Auteur: Lukas Bijikli, productportfoliomanager, geïntegreerde tandwielaandrijvingen, R&D CO2-compressie en warmtepompen, Siemens Energy.
De Integrated Gear Compressor (IGC) is al jaren de technologie bij uitstek voor luchtscheidingsinstallaties. Dit komt vooral door hun hoge efficiëntie, wat direct leidt tot lagere kosten voor zuurstof, stikstof en inert gas. De groeiende focus op decarbonisatie stelt echter nieuwe eisen aan IPC's, met name op het gebied van efficiëntie en flexibiliteit in de regelgeving. Kapitaaluitgaven blijven een belangrijke factor voor exploitanten van installaties, met name in het midden- en kleinbedrijf.
Siemens Energy heeft de afgelopen jaren diverse onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten (R&D) geïnitieerd, gericht op het uitbreiden van de IGC-capaciteit om te voldoen aan de veranderende behoeften van de luchtscheidingsmarkt. Dit artikel belicht enkele specifieke ontwerpverbeteringen die we hebben doorgevoerd en bespreekt hoe deze veranderingen kunnen bijdragen aan het behalen van de kosten- en CO2-reductiedoelstellingen van onze klanten.
De meeste luchtscheidingsinstallaties zijn tegenwoordig uitgerust met twee compressoren: een hoofdluchtcompressor (MAC) en een boostluchtcompressor (BAC). De hoofdluchtcompressor comprimeert doorgaans de volledige luchtstroom van atmosferische druk tot ongeveer 6 bar. Een deel van deze stroom wordt vervolgens in de BAC verder gecomprimeerd tot een druk van maximaal 60 bar.
Afhankelijk van de energiebron wordt de compressor meestal aangedreven door een stoomturbine of een elektromotor. Bij een stoomturbine worden beide compressoren door dezelfde turbine aangedreven via twee asuiteinden. In het klassieke schema wordt een tussentandwiel geplaatst tussen de stoomturbine en de HAC (fig. 1).
In zowel elektrisch aangedreven als stoomturbine-aangedreven systemen is compressorrendement een krachtige hefboom voor CO2-reductie, omdat het direct van invloed is op het energieverbruik van de unit. Dit is met name belangrijk voor MGP's die worden aangedreven door stoomturbines, aangezien de meeste warmte voor stoomproductie wordt gewonnen in fossiele brandstofgestookte ketels.
Hoewel elektromotoren een groener alternatief bieden voor stoomturbineaandrijvingen, is er vaak een grotere behoefte aan regelflexibiliteit. Veel moderne luchtscheidingsinstallaties die tegenwoordig worden gebouwd, zijn aangesloten op het elektriciteitsnet en maken veel gebruik van hernieuwbare energie. In Australië zijn er bijvoorbeeld plannen voor de bouw van verschillende groene ammoniakinstallaties die luchtscheidingsunits (ASU's) gebruiken om stikstof te produceren voor ammoniaksynthese en die naar verwachting elektriciteit zullen ontvangen van nabijgelegen wind- en zonneparken. Bij deze installaties is flexibiliteit in de regelgeving cruciaal om natuurlijke schommelingen in de energieopwekking te compenseren.
Siemens Energy ontwikkelde de eerste IGC (voorheen VK) in 1948. Tegenwoordig produceert het bedrijf wereldwijd meer dan 2300 units, waarvan vele ontworpen zijn voor toepassingen met debieten van meer dan 400.000 m³/u. Onze moderne MGP's hebben een debiet tot 1,2 miljoen kubieke meter per uur in één gebouw. Dit omvat tandwielloze versies van consolecompressoren met drukverhoudingen tot 2,5 of hoger in enkeltrapsuitvoeringen en drukverhoudingen tot 6 in seriematige uitvoeringen.
Om te voldoen aan de toenemende vraag naar IGC-efficiëntie, regelgevingsflexibiliteit en kapitaalkosten, hebben we de afgelopen jaren een aantal opvallende ontwerpverbeteringen doorgevoerd. Deze worden hieronder samengevat.
