Ханчжоуская технологическая группа Нучжуо, ООО

Автор: Лукас Биджикли, менеджер по ассортименту продукции, интегрированные зубчатые приводы, НИОКР в области компрессии CO2 и тепловых насосов, Siemens Energy.
В течение многих лет интегрированные шестеренчатые компрессоры (IGC) были предпочтительным решением для воздухоразделительных установок. Это обусловлено, главным образом, их высокой эффективностью, которая напрямую приводит к снижению затрат на кислород, азот и инертный газ. Однако растущее внимание к декарбонизации предъявляет новые требования к интегрированным шестеренчатым компрессорам, особенно в плане эффективности и гибкости регулирования. Капитальные затраты продолжают оставаться важным фактором для операторов установок, особенно на малых и средних предприятиях.
За последние несколько лет компания Siemens Energy инициировала несколько научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектов (НИОКР), направленных на расширение возможностей IGC для удовлетворения меняющихся потребностей рынка воздухоразделения. В этой статье рассматриваются некоторые конкретные усовершенствования конструкции, которые мы внесли, и обсуждается, как эти изменения могут помочь нашим клиентам достичь целей по снижению затрат и сокращению выбросов углерода.
Большинство современных воздухоразделительных установок оснащены двумя компрессорами: основным воздушным компрессором (ОСК) и наддувочным воздушным компрессором (ДВК). Основной воздушный компрессор обычно сжимает весь поток воздуха от атмосферного давления до примерно 6 бар. Часть этого потока затем дожимается в ДВК 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 турбиной через два конца вала. В классической схеме между паровой турбиной и гидроприводом устанавливается промежуточный редуктор (рис. 1).
Как в системах с электроприводом, так и в системах с паровыми турбинами эффективность компрессора является мощным рычагом декарбонизации, поскольку напрямую влияет на энергопотребление агрегата. Это особенно важно для паротурбинных установок с приводом от паровых турбин, поскольку большая часть тепла для производства пара вырабатывается в котлах, работающих на ископаемом топливе.
Хотя электродвигатели представляют собой более экологичную альтернативу паровым турбинным приводам, зачастую требуется большая гибкость управления. Многие современные воздухоразделительные установки, строящиеся сегодня, подключены к электросети и характеризуются высоким уровнем использования возобновляемой энергии. Например, в Австралии планируется строительство нескольких экологичных аммиачных установок, которые будут использовать воздухоразделительные установки (ВРУ) для производства азота для синтеза аммиака и, как ожидается, будут получать электроэнергию от близлежащих ветровых и солнечных электростанций. На этих установках гибкость регулирования критически важна для компенсации естественных колебаний выработки электроэнергии.
Компания Siemens Energy разработала первый компрессор IGC (ранее известный как VK) в 1948 году. Сегодня компания производит более 2300 установок по всему миру, многие из которых рассчитаны на производительность свыше 400 000 м³/ч. Наши современные компрессоры MGP обеспечивают производительность до 1,2 млн куб. м/ч в одном корпусе. К ним относятся безредукторные версии консольных компрессоров со степенью сжатия до 2,5 и выше в одноступенчатом исполнении и степенью сжатия до 6 в серийном исполнении.
За последние годы, чтобы удовлетворить растущие требования к эффективности IGC, гибкости регулирования и капитальным затратам, мы внесли ряд существенных усовершенствований в конструкцию, которые кратко описаны ниже.
Регулируемая эффективность ряда рабочих колес, обычно используемых в первой ступени MAC, повышается за счет изменения геометрии лопаток. Новое рабочее колесо позволяет достичь регулируемой эффективности до 89% в сочетании с традиционными диффузорами LS и более 90% в сочетании с гибридными диффузорами нового поколения.
Кроме того, число Маха рабочего колеса превышает 1,3, что обеспечивает более высокую удельную мощность и степень сжатия первой ступени. Это также снижает мощность, передаваемую зубчатыми передачами трёхступенчатых систем МАС, что позволяет использовать шестерни меньшего диаметра и редукторы с прямым приводом на первых ступенях.
По сравнению с традиционным полноразмерным лопаточным диффузором LS, гибридный диффузор нового поколения имеет повышенную эффективность ступени на 2,5% и коэффициент регулирования на 3%. Это достигается за счёт комбинирования лопаток (т.е. лопатки разделены на полноразмерные и неполноразмерные секции). В этой конфигурации
Расход воздуха между рабочим колесом и диффузором уменьшается на часть высоты лопатки, расположенную ближе к рабочему колесу, чем лопатки обычного диффузора LS. Как и в обычном диффузоре LS, передние кромки лопаток по всей длине равноудалены от рабочего колеса, чтобы избежать взаимодействия рабочего колеса с диффузором, которое может повредить лопатки.
Частичное увеличение высоты лопаток ближе к рабочему колесу также улучшает направление потока вблизи зоны пульсаций. Поскольку передняя кромка полноразмерной секции лопаток остаётся того же диаметра, что и у обычного диффузора LS, дроссельная линия остаётся неизменной, что расширяет область применения и возможности настройки.
