Автор: Lukas Bijikli, менеджер продуктів, інтегровані приводки передач, стиснення та теплові насоси R&D, Siemens Energy.
Протягом багатьох років інтегрований компресор передач (IGC) був технологією вибору для електропорядку. В основному це пов'язано з їх високою ефективністю, що безпосередньо призводить до зниження витрат на кисень, азот та інертний газ. Однак зростаюча спрямованість на декарбонізацію ставить нові вимоги до МПК, особливо з точки зору ефективності та гнучкості регуляторів. Капітальні витрати продовжують залишатися важливим фактором для операторів рослин, особливо на малих та середніх підприємствах.
За останні кілька років Siemens Energy ініціювала кілька проектів з досліджень та розробок (НДДКР), спрямованих на розширення можливостей IGC для задоволення мінливих потреб ринку поділу повітря. У цій статті висвітлюються деякі конкретні вдосконалення дизайну, які ми зробили, та обговорює, як ці зміни можуть допомогти відповідати витратам наших клієнтів та цілям зменшення вуглецю.
Більшість одиниць поділу повітря сьогодні оснащені двома компресорами: основним повітряним компресором (MAC) та компресором Boost Air (BAC). Основний повітряний компресор зазвичай стискає весь потік повітря від атмосферного тиску до приблизно 6 бар. Потім частину цього потоку подальше стискається в BAC до тиску до 60 бар.
Залежно від джерела енергії, компресор зазвичай керують паровою турбіною або електричним двигуном. При використанні паровної турбіни обидва компресори керуються однією і тією ж турбіною через кінці вала -близнюків. У класичній схемі між паровою турбіною та HAC встановлюється проміжна передача (рис. 1).
Як в системах, керованих електричним, так і на парових турбінах, ефективність компресора є потужним важелем для декарбонізації, оскільки це безпосередньо впливає на споживання енергії пристрою. Це особливо важливо для MGP, керованих паровими турбінами, оскільки більша частина тепла для виробництва пари отримується в котлах, що працюють на викопному паливі.
Хоча електричні двигуни надають більш зелену альтернативу накопичувачам парових турбін, часто виникає більша потреба в контрольній гнучкості. Багато сучасних заводів, що будуються сьогодні, пов'язані з сіткою та мають високий рівень використання відновлюваної енергії. Наприклад, в Австралії планується побудувати кілька зелених рослин аміаку, які використовуватимуть блоки поділу повітря (ASUS) для отримання азоту для синтезу аміаку і, як очікується, отримуватимуть електроенергію з сусідніх вітрових та сонячних ферм. На цих рослинах регуляторна гнучкість має вирішальне значення для компенсації природних коливань виробництва електроенергії.
Siemens Energy розробив перший IGC (раніше відомий як VK) у 1948 році. Сьогодні компанія виробляє понад 2300 одиниць у всьому світі, багато з яких розроблені для застосувань зі швидкістю потоку, що перевищує 400 000 м3/год. Наші сучасні MGP мають витрата до 1,2 мільйона кубічних метрів на годину в одній будівлі. До них належать версії компресорів консолі без передач із співвідношеннями тиску до 2,5 або вище у одноетапних версіях та коефіцієнтах тиску до 6 у серійних версіях.
В останні роки, щоб задовольнити зростаючі вимоги до ефективності IGC, регуляторної гнучкості та капітальних витрат, ми зробили деякі помітні вдосконалення дизайну, які узагальнені нижче.
Змінна ефективність ряду крильчатки, як правило, використовується на першій стадії Mac, збільшується за рахунок зміни геометрії леза. За допомогою цього нового крильчатки змінна ефективність до 89% може бути досягнута в поєднанні зі звичайними дифузорами LS та понад 90% у поєднанні з новим поколінням гібридних дифузорів.
Крім того, у крильчатки є число Маха вище 1,3, що забезпечує перший етап з більш високою щільністю потужності та стисненням. Це також зменшує живлення, яка повинна передавати передачі в триступеневих системах Mac, що дозволяє використовувати передачі менших діаметрів та прямі коробки передач приводу на перших етапах.
Порівняно з традиційним дифузором LS-лопатки в повному обсязі, гібридний дифузор наступного покоління має підвищену ефективність стадії 2,5% та контрольний коефіцієнт 3%. Це збільшення досягається шляхом змішування лопатей (тобто леза поділяються на розділи повної висоти та часткової висоти). У цій конфігурації
Вихід потоку між крильчаткою та дифузором зменшується на частину висоти леза, яка розташована ближче до крильчатки, ніж лопатки звичайного дифузора LS. Як і у випадку звичайного дифузора LS, провідні краї лопатей на повну довжину є рівновіддаленими від крильчатки, щоб уникнути взаємодії дифузера, що може пошкодити лопаті.
Частково збільшення висоти лопатей ближче до крильчатки також покращує напрямок потоку поблизу зони пульсації. Оскільки передній край деталей на повну лопатку залишається тим самим діаметром, що і звичайний дифузор LS, лінія дросельної заслінки не впливає, що забезпечує більш широкий спектр застосування та настройки.
