Autor: Lukas Bijikli, tooteportfelli juht, integreeritud käigukastid, CO2 kompressioon- ja soojuspumpade teadus- ja arendustegevus, Siemens Energy.
Aastaid on õhueraldusjaamade jaoks eelistatud tehnoloogiaks olnud integreeritud hammasrataskompressor (IGC). See on peamiselt tingitud nende kõrgest efektiivsusest, mis viib otseselt hapniku, lämmastiku ja inertgaasi kulude vähenemiseni. Kasvav keskendumine dekarboniseerimisele seab aga IPC-dele uusi nõudmisi, eriti efektiivsuse ja regulatiivse paindlikkuse osas. Kapitalikulud on jaamade operaatorite jaoks jätkuvalt oluline tegur, eriti väikestes ja keskmise suurusega ettevõtetes.
Viimaste aastate jooksul on Siemens Energy algatanud mitu teadus- ja arendusprojekti, mille eesmärk on laiendada õhueraldussüsteemi võimekust, et rahuldada õhueraldussüsteemi turu muutuvaid vajadusi. See artikkel toob esile mõned meie tehtud konkreetsed disainilahenduse täiustused ja arutab, kuidas need muudatused aitavad saavutada meie klientide kulude ja süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamise eesmärke.
Enamik tänapäevaseid õhueraldusseadmeid on varustatud kahe kompressoriga: peakompressoriga (MAC) ja võimenduskompressoriga (BAC). Peakompressor surub tavaliselt kogu õhuvoolu atmosfäärirõhult umbes 6 baarini. Osa sellest voolust surutakse seejärel BAC-is edasi rõhuni kuni 60 baarini.
Sõltuvalt energiaallikast käitab kompressorit tavaliselt auruturbiin või elektrimootor. Auruturbiini kasutamisel käitab mõlemat kompressorit sama turbiin kahe võlli otstega. Klassikalises skeemis on auruturbiini ja HAC vahele paigaldatud vaheülekanne (joonis 1).
Nii elektri- kui ka auruturbiiniga töötavates süsteemides on kompressori efektiivsus võimas dekarboniseerimise hoob, kuna see mõjutab otseselt seadme energiatarbimist. See on eriti oluline auruturbiinidega töötavate MGP-de puhul, kuna suurem osa auru tootmiseks vajalikust soojusest saadakse fossiilkütustel töötavatest kateldest.
Kuigi elektrimootorid pakuvad auruturbiini ajamitele keskkonnasõbralikumat alternatiivi, on sageli suurem vajadus juhtimispaindlikkuse järele. Paljud tänapäeval ehitatavad õhu eraldusjaamad on võrku ühendatud ja kasutavad palju taastuvenergiat. Näiteks Austraalias on plaanis ehitada mitu rohelise ammoniaagi tehast, mis kasutavad õhu eraldusseadmeid (ASU-sid) ammoniaagi sünteesiks lämmastiku tootmiseks ja mis eeldatavasti saavad elektrit lähedalasuvatest tuule- ja päikeseparkidest. Nendes jaamades on regulatiivne paindlikkus kriitilise tähtsusega, et kompenseerida elektritootmise loomulikke kõikumisi.
Siemens Energy töötas esimese IGC (varem tuntud kui VK) välja 1948. aastal. Tänapäeval toodab ettevõte kogu maailmas üle 2300 seadme, millest paljud on projekteeritud rakenduste jaoks, mille voolukiirus ületab 400 000 m3/h. Meie kaasaegsete MGP-de voolukiirus on ühes hoones kuni 1,2 miljonit kuupmeetrit tunnis. Nende hulka kuuluvad konsoolkompressorite käigukastita versioonid, mille rõhusuhe on üheastmelistes versioonides kuni 2,5 või kõrgem ja seeriaviisilistes versioonides kuni 6.
Viimastel aastatel oleme IGC efektiivsuse, regulatiivse paindlikkuse ja kapitalikulude kasvavate nõudmiste rahuldamiseks teinud mõningaid märkimisväärseid disaini täiustusi, mis on kokku võetud allpool.
