Forfatter: Lukas Bijikli, produktporteføljeforvalter, integrerte girstasjoner, FoU CO2 -komprimering og varmepumper, Siemens Energy.
I mange år har den integrerte utstyrskompressoren (IGC) vært den valgte teknologien for luftseparasjonsanlegg. Dette skyldes hovedsakelig deres høye effektivitet, noe som direkte fører til reduserte kostnader for oksygen, nitrogen og inert gass. Imidlertid stiller det økende fokuset på avkarbonisering nye krav til IPC -er, 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 satt i gang flere forsknings- og utviklingsprosjekter (FoU) som tar sikte på å utvide IGC -evner for å imøtekomme de endrede behovene i luftseparasjonsmarkedet. Denne artikkelen belyser noen spesifikke designforbedringer vi har gjort og diskuterer hvordan disse endringene kan bidra til å oppfylle kundenes kostnads- og karbonreduksjonsmål.
De fleste luftseparasjonsenheter i dag er utstyrt med to kompressorer: en hovedluftkompressor (MAC) og en boost luftkompressor (BAC). Hovedluftkompressoren komprimerer typisk hele luftstrømmen fra atmosfæretrykk til omtrent 6 bar. En del av denne strømmen blir deretter ytterligere komprimert i BAC til et trykk på opptil 60 bar.
Avhengig av energikilden blir kompressoren vanligvis drevet av en dampturbin eller en elektrisk motor. Når du bruker en dampturbin, blir begge kompressorene drevet av den samme turbinen gjennom doble skaft ender. I det klassiske ordningen er et mellomutstyr installert mellom dampturbinen og HAC (fig. 1).
I både elektrisk drevne og dampturbintrevne systemer er kompressorens effektivitet en kraftig spak for dekarbonisering, da den direkte påvirker energiforbruket til enheten. Dette er spesielt viktig for MGP-er drevet av dampturbiner, siden det meste av varmen for dampproduksjon oppnås i fossile drivstoffdrangerte kjeler.
Selv om elektriske motorer gir et grønnere alternativ til dampturbinstasjoner, er det ofte et større behov for kontrollfleksibilitet. Mange moderne luftseparasjonsanlegg som bygges i dag er nettkoblet og har et høyt nivå av bruk av fornybar energi. I Australia er det for eksempel planer om å bygge flere grønne ammoniakkplanter som vil bruke luftseparasjonsenheter (ASUS) for å produsere nitrogen for ammoniakksyntese og forventes å få strøm fra nærliggende vind- og solfarmer. Hos disse plantene er regulatorisk fleksibilitet avgjørende for å kompensere for naturlige svingninger i kraftproduksjon.
Siemens Energy utviklet den første IGC (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 i timen i en bygning. Disse inkluderer girløse versjoner av konsollkompressorer med trykkforhold opp til 2,5 eller høyere i en-trinns versjoner og trykkforhold opp til 6 i serielle versjoner.
De siste årene, for å oppfylle økende krav om IGC -effektivitet, regulatorisk fleksibilitet og kapitalkostnader, har vi gjort noen bemerkelsesverdige designforbedringer, som er oppsummert nedenfor.
Den variable effektiviteten til et antall løpehjul som vanligvis brukes i det første Mac -trinnet økes ved å variere bladgeometrien. Med denne nye impelleren kan variabel effektivitet på opptil 89% oppnås i kombinasjon med konvensjonelle LS -diffusorer og over 90% i kombinasjon med den nye generasjonen hybrid diffusorer.
I tillegg har løpehjulet et MACH -tall høyere enn 1,3, noe som gir det første trinnet et høyere krafttetthet og kompresjonsforhold. Dette reduserer også kraften som gir i tretrinns MAC-systemer må overføre, noe som tillater bruk av tannhjul i mindre diameter og direkte drivgirkasser i de første trinnene.
Sammenlignet med den tradisjonelle LS Vane-diffusoren i full lengde, har neste generasjons hybrid diffusor en økt trinnseffektivitet på 2,5% og kontrollfaktor på 3%. Denne økningen oppnås ved å blande knivene (dvs. knivene er delt inn i seksjoner med full høyde og delvis høyde). I denne konfigurasjonen
Strømningsutgangen mellom løpehjulet og diffusoren reduseres med en del av bladhøyden som ligger nærmere løpehjulet enn bladene til en konvensjonell LS -diffusor. Som med en konvensjonell LS-diffusor, er de ledende kantene av knivene i full lengde like viktig fra løpehjulet for å unngå løpe-diffuser-interaksjon som kan skade bladene.
Delvis øker høyden på bladene nærmere løpehjulet forbedrer også strømningsretningen nær pulsasjonssonen. Fordi forkanten av vingeseksjonen i full lengde forblir den samme diameteren som en konvensjonell LS-diffusor, påvirkes ikke gasslinjen, noe som gir et bredere spekter av påføring og innstilling.
Vanninjeksjon innebærer å injisere vanndråper i luftstrømmen i sugrøret. Dråpene fordamper og absorberer varme fra prosessgassstrømmen, og reduserer dermed innløpstemperaturen til kompresjonsstadiet. Dette resulterer i en reduksjon i kravene til isentropisk kraft og en økning i effektiviteten på mer enn 1