Автор: Lukas Bijikli, менеджер портфеля продуктов, интегрированные шестерни, сжатие R & D CO2 и тепловые насосы, Siemens Energy.
В течение многих лет интегрированный компрессор передачи (IGC) был технологией выбора для заводов для разделения воздуха. В основном это связано с их высокой эффективностью, которая непосредственно приводит к снижению затрат на кислород, азот и инертный газ. Тем не менее, растущее внимание на декарбонизации придает новые требования на МПК, особенно с точки зрения эффективности и регулирующей гибкости. Капитальные затраты по-прежнему остаются важным фактором для операторов растений, особенно на малых и средних предприятиях.
За последние несколько лет Siemens Energy инициировала несколько проектов исследований и разработок (НИОКР), направленных на расширение возможностей IGC для удовлетворения изменяющихся потребностей рынка отделения воздуха. В этой статье подчеркиваются некоторые конкретные улучшения дизайна, которые мы сделали, и обсуждается, как эти изменения могут помочь в достижении целей наших клиентов и сокращении затрат на углерод.
Большинство единиц отделения воздуха сегодня оснащены двумя компрессорами: основным воздушным компрессором (MAC) и воздушным компрессором Boost (BAC). Основной воздушный компрессор обычно сжимает весь поток воздуха от атмосферного давления примерно до 6 бар. Часть этого потока затем дополнительно сжимается в BAC 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 управляются одной и той же турбиной через концы двойного вала. В классической схеме между паровой турбиной и HAC устанавливается промежуточная передача (рис. 1).
Как в системах с электрическим приводом, так и в паровых турбинных системах эффективность компрессора является мощным рычагом для декарбонизации, поскольку она напрямую влияет на энергопотребление устройства. Это особенно важно для MGP, управляемых паровыми турбинами, так как большая часть тепла для производства пара получает в котлах ископаемого топлива.
Хотя электродвигатели обеспечивают более экологичную альтернативу паровым турбинным приводам, часто существует большая потребность в гибкости контроля. Многие современные заводы для разделения воздуха, строящие сегодня, связаны с сетью и имеют высокий уровень использования возобновляемой энергии. Например, в Австралии существуют планы построить несколько зеленых заводов аммиака, которые будут использовать единицы отделения воздуха (ASU) для производства азота для синтеза аммиака и, как ожидается, будут получать электричество от близлежащих ветровых и солнечных ферм. На этих растениях регуляторная гибкость имеет решающее значение для компенсации естественных колебаний при производстве 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 расходами, превышающими 400 000 м3/ч. Наши современные MGP имеют скорость потока до 1,2 миллиона кубических метров в час в одном здании. Они включают в себя версии консольных компрессоров с коэффициентами давления до 2,5 или выше в одностадийных версиях и соотношениях давления до 6 в последовательных версиях.
В последние годы, чтобы удовлетворить растущие требования к эффективности IGC, гибкости регулирования и капитальных затрат, мы сделали некоторые заметные улучшения дизайна, которые приведены ниже.
Переменная эффективность ряда бурделлеров, обычно используемых на первой стадии Mac, повышается за счет изменения геометрии лезвия. С помощью этого нового рабочего колеса переменная эффективность до 89% может быть достигнута в сочетании с обычными диффузорами LS и более 90% в сочетании с гибридными диффузорами нового поколения.
Кроме того, рабочее колесо имеет число MACH выше 1,3, которое обеспечивает первую стадию с более высокой плотностью мощности и сжатием. Это также уменьшает мощность, которая должна передавать трехступенчатые системы MAC, что позволяет использовать шестерни меньшего диаметра и прямые приводные коробки на первых этапах.
По сравнению с традиционным полноразмерным диффузором LS LS, гибридный диффузор следующего поколения имеет повышенную эффективность стадии 2,5% и контрольный коэффициент 3%. Это увеличение достигается путем смешивания лезвий (то есть лопасти разделены на полную высоту и частичную высоту). В этой конфигурации
Выход потока между рабочим колесом и диффузором уменьшается на часть высоты лезвия, которая расположена ближе к рабочему колесе, чем лезвия обычного диффузора LS. Как и в случае с обычным диффузором LS, ведущие края полных лезвий являются равноудаленными от рабочего колеса, чтобы избежать взаимодействия рабочего колеса-диффуриста, которое может повредить лопастям.
Частично увеличение высоты лезвий ближе к рабочему колесе также улучшает направление потока вблизи зоны пульсации. Поскольку передний край полноразмерного участка лопасти остается тем же диаметром, что и обычный диффузор LS, линия дроссельной заслонки не зависит, что позволяет иметь более широкий диапазон применения и настройки.
Инъекция воды включает в себя впрыскивание капель воды в воздушный поток в всасывающую трубку. Капли испаряются и поглощают тепло от потока газового потока процесса, тем самым снижая температуру входа до стадии сжатия. Это приводит к снижению требований к изентропной мощности и повышению эффективности более чем на 1%.