Esimeses MAC-astmes tavaliselt kasutatavate mitmete tiivikute muutuvat efektiivsust suurendatakse labade geomeetria muutmise teel. Selle uue tiivikuga on tavapäraste LS-hajutitega kombineerituna võimalik saavutada kuni 89% ja uue põlvkonna hübriidhajutitega kombineerituna üle 90% muutuvat efektiivsust.
Lisaks on tiiviku Machi arv suurem kui 1,3, mis annab esimesele astmele suurema võimsustiheduse ja surveastme. See vähendab ka kolmeastmeliste MAC-süsteemide hammasrataste edastatavat võimsust, võimaldades esimestes astmetes kasutada väiksema läbimõõduga hammasrattaid ja otseülekandega käigukaste.
Võrreldes traditsioonilise täispikkusega LS-labahajutiga on järgmise põlvkonna hübriidhajutil suurem lavaefektiivsus 2,5% ja juhtimistegur 3%. See suurenemine saavutatakse labade segamise teel (st labad on jagatud täiskõrgusteks ja osakõrgusteks sektsioonideks). Selles konfiguratsioonis
Tiiviku ja hajuti vaheline vooluhulk väheneb laba kõrguse osa võrra, mis asub tiivikule lähemal kui tavapärase LS-hajuti labad. Nagu tavalise LS-hajuti puhul, on täispikkade labade esiservad tiivikust võrdsel kaugusel, et vältida tiiviku ja hajuti vastastikmõju, mis võiks labasid kahjustada.
Labade kõrguse osaline suurendamine tiivikule lähemal parandab ka voolu suunda pulsatsioonitsooni lähedal. Kuna täispika labaosa esiserva läbimõõt jääb samaks kui tavapärasel LS-hajutil, jääb drosseljoon muutumatuks, mis võimaldab laiemat rakendus- ja häälestamisulatust.
Vee sissepritse hõlmab veepiiskade sissepritsimist imemistorus olevasse õhuvoolu. Piisad aurustuvad ja neelavad protsessigaasivoolust soojust, vähendades seeläbi sisselasketemperatuuri kokkusurumisetapis. Selle tulemuseks on isentroopilise energiavajaduse vähenemine ja efektiivsuse suurenemine enam kui 1%.
Hammasratta võlli karastamine võimaldab suurendada lubatud pinget pinnaühiku kohta, mis omakorda võimaldab vähendada hamba laiust. See vähendab käigukasti mehaanilisi kadusid kuni 25%, mille tulemuseks on üldise efektiivsuse suurenemine kuni 0,5%. Lisaks saab peakompressori kulusid vähendada kuni 1%, kuna suures käigukastis kasutatakse vähem metalli.
See tiivik võib töötada voolukoefitsiendiga (φ) kuni 0,25 ja pakub 6% suuremat tõstekõrgust kui 65-kraadised tiivikud. Lisaks ulatub voolukoefitsient 0,25-ni ja IGC-masina kahevoolulise konstruktsiooni puhul ulatub mahuline vooluhulk 1,2 miljoni m3/h või isegi 2,4 miljoni m3/h-ni.
Kõrgem phi väärtus võimaldab sama vooluhulga juures kasutada väiksema läbimõõduga tiivikut, vähendades seeläbi peakompressori maksumust kuni 4%. Esimese astme tiiviku läbimõõtu saab veelgi vähendada.
Kõrgem tõstekõrgus saavutatakse tiiviku 75° kaldenurga abil, mis suurendab ümbermõõdu kiiruse komponenti väljalaskeavas ja tagab seega Euleri võrrandi kohaselt suurema tõstekõrguse.
Võrreldes kiirete ja suure efektiivsusega tiivikutega on tiiviku efektiivsus veidi vähenenud voluudi suuremate kadude tõttu. Seda saab kompenseerida keskmise suurusega teo abil. Kuid isegi ilma nende voluutideta on Machi arvu 1,0 ja vooluteguri 0,24 korral võimalik saavutada kuni 87% muutuv efektiivsus.