Введення води передбачає введення крапель води в повітряний потік у всмоктувальній трубці. Краплі випаровуються і поглинають тепло від потоку технологічного газу, тим самим зменшуючи температуру на вході до стадії стиснення. Це призводить до зниження вимог до зізенропної потужності та підвищення ефективності понад 1%.
Затвердіння валу передач дозволяє збільшити допустимий стрес на область одиниці, що дозволяє зменшити ширину зуба. Це зменшує механічні втрати в коробці передач до 25%, що призводить до підвищення загальної ефективності до 0,5%. Крім того, основні витрати на компресор можна зменшити до 1%, оскільки у великій коробці передач використовується менше металу.
Цей крильчатка може працювати з коефіцієнтом потоку (φ) до 0,25 і забезпечує на 6% більше голови, ніж 65 градусів. Крім того, коефіцієнт потоку досягає 0,25, а в конструкції подвійного потоку машини IGC об'ємний потік досягає 1,2 млн м3/год або навіть 2,4 млн м3/год.
Більш високе значення PHI дозволяє використовувати менший діаметр робочого колеса при такому ж обсягах, тим самим зменшуючи вартість основного компресора до 4%. Діаметр крильчатки першої стадії можна ще більше зменшити.
Більш висока головка досягається за допомогою кута відхилення 75 °, що збільшує компонент окружної швидкості на виході і, таким чином, забезпечує більш високу головку відповідно до рівняння Ейлера.
Порівняно з високошвидкісними та високоефективними інгуляторами, ефективність крильчатки дещо знижується через більш високі втрати в волюті. Це можна компенсувати за допомогою равлика середнього розміру. Однак, навіть без цих вологів, змінна ефективність до 87% може бути досягнута при номері Маха 1,0 та коефіцієнт потоку 0,24.
Менша володіння дозволяє уникати зіткнень з іншими волютами, коли діаметр великої передачі зменшується. Оператори можуть заощадити витрати, перемикаючись від 6-полюсного двигуна на висоту швидкості 4 полюсного двигуна (від 1000 об / хв до 1500 об / хв), не перевищуючи максимально допустимій швидкості передачі. Крім того, це може зменшити матеріальні витрати на спіральні та великі передачі.
Загалом, головний компресор може заощадити до 2% капітальних витрат, плюс двигун також може заощадити 2% капітальних витрат. Оскільки компактні волюти є дещо менш ефективними, рішення про їх використання багато в чому залежить від пріоритетів клієнта (вартість та ефективність) і повинно бути оцінено на основі проекту.
Для збільшення можливостей управління IGV можна встановити перед декількома етапами. Це на відміну від попередніх проектів IGC, які включали лише IGV до першої фази.
У попередніх ітераціях IGC коефіцієнт вихору (тобто кут другого IGV, поділений на кут першого IGV1), залишався постійним незалежно від того, чи був потік вперед (кут> 0 °, зменшення головки) або зворотного вихору (кут <0). °, тиск збільшується). Це невигідно, оскільки ознака кута змінюється між позитивними та негативними вихорами.
Нова конфігурація дозволяє використовувати два різних видовищних співвідношень, коли машина знаходиться в режимі вперед та зворотного вихору, тим самим збільшуючи діапазон управління на 4%, зберігаючи постійну ефективність.
Включивши дифузор LS для крильчатки, яке зазвичай використовується в BAC, багатоступенева ефективність може бути підвищена до 89%. Це в поєднанні з іншими підвищенням ефективності зменшує кількість стадій BAC, зберігаючи загальну ефективність поїздів. Зменшення кількості етапів усуває необхідність інтеркулера, пов'язаних з цим процесів, а також компоненти ротора та статора, що призводить до економії витрат на 10%. Крім того, у багатьох випадках можна поєднати основний повітряний компресор та компресор підсилювача в одній машині.
Як згадувалося раніше, проміжну передачу зазвичай потрібна між паровною турбіною та вакуукою. Завдяки новому дизайну IGC від Siemens Energy, ця передача холостого ходу може бути інтегрована в коробку передач, додавши вал холостого ходу між валом шестерні та великою передачею (4 передач). Це може зменшити загальну вартість лінії (основний компресор плюс допоміжне обладнання) до 4%.
Крім того, 4-пілотні передачі є більш ефективною альтернативою для компактних двигунів прокрутки для переходу від 6-полюсних до 4-полюсних двигунів у великих основних повітряних компресорах (якщо є можливість зіткнення волю або якщо максимально допустима швидкість шпильки буде зменшена). ) минуле.
Їх використання також стає все більш поширеним на кількох ринках, важливих для промислової декарбонізації, включаючи теплові насоси та стиснення пари, а також стиснення СО2 при захопленні, використанням вуглецю та зберігання (CCU).
Siemens Energy має довгу історію проектування та експлуатації IGC. Як свідчить вищезазначені (та інші) зусилля з досліджень та розробок, ми прагнемо постійно впроваджувати ці машини для задоволення унікальних потреб у застосуванні та задовольнити зростаючі потреби на ринку щодо зниження витрат, підвищення ефективності та підвищення стійкості. KT2
Час посади: квітня-28-2024