Het variabele rendement van een aantal waaiers die doorgaans in de eerste MAC-trap worden gebruikt, wordt verhoogd door de bladgeometrie te variëren. Met deze nieuwe waaier kunnen variabele rendementen tot 89% worden bereikt in combinatie met conventionele LS-diffusers en meer dan 90% in combinatie met de nieuwe generatie hybride diffusers.
Bovendien heeft de waaier een Mach-getal hoger dan 1,3, wat de eerste trap een hogere vermogensdichtheid en compressieverhouding geeft. Dit vermindert ook het vermogen dat tandwielen in drietraps MAC-systemen moeten overbrengen, waardoor tandwielen met een kleinere diameter en tandwielkasten met directe aandrijving in de eerste trappen kunnen worden gebruikt.
Vergeleken met de traditionele LS-vleugeldiffuser over de volledige lengte heeft de volgende generatie hybride diffuser een verhoogde fase-efficiëntie van 2,5% en een regelfactor van 3%. Deze toename wordt bereikt door de bladen te mengen (d.w.z. de bladen worden verdeeld in secties met volledige en gedeeltelijke hoogte). In deze configuratie
De stroomafgifte tussen de waaier en de diffuser wordt verminderd met een deel van de bladhoogte, die zich dichter bij de waaier bevindt dan de bladen van een conventionele LS-diffuser. Net als bij een conventionele LS-diffuser bevinden de voorranden van de bladen zich op gelijke afstand van de waaier om interactie tussen waaier en diffuser te voorkomen, wat schade aan de bladen zou kunnen veroorzaken.
Door de hoogte van de schoepen dichter bij de waaier gedeeltelijk te verhogen, wordt ook de stromingsrichting nabij de pulsatiezone verbeterd. Omdat de voorrand van het schoepengedeelte over de volledige lengte dezelfde diameter behoudt als bij een conventionele LS-diffuser, blijft de gasleiding onaangetast, wat een breder toepassings- en afstemmingsbereik mogelijk maakt.
Waterinjectie houdt in dat waterdruppels in de luchtstroom in de zuigbuis worden geïnjecteerd. De druppels verdampen en absorberen warmte uit de procesgasstroom, waardoor de inlaattemperatuur naar de compressietrap daalt. Dit resulteert in een verlaging van het isentropische vermogen en een rendementsverhoging van meer dan 1%.
Door de tandwielas te harden, kunt u de toegestane spanning per oppervlakte-eenheid verhogen, waardoor u de tandbreedte kunt verkleinen. Dit vermindert de mechanische verliezen in de tandwielkast met maximaal 25%, wat resulteert in een toename van het totale rendement tot 0,5%. Bovendien kunnen de kosten voor de hoofdcompressor tot 1% worden verlaagd, omdat er minder metaal wordt gebruikt in de grote tandwielkast.
Deze waaier kan werken met een stroomcoëfficiënt (φ) tot 0,25 en biedt 6% meer opvoerhoogte dan waaiers met een hoek van 65 graden. Bovendien bereikt de stroomcoëfficiënt 0,25 en bereikt de volumetrische stroom in het dubbelstroomontwerp van de IGC-machine 1,2 miljoen m³/u of zelfs 2,4 miljoen m³/u.
Een hogere phi-waarde maakt het mogelijk om bij hetzelfde debiet een waaier met een kleinere diameter te gebruiken, waardoor de kosten van de hoofdcompressor tot 4% dalen. De diameter van de waaier van de eerste trap kan nog verder worden verkleind.
De hogere opvoerhoogte wordt bereikt door de 75°-afbuigingshoek van de waaier, waardoor de omtreksnelheidscomponent bij de uitlaat toeneemt en dus een hogere opvoerhoogte ontstaat volgens de vergelijking van Euler.
Vergeleken met hoogtoerige en hoogrendementswaaiers is het rendement van de waaier licht verminderd door hogere verliezen in het slakkenhuis. Dit kan worden gecompenseerd door een middelgrote slakkenhuis te gebruiken. Echter, zelfs zonder deze slakkenhuizen kan een variabel rendement tot 87% worden bereikt bij een Mach-getal van 1,0 en een stroomcoëfficiënt van 0,24.