Утверждение вала передачи позволяет увеличить допустимое напряжение на единицу площади, что позволяет уменьшить ширину зуба. Это уменьшает механические потери в коробке передач до 25%, что приводит к повышению общей эффективности до 0,5%. Кроме того, основные затраты на компрессор могут быть снижены до 1%, поскольку в большой коробке передач используется меньше металла.
Это рабочее колесо может работать с коэффициентом потока (φ) до 0,25 и обеспечивает 6% более 65 градусов носителей. Кроме того, коэффициент потока достигает 0,25, а в конструкции двойного потока машины IGC объемный поток достигает 1,2 миллиона м3/ч или даже 2,4 миллиона м3/ч.
Более высокое значение PHI позволяет использовать рабочее колесо меньшего диаметра при одном и том же объемном потоке, тем самым снижая стоимость основного компрессора до 4%. Диаметр рабочего колеса первой стадии может быть уменьшен еще дальше.
Более высокая головка достигается под углом отклонения рабочего колеса 75 °, который увеличивает компонент скорости окружности на выходе и, таким образом, обеспечивает более высокую головку в соответствии с уравнением Эйлера.
По сравнению с высокоскоростными и высокоэффективными рабочими колесами эффективность рабочего колеса немного снижена из-за более высоких потерь в Volute. Это может быть компенсировано с помощью улитки среднего размера. Тем не менее, даже без этих объемов, переменная эффективность до 87% может быть достигнута с номером 1,0 и коэффициентом потока 0,24.
Меньший Volute позволяет избежать столкновений с другими воликами, когда диаметр большой передачи уменьшается. Операторы могут сэкономить затраты, переключаясь с 6-полюсного двигателя на более высокий 4-полюсный двигатель (от 1000 об / мин до 1500 об / мин) без превышения максимально допустимой скорости передачи. Кроме того, это может снизить затраты на материалы для спиральных и больших передач.
В целом, основной компрессор может сэкономить до 2% капитальных затрат, плюс двигатель также может сэкономить 2% в капитальных затратах. Поскольку компактные объемы несколько менее эффективны, решение об использовании их в значительной степени зависит от приоритетов клиента (стоимость против эффективности) и должно оцениваться на основе проекта.
Чтобы увеличить возможности управления, IGV может быть установлен перед несколькими этапами. Это резко контрастирует с предыдущими проектами IGC, которые включали IGV только до первого этапа.
В более ранних итерациях IGC коэффициент вихря (то есть угол второго IGV, деленного на угол первого IgV1) оставался постоянным, независимо от того, был ли поток вперед (угол> 0 °, уменьшающая головка) или обратный вихрек (угол <0). °, давление увеличивается). Это невыгодно, потому что признак угла изменяется между положительными и отрицательными вихрями.
Новая конфигурация позволяет использовать два разных коэффициента вихря, когда машина находится в режиме прямого и обратного вихря, тем самым увеличивая диапазон управления на 4%, сохраняя при этом постоянную эффективность.
Включая диффузор LS для рабочего колеса, обычно используемого в BAC, многоэтапная эффективность может быть увеличена до 89%. Это в сочетании с другими повышениями эффективности уменьшает количество стадий BAC, сохраняя при этом общую эффективность поезда. Сокращение количества этапов устраняет необходимость в промежуточном охладителе, связанном процессе газопроизводных трубопроводах, а также компонентах ротора и статора, что приводит к экономии средств в размере 10%. Кроме того, во многих случаях можно объединить основной воздушный компрессор и усилитель в одной машине.
Как упоминалось ранее, между паровой турбиной и VAC обычно требуется промежуточная передача. С новой конструкцией IGC от Siemens Energy, эта промежуточная передача может быть интегрирована в коробку передач, добавив вал на холостом ходу между валом шестерни и большой передачей (4 передачи). Это может снизить общую стоимость линии (основной компрессор плюс вспомогательное оборудование) до 4%.
Кроме того, 4-пиновые шестерни являются более эффективной альтернативой компактным двигателям прокрутки для переключения с 6-полюсных на 4-полюсных двигателей в больших основных воздушных компрессорах (если есть вероятность приведенного на столк или если максимальная допустимая скорость шестерни будет уменьшена). ) прошлое.
Их использование также становится все более распространенным на нескольких рынках, важных для промышленной декарбонизации, включая тепловые насосы и сжатие пара, а также сжатие CO2 в разработке углерода, использования и хранения (CCU).
Siemens Energy имеет долгую историю проектирования и эксплуатации IGC. Как свидетельствуют вышеупомянутые (и другие) исследовательские и разработки, мы стремимся постоянно инновация этих машин для удовлетворения уникальных потребностей в применении и удовлетворения растущих рыночных потребностей в отношении более низких затрат, повышения эффективности и повышения устойчивости. KT2
Пост времени: апрель-28-2024