Auteur: Lukas Bijikli, Product Portfolio Manager, Integrated Gear Drives, R & D CO2 -compressie en warmtepompen, Siemens Energy.
Sinds vele jaren is de geïntegreerde versnellingscompressor (IGC) de technologie bij uitstek voor luchtscheidingsplanten. Dit is voornamelijk te wijten aan hun hoge efficiëntie, wat direct leidt tot lagere kosten voor zuurstof, stikstof en inert gas. De groeiende focus op koolstofarme stelt echter nieuwe eisen aan IPC's, vooral in termen van efficiëntie en wettelijke flexibiliteit. De kapitaaluitgaven blijven een belangrijke factor voor fabrieksoperators, vooral in kleine en middelgrote ondernemingen.
In de afgelopen jaren heeft Siemens Energy verschillende projecten voor onderzoek en ontwikkeling (R&D) gestart die zijn gericht op het uitbreiden van IGC -mogelijkheden om te voldoen aan de veranderende behoeften van de luchtscheidingsmarkt. Dit artikel benadrukt enkele specifieke ontwerpverbeteringen die we hebben aangebracht en bespreekt hoe deze veranderingen kunnen helpen bij de kosten van onze klanten en koolstofreductiedoelen.
De meeste luchtscheidingseenheden zijn tegenwoordig uitgerust met twee compressoren: een hoofdluchtcompressor (MAC) en een boostluchtcompressor (BAC). De belangrijkste luchtcompressor comprimeert meestal de gehele luchtstroom van atmosferische druk naar ongeveer 6 bar. Een deel van deze stroom wordt vervolgens verder gecomprimeerd in de BAC tot een druk van maximaal 60 bar.
Afhankelijk van de energiebron wordt de compressor meestal aangedreven door een stoomturbine of een elektromotor. Bij het gebruik van een stoomturbine worden beide compressoren aangedreven door dezelfde turbine door tweelingasuiteinden. In het klassieke schema wordt een tussenliggende versnelling geïnstalleerd tussen de stoomturbine en de HAC (Fig. 1).
In zowel elektrisch aangedreven als met stoomturbine aangedreven systemen is compressorefficiëntie een krachtige hendel voor koolstofarme omdat het direct het energieverbruik van de eenheid beïnvloedt. Dit is vooral belangrijk voor MGP's aangedreven door stoomturbines, omdat het grootste deel van de warmte voor stoomproductie wordt verkregen in fossiele brandstofgestookte ketels.
Hoewel elektrische motoren een groener alternatief bieden voor stoomturbinedrives, is er vaak een grotere behoefte aan controleflexibiliteit. Veel moderne luchtscheidingsplanten die tegenwoordig worden gebouwd, zijn met raster verbonden en hebben een hoog niveau van gebruik van hernieuwbare energie. In Australië zijn er bijvoorbeeld plannen om verschillende groene ammoniakplanten te bouwen die luchtscheidingseenheden (ASUS) zullen gebruiken om stikstof te produceren voor ammoniaksynthese en worden verwacht dat ze elektriciteit ontvangen van nabijgelegen wind- en zonneboerderijen. In deze planten is de wettelijke flexibiliteit van cruciaal belang om natuurlijke schommelingen bij het genereren van stroom te compenseren.
Siemens Energy ontwikkelde de eerste IGC (voorheen bekend als VK) in 1948. Vandaag produceert het bedrijf wereldwijd meer dan 2.300 eenheden, waarvan vele zijn ontworpen voor toepassingen met stroomsnelheden met een meer dan 400.000 m3/u. Onze moderne MGP's hebben een stroomsnelheid van maximaal 1,2 miljoen kubieke meter per uur in één gebouw. Deze omvatten versnellingloze versies van consolecompressoren met drukverhoudingen tot 2,5 of hoger in enkele fase versies en drukverhoudingen tot 6 in seriële versies.
Om te voldoen aan de toenemende eisen voor IGC -efficiëntie, wettelijke flexibiliteit en kapitaalkosten, hebben we enkele opmerkelijke ontwerpverbeteringen aangebracht, die hieronder worden samengevat.