Впрыск воды заключается в впрыскивании капель воды в поток воздуха во всасывающей трубке. Капли испаряются и поглощают тепло из потока технологического газа, тем самым снижая температуру на входе в ступень сжатия. Это приводит к снижению потребляемой изоэнтропической мощности и повышению КПД более чем на 1%.
Закалка вала-шестерни позволяет увеличить допустимые напряжения на единицу площади, что позволяет уменьшить ширину зуба. Это снижает механические потери в редукторе до 25%, что приводит к повышению общего КПД до 0,5%. Кроме того, стоимость основного компрессора может быть снижена до 1% за счёт уменьшения расхода металла в крупногабаритном редукторе.
Это рабочее колесо может работать с коэффициентом расхода (φ) до 0,25 и обеспечивает напор на 6% выше, чем рабочие колеса с углом наклона 65 градусов. Кроме того, коэффициент расхода достигает 0,25, а в двухпоточной конструкции машины IGC объёмный расход достигает 1,2 млн м3/ч или даже 2,4 млн м3/ч.
Более высокое значение коэффициента φ позволяет использовать рабочее колесо меньшего диаметра при том же объёмном расходе, что снижает стоимость основного компрессора до 4%. Диаметр рабочего колеса первой ступени может быть уменьшен ещё больше.
Более высокий напор достигается за счет угла отклонения рабочего колеса 75°, что увеличивает окружную составляющую скорости на выходе и, таким образом, обеспечивает более высокий напор согласно уравнению Эйлера.
По сравнению с высокоскоростными и высокоэффективными рабочими колесами, КПД рабочего колеса несколько снижен из-за повышенных потерь в улитке. Это можно компенсировать использованием улитки среднего размера. Однако даже без улитки можно достичь переменного КПД до 87% при числе Маха 1,0 и коэффициенте расхода 0,24.
Меньший диаметр улитки позволяет избежать столкновений с другими улитками при уменьшении диаметра большой шестерни. Операторы могут сэкономить средства, перейдя с 6-полюсного двигателя на более скоростной 4-полюсный (1000–1500 об/мин), не превышая максимально допустимую скорость вращения редуктора. Кроме того, это может снизить затраты на материалы для изготовления косозубых и крупных шестерен.
В целом, основной компрессор может сэкономить до 2% капитальных затрат, плюс двигатель может сэкономить 2% капитальных затрат. Поскольку компактные улитки несколько менее эффективны, решение об их использовании во многом зависит от приоритетов заказчика (стоимость/эффективность) и должно оцениваться индивидуально для каждого проекта.
Для расширения возможностей управления ВНА может быть установлена ​​перед несколькими ступенями. Это резко контрастирует с предыдущими проектами IGC, где ВНА устанавливались только до первой ступени.
В более ранних версиях IGC коэффициент вихреобразования (т. е. угол второго ВНА, деленный на угол первого ВНА1) оставался постоянным независимо от того, был ли поток прямым (угол > 0°, уменьшая напор) или обратным вихрем (угол < 0°, увеличивая давление). Это невыгодно, поскольку знак угла меняется между положительными и отрицательными вихрями.
Новая конфигурация позволяет использовать два различных коэффициента завихрения, когда машина находится в режиме прямого и обратного завихрения, тем самым увеличивая диапазон регулирования на 4% при сохранении постоянной эффективности.
Благодаря использованию диффузора LS для рабочего колеса, обычно используемого в BAC, многоступенчатый КПД может быть увеличен до 89%. В сочетании с другими улучшениями эффективности это сокращает количество ступеней BAC, сохраняя при этом общую эффективность системы. Уменьшение количества ступеней устраняет необходимость в промежуточном охладителе, соответствующем трубопроводе технологического газа, а также в компонентах ротора и статора, что приводит к экономии средств до 10%. Кроме того, во многих случаях возможно объединение основного воздушного компрессора и дожимного компрессора в одном агрегате.
Как упоминалось ранее, между паровой турбиной и ВКВ обычно требуется промежуточная шестерня. Благодаря новой конструкции IGC от Siemens Energy эта промежуточная шестерня может быть интегрирована в редуктор путём добавления промежуточного вала между валом-шестерней и главной шестернёй (4 шестерни). Это позволяет снизить общую стоимость линии (основной компрессор и вспомогательное оборудование) до 4%.
Кроме того, 4-шестеренчатые передачи являются более эффективной альтернативой компактным спиральным двигателям для переключения с 6-полюсных на 4-полюсные двигатели в крупных главных воздушных компрессорах (если существует вероятность столкновения улитки или если будет снижена максимально допустимая скорость шестерни). ) прошлое.
Их использование также становится все более распространенным на нескольких рынках, важных для промышленной декарбонизации, включая тепловые насосы и компрессию пара, а также компрессию CO2 при разработке проектов улавливания, использования и хранения углерода (CCUS).
Компания Siemens Energy имеет богатый опыт разработки и эксплуатации межконтинентальных газовых турбин (IGC). Как показывают вышеупомянутые (и другие) исследования и разработки, мы стремимся постоянно совершенствовать эти машины, чтобы соответствовать уникальным требованиям и растущим требованиям рынка к снижению затрат, повышению эффективности и устойчивости. KT2