Автор: Лукас Биџикли, менаџер за портфолио на производи, интегрирани запчаници, истражување и развој на компресија на CO2 и топлински пумпи, Siemens Energy.
Со години, интегрираниот запчаник компресор (IGC) е технологија по избор за постројки за сепарација на воздух. Ова главно се должи на нивната висока ефикасност, што директно води до намалени трошоци за кислород, азот и инертен гас. Сепак, растечкиот фокус на декарбонизација поставува нови барања за IPC, особено во однос на ефикасноста и регулаторната флексибилност. Капиталните расходи продолжуваат да бидат важен фактор за операторите на постројките, особено во малите и средните претпријатија.
Во текот на изминатите неколку години, Siemens Energy иницираше неколку истражувачки и развојни (R&D) проекти насочени кон проширување на можностите на IGC за да се задоволат променливите потреби на пазарот за сепарација на воздухот. Оваа статија истакнува некои специфични подобрувања во дизајнот што ги направивме и дискутира како овие промени можат да помогнат во исполнувањето на целите на нашите клиенти за намалување на трошоците и јаглеродот.
Повеќето единици за одвојување на воздух денес се опремени со два компресори: главен воздушен компресор (MAC) и компресор за воздух со засилувач (BAC). Главниот воздушен компресор обично го компресира целиот проток на воздух од атмосферски притисок до приближно 6 бари. Дел од овој проток потоа дополнително се компресира во BAC до притисок до 60 бари.
Во зависност од изворот на енергија, компресорот обично се движи со парна турбина или електричен мотор. Кога се користи парна турбина, двата компресори се движат со истата турбина преку двојни краеви на вратилото. Во класичната шема, помеѓу парната турбина и HAC е инсталиран среден запчаник (сл. 1).
И кај системите со електричен погон и кај системите со парни турбини, ефикасноста на компресорот е моќен лост за декарбонизација бидејќи директно влијае на потрошувачката на енергија на единицата. Ова е особено важно за MGP-ите управувани од парни турбини, бидејќи поголемиот дел од топлината за производство на пареа се добива во котли на фосилни горива.
Иако електричните мотори обезбедуваат позелена алтернатива на погоните со парни турбини, честопати постои поголема потреба за флексибилност во контролата. Многу модерни постројки за сепарација на воздухот што се градат денес се поврзани со мрежата и имаат високо ниво на употреба на обновлива енергија. На пример, во Австралија постојат планови за изградба на неколку постројки за зелен амонијак што ќе користат единици за сепарација на воздухот (ASU) за производство на азот за синтеза на амонијак и се очекува да добиваат електрична енергија од блиските ветерни и сончеви фарми. Во овие постројки, регулаторната флексибилност е клучна за компензација на природните флуктуации во производството на енергија.
„Сименс Енерџи“ го разви првиот IGC (порано познат како VK) во 1948 година. Денес компанијата произведува повеќе од 2.300 единици низ целиот свет, од кои многу се дизајнирани за апликации со проточни стапки поголеми од 400.000 м3/ч. Нашите модерни MGP имаат проточни стапки до 1,2 милиони кубни метри на час во една зграда. Тие вклучуваат верзии без запчаник на конзолни компресори со односи на притисок до 2,5 или повисок во едностепените верзии и односи на притисок до 6 во сериските верзии.
Во последниве години, за да ги задоволиме зголемените барања за ефикасност на меѓусебните контроли, регулаторна флексибилност и капитални трошоци, направивме некои значајни подобрувања во дизајнот, кои се сумирани подолу.
Променливата ефикасност на голем број работни кола што обично се користат во првата MAC фаза се зголемува со менување на геометријата на сечилото. Со ова ново работно коло, може да се постигне променлива ефикасност до 89% во комбинација со конвенционални LS дифузери и над 90% во комбинација со новата генерација хибридни дифузери.
Покрај тоа, работното коло има Махов број поголем од 1,3, што му обезбедува на првиот степен поголема густина на моќност и однос на компресија. Ова исто така ја намалува моќноста што мора да ја пренесат запчаниците во тристепените MAC системи, овозможувајќи употреба на запчаници со помал дијаметар и менувачи со директен погон во првите степени.
Во споредба со традиционалниот LS дифузер со целосна должина, хибридниот дифузер од следната генерација има зголемена ефикасност на фазата од 2,5% и фактор на контрола од 3%. Ова зголемување се постигнува со мешање на лопатките (т.е. лопатките се поделени на делови со целосна висина и делови со делумна висина). Во оваа конфигурација.
Протокот помеѓу работното коло и дифузерот е намален за дел од висината на лопатките што се наоѓа поблиску до работното коло отколку лопатките на конвенционалниот LS дифузер. Како и кај конвенционалниот LS дифузер, водечките рабови на лопатките со целосна должина се на еднакво растојание од работното коло за да се избегне интеракција помеѓу работното коло и дифузерот што може да ги оштети лопатките.
Делумно зголемување на висината на лопатките поблиску до работното коло, исто така, ја подобрува насоката на проток во близина на зоната на пулсирање. Бидејќи предниот раб на делот од крилото со целосна должина останува ист дијаметар како и кај конвенционалниот LS дифузер, линијата на гасот не е засегната, што овозможува поширок опсег на примена и подесување.