De variabele efficiëntie van een aantal waaiers die doorgaans in de eerste MAC -fase worden gebruikt, wordt verhoogd door de mesgeometrie te variëren. Met deze nieuwe waaier kunnen variabele efficiëntie 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 -nummer hoger dan 1,3, dat de eerste fase biedt met een hogere vermogensdichtheid en compressieverhouding. Dit vermindert ook het vermogen dat versnellingen in MAC-systemen in drie fasen moeten verzenden, waardoor het gebruik van versnellingen van kleinere diameter en directe aandrijfversnellingsbakken in de eerste fasen mogelijk is.
Vergeleken met de traditionele ls vaan diffuser van volledige lengte, heeft de volgende generatie hybride diffuser een verhoogde stadiumefficiëntie van 2,5% en de controlefactor van 3%. Deze toename wordt bereikt door de messen te mengen (dwz de messen zijn onderverdeeld in secties met volledige hoogte en gedeeltelijke hoogte). In deze configuratie
De stroomuitgang tussen de waaier en diffuser wordt verminderd door een deel van de meshoogte dat zich dichter bij de waaier bevindt dan de bladen van een conventionele LS -diffuser. Net als bij een conventionele LS-diffuser, zijn de leidende randen van de messen van de volledige lengte op gelijke afstand van de waaier om interactie tussen waaier-diffuser te voorkomen die de messen zou kunnen beschadigen.
Het vergroten van de hoogte van de bladen dichter bij de waaier verbetert ook de stroomrichting nabij de pulsatiezone. Omdat de voorrand van het vleingedeelte van de volledige lengte dezelfde diameter blijft als een conventionele LS-diffuser, wordt de gaslijn niet beïnvloed, waardoor een breder bereik van toepassing en afstemming mogelijk is.
Waterinjectie omvat het injecteren van waterdruppeltjes in de luchtstroom in de zuigbuis. De druppeltjes verdampen en absorberen warmte uit de procesgasstroom, waardoor de inlaattemperatuur wordt verlaagd tot de compressiefase. Dit resulteert in een vermindering van de vereisten voor isentropische vermogen en een toename van de efficiëntie van meer dan 1%.
Door de tandwielas te verharden, kunt u de toegestane spanning per oppervlakte -eenheid vergroten, waarmee u de tandbreedte kunt verminderen. Dit vermindert de mechanische verliezen in de versnellingsbak met maximaal 25%, wat resulteert in een toename van de totale efficiëntie tot 0,5%. Bovendien kunnen de hoofdcompressormosten met maximaal 1% worden verlaagd omdat minder metaal in de grote versnellingsbak wordt gebruikt.
Deze waaier kan werken met een stroomcoëfficiënt (φ) van maximaal 0,25 en biedt 6% meer hoofd dan 65 graden waaiers. Bovendien bereikt de stroomcoëfficiënt 0,25, en in het dubbele stroomontwerp van de IGC-machine bereikt de volumetrische stroom 1,2 miljoen m3/u of zelfs 2,4 miljoen m3/u.
Een hogere PHI -waarde maakt het gebruik van een kleinere diameter -waaier bij dezelfde volumestroom mogelijk, waardoor de kosten van de hoofdcompressor tot 4%worden verlaagd. De diameter van de eerste fase -waaier kan nog verder worden verminderd.
De hogere kop wordt bereikt door de 75 ° waaierafbuighoek, die de omtreksnelheidscomponent bij de uitlaat verhoogt en dus een hogere kop biedt volgens de vergelijking van Euler.
In vergelijking met snelle en zeer efficiënte waaiers, is de efficiëntie van de waaier enigszins verminderd als gevolg van hogere verliezen in de volute. Dit kan worden gecompenseerd door een middelgrote slak te gebruiken. Zelfs zonder deze voluten kan variabele efficiëntie van maximaal 87% worden bereikt bij een Mach -aantal van 1,0 en een stroomcoëfficiënt van 0,24.
