Autors: Lukass Bijikli, produktu portfeļa vadītājs, integrētās zobratu piedziņas, CO2 kompresijas un siltumsūkņu pētniecība un attīstība, Siemens Energy.
Daudzus gadus integrētais zobratu kompresors (IGC) ir bijusi gaisa atdalīšanas iekārtu izvēles tehnoloģija. Tas galvenokārt ir saistīts ar to augsto efektivitāti, kas tieši samazina skābekļa, slāpekļa un inertās gāzes izmaksas. Tomēr pieaugošā uzmanība dekarbonizācijai izvirza jaunas prasības IPC, jo īpaši attiecībā uz efektivitāti un regulējuma elastību. Kapitālieguldījumi joprojām ir svarīgs faktors iekārtu operatoriem, īpaši mazos un vidējos uzņēmumos.
Pēdējo gadu laikā Siemens Energy ir uzsācis vairākus pētniecības un attīstības (R&D) projektus, kuru mērķis ir paplašināt IGC iespējas, lai apmierinātu mainīgās gaisa atdalīšanas tirgus vajadzības. Šajā rakstā ir izcelti daži konkrēti mūsu veiktie dizaina uzlabojumi un apspriests, kā šīs izmaiņas var palīdzēt sasniegt mūsu klientu izmaksu un oglekļa emisiju samazināšanas mērķus.
Lielākā daļa gaisa atdalīšanas iekārtu mūsdienās ir aprīkotas ar diviem kompresoriem: galveno gaisa kompresoru (MAC) un pastiprinātāja gaisa kompresoru (BAC). Galvenais gaisa kompresors parasti saspiež visu gaisa plūsmu no atmosfēras spiediena līdz aptuveni 6 bar. Daļa no šīs plūsmas pēc tam tiek saspiesta BAC līdz spiedienam līdz 60 bar.
Atkarībā no enerģijas avota kompresoru parasti darbina tvaika turbīna vai elektromotors. Izmantojot tvaika turbīnu, abus kompresorus darbina viena un tā pati turbīna caur diviem vārpstas galiem. Klasiskajā shēmā starp tvaika turbīnu un tvaika gaisa kondicionēšanas sistēmu ir uzstādīts starpposma pārnesums (1. att.).
Gan elektriskās, gan tvaika turbīnu piedziņas sistēmās kompresora efektivitāte ir spēcīgs dekarbonizācijas svira, jo tā tieši ietekmē iekārtas enerģijas patēriņu. Tas ir īpaši svarīgi MGP, ko darbina tvaika turbīnas, jo lielākā daļa siltuma tvaika ražošanai tiek iegūta katlos, ko darbina ar fosilo kurināmo.
Lai gan elektromotori nodrošina videi draudzīgāku alternatīvu tvaika turbīnu piedziņām, bieži vien ir nepieciešama lielāka vadības elastība. Daudzas mūsdienu gaisa atdalīšanas rūpnīcas, kas tiek būvētas mūsdienās, ir pieslēgtas tīklam un tajās ir augsts atjaunojamās enerģijas izmantošanas līmenis. Piemēram, Austrālijā ir plānots būvēt vairākas zaļās amonjaka rūpnīcas, kas izmantos gaisa atdalīšanas iekārtas (ASU), lai ražotu slāpekli amonjaka sintēzei, un paredzams, ka tās saņems elektroenerģiju no tuvumā esošajām vēja un saules enerģijas parkiem. Šajās stacijās regulējuma elastība ir ļoti svarīga, lai kompensētu dabiskās svārstības enerģijas ražošanā.
Siemens Energy izstrādāja pirmo IGC (agrāk pazīstamu kā VK) 1948. gadā. Šodien uzņēmums visā pasaulē ražo vairāk nekā 2300 iekārtu, no kurām daudzas ir paredzētas lietojumiem ar plūsmas ātrumu, kas pārsniedz 400 000 m3/h. Mūsu modernajiem MGP ir plūsmas ātrums līdz 1,2 miljoniem kubikmetru stundā vienā ēkā. Tie ietver konsoles kompresoru versijas bez reduktora ar spiediena attiecību līdz 2,5 vai augstāku vienpakāpes versijās un spiediena attiecību līdz 6 sērijveida versijās.
Pēdējos gados, lai apmierinātu pieaugošās prasības attiecībā uz IGC efektivitāti, regulējuma elastību un kapitāla izmaksām, esam veikuši dažus ievērojamus dizaina uzlabojumus, kas ir apkopoti turpmāk.
