HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Auteur: Lukas Bijikli, Product Portfolio Manager, Integrated Gear Drives, R&D CO2 Compression and Heat Pumps, Siemens Energy.
De geïntegreerde tandwielcompressor (IGC) is al jarenlang de voorkeurstechnologie voor luchtseparatie-installaties. Dit is voornamelijk te danken aan het hoge rendement, wat direct leidt tot lagere kosten voor zuurstof, stikstof en inert gas. De toenemende focus op decarbonisatie stelt echter nieuwe eisen aan IGC's, met name op het gebied van efficiëntie en flexibiliteit in de regelgeving. Kapitaaluitgaven blijven een belangrijke factor voor installatiebeheerders, vooral voor kleine en middelgrote ondernemingen.
De afgelopen jaren heeft Siemens Energy verschillende onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten (R&D) opgestart om de IGC-capaciteiten uit te breiden en zo te voldoen aan de veranderende behoeften van de luchtseparatiemarkt. Dit artikel belicht enkele specifieke ontwerpverbeteringen die we hebben doorgevoerd en bespreekt hoe deze wijzigingen kunnen bijdragen aan het behalen van de kosten- en CO2-reductiedoelstellingen van onze klanten.
De meeste luchtseparatie-installaties zijn tegenwoordig uitgerust met twee compressoren: een hoofdcompressor (MAC) en een hulpcompressor (BAC). De hoofdcompressor comprimeert doorgaans de gehele luchtstroom van atmosferische druk tot ongeveer 6 bar. Een deel van deze stroom wordt vervolgens in de hulpcompressor 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 gebruik van een stoomturbine worden beide compressoren door dezelfde turbine aangedreven via twee asuiteinden. In het klassieke schema is een tussentandwielkast geplaatst tussen de stoomturbine en de HAC (Fig. 1).
Zowel bij elektrisch aangedreven als bij stoomturbine-aangedreven systemen is het rendement van de compressor een krachtige hefboom voor decarbonisatie, omdat het direct van invloed is op het energieverbruik van de installatie. Dit is vooral belangrijk voor microgasinstallaties die door stoomturbines worden aangedreven, aangezien het grootste deel van de warmte voor de stoomproductie wordt verkregen in ketels die op fossiele brandstoffen werken.
Hoewel elektromotoren een groener alternatief bieden voor stoomturbines, is er vaak een grotere behoefte aan flexibele besturing. Veel moderne luchtseparatie-installaties die tegenwoordig worden gebouwd, zijn aangesloten op het elektriciteitsnet en maken voor een groot deel gebruik van hernieuwbare energie. In Australië zijn er bijvoorbeeld plannen om verschillende groene ammoniakfabrieken te bouwen die luchtseparatie-eenheden (ASU's) zullen gebruiken om stikstof te produceren voor de ammoniaksynthese en naar verwachting elektriciteit zullen ontvangen van nabijgelegen wind- en zonneparken. Bij deze installaties is flexibele regelgeving cruciaal om natuurlijke schommelingen in de energieproductie op te vangen.
Siemens Energy ontwikkelde de eerste IGC (voorheen bekend als VK) in 1948. Tegenwoordig produceert het bedrijf wereldwijd meer dan 2300 exemplaren, waarvan vele zijn ontworpen 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. ​​Deze omvatten tandwielvrije versies van consolecompressoren met drukverhoudingen tot 2,5 of hoger in eentrapsversies en drukverhoudingen tot 6 in seriële versies.
Om tegemoet te komen aan de toenemende vraag naar IGC-efficiëntie, flexibiliteit in de regelgeving en lagere investeringskosten, hebben we de afgelopen jaren een aantal opmerkelijke ontwerpverbeteringen doorgevoerd, die hieronder worden samengevat.
De variabele efficiëntie 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 efficiënties 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 oplevert. Dit vermindert ook het vermogen dat de tandwielen in drietraps MAC-systemen moeten overbrengen, waardoor kleinere tandwielen en directe aandrijvingen in de eerste trappen kunnen worden gebruikt.
Vergeleken met de traditionele LS-schoependiffuser over de volledige lengte, heeft de hybride diffuser van de volgende generatie een 2,5% hogere traprendement en een 3% hogere regelfactor. Deze verbetering wordt bereikt door de schoepen te mengen (dat wil zeggen dat de schoepen zijn verdeeld in secties over de volledige hoogte en secties over een gedeeltelijke hoogte). In deze configuratie
De luchtstroom tussen de waaier en de diffuser wordt verminderd door een deel van de schoephoogte dat zich dichter bij de waaier bevindt dan de schoepen van een conventionele LS-diffuser. Net als bij een conventionele LS-diffuser bevinden de voorranden van de schoepen zich op gelijke afstand van de waaier om interactie tussen waaier en diffuser te voorkomen die de schoepen zou kunnen beschadigen.
Door de hoogte van de schoepen dichter bij de waaier gedeeltelijk te vergroten, verbetert ook de stromingsrichting in de buurt van de pulsatiezone. Omdat de voorrand van het schoepgedeelte over de volledige lengte dezelfde diameter behoudt als bij een conventionele LS-diffuser, blijft de gaskleplijn ongewijzigd, waardoor een breder scala aan toepassingen en afstellingen mogelijk is.
