HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Автор: Лукас Бийкли, менеджер по продуктовому портфелю, интегрированные редукторы, НИОКР в области компрессоров CO2 и тепловых насосов, Siemens Energy.
В течение многих лет интегрированные редукторные компрессоры (IGC) были предпочтительной технологией для установок разделения воздуха. Это в основном связано с их высокой эффективностью, которая напрямую приводит к снижению затрат на кислород, азот и инертные газы. Однако растущее внимание к декарбонизации предъявляет новые требования к интегрированным редукторным компрессорам, особенно с точки зрения эффективности и гибкости регулирования. Капитальные затраты остаются важным фактором для операторов установок, особенно на малых и средних предприятиях.
За последние несколько лет компания Siemens Energy инициировала ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектов, направленных на расширение возможностей IGC для удовлетворения меняющихся потребностей рынка разделения воздуха. В этой статье освещаются некоторые конкретные улучшения конструкции, которые мы внесли, и обсуждается, как эти изменения могут помочь нашим клиентам достичь целей по снижению затрат и выбросов углекислого газа.
Большинство современных воздухоразделительных установок оснащены двумя компрессорами: основным воздушным компрессором (ОСК) и вспомогательным воздушным компрессором (ВВК). Основной воздушный компрессор обычно сжимает весь поток воздуха от атмосферного давления до приблизительно 6 бар. Часть этого потока затем дополнительно сжимается в ВВК до давления до 60 бар.
В зависимости от источника энергии компрессор обычно приводится в движение паровой турбиной или электродвигателем. При использовании паровой турбины оба компрессора приводятся в движение одной и той же турбиной через два валовых конца. В классической схеме между паровой турбиной и компрессором установлен промежуточный редуктор (рис. 1).
Как в системах с электрическим, так и с паровым приводом, эффективность компрессора является мощным рычагом декарбонизации, поскольку она напрямую влияет на энергопотребление установки. Это особенно важно для установок по производству метана, работающих на паровых турбинах, поскольку большая часть тепла для производства пара получается в котлах, работающих на ископаемом топливе.
Хотя электродвигатели представляют собой более экологичную альтернативу паротурбинным приводам, зачастую существует большая потребность в гибкости управления. Многие современные воздухоразделительные установки, строящиеся сегодня, подключены к сети и используют большое количество возобновляемой энергии. Например, в Австралии планируется строительство нескольких экологически чистых аммиачных заводов, которые будут использовать воздухоразделительные установки (ASU) для производства азота для синтеза аммиака и, как ожидается, будут получать электроэнергию от расположенных поблизости ветровых и солнечных электростанций. На этих заводах гибкость регулирования имеет решающее значение для компенсации естественных колебаний в выработке электроэнергии.
Компания Siemens Energy разработала первый компрессор IGC (ранее известный как VK) в 1948 году. Сегодня компания производит более 2300 таких установок по всему миру, многие из которых предназначены для применений с расходом более 400 000 м³/ч. Наши современные газовые компрессоры обеспечивают расход до 1,2 миллиона кубических метров в час в одном здании. К ним относятся безредукторные версии консольных компрессоров с коэффициентом сжатия до 2,5 и выше в одноступенчатых версиях и коэффициентом сжатия до 6 в серийных версиях.
В последние годы, чтобы удовлетворить растущие требования к эффективности межотраслевого контроля, гибкости регулирования и капитальным затратам, мы внесли ряд существенных улучшений в конструкцию, которые кратко изложены ниже.
Изменение геометрии лопаток позволяет повысить переменную эффективность ряда рабочих колес, обычно используемых на первой ступени MAC. С помощью этого нового рабочего колеса можно достичь переменной эффективности до 89% в сочетании с обычными диффузорами LS и более 90% в сочетании с гибридными диффузорами нового поколения.
Кроме того, рабочее колесо имеет число Маха выше 1,3, что обеспечивает первой ступени более высокую удельную мощность и степень сжатия. Это также снижает мощность, которую должны передавать редукторы в трехступенчатых системах MAC, что позволяет использовать шестерни меньшего диаметра и редукторы с прямым приводом на первых ступенях.
По сравнению с традиционным диффузором с лопастями LS полной высоты, гибридный диффузор следующего поколения имеет повышенную эффективность ступени на 2,5% и коэффициент регулирования на 3%. Это увеличение достигается за счет смешивания лопастей (т.е. лопасти разделены на полноразмерные и частично полноразмерные секции). В этой конфигурации
Поток между рабочим колесом и диффузором уменьшается на участке высоты лопатки, расположенном ближе к рабочему колесу, чем лопатки обычного диффузора LS. Как и в обычном диффузоре LS, передние кромки лопаток по всей длине расположены на равном расстоянии от рабочего колеса, чтобы избежать взаимодействия рабочего колеса и диффузора, которое может повредить лопатки.
Частичное увеличение высоты лопаток ближе к рабочему колесу также улучшает направление потока вблизи зоны пульсации. Поскольку передняя кромка секции лопаток по всей длине остается того же диаметра, что и у обычного диффузора LS, линия дроссельной заслонки остается неизменной, что позволяет расширить диапазон применения и настройки.