Väiksem voluut võimaldab vältida kokkupõrkeid teiste voluutidega, kui suure hammasratta läbimõõtu vähendatakse. Operaatorid saavad kulusid kokku hoida, lülitudes 6-pooluseliselt mootorilt kiiremale 4-pooluselisele mootorile (1000–1500 p/min), ületamata seejuures maksimaalset lubatud hammasratta kiirust. Lisaks võib see vähendada spiraal- ja suurte hammasrataste materjalikulusid.
Kokkuvõttes võib peakompressor säästa kuni 2% kapitalikuludest, lisaks saab mootor samuti 2% kapitalikuludest kokku hoida. Kuna kompaktsed voluudid on mõnevõrra vähem tõhusad, sõltub nende kasutamise otsus suuresti kliendi prioriteetidest (maksumus vs efektiivsus) ja seda tuleb hinnata iga projekti puhul eraldi.
Juhtimisvõimaluste suurendamiseks saab IGV paigaldada mitme lava ette. See on teravas vastuolus varasemate IGC projektidega, mis hõlmasid IGV-sid ainult kuni esimese etapini.
IGC varasemates iteratsioonides jäi keerise koefitsient (st teise IGV nurk jagatud esimese IGV1 nurgaga) konstantseks olenemata sellest, kas vool oli edasisuunas (nurk > 0°, vähendades kõrgust) või vastupidises suunas (nurk < 0°). ° korral rõhk suureneb). See on ebasoodne, kuna nurga märk muutub positiivsete ja negatiivsete keeriste vahel.
Uus konfiguratsioon võimaldab kasutada kahte erinevat keerise suhet, kui masin on edasi- ja tagasisuunalise keerise režiimis, suurendades seeläbi juhtimisvahemikku 4% võrra, säilitades samal ajal konstantse efektiivsuse.
BAC-ides tavaliselt kasutatava tiiviku LS-hajuti lisamisega saab mitmeastmelise efektiivsuse suurendada 89%-ni. See koos muude efektiivsuse täiustustega vähendab BAC-astmete arvu, säilitades samal ajal üldise rongi efektiivsuse. Etappide arvu vähendamine välistab vajaduse vahejahuti, sellega seotud protsessigaasi torustiku ning rootori ja staatori komponentide järele, mille tulemuseks on 10%-line kulude kokkuhoid. Lisaks on paljudel juhtudel võimalik ühendada peamine õhukompressor ja võimenduskompressor ühes masinas.
Nagu varem mainitud, on auruturbiini ja VAC vahel tavaliselt vaja vahekäiku. Siemens Energy uue IGC-disainiga saab selle pingutuskäigu käigukasti integreerida, lisades pingutusvõlli hammasratta võlli ja suure hammasratta (4 käiku) vahele. See võib vähendada liini kogukulusid (peakompressor pluss abiseadmed) kuni 4%.
Lisaks on neljahammasrattaga käigud tõhusam alternatiiv kompaktsetele spiraalmootoritele suurtes peamistes õhukompressorites 6-pooluselistelt 4-pooluselistele mootoritele ümberlülitamiseks (kui on olemas spiraalmootorite kokkupõrke oht või kui maksimaalne lubatud hammasratta kiirus väheneb).
Nende kasutamine on muutumas üha tavalisemaks mitmetel tööstusliku dekarboniseerimise seisukohalt olulistel turgudel, sealhulgas soojuspumpadel ja auru kokkusurumisel, samuti CO2 kokkusurumisel süsinikdioksiidi kogumise, kasutamise ja säilitamise (CCUS) arendustes.
Siemens Energyl on pikk ajalugu IGC-de projekteerimisel ja käitamisel. Nagu ülaltoodud (ja muud) teadus- ja arendustegevused näitavad, oleme pühendunud nende masinate pidevale uuendamisele, et rahuldada unikaalsete rakenduste vajadusi ja rahuldada kasvavaid turunõudlusi madalamate kulude, suurema tõhususe ja suurema jätkusuutlikkuse osas. KT2
Postituse aeg: 28. aprill 2024