HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO., LTD.

Forfatter: Lukas Bijikli, produktporteføljechef, integrerede geardrev, forskning og udvikling inden for CO2-kompression og varmepumper, Siemens Energy.
I mange år har den integrerede gearkompressor (IGC) været den foretrukne teknologi til luftseparationsanlæg. Dette skyldes primært deres høje effektivitet, hvilket direkte fører til reducerede omkostninger til ilt, nitrogen og inert gas. Det stigende fokus på dekarbonisering stiller dog nye krav til IPC'er, især med hensyn til effektivitet og regulatorisk fleksibilitet. Kapitaludgifter er fortsat en vigtig faktor for anlægsoperatører, især i små og mellemstore virksomheder.
I løbet af de seneste år har Siemens Energy iværksat adskillige forsknings- og udviklingsprojekter (F&U) med det formål at udvide IGC-kapaciteter for at imødekomme de skiftende behov på markedet for luftseparation. Denne artikel fremhæver nogle specifikke designforbedringer, vi har foretaget, og diskuterer, hvordan disse ændringer kan bidrage til at nå vores kunders mål for omkostnings- og CO2-reduktion.
De fleste luftseparationsenheder er i dag udstyret med to kompressorer: en hovedluftkompressor (MAC) og en boost-luftkompressor (BAC). Hovedluftkompressoren komprimerer typisk hele luftstrømmen fra atmosfærisk tryk til cirka 6 bar. En del af denne strøm komprimeres derefter yderligere i BAC'en til et tryk på op til 60 bar.
Afhængigt af energikilden drives kompressoren normalt af en dampturbine eller en elektrisk motor. Når man bruger en dampturbine, drives begge kompressorer af den samme turbine via to akselender. I den klassiske ordning er der installeret et mellemgear mellem dampturbinen og HAC'en (fig. 1).
I både elektrisk drevne og dampturbinedrevne systemer er kompressoreffektiviteten en stærk løftestang for dekarbonisering, da den direkte påvirker enhedens energiforbrug. Dette er især vigtigt for MGP'er drevet af dampturbiner, da det meste af varmen til dampproduktion udvindes i kedler fyret med fossile brændstoffer.
Selvom elmotorer er et grønnere alternativ til dampturbinedrev, er der ofte et større behov for styringsfleksibilitet. Mange moderne luftseparationsanlæg, der bygges i dag, er nettilsluttede og har et højt niveau af vedvarende energiforbrug. I Australien er der for eksempel planer om at bygge flere grønne ammoniakanlæg, der vil bruge luftseparationsenheder (ASU'er) til at producere nitrogen til ammoniaksyntese, og som forventes at modtage elektricitet fra nærliggende vind- og solparker. På disse anlæg er regulatorisk fleksibilitet afgørende for at kompensere for naturlige udsving i elproduktionen.
Siemens Energy udviklede den første IGC (tidligere kendt som VK) i 1948. I dag producerer virksomheden mere end 2.300 enheder på verdensplan, hvoraf mange er designet til applikationer med flowhastigheder på over 400.000 m3/t. Vores moderne MGP'er har en flowhastighed på op til 1,2 millioner kubikmeter i timen i én bygning. Disse omfatter gearløse versioner af konsolkompressorer med trykforhold på op til 2,5 eller højere i ettrinsversioner og trykforhold på op til 6 i serieversioner.
I de senere år har vi, for at imødekomme de stigende krav til IGC-effektivitet, regulatorisk fleksibilitet og kapitalomkostninger, foretaget nogle bemærkelsesværdige designforbedringer, som er opsummeret nedenfor.
Den variable effektivitet af en række impellere, der typisk anvendes i det første MAC-trin, øges ved at variere bladgeometrien. Med dette nye impeller kan der opnås variable effektiviteter på op til 89% i kombination med konventionelle LS-diffusorer og over 90% i kombination med den nye generation af hybriddiffusorer.
Derudover har impelleren et Mach-tal højere end 1,3, hvilket giver første trin en højere effekttæthed og kompressionsforhold. Dette reducerer også den effekt, som gear i tre-trins MAC-systemer skal overføre, hvilket muliggør brugen af ​​gear med mindre diameter og direkte drevne gearkasser i de første trin.
Sammenlignet med den traditionelle LS-lamelldiffusor i fuld længde har den næste generations hybriddiffusor en øget trineffektivitet på 2,5 % og en kontrolfaktor på 3 %. Denne stigning opnås ved at blande bladene (dvs. bladene er opdelt i sektioner i fuld højde og delvis højde). I denne konfiguration
Strømningsoutputtet mellem impelleren og diffusoren reduceres med en del af bladhøjden, der er placeret tættere på impelleren end bladene på en konventionel LS-diffusor. Som med en konventionel LS-diffusor er forkanterne af de fulde blade lige langt fra impelleren for at undgå interaktion mellem impeller og diffusor, der kan beskadige bladene.
En delvis forøgelse af bladenes højde tættere på impelleren forbedrer også strømningsretningen nær pulseringszonen. Da forkanten af ​​den fulde længde vingeformede sektion forbliver den samme diameter som en konventionel LS-diffusor, påvirkes drosselslangen ikke, hvilket giver mulighed for et bredere anvendelsesområde og justering.
