Forfatter: Lukas Bijikli, produktporteføljeansvarlig, integrerte girmotorer, FoU CO2-kompresjon og varmepumper, Siemens Energy.
I mange år har integrerte girkompressorer (IGC) vært den foretrukne teknologien for luftseparasjonsanlegg. Dette skyldes hovedsakelig den høye effektiviteten, som direkte fører til reduserte kostnader for oksygen, nitrogen og inertgass. Det økende fokuset på dekarbonisering stiller imidlertid nye krav til integrerte girkompressorer, spesielt når det gjelder effektivitet og regulatorisk fleksibilitet. Kapitalutgifter fortsetter å være en viktig faktor for anleggsoperatører, spesielt i små og mellomstore bedrifter.
I løpet av de siste årene har Siemens Energy startet flere forsknings- og utviklingsprosjekter (FoU) som tar sikte på å utvide IGC-kapasiteten for å møte de skiftende behovene i markedet for luftseparasjon. Denne artikkelen fremhever noen spesifikke designforbedringer vi har gjort, og diskuterer hvordan disse endringene kan bidra til å nå kundenes mål for kostnads- og karbonreduksjon.
De fleste luftseparasjonsenheter i dag er utstyrt med to kompressorer: en hovedluftkompressor (MAC) og en boost-luftkompressor (BAC). Hovedluftkompressoren komprimerer vanligvis hele luftstrømmen fra atmosfæretrykk til omtrent 6 bar. En del av denne strømmen komprimeres deretter ytterligere i BAC til et trykk på opptil 60 bar.
Avhengig av energikilden drives kompressoren vanligvis av en dampturbin eller en elektrisk motor. Ved bruk av en dampturbin drives begge kompressorene av den samme turbinen via to akselender. I den klassiske ordningen er det installert et mellomgir mellom dampturbinen og HAC (fig. 1).
I både elektrisk drevne og dampturbindrevne systemer er kompressoreffektivitet en kraftig mekanisme for dekarbonisering, ettersom den direkte påvirker enhetens energiforbruk. Dette er spesielt viktig for MGP-er drevet av dampturbiner, siden mesteparten av varmen til dampproduksjon utvinnes i fossilt brenselfyrte kjeler.
Selv om elektriske motorer gir et grønnere alternativ til dampturbindrift, er det ofte et større behov for kontrollfleksibilitet. Mange moderne luftseparasjonsanlegg som bygges i dag er nettkoblet og har et høyt nivå av fornybar energibruk. I Australia er det for eksempel planer om å bygge flere grønne ammoniakkanlegg som vil bruke luftseparasjonsenheter (ASU-er) for å produsere nitrogen for ammoniakksyntese, og som forventes å motta strøm fra vind- og solparker i nærheten. Ved disse anleggene er regulatorisk fleksibilitet avgjørende for å kompensere for naturlige svingninger i kraftproduksjonen.
Siemens Energy utviklet den første IGC-en (tidligere kjent som VK) i 1948. I dag produserer selskapet mer enn 2300 enheter over hele verden, hvorav mange er designet for applikasjoner med strømningshastigheter på over 400 000 m3/t. Våre moderne MGP-er har en strømningshastighet på opptil 1,2 millioner kubikkmeter per time i én bygning. Disse inkluderer girløse versjoner av konsollkompressorer med trykkforhold opptil 2,5 eller høyere i ett-trinnsversjoner og trykkforhold opptil 6 i serieversjoner.
I de senere årene har vi gjort noen bemerkelsesverdige designforbedringer for å møte økende krav til IGC-effektivitet, regulatorisk fleksibilitet og kapitalkostnader, som er oppsummert nedenfor.
Den variable virkningsgraden til en rekke impeller som vanligvis brukes i det første MAC-trinnet økes ved å variere bladgeometrien. Med dette nye impelleret kan variabel virkningsgrad på opptil 89 % oppnås i kombinasjon med konvensjonelle LS-diffusorer og over 90 % i kombinasjon med den nye generasjonen hybriddiffusorer.
I tillegg har impelleren et Mach-tall høyere enn 1,3, noe som gir det første trinnet en høyere effekttetthet og kompresjonsforhold. Dette reduserer også effekten som gir i tretrinns MAC-systemer må overføre, noe som tillater bruk av gir med mindre diameter og direktedrevne girkasser i de første trinnene.
Sammenlignet med den tradisjonelle LS-lamelldiffusoren i full lengde, har neste generasjons hybriddiffusor en økt trinneffektivitet på 2,5 % og en kontrollfaktor på 3 %. Denne økningen oppnås ved å blande bladene (dvs. bladene er delt inn i seksjoner i full høyde og delvis høyde). I denne konfigurasjonen
Strømningsutgangen mellom løpehjulet og diffusoren reduseres med en del av bladhøyden som er plassert nærmere løpehjulet enn bladene på en konvensjonell LS-diffusor. Som med en konvensjonell LS-diffusor er forkantene på bladene i full lengde like langt fra løpehjulet for å unngå interaksjon mellom løpehjul og diffusor som kan skade bladene.
Delvis økning av høyden på bladene nærmere impelleren forbedrer også strømningsretningen nær pulseringssonen. Fordi forkanten av den fulllengde vingedelen forblir med samme diameter som en konvensjonell LS-diffusor, påvirkes ikke strupeledningen, noe som gir et bredere bruksområde og justering.
