Автор: Лукас Биджикли, менеджер по ассортименту продукции, интегрированные зубчатые приводы, НИОКР по сжатию CO2 и тепловым насосам, Siemens Energy.
В течение многих лет компрессор с интегрированным редуктором (IGC) был технологией выбора для установок разделения воздуха. Это в основном связано с их высокой эффективностью, которая напрямую приводит к снижению затрат на кислород, азот и инертный газ. Однако растущее внимание к декарбонизации предъявляет новые требования к IPC, особенно с точки зрения эффективности и гибкости регулирования. Капитальные затраты продолжают оставаться важным фактором для операторов установок, особенно на малых и средних предприятиях.
За последние несколько лет Siemens Energy инициировала несколько научно-исследовательских и опытно-конструкторских проектов (НИОКР), направленных на расширение возможностей IGC для удовлетворения меняющихся потребностей рынка разделения воздуха. В этой статье освещаются некоторые конкретные усовершенствования конструкции, которые мы внесли, и обсуждается, как эти изменения могут помочь нашим клиентам достичь целей по затратам и сокращению выбросов углерода.
Большинство современных установок разделения воздуха оснащены двумя компрессорами: основным воздушным компрессором (MAC) и наддувочным воздушным компрессором (BAC). Основной воздушный компрессор обычно сжимает весь поток воздуха от атмосферного давления до примерно 6 бар. Часть этого потока затем дополнительно сжимается в BAC до давления до 60 бар.
В зависимости от источника энергии компрессор обычно приводится в действие паровой турбиной или электродвигателем. При использовании паровой турбины оба компрессора приводятся в действие одной и той же турбиной через сдвоенные концы вала. В классической схеме между паровой турбиной и ГАК устанавливается промежуточная передача (рис. 1).
В системах с электрическим приводом и паровыми турбинами эффективность компрессора является мощным рычагом декарбонизации, поскольку она напрямую влияет на потребление энергии агрегатом. Это особенно важно для MGP, приводимых в действие паровыми турбинами, поскольку большая часть тепла для производства пара получается в котлах, работающих на ископаемом топливе.
Хотя электродвигатели являются более экологичной альтернативой паровым турбинным приводам, часто возникает большая потребность в гибкости управления. Многие современные воздухоразделительные установки, которые строятся сегодня, подключены к сети и имеют высокий уровень использования возобновляемой энергии. Например, в Австралии есть планы построить несколько зеленых аммиачных установок, которые будут использовать воздухоразделительные установки (ASU) для производства азота для синтеза аммиака и, как ожидается, будут получать электроэнергию от близлежащих ветровых и солнечных электростанций. На этих установках гибкость регулирования имеет решающее значение для компенсации естественных колебаний в выработке электроэнергии.
Siemens Energy разработала первый IGC (ранее известный как VK) в 1948 году. Сегодня компания производит более 2300 единиц по всему миру, многие из которых предназначены для применений с расходом более 400 000 м3/ч. Наши современные MGP имеют расход до 1,2 млн кубометров в час в одном здании. К ним относятся безредукторные версии консольных компрессоров со степенью давления до 2,5 или выше в одноступенчатых версиях и степенью давления до 6 в серийных версиях.
В последние годы для удовлетворения растущих требований к эффективности IGC, гибкости регулирования и капитальным затратам мы внесли ряд существенных усовершенствований в конструкцию, которые кратко описаны ниже.
Переменная эффективность ряда рабочих колес, обычно используемых в первой ступени MAC, увеличивается за счет изменения геометрии лопаток. С этим новым рабочим колесом можно достичь переменной эффективности до 89% в сочетании с обычными диффузорами LS и более 90% в сочетании с новым поколением гибридных диффузоров.
Кроме того, рабочее колесо имеет число Маха выше 1,3, что обеспечивает первую ступень более высокой плотностью мощности и степенью сжатия. Это также снижает мощность, которую должны передавать шестерни в трехступенчатых системах MAC, что позволяет использовать шестерни меньшего диаметра и редукторы с прямым приводом на первых ступенях.