Vairāku pirmajā MAC pakāpē parasti izmantoto lāpstiņriteņu mainīgā efektivitāte tiek palielināta, mainot lāpstiņu ģeometriju. Ar šo jauno lāpstiņriteni kombinācijā ar parastajiem LS difuzoriem var sasniegt mainīgo efektivitāti līdz pat 89% un kombinācijā ar jaunās paaudzes hibrīdajiem difuzoriem - vairāk nekā 90%.
Turklāt lāpstiņriteņa Maha skaitlis ir lielāks par 1,3, kas nodrošina pirmajai pakāpei lielāku jaudas blīvumu un kompresijas pakāpi. Tas arī samazina jaudu, kas trīspakāpju MAC sistēmu zobratiem jāpārraida, ļaujot pirmajos posmos izmantot mazāka diametra zobratus un tiešās piedziņas pārnesumkārbas.
Salīdzinot ar tradicionālo pilna garuma LS lāpstiņu difuzoru, nākamās paaudzes hibrīdajam difuzoram ir palielināta skatuves efektivitāte par 2,5 % un vadības koeficients par 3 %. Šis pieaugums tiek panākts, sajaucot lāpstiņas (t. i., lāpstiņas tiek sadalītas pilna augstuma un daļēja augstuma sekcijās). Šajā konfigurācijā
Plūsmas izvade starp lāpstiņriteni un difuzoru tiek samazināta par lāpstiņas augstuma daļu, kas atrodas tuvāk lāpstiņritenim nekā parastā LS difuzora lāpstiņas. Tāpat kā parastajam LS difuzoram, pilna garuma lāpstiņu priekšējās malas atrodas vienādā attālumā no lāpstiņriteņa, lai izvairītos no lāpstiņriteņa un difuzora mijiedarbības, kas varētu sabojāt lāpstiņas.
Daļēja lāpstiņu augstuma palielināšana tuvāk lāpstiņritenim arī uzlabo plūsmas virzienu pulsācijas zonas tuvumā. Tā kā pilna garuma lāpstiņu sekcijas priekšējā mala paliek tāda paša diametra kā parastajam LS difuzoram, droseles līnija netiek ietekmēta, nodrošinot plašāku pielietojuma un regulēšanas diapazonu.
Ūdens iesmidzināšana ietver ūdens pilienu ievadīšanu gaisa plūsmā iesūkšanas caurulē. Pilieni iztvaiko un absorbē siltumu no procesa gāzes plūsmas, tādējādi samazinot ieplūdes temperatūru kompresijas posmā. Tas samazina izoentropiskās jaudas prasības un palielina efektivitāti par vairāk nekā 1%.
Zobrata vārpstas rūdīšana ļauj palielināt pieļaujamo spriegumu uz laukuma vienību, kas ļauj samazināt zobu platumu. Tas samazina mehāniskos zudumus pārnesumkārbā līdz pat 25%, kā rezultātā kopējā efektivitāte palielinās līdz pat 0,5%. Turklāt galvenā kompresora izmaksas var samazināt līdz pat 1%, jo lielajā pārnesumkārbā tiek izmantots mazāk metāla.
Šis lāpstiņritenis var darboties ar plūsmas koeficientu (φ) līdz 0,25 un nodrošina par 6% lielāku spiedienu nekā 65 grādu lāpstiņriteņi. Turklāt plūsmas koeficients sasniedz 0,25, un IGC iekārtas divplūsmas konstrukcijā tilpuma plūsma sasniedz 1,2 miljonus m3/h vai pat 2,4 miljonus m3/h.
Augstāka phi vērtība ļauj izmantot mazāka diametra lāpstiņriteni pie tādas pašas tilpuma plūsmas, tādējādi samazinot galvenā kompresora izmaksas līdz pat 4%. Pirmās pakāpes lāpstiņriteņa diametru var samazināt vēl vairāk.
Augstāks spiediens tiek panākts, pateicoties 75° lāpstiņriteņa novirzes leņķim, kas palielina apkārtmēra ātruma komponenti pie izejas un tādējādi nodrošina lielāku spiedienu saskaņā ar Eilera vienādojumu.
Salīdzinot ar ātrgaitas un augstas efektivitātes lāpstiņriteņiem, lāpstiņriteņa efektivitāte ir nedaudz samazināta lielāku zudumu dēļ volūtā. To var kompensēt, izmantojot vidēja izmēra gliemezi. Tomēr pat bez šīm volūtām var sasniegt mainīgu efektivitāti līdz pat 87% ar Maha skaitli 1,0 un plūsmas koeficientu 0,24.