Door de kleinere slakkenhuisvorm kunt u botsingen met andere slakkenhuizen voorkomen wanneer de diameter van het grote tandwiel wordt verkleind. Operators kunnen kosten besparen door over te schakelen van een 6-polige motor naar een snellere 4-polige motor (1000 tot 1500 tpm) zonder het maximaal toegestane toerental te overschrijden. Bovendien kan het de materiaalkosten voor schroef- en grote tandwielen verlagen.
In totaal kan de hoofdcompressor tot 2% op de investeringskosten besparen, en ook de motor kan 2% op de investeringskosten besparen. Omdat compacte slakkenhuizen iets minder efficiënt zijn, hangt de beslissing om ze te gebruiken grotendeels af van de prioriteiten van de klant (kosten versus efficiëntie) en moet deze per project worden beoordeeld.
Om de besturingsmogelijkheden te vergroten, kan de IGV vóór meerdere fasen worden geïnstalleerd. Dit staat in schril contrast met eerdere IGC-projecten, die alleen tot en met de eerste fase IGV's omvatten.
In eerdere versies van de IGC bleef de wervelcoëfficiënt (d.w.z. de hoek van de tweede IGV gedeeld door de hoek van de eerste IGV1) constant, ongeacht of de stroming voorwaarts (hoek > 0°, waardoor de opvoerhoogte afneemt) of tegengesteld (hoek < 0°) was. (Bij een hoek van 0° neemt de druk toe). Dit is nadelig omdat het teken van de hoek verandert tussen positieve en negatieve wervels.
De nieuwe configuratie maakt het mogelijk om twee verschillende wervelverhoudingen te gebruiken wanneer de machine in de voorwaartse en achterwaartse wervelmodus staat. Hierdoor wordt het regelbereik met 4% vergroot en blijft de efficiëntie constant.
Door een LS-diffuser te integreren in de waaier die doorgaans in BAC's wordt gebruikt, kan het rendement van de meertrapsmotoren worden verhoogd tot 89%. Dit, gecombineerd met andere efficiëntieverbeteringen, vermindert het aantal BAC-trappen, terwijl de algehele efficiëntie van de trein behouden blijft. Door het aantal trappen te verminderen, is er geen intercooler, bijbehorende procesgasleidingen en rotor- en statorcomponenten meer nodig, wat resulteert in een kostenbesparing van 10%. Bovendien is het in veel gevallen mogelijk om de hoofdluchtcompressor en de boostercompressor in één machine te combineren.
Zoals eerder vermeld, is er meestal een tussentandwiel nodig tussen de stoomturbine en de VAC. Met het nieuwe IGC-ontwerp van Siemens Energy kan dit tussentandwiel in de tandwielkast worden geïntegreerd door een tussenas toe te voegen tussen de pignonas en het grote tandwiel (4 tandwielen). Dit kan de totale kosten van de lijn (hoofdcompressor plus hulpapparatuur) tot 4% verlagen.
Bovendien zijn 4-pins tandwielen een efficiënter alternatief voor compacte scrollmotoren bij het overschakelen van 6-polige naar 4-polige motoren in grote hoofdluchtcompressoren (als er kans is op spiraalbotsing of als het maximaal toegestane rondseltoerental wordt verlaagd). ) verleden.
Ze worden ook steeds vaker gebruikt in verschillende markten die belangrijk zijn voor industriële decarbonisatie, waaronder warmtepompen en stoomcompressie, maar ook CO2-compressie bij de ontwikkeling van CO2-afvang, -gebruik en -opslag (CCUS).
Siemens Energy heeft een lange geschiedenis in het ontwerpen en exploiteren van IGC's. Zoals blijkt uit bovenstaande (en andere) onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen, zetten we ons in om deze machines continu te innoveren om te voldoen aan unieke toepassingsbehoeften en de groeiende marktvraag naar lagere kosten, hogere efficiëntie en meer duurzaamheid.
Plaatsingstijd: 28-04-2024