Vandindsprøjtning involverer indsprøjtning af vanddråber i luftstrømmen i sugerøret. Dråberne fordamper og absorberer varme fra procesgasstrømmen, hvorved indløbstemperaturen til kompressionstrinnet reduceres. Dette resulterer i en reduktion af isentropisk effektbehov og en stigning i effektiviteten på mere end 1%.
Hærdning af gearakslen giver mulighed for at øge den tilladte spænding pr. arealenhed, hvilket reducerer tandbredden. Dette reducerer mekaniske tab i gearkassen med op til 25 %, hvilket resulterer i en stigning i den samlede virkningsgrad på op til 0,5 %. Derudover kan omkostningerne til hovedkompressoren reduceres med op til 1 %, fordi der bruges mindre metal i den store gearkasse.
Dette impeller kan fungere med en flowkoefficient (φ) på op til 0,25 og giver 6 % mere trykhøjde end 65-graders impeller. Derudover når flowkoefficienten 0,25, og i IGC-maskinens dobbeltflowdesign når den volumetriske strømning 1,2 millioner m3/t eller endda 2,4 millioner m3/t.
En højere phi-værdi muliggør brugen af ​​et impeller med mindre diameter ved samme volumenstrøm, hvilket reducerer omkostningerne til hovedkompressoren med op til 4%. Diameteren af ​​førstetrinsimpelleren kan reduceres yderligere.
Den højere løftehøjde opnås ved en 75° impellerudbøjningsvinkel, hvilket øger den omkredsmæssige hastighedskomponent ved udløbet og dermed giver en højere løftehøjde ifølge Eulers ligning.
Sammenlignet med højhastigheds- og højeffektive impellere er impellerens effektivitet en smule reduceret på grund af højere tab i spiralen. Dette kan kompenseres ved at bruge en mellemstor snegl. Men selv uden disse spiraler kan der opnås en variabel effektivitet på op til 87 % ved et Mach-tal på 1,0 og en flowkoefficient på 0,24.
Det mindre spiralhjul gør det muligt at undgå kollisioner med andre spiralhjul, når diameteren på det store gear reduceres. Operatører kan spare omkostninger ved at skifte fra en 6-polet motor til en 4-polet motor med højere hastighed (1000 o/min til 1500 o/min) uden at overskride den maksimalt tilladte gearhastighed. Derudover kan det reducere materialeomkostningerne til spiralformede og store gear.
Samlet set kan hovedkompressoren spare op til 2 % i kapitalomkostninger, plus motoren kan også spare 2 % i kapitalomkostninger. Da kompakte pumpehuse er noget mindre effektive, afhænger beslutningen om at bruge dem i høj grad af kundens prioriteter (omkostninger vs. effektivitet) og skal vurderes projekt for projekt.
For at øge kontrolmulighederne kan IGV'en installeres foran flere etaper. Dette står i skarp kontrast til tidligere IGC-projekter, som kun omfattede IGV'er frem til første fase.
I tidligere iterationer af IGC forblev vortexkoefficienten (dvs. vinklen på den anden IGV divideret med vinklen på den første IGV1) konstant uanset om strømmen var fremadrettet (vinkel > 0°, reducerende tryk) eller omvendt vortex (vinkel < 0). Ved 1 ° stiger trykket. Dette er en ulempe, fordi fortegnet på vinklen ændrer sig mellem positive og negative vortexer.
Den nye konfiguration muliggør brug af to forskellige vortexforhold, når maskinen er i fremadgående og bagudgående vortextilstand, hvorved kontrolområdet øges med 4%, samtidig med at den konstante effektivitet opretholdes.
Ved at inkorporere en LS-diffusor til impelleren, der almindeligvis anvendes i BAC'er, kan flertrinseffektiviteten øges til 89 %. Dette, kombineret med andre effektivitetsforbedringer, reducerer antallet af BAC-trin, samtidig med at den samlede togeffektivitet opretholdes. Reduktion af antallet af trin eliminerer behovet for en intercooler, tilhørende procesgasrørledninger samt rotor- og statorkomponenter, hvilket resulterer i omkostningsbesparelser på 10 %. Derudover er det i mange tilfælde muligt at kombinere hovedluftkompressoren og boosterkompressoren i én maskine.
Som tidligere nævnt kræves der normalt et mellemgear mellem dampturbinen og VAC'en. Med det nye IGC-design fra Siemens Energy kan dette mellemgear integreres i gearkassen ved at tilføje en mellemaksel mellem tandhjulsakslen og det store gear (4 gear). Dette kan reducere de samlede linjeomkostninger (hovedkompressor plus hjælpeudstyr) med op til 4%.
Derudover er 4-tandhjulsgear et mere effektivt alternativ til kompakte scrollmotorer til skift fra 6-polede til 4-polede motorer i store hovedluftkompressorer (hvis der er mulighed for spiralkollision, eller hvis den maksimalt tilladte tandhjulshastighed reduceres).
Deres anvendelse bliver også mere almindelig på adskillige markeder, der er vigtige for industriel dekarbonisering, herunder varmepumper og dampkompression, samt CO2-kompression i udviklingen af ​​kulstofopsamling, -anvendelse og -lagring (CCUS).
Siemens Energy har en lang historie med design og drift af IGC'er. Som det fremgår af ovenstående (og andre) forsknings- og udviklingsindsatser, er vi forpligtet til løbende at innovere disse maskiner for at imødekomme unikke applikationsbehov og imødekomme de voksende markedskrav om lavere omkostninger, øget effektivitet og øget bæredygtighed. KT2