По сравнению с традиционным полноразмерным LS-лопастным диффузором гибридный диффузор следующего поколения имеет повышенную эффективность ступени на 2,5% и коэффициент управления на 3%. Это увеличение достигается за счет смешивания лопаток (т. е. лопатки разделены на секции полной высоты и частичной высоты). В этой конфигурации
Выход потока между рабочим колесом и диффузором уменьшается на часть высоты лопатки, которая расположена ближе к рабочему колесу, чем лопатки обычного диффузора LS. Как и в обычном диффузоре LS, передние кромки полноразмерных лопаток равноудалены 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 полноразмерной секции лопаток остается того же диаметра, что и у обычного диффузора LS, дроссельная линия не затрагивается, что обеспечивает более широкий диапазон применения и настройки.
Впрыск воды подразумевает впрыскивание капель воды в поток воздуха во всасывающей трубе. Капли испаряются и поглощают тепло из потока технологического газа, тем самым снижая температуру на входе в стадию сжатия. Это приводит к снижению требований к изоэнтропической мощности и повышению эффективности более чем на 1%.
Закалка вала-шестерни позволяет увеличить допустимое напряжение 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, можно снизить затраты на основной компрессор до 1%, поскольку в большом редукторе используется меньше металла.
Это рабочее колесо может работать с коэффициентом расхода (φ) до 0,25 и обеспечивает напор на 6% больше, чем рабочие колеса с углом наклона 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 phi позволяет использовать рабочее колесо меньшего диаметра при том же объемном расходе, тем самым снижая 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 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, эффективность рабочего колеса несколько снижена из-за более высоких потерь в улитке. Это можно компенсировать, используя улитку среднего размера. Однако даже без этих улиток можно достичь переменной эффективности до 87% при числе Маха 1,0 и коэффициенте расхода 0,24.
Меньшая спираль позволяет избежать столкновений с другими спиралью при уменьшении диаметра большой шестерни. Операторы могут сэкономить средства, переключившись с 6-полюсного двигателя на более скоростной 4-полюсный двигатель (1000–1500 об/мин), не превышая максимально допустимую скорость передачи. Кроме того, это может снизить материальные затраты на винтовые и большие шестерни.
В целом, главный 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 клиента (стоимость против эффективности) и должно оцениваться на основе каждого проекта.
Для повышения возможностей управления IGV может быть установлен перед несколькими ступенями. Это резко контрастирует с предыдущими проектами IGC, которые включали IGV только до первой фазы.
В более ранних итерациях IGC коэффициент вихря (т. е. угол второго IGV, деленный на угол первого IGV1) оставался постоянным независимо от того, был ли поток прямым (угол > 0°, уменьшая напор) или обратным вихрем (угол < 0°, давление увеличивается). Это невыгодно, поскольку знак угла меняется между положительными и отрицательными вихрями.
Новая конфигурация позволяет использовать два различных соотношения вихрей, когда машина находится в режиме прямого и обратного вихря, тем самым увеличивая диапазон регулирования на 4% при сохранении постоянной эффективности.
Включая диффузор LS для рабочего колеса, обычно используемого в BAC, можно увеличить многоступенчатую эффективность до 89%. Это, в сочетании с другими улучшениями эффективности, уменьшает количество ступеней BAC, сохраняя общую эффективность поезда. Уменьшение количества ступеней устраняет необходимость в промежуточном охладителе, сопутствующем трубопроводе технологического газа, а также компонентах ротора и статора, что приводит к экономии затрат в размере 10%. Кроме того, во многих случаях можно объединить главный воздушный компрессор и бустерный компрессор в одной машине.
Как упоминалось ранее, обычно требуется промежуточная передача между паровой турбиной и VAC. С новой конструкцией IGC от Siemens Energy эта промежуточная передача может быть интегрирована в редуктор путем добавления промежуточного вала между валом-шестерней и большой передачей (4 передачи). Это может снизить общую стоимость линии (главный компрессор плюс 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 больших 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 в разработках по улавливанию, использованию и хранению углерода (CCUS).
Siemens Energy имеет долгую историю проектирования и эксплуатации IGC. Как показывают вышеприведенные (и другие) усилия по исследованиям и разработкам, мы стремимся постоянно совершенствовать эти машины для удовлетворения уникальных потребностей приложений и удовлетворения растущего спроса рынка на снижение затрат, повышение эффективности и повышение устойчивости. KT2
Время публикации: 28-04-2024