Впрыскивание воды предполагает впрыскивание капель воды в поток воздуха во всасывающей трубе. Капли испаряются и поглощают тепло от потока технологического газа, тем самым снижая температуру на входе в стадию сжатия. Это приводит к снижению изэнтропийных требований к мощности и повышению эффективности более чем на 1%.
Упрочнение вала шестерни позволяет увеличить допустимое напряжение на единицу площади, что дает возможность уменьшить ширину зубьев. Это снижает механические потери в редукторе до 25%, что приводит к повышению общей эффективности до 0,5%. Кроме того, затраты на основной компрессор могут быть снижены до 1%, поскольку в большом редукторе используется меньше металла.
Это рабочее колесо может работать с коэффициентом расхода (φ) до 0,25 и обеспечивает на 6% больший напор, чем рабочие колеса с углом 65 градусов. Кроме того, коэффициент расхода достигает 0,25, а в двухпоточной конструкции машины IGC объемный расход достигает 1,2 млн м³/ч или даже 2,4 млн м³/ч.
Более высокое значение коэффициента Фи позволяет использовать рабочее колесо меньшего диаметра при том же объемном расходе, что снижает стоимость основного компрессора до 4%. Диаметр рабочего колеса первой ступени может быть уменьшен еще больше.
Более высокий напор достигается за счет угла отклонения рабочего колеса в 75°, что увеличивает составляющую окружной скорости на выходе и, следовательно, обеспечивает более высокий напор в соответствии с уравнением Эйлера.
По сравнению с высокоскоростными и высокоэффективными рабочими колесами, КПД рабочего колеса несколько снижается из-за больших потерь в спиральном корпусе. Это можно компенсировать использованием улитки среднего размера. Однако даже без этих спиральных корпусов можно достичь переменного КПД до 87% при числе Маха 1,0 и коэффициенте расхода 0,24.
Меньший диаметр спирального корпуса позволяет избежать столкновений с другими спиральными корпусами при уменьшении диаметра большой шестерни. Операторы могут сэкономить средства, перейдя с 6-полюсного двигателя на более высокоскоростной 4-полюсный двигатель (от 1000 до 1500 об/мин) без превышения максимально допустимой скорости вращения шестерни. Кроме того, это может снизить затраты на материалы для косозубых и больших шестерен.
В целом, основной компрессор позволяет сэкономить до 2% капитальных затрат, а двигатель также может сэкономить 2% капитальных затрат. Поскольку компактные спиральные компрессоры несколько менее эффективны, решение об их использовании во многом зависит от приоритетов заказчика (стоимость против эффективности) и должно оцениваться в каждом конкретном случае.
Для расширения возможностей управления направляющие управляемые лопатки (IGV) могут быть установлены перед несколькими ступенями. Это резко контрастирует с предыдущими проектами IGC, в которых IGV использовались только до первой ступени.
В более ранних версиях IGC коэффициент вихревого потока (т.е. угол второго направляющего винта, деленный на угол первого направляющего винта) оставался постоянным независимо от того, был ли поток прямым (угол > 0°, уменьшение напора) или обратным (угол < 0°, давление увеличивается). Это невыгодно, поскольку знак угла меняется между положительными и отрицательными вихрями.
Новая конфигурация позволяет использовать два разных коэффициента вихревого движения, когда машина работает в прямом и обратном вихревом режиме, что увеличивает диапазон управления на 4% при сохранении постоянной эффективности.
Благодаря использованию диффузора LS для рабочего колеса, обычно применяемого в компрессорах с воздушным охлаждением, эффективность многоступенчатой ​​системы может быть повышена до 89%. Это, в сочетании с другими улучшениями эффективности, сокращает количество ступеней компрессора с воздушным охлаждением, сохраняя при этом общую эффективность всей системы. Сокращение количества ступеней устраняет необходимость в промежуточном охладителе, соответствующих трубопроводах для технологического газа, а также компонентах ротора и статора, что приводит к экономии средств в размере 10%. Кроме того, во многих случаях возможно объединить основной воздушный компрессор и бустерный компрессор в одной машине.
Как уже упоминалось ранее, между паровой турбиной и вакуумным компрессором обычно требуется промежуточная передача. В новой конструкции IGC от Siemens Energy эта промежуточная передача может быть интегрирована в редуктор путем добавления промежуточного вала между валом шестерни и большой шестерней (4 шестерни). Это может снизить общую стоимость линии (главный компрессор плюс вспомогательное оборудование) до 4%.
Кроме того, 4-зубчатые шестерни являются более эффективной альтернативой компактным спиральным двигателям при переключении с 6-полюсных на 4-полюсные двигатели в больших главных воздушных компрессорах (если существует вероятность столкновения спиральных корпусов или если будет снижена максимально допустимая скорость вращения шестерни).
Их использование также становится все более распространенным на ряде рынков, важных для декарбонизации промышленности, включая тепловые насосы и парокомпрессионные системы, а также системы сжатия CO2 в рамках разработок в области улавливания, использования и хранения углерода (CCUS).
Компания Siemens Energy имеет долгую историю проектирования и эксплуатации газоразрядных машин. Как показывают вышеупомянутые (и другие) научно-исследовательские работы, мы стремимся постоянно совершенствовать эти машины, чтобы удовлетворять уникальные потребности в применении и растущие требования рынка к снижению затрат, повышению эффективности и экологичности. KT2