Waterinjectie houdt in dat waterdruppels in de luchtstroom in de zuigbuis worden geïnjecteerd. De druppels verdampen en onttrekken warmte aan de procesgasstroom, waardoor de inlaattemperatuur van de compressietrap daalt. Dit resulteert in een verlaging van het isentropische vermogensbehoefte en een rendementsverhoging van meer dan 1%.
Door de tandwielas te harden, kan de toelaatbare spanning per oppervlakte-eenheid worden verhoogd, waardoor de tandbreedte kan worden verkleind. Dit vermindert de mechanische verliezen in de tandwielkast met wel 25%, wat resulteert in een algehele efficiëntieverhoging van maximaal 0,5%. Bovendien kunnen de kosten van de hoofdcompressor met maximaal 1% worden verlaagd, omdat er minder metaal nodig is in de grote tandwielkast.
Deze waaier kan werken met een stromingscoëfficiënt (φ) tot 0,25 en levert 6% meer opvoerhoogte dan waaiers met een hoek van 65 graden. Bovendien bereikt de stromingscoëfficiënt 0,25, en in de dubbele-stromingsuitvoering van de IGC-machine, een volumestroom van 1,2 miljoen m³/u of zelfs 2,4 miljoen m³/u.
Een hogere phi-waarde maakt het mogelijk om bij hetzelfde volumestroomdebiet een waaier met een kleinere diameter te gebruiken, waardoor de kosten van de hoofdcompressor tot wel 4% lager worden. De diameter van de waaier in de eerste trap kan zelfs nog verder worden verkleind.
De hogere opvoerhoogte wordt bereikt door de waaierafbuighoek van 75°, waardoor de omtreksnelheidscomponent bij de uitlaat toeneemt en er dus een hogere opvoerhoogte ontstaat volgens de vergelijking van Euler.
Vergeleken met hogesnelheids- en hoogrendementswaaiers is het rendement van de waaier iets lager door hogere verliezen in de spiraalvormige behuizing. Dit kan worden gecompenseerd door een middelgrote spiraalvormige behuizing te gebruiken. Zelfs zonder deze behuizingen kan echter een variabel rendement tot 87% worden bereikt bij een Mach-getal van 1,0 en een stromingscoëfficiënt van 0,24.
De kleinere spiraalvormige behuizing voorkomt botsingen met andere behuizingen 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 de maximaal toegestane tandwielsnelheid te overschrijden. Bovendien kunnen de materiaalkosten voor spiraalvormige en grote tandwielen worden verlaagd.
Over het geheel genomen kan de hoofdcompressor tot 2% besparen op de investeringskosten, en de motor kan ook 2% besparen op de investeringskosten. Omdat compacte spiraalvormige compressoren iets minder efficiënt zijn, hangt de keuze om ze te gebruiken grotendeels af van de prioriteiten van de klant (kosten versus efficiëntie) en moet deze per project worden beoordeeld.
Om de controlemogelijkheden te vergroten, kan de IGV vóór meerdere fasen worden geïnstalleerd. Dit staat in schril contrast met eerdere IGC-projecten, waarbij IGV's slechts tot de eerste fase werden ingezet.
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°, afnemende druk) of achterwaarts wervelend was (hoek < 0°, de druk neemt 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, waardoor het regelbereik met 4% wordt vergroot met behoud van een constante efficiëntie.
Door een LS-diffusor te integreren in de waaier die veelvuldig wordt gebruikt in BAC's (Booster Air Compressors), kan het rendement van de meertrapscompressor worden verhoogd tot 89%. Dit, in combinatie met andere efficiëntieverbeteringen, vermindert het aantal BAC-trappen met behoud van het algehele rendement van de compressorinstallatie. Het verminderen van het aantal trappen elimineert de noodzaak voor een tussenkoeler, de bijbehorende procesgasleidingen en rotor- en statorcomponenten, wat resulteert in een kostenbesparing van 10%. Bovendien is het in veel gevallen mogelijk om de hoofdcompressor en de boostercompressor in één machine te combineren.
Zoals eerder vermeld, is er doorgaans een tussentandwiel nodig tussen de stoomturbine en de vacuümkamer. Met het nieuwe IGC-ontwerp van Siemens Energy kan dit tussentandwiel in de versnellingsbak worden geïntegreerd door een tussenas toe te voegen tussen de pignon-as en het grote tandwiel (4 tandwielen). Dit kan de totale lijnkosten (hoofdcompressor plus hulpapparatuur) met maximaal 4% verlagen.
Bovendien zijn tandwielen met 4 tandwielen een efficiënter alternatief voor compacte scrollmotoren bij het overschakelen van 6-polige naar 4-polige motoren in grote luchtcompressoren (indien er een kans is op botsingen tussen de spiraalvormige behuizing of indien de maximaal toelaatbare tandwielsnelheid wordt verlaagd).
Het gebruik ervan neemt ook toe in diverse markten die belangrijk zijn voor de decarbonisatie van de industrie, waaronder warmtepompen en stoomcompressie, evenals CO2-compressie in de ontwikkeling van koolstofafvang, -benutting en -opslag (CCUS).
Siemens Energy heeft een lange geschiedenis in het ontwerpen en exploiteren van IGC's. Zoals blijkt uit de bovenstaande (en andere) onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen, zetten we ons in voor continue innovatie van deze machines om te voldoen aan unieke toepassingsbehoeften en de groeiende marktvraag naar lagere kosten, hogere efficiëntie en meer duurzaamheid. KT2