Вбризгувањето вода вклучува вбризгување капки вода во воздушниот тек во вшмукувачката цевка. Капките испаруваат и апсорбираат топлина од протокот на гас од процесот, со што се намалува влезната температура до фазата на компресија. Ова резултира со намалување на изентропските потреби за моќност и зголемување на ефикасноста за повеќе од 1%.
Стврднувањето на вратилото на менувачот ви овозможува да го зголемите дозволениот напон по единица површина, што ви овозможува да ја намалите ширината на забот. Ова ги намалува механичките загуби во менувачот до 25%, што резултира со зголемување на вкупната ефикасност до 0,5%. Покрај тоа, трошоците за главниот компресор можат да се намалат до 1% бидејќи во големиот менувач се користи помалку метал.
Ова работно коло може да работи со коефициент на проток (φ) до 0,25 и обезбедува 6% поголем притисок од работните коло со агол од 65 степени. Покрај тоа, коефициентот на проток достигнува 0,25, а во двојниот дизајн на IGC машината, волуметрискиот проток достигнува 1,2 милиони m3/h или дури 2,4 милиони m3/h.
Повисоката фи вредност овозможува употреба на работно коло со помал дијаметар при ист волуменски проток, со што се намалува цената на главниот компресор до 4%. Дијаметарот на работното коло од прва фаза може да се намали уште повеќе.
Повисокиот притисок се постигнува со аголот на отклонување на работното коло од 75°, што ја зголемува компонентата на периферната брзина на излезот и на тој начин обезбедува поголем притисок според Ојлеровата равенка.
Во споредба со брзите и високоефикасните работни кола, ефикасноста на работното коло е малку намалена поради поголемите загуби во волутот. Ова може да се компензира со употреба на полжав со средна големина. Сепак, дури и без овие волути, може да се постигне променлива ефикасност до 87% при Махов број од 1,0 и коефициент на проток од 0,24.
Помалиот волутен запчаник ви овозможува да избегнете судири со други волутни запчаници кога дијаметарот на големиот запчаник е намален. Операторите можат да заштедат трошоци со префрлување од 6-полен мотор на 4-полен мотор со поголема брзина (од 1000 вртежи во минута до 1500 вртежи во минута) без да ја надмине максималната дозволена брзина на запчаникот. Дополнително, може да ги намали трошоците за материјали за спирални и големи запчаници.
Генерално, главниот компресор може да заштеди до 2% во капиталните трошоци, плус моторот може да заштеди и 2% во капиталните трошоци. Бидејќи компактните волутни цевки се донекаде помалку ефикасни, одлуката за нивна употреба во голема мера зависи од приоритетите на клиентот (цена наспроти ефикасност) и мора да се оценува за секој проект поединечно.
За да се зголемат контролните можности, IGV може да се инсталира пред повеќе фази. Ова е во спротивност со претходните IGC проекти, кои вклучуваа IGV само до првата фаза.
Во претходните итерации на IGC, коефициентот на вртлог (т.е. аголот на втората IGV поделен со аголот на првата IGV1) останувал константен без оглед на тоа дали протокот бил напред (агол > 0°, редуциран притисок) или обратен вртлог (агол < 0). °, притисокот се зголемува). Ова е неповолно бидејќи знакот на аголот се менува помеѓу позитивните и негативните вртлози.
Новата конфигурација овозможува користење на два различни соодноси на вртлог кога машината е во режим на вртлог напред и назад, со што се зголемува опсегот на контрола за 4%, а воедно се одржува константна ефикасност.
Со вградување на LS дифузер за работното коло што најчесто се користи во BAC, повеќестепената ефикасност може да се зголеми на 89%. Ова, во комбинација со други подобрувања на ефикасноста, го намалува бројот на BAC фази, а воедно ја одржува целокупната ефикасност на возот. Намалувањето на бројот на фази ја елиминира потребата од интеркулер, поврзани цевки за процесен гас и компоненти на роторот и статорот, што резултира со заштеда на трошоци од 10%. Дополнително, во многу случаи е можно да се комбинираат главниот воздушен компресор и бустер компресорот во една машина.
Како што споменавме претходно, обично е потребен среден запчаник помеѓу парната турбина и VAC. Со новиот дизајн на IGC од Siemens Energy, овој запчаник на роторот може да се интегрира во менувачот со додавање на запчаник на роторот помеѓу оската на пињонот и големиот запчаник (4 брзини). Ова може да ги намали вкупните трошоци за линијата (главен компресор плус помошна опрема) до 4%.
Дополнително, 4-пинонските запчаници се поефикасна алтернатива на компактните спирални мотори за префрлување од 6-полни на 4-полни мотори кај големи главни воздушни компресори (доколку постои можност за судир на спиралите или ако максималната дозволена брзина на пињонот ќе се намали).
Нивната употреба станува сè почеста на неколку пазари важни за индустриската декарбонизација, вклучувајќи топлински пумпи и компресија на пареа, како и компресија на CO2 во развојот на зафаќање, користење и складирање на јаглерод (CCUS).
„Сименс Енерџи“ има долга историја на дизајнирање и ракување со меѓуконвекторски габарити (IGC). Како што е потврдено од горенаведените (и други) истражувачки и развојни напори, ние сме посветени на континуирано иновирање на овие машини за да ги задоволиме уникатните потреби на примената и да ги задоволиме растечките пазарни барања за пониски трошоци, зголемена ефикасност и зголемена одржливост. KT2
Време на објавување: 28 април 2024 година