Автор: Лукас Біджіклі, менеджер з портфоліо продуктів, інтегровані зубчасті приводи, дослідження та розробки CO2-компресійних та теплових насосів, Siemens Energy.
Протягом багатьох років інтегрований шестерний компресор (IGC) був технологією вибору для установок розділення повітря. Це головним чином завдяки його високій ефективності, що безпосередньо призводить до зниження витрат на кисень, азот та інертний газ. Однак зростаюча увага до декарбонізації ставить нові вимоги до інтегрованих шестерних компресорів (IPC), особливо з точки зору ефективності та гнучкості регулювання. Капітальні витрати продовжують бути важливим фактором для операторів установок, особливо на малих та середніх підприємствах.
Протягом останніх кількох років компанія Siemens Energy ініціювала кілька дослідницьких та розробницьких (R&D) проектів, спрямованих на розширення можливостей міжкристалітного газорозподілу (IGC) для задоволення мінливих потреб ринку повітророзділення. У цій статті висвітлюються деякі конкретні вдосконалення конструкції, які ми внесли, та обговорюється, як ці зміни можуть допомогти досягти цілей наших клієнтів щодо скорочення витрат та викидів вуглецю.
Більшість сучасних повітророздільних установок оснащені двома компресорами: основним повітряним компресором (MAC) та компресором наддуву (BAC). Основний повітряний компресор зазвичай стискає весь потік повітря від атмосферного тиску приблизно до 6 бар. Частина цього потоку потім додатково стискається в BAC до тиску до 60 бар.
Залежно від джерела енергії, компресор зазвичай приводиться в рух паровою турбіною або електродвигуном. При використанні парової турбіни обидва компресори приводяться в рух однією турбіною через здвоєні кінці валів. У класичній схемі між паровою турбіною та гідроагрегатом встановлена проміжна шестерня (рис. 1).
Як у системах з електричним приводом, так і в системах з паровими турбінами, ефективність компресора є потужним важелем декарбонізації, оскільки вона безпосередньо впливає на споживання енергії установкою. Це особливо важливо для масляних газових установок, що приводяться в рух паровими турбінами, оскільки більша частина тепла для виробництва пари отримується в котлах, що працюють на викопному паливі.
Хоча електродвигуни є більш екологічною альтернативою приводам парових турбін, часто існує більша потреба в гнучкості керування. Багато сучасних повітророздільних установок, що будуються сьогодні, підключені до мережі та мають високий рівень використання відновлюваної енергії. Наприклад, в Австралії планується будівництво кількох екологічно чистих аміачних установок, які використовуватимуть повітророздільні установки (ВРУ) для виробництва азоту для синтезу аміаку та, як очікується, отримуватимуть електроенергію від сусідніх вітрових та сонячних електростанцій. На цих станціях гнучкість регулювання є критично важливою для компенсації природних коливань у виробництві електроенергії.
Компанія Siemens Energy розробила перший міжступінчастий компресор (раніше відомий як VK) у 1948 році. Сьогодні компанія виробляє понад 2300 агрегатів по всьому світу, багато з яких призначені для застосувань з витратою понад 400 000 м3/год. Наші сучасні гідрогенератори мають витрату до 1,2 мільйона кубічних метрів на годину в одному корпусі. До них належать безредукторні версії консольних компресорів зі співвідношенням тиску до 2,5 або вище в одноступеневих версіях та співвідношенням тиску до 6 у серійних версіях.
В останні роки, щоб задовольнити зростаючі вимоги до ефективності міжгалузевої конструкційної обробки (IGC), гнучкості регулювання та капітальних витрат, ми внесли деякі помітні вдосконалення конструкції, які коротко наведено нижче.
Змінний ККД низки робочих коліс, які зазвичай використовуються в першому ступені MAC, збільшується шляхом зміни геометрії лопатей. Завдяки цьому новому робочому колу можна досягти змінного ККД до 89% у поєднанні зі звичайними дифузорами LS та понад 90% у поєднанні з новим поколінням гібридних дифузорів.
Крім того, робоче колесо має число Маха вище 1,3, що забезпечує першому ступені вищу щільність потужності та коефіцієнт стиснення. Це також зменшує потужність, яку повинні передавати шестерні в триступеневих системах MAC, що дозволяє використовувати шестерні меншого діаметра та редуктори прямого приводу в перших ступенях.
Порівняно з традиційним повнорозмірним лопатевим дифузором LS, гібридний дифузор наступного покоління має підвищений ККД каскаду на 2,5% та коефіцієнт керування 3%. Це збільшення досягається шляхом змішування лопатей (тобто лопаті розділені на секції повної та часткової висоти). У цій конфігурації
Вихідний потік між робочим колесом та дифузором зменшується на частину висоти лопаті, яка розташована ближче до робочого колеса, ніж лопаті звичайного дифузора LS. Як і у звичайному дифузорі LS, передні кромки лопатей по всій довжині розташовані на однаковій відстані від робочого колеса, щоб уникнути взаємодії робочого колеса та дифузора, яка може пошкодити лопаті.
Часткове збільшення висоти лопатей ближче до робочого колеса також покращує напрямок потоку поблизу зони пульсації. Оскільки передня кромка повнорозмірної секції лопаті залишається того ж діаметра, що й у звичайного дифузора LS, лінія дросельної заслінки не змінюється, що дозволяє розширити діапазон застосування та налаштування.