Vanninjeksjon innebærer å injisere vanndråper i luftstrømmen i sugerøret. Dråpene fordamper og absorberer varme fra prosessgasstrømmen, og reduserer dermed innløpstemperaturen til kompresjonstrinnet. Dette resulterer i en reduksjon i isentropisk effektbehov og en økning i effektiviteten på mer enn 1 %.
Herding av girakselen lar deg øke den tillatte spenningen per arealenhet, noe som gjør at du kan redusere tannbredden. Dette reduserer mekaniske tap i girkassen med opptil 25 %, noe som resulterer i en økning i total virkningsgrad på opptil 0,5 %. I tillegg kan kostnadene for hovedkompressoren reduseres med opptil 1 % fordi mindre metall brukes i den store girkassen.
Dette løpehjulet kan operere med en strømningskoeffisient (φ) på opptil 0,25 og gir 6 % mer trykkhøyde enn 65-graders løpehjul. I tillegg når strømningskoeffisienten 0,25, og i dobbeltstrømningsdesignet til IGC-maskinen når den volumetriske strømningen 1,2 millioner m3/t eller til og med 2,4 millioner m3/t.
En høyere phi-verdi tillater bruk av et løpehjul med mindre diameter ved samme volumstrøm, og reduserer dermed kostnadene for hovedkompressoren med opptil 4 %. Diameteren til førstetrinnsløpehjulet kan reduseres ytterligere.
Det høyere trykkhøyden oppnås ved 75° løpehjulsavbøyningsvinkel, som øker omkretshastighetskomponenten ved utløpet og dermed gir høyere trykkhøyde i henhold til Eulers ligning.
Sammenlignet med høyhastighets- og høyeffektive impellere er impellerens effektivitet noe redusert på grunn av høyere tap i spiralen. Dette kan kompenseres for ved å bruke en mellomstor snegle. Selv uten disse spiralene kan man imidlertid oppnå en variabel effektivitet på opptil 87 % ved et Mach-tall på 1,0 og en strømningskoeffisient på 0,24.
Den mindre spiralen lar deg unngå kollisjoner med andre spiraler når diameteren på det store giret reduseres. Operatører kan spare kostnader ved å bytte fra en 6-polet motor til en 4-polet motor med høyere hastighet (1000 o/min til 1500 o/min) uten å overskride maksimalt tillatt girhastighet. I tillegg kan det redusere materialkostnadene for spiralformede og store gir.
Totalt sett kan hovedkompressoren spare opptil 2 % i kapitalkostnader, pluss at motoren også kan spare 2 % i kapitalkostnader. Fordi kompakte pumpehus er noe mindre effektive, avhenger beslutningen om å bruke dem i stor grad av kundens prioriteringer (kostnad kontra effektivitet) og må vurderes prosjekt for prosjekt.
For å øke kontrollmulighetene kan IGV-en installeres foran flere etapper. Dette står i sterk kontrast til tidligere IGC-prosjekter, som bare inkluderte IGV-er frem til første fase.
I tidligere iterasjoner av IGC forble virvelkoeffisienten (dvs. vinkelen til den andre IGV-en delt på vinkelen til den første IGV-en) konstant uavhengig av om strømningen var forover (vinkel > 0°, reduserende trykk) eller revers virvel (vinkel < 0). Ved 1 ° øker trykket. Dette er en ulempe fordi fortegnet på vinkelen endres mellom positive og negative virvler.
Den nye konfigurasjonen tillater bruk av to forskjellige virvelforhold når maskinen er i virvelmodus forover og bakover, og øker dermed kontrollområdet med 4 % samtidig som konstant effektivitet opprettholdes.
Ved å innlemme en LS-diffusor for løpehjulet som vanligvis brukes i BAC-er, kan flertrinnseffektiviteten økes til 89 %. Dette, kombinert med andre effektivitetsforbedringer, reduserer antallet BAC-trinn samtidig som den totale togeffektiviteten opprettholdes. Å redusere antallet trinn eliminerer behovet for en intercooler, tilhørende prosessgassrør og rotor- og statorkomponenter, noe som resulterer i kostnadsbesparelser på 10 %. I tillegg er det i mange tilfeller mulig å kombinere hovedluftkompressoren og boosterkompressoren i én maskin.
Som nevnt tidligere kreves det vanligvis et mellomgir mellom dampturbinen og VAC-en. Med den nye IGC-designen fra Siemens Energy kan dette tomgangsgiret integreres i girkassen ved å legge til en tomgangsaksel mellom pinjongakselen og det store giret (4 gir). Dette kan redusere de totale linjekostnadene (hovedkompressor pluss tilleggsutstyr) med opptil 4 %.
I tillegg er 4-tannhjulsgir et mer effektivt alternativ til kompakte scrollmotorer for å bytte fra 6-polede til 4-polede motorer i store hovedluftkompressorer (hvis det er mulighet for spiralkollisjon eller hvis maksimalt tillatt tannhjulhastighet reduseres).
Bruken av dem blir også mer vanlig i flere markeder som er viktige for industriell dekarbonisering, inkludert varmepumper og dampkompresjon, samt CO2-kompresjon i utvikling av karbonfangst, -utnyttelse og -lagring (CCUS).
Siemens Energy har en lang historie med design og drift av IGC-er. Som det fremgår av ovennevnte (og annen) forsknings- og utviklingsarbeid, er vi forpliktet til kontinuerlig å innovere disse maskinene for å møte unike applikasjonsbehov og møte de økende markedskravene om lavere kostnader, økt effektivitet og økt bærekraft. KT2
Publisert: 28. april 2024