en konventionel LS-diffusor er de førende kanter af knivene i fuld længde lige fra pumpehjulet for at undgå drivkraft-diffuser-interaktion, der kan skade knivene.
Delvis øget højden af knivene tættere på pumpehjulet forbedrer også strømningsretningen nær pulsationszonen. Fordi forkanten af sektionen i fuld længde forbliver den samme diameter som en konventionel LS-diffusor, påvirkes gashåndtagslinjen, hvilket giver mulighed for en bredere applikation og indstilling.
Vandinjektion involverer injektion af vanddråber i luftstrømmen i sugerøret. Dråberne fordamper og absorberer varme fra procesgasstrømmen og reducerer derved indløbstemperaturen til komprimeringsstadiet. Dette resulterer i en reduktion i isentropiske effektkrav og en stigning i effektiviteten på mere end 1%.
Hærdning af gearakslen giver dig mulighed for at øge den tilladte stress pr. Enhedsområde, hvilket giver dig mulighed for at reducere tandbredden. Dette reducerer mekaniske tab i gearkassen med op til 25%, hvilket resulterer i en stigning i den samlede effektivitet på op til 0,5%. Derudover kan hovedkompressoromkostninger reduceres med op til 1%, fordi der bruges mindre metal i den store gearkasse.
Denne skovlhjul kan fungere med en flowkoefficient (φ) på op til 0,25 og giver 6% mere hoved end 65 graders skader. Derudover når strømningskoefficienten 0,25, og i dobbeltstrømningsdesignet af IGC-maskinen når den volumetriske strøm 1,2 millioner m3/t eller endda 2,4 millioner m3/t.
En højere PHI -værdi tillader anvendelse af en blottet med mindre diameter ved den samme volumenstrøm og reducerer derved omkostningerne ved hovedkompressoren med op til 4%. Diameteren på det første trinhuller kan reduceres yderligere.
Det højere hoved opnås ved 75 ° skovl afbøjningsvinklen, hvilket øger den perifere hastighedskomponent ved udløbet og giver således højere hoved i henhold til Eulers ligning.
Sammenlignet med højhastigheds- og højeffektiv skovlhjul reduceres pumpehjulets effektivitet lidt på grund af højere tab i volute. Dette kan kompenseres for ved hjælp af en mellemstor snegl. Selv uden disse volutter kan der imidlertid opnås variabel effektivitet på op til 87% ved et Mach -antal på 1,0 og en strømningskoefficient på 0,24.
Den mindre volute giver dig mulighed for at undgå kollisioner med andre volutter, når diameteren på det store gear reduceres. Operatører kan spare omkostninger ved at skifte fra en 6-polet motor til en højere hastighed 4-polet motor (1000 o / min til 1500 o / min) uden at overskride den maksimale tilladte gearhastighed. Derudover kan det reducere materielle omkostninger til spiralformede og store gear.
Samlet set kan hovedkompressoren spare op til 2% i kapitalomkostninger, plus motoren kan også spare 2% i kapitalomkostninger. Fordi kompakte volutter er noget mindre effektive, afhænger beslutningen om at bruge dem stort set af klientens prioriteter (omkostninger vs. effektivitet) og skal vurderes på et projekt-for-project-basis.
For at øge kontrolfunktionerne kan IGV installeres foran flere trin. Dette er i skarp kontrast til tidligere IGC -projekter, som kun omfattede IGV'er op til den første fase.
I tidligere iterationer af IGC forblev virvelkoefficienten (dvs. vinklen på den anden IgV divideret med vinklen på den første Igv1) forblev konstant uanset om strømmen var fremad (vinkel> 0 °, hvilket reducerede hovedet) eller omvendt virvel (vinkel <0). °, trykket øges). Dette er ufordelagtigt, fordi vinkelens tegn ændrer sig mellem positive og negative hvirvler.
Den nye konfiguration gør det muligt at bruge to forskellige hvirvelforhold, når maskinen er i fremad og omvendt hvirveltilstand, hvilket øger kontrolområdet med 4%, mens den opretholder konstant effektivitet.
Ved at inkorporere en LS-diffusor for det pumpehjul, der ofte bruges i BAC'er, kan multi-trins effektiviteten øges til 89%. Dette kombineret med andre effektivitetsforbedringer reducerer antallet af BAC -stadier, mens den samlede togeffektivitet opretholder den samlede togeffektivitet. Reduktion af antallet af trin eliminerer behovet for en intercooler, tilknyttet procesgasrør og rotor- og statorkomponenter, hvilket resulterer i omkostningsbesparelser på 10%. Derudover er det i mange tilfælde muligt at kombinere hovedluftkompressoren og boosterkompressoren i en maskine.
Som nævnt tidligere kræves et mellemudstyr normalt mellem dampturbinen og VAC. Med det nye IGC -design fra Siemens Energy kan dette tomgangsgear integreres i gearkassen ved at tilføje en tomgangsskaft mellem tandhjulsakslen og det store gear (4 gear). Dette kan reducere de samlede linjepriser (hovedkompressor plus hjælpeudstyr) med op til 4%.
Derudover er 4-pinion-gear et mere effektivt alternativ til kompakte rullemotorer til at skifte fra 6-polet til 4-polet motorer i store hovedluftkompressorer (hvis der er en mulighed for volute kollision, eller hvis den maksimale tilladte tandhjulshastighed reduceres). ) fortid.
Deres anvendelse bliver også mere almindelig på flere markeder, der er vigtige for industriel dekarbonisering, herunder varmepumper og dampkomprimering, samt CO2 -komprimering i udviklingen af kulstoffangst, udnyttelse og opbevaring (CCU'er).
Siemens Energy har en lang historie med at designe og drive IGC'er. Som det fremgår af ovenstående (og andre) forsknings- og udviklingsindsats, er vi forpligtet til løbende at innovere disse maskiner til at imødekomme unikke applikationsbehov og imødekomme de voksende markedskrav til lavere omkostninger, øget effektivitet og øget bæredygtighed. KT2
Posttid: APR-28-2024