Mazāka spirāle ļauj izvairīties no sadursmēm ar citām spirālēm, samazinot lielā zobrata diametru. Operatori var ietaupīt izmaksas, pārslēdzoties no 6 polu motora uz ātrāku 4 polu motoru (no 1000 apgr./min līdz 1500 apgr./min), nepārsniedzot maksimāli pieļaujamo zobrata ātrumu. Turklāt tas var samazināt materiālu izmaksas spirālveida un lieliem zobratiem.
Kopumā galvenais kompresors var ietaupīt līdz pat 2 % no kapitālieguldījumiem, un arī dzinējs var ietaupīt 2 % no kapitālieguldījumiem. Tā kā kompaktie tilpumkompresori ir nedaudz mazāk efektīvi, lēmums par to izmantošanu lielā mērā ir atkarīgs no klienta prioritātēm (izmaksas pret efektivitāti) un ir jāizvērtē katram projektam atsevišķi.
Lai palielinātu vadības iespējas, IGV var uzstādīt vairāku skatuvju priekšā. Tas krasi atšķiras no iepriekšējiem IGC projektiem, kuros IGV tika iekļauti tikai līdz pirmajai fāzei.
Iepriekšējās IGC versijās virpuļa koeficients (t. i., otrā IGV leņķis, dalīts ar pirmā IGV1 leņķi) palika nemainīgs neatkarīgi no tā, vai plūsma bija vērsta uz priekšu (leņķis > 0°, samazinot spiedienu) vai pretēji (leņķis < 0). °, spiediens palielinās). Tas ir neizdevīgi, jo leņķa zīme mainās starp pozitīviem un negatīviem virpuļiem.
Jaunā konfigurācija ļauj izmantot divus dažādus virpuļplūsmas koeficientus, kad iekārta darbojas uz priekšu un atpakaļ virpuļplūsmas režīmā, tādējādi palielinot vadības diapazonu par 4 %, vienlaikus saglabājot nemainīgu efektivitāti.
Iekļaujot LS difuzoru lāpstiņritenim, ko parasti izmanto BAC, daudzpakāpju efektivitāti var palielināt līdz 89%. Tas apvienojumā ar citiem efektivitātes uzlabojumiem samazina BAC pakāpju skaitu, vienlaikus saglabājot kopējo vilciena efektivitāti. Pakāpju skaita samazināšana novērš nepieciešamību pēc starpdzesētāja, saistītajām procesa gāzes cauruļvadiem, kā arī rotora un statora komponentiem, kā rezultātā tiek ietaupīts 10%. Turklāt daudzos gadījumos ir iespējams apvienot galveno gaisa kompresoru un pastiprinātāja kompresoru vienā iekārtā.
Kā jau minēts iepriekš, starp tvaika turbīnu un VAC parasti ir nepieciešams starpzobrats. Ar jauno Siemens Energy IGC konstrukciju šo brīvgaitas zobratu var integrēt pārnesumkārbā, pievienojot brīvgaitas vārpstu starp zobrata vārpstu un lielo zobratu (4 zobrati). Tas var samazināt kopējās līnijas izmaksas (galvenais kompresors plus palīgiekārtas) līdz pat 4%.
Turklāt 4 zobratu pārnesumi ir efektīvāka alternatīva kompaktajiem spirālmotoriem pārslēgšanai no 6 polu uz 4 polu motoriem lielos galvenajos gaisa kompresoros (ja pastāv spirālveida sadursmes iespēja vai ja tiks samazināts maksimāli pieļaujamais zobrata ātrums).
To izmantošana kļūst arvien izplatītāka arī vairākos tirgos, kas ir svarīgi rūpnieciskajai dekarbonizācijai, tostarp siltumsūkņos un tvaika kompresijā, kā arī CO2 kompresijā oglekļa uztveršanas, izmantošanas un uzglabāšanas (CCUS) attīstībā.
Siemens Energy ir ilga pieredze starpvaldību ģeneratoru (IGC) projektēšanā un ekspluatācijā. Kā apliecina iepriekš minētie (un citi) pētniecības un attīstības centieni, mēs esam apņēmušies pastāvīgi ieviest jauninājumus šajās iekārtās, lai apmierinātu unikālas lietojumprogrammu vajadzības un pieaugošās tirgus prasības pēc zemākām izmaksām, lielākas efektivitātes un lielākas ilgtspējības. KT2
Publicēšanas laiks: 2024. gada 28. aprīlis