Met de kleinere volute kunt u botsingen met andere voluten vermijden wanneer de diameter van de grote versnelling wordt verminderd. Operators kunnen kosten besparen door over te schakelen van een 6-polige motor naar een 4-polige motor met een hogere snelheid (1000 tpm tot 1500 tpm) zonder de maximaal toegestane versnellingssnelheid te overschrijden. Bovendien kan het de materiaalkosten voor spiraalvormige en grote versnellingen verlagen.
Over het algemeen kan de hoofdcompressor tot 2% aan kapitaalkosten besparen, plus de motor kan ook 2% aan kapitaalkosten besparen. Omdat compacte voluten iets minder efficiënt zijn, hangt de beslissing om ze grotendeels af te maken van de prioriteiten van de klant (kosten versus efficiëntie) en moet het op projectbasis worden beoordeeld.
Om de controlemogelijkheden te vergroten, kan de IGV voor meerdere fasen worden geïnstalleerd. Dit staat in schril contrast met eerdere IGC -projecten, die alleen IGV's tot de eerste fase omvatten.
In eerdere iteraties van de IGC bleef de Vortex -coëfficiënt (dwz de hoek van de tweede IGV gedeeld door de hoek van de eerste IGV1) constant, ongeacht of de stroom naar voren was (hoek> 0 °, reducerende kop) of omgekeerde Vortex (hoek <0). °, de druk neemt toe). Dit is nadelig omdat het teken van de hoek verandert tussen positieve en negatieve wervelingen.
Met de nieuwe configuratie kunnen twee verschillende vortexverhoudingen worden gebruikt wanneer de machine zich in de voorwaartse en omgekeerde vortex -modus bevindt, waardoor het besturingsbereik met 4% wordt verhoogd met behoud van constante efficiëntie.
Door een LS-diffuser op te nemen voor de waaier die vaak wordt gebruikt in BAC's, kan de meerstage-efficiëntie worden verhoogd tot 89%. Dit, gecombineerd met andere efficiëntieverbeteringen, vermindert het aantal BAC -stadia met behoud van de algehele treinefficiëntie. Het verminderen van het aantal fasen elimineert de noodzaak van een intercooler, bijbehorende procesgasleidingen en rotor- en statorcomponenten, wat resulteert in kostenbesparingen van 10%. Bovendien is het in veel gevallen mogelijk om de hoofdluchtcompressor en de boostercompressor in één machine te combineren.
Zoals eerder vermeld, is meestal een tussenliggende versnelling vereist tussen de stoomturbine en de VAC. Met het nieuwe IGC -ontwerp van Siemens Energy kan dit iDler -versnelling in de versnellingsbak worden geïntegreerd door een iDler -as tussen de rondselas en de grote versnelling (4 versnellingen) toe te voegen. Dit kan de totale lijnkosten (hoofdcompressor plus hulpapparatuur) met maximaal 4%verlagen.
Bovendien zijn 4-pinion versnellingen een efficiënter alternatief voor compacte scroll-motoren voor het overschakelen van 6-polige naar 4-polige motoren in grote hoofdluchtcompressoren (als er een mogelijkheid is van een volute botsing of als de maximaal toelaatbare rondselsnelheid zal worden verminderd). ) verleden.
Het gebruik ervan komt ook steeds vaker voor in verschillende markten die belangrijk zijn voor industriële koolstofarme, waaronder warmtepompen en stoomcompressie, evenals CO2 -compressie bij het vangen van koolstof, gebruik en opslag (CCU's) ontwikkelingen.
Siemens Energy heeft een lange geschiedenis van het ontwerpen en bedienen van IGC's. Zoals blijkt uit de bovenstaande (en andere) onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen, zijn we toegewijd om deze machines voortdurend te innoveren om te voldoen aan unieke applicatiebehoeften en te voldoen aan de groeiende marktbehoeften voor lagere kosten, verhoogde efficiëntie en verhoogde duurzaamheid. KT2
Posttijd: april-28-2024