Впорскування води передбачає впорскування крапель води в потік повітря у всмоктувальній трубці. Краплі випаровуються та поглинають тепло з потоку технологічного газу, тим самим знижуючи температуру на вході до стадії стиснення. Це призводить до зниження потреб в ізоентропічній потужності та збільшення ККД більш ніж на 1%.
Гартування вала шестерні дозволяє збільшити допустиме напруження на одиницю площі, що дозволяє зменшити ширину зуба. Це зменшує механічні втрати в коробці передач до 25%, що призводить до збільшення загального ККД до 0,5%. Крім того, витрати на головний компресор можна зменшити до 1%, оскільки у великій коробці передач використовується менше металу.
Це робоче колесо може працювати з коефіцієнтом потоку (φ) до 0,25 та забезпечує на 6% більший напір, ніж робочі колеса з кутом нахилу 65 градусів. Крім того, коефіцієнт потоку досягає 0,25, а в двопотоковій конструкції машини IGC об'ємний потік досягає 1,2 мільйона м3/год або навіть 2,4 мільйона м3/год.
Вище значення фі дозволяє використовувати робоче колесо меншого діаметра за того ж об'ємного потоку, тим самим знижуючи вартість основного компресора до 4%. Діаметр робочого колеса першого ступеня можна ще більше зменшити.
Більший напір досягається завдяки куту відхилення робочого колеса 75°, що збільшує складову окружної швидкості на виході та, таким чином, забезпечує вищий напір згідно з рівнянням Ейлера.
Порівняно з високошвидкісними та високоефективними робочими колесами, ефективність робочого колеса дещо знижується через більші втрати у спіралі. Це можна компенсувати, використовуючи равлика середнього розміру. Однак, навіть без цих спіралей, можна досягти змінного ККД до 87% при числі Маха 1,0 та коефіцієнті потоку 0,24.
Менша спіральна труба дозволяє уникнути зіткнень з іншими спіральними трубами при зменшенні діаметра великої шестерні. Оператори можуть заощадити кошти, перейшовши з 6-полюсного двигуна на високошвидкісний 4-полюсний двигун (від 1000 об/хв до 1500 об/хв), не перевищуючи максимально допустиму швидкість обертання шестерні. Крім того, це може зменшити витрати на матеріали для косозубих та великих шестерень.
Загалом, головний компресор може заощадити до 2% капітальних витрат, а двигун також може заощадити 2% капітальних витрат. Оскільки компактні спіральні компресори дещо менш ефективні, рішення про їх використання значною мірою залежить від пріоритетів клієнта (вартість проти ефективності) і має оцінюватися для кожного проекту окремо.
Для розширення можливостей керування, IGV може бути встановлений перед кількома етапами. Це разюче відрізняється від попередніх проектів IGC, які включали IGV лише до першого етапу.
У попередніх ітераціях міжкристалічного аналізу (IGC) коефіцієнт вихру (тобто кут другого IGV, поділений на кут першого IGV1) залишався постійним незалежно від того, чи був потік прямим (кут > 0°, зменшення напору) чи зворотним вихром (кут < 0°, тиск зростає). Це є недоліком, оскільки знак кута змінюється між позитивними та негативними вихрами.
Нова конфігурація дозволяє використовувати два різних коефіцієнти вихру, коли машина працює в прямому та зворотному вихровому режимі, тим самим збільшуючи діапазон керування на 4% при збереженні постійної ефективності.
Завдяки встановленню дифузора LS для робочого колеса, яке зазвичай використовується в компресорах повітряного повітря (BAC), багатоступеневий ККД можна збільшити до 89%. Це, у поєднанні з іншими покращеннями ККД, зменшує кількість ступенів BAC, зберігаючи при цьому загальний ККД технологічної лінії. Зменшення кількості ступенів усуває потребу в інтеркулере, супутніх трубопроводах технологічного газу, а також компонентах ротора та статора, що призводить до економії коштів на 10%. Крім того, у багатьох випадках можна поєднати основний повітряний компресор та допоміжний компресор в одній машині.
Як згадувалося раніше, між паровою турбіною та кондиціонером зазвичай потрібна проміжна шестерня. Завдяки новій конструкції міжфазного компресора від Siemens Energy, цю проміжну шестерню можна інтегрувати в коробку передач, додавши проміжний вал між валом-шестернею та великою шестернею (4 шестерні). Це може зменшити загальну вартість лінії (головний компресор плюс допоміжне обладнання) до 4%.
Крім того, 4-шестерні є ефективнішою альтернативою компактним спіральним двигунам для перемикання з 6-полюсних на 4-полюсні двигуни у великих головних повітряних компресорах (якщо існує ймовірність зіткнення спіральних колекторів або якщо максимально допустима швидкість обертання шестерні буде зменшена).
Їх використання також стає все більш поширеним на кількох ринках, важливих для промислової декарбонізації, включаючи теплові насоси та стиснення пари, а також стиснення CO2 у розробках систем уловлювання, використання та зберігання вуглецю (CCUS).
Компанія Siemens Energy має довгу історію проектування та експлуатації міжгалузевих газових котлів (IGC). Як свідчать вищезазначені (та інші) дослідницькі та розробницькі зусилля, ми прагнемо постійно впроваджувати інновації в ці машини, щоб задовольнити унікальні потреби застосувань та задовольняти зростаючі ринкові вимоги щодо зниження витрат, підвищення ефективності та підвищення екологічності. KT2
Час публікації: 28 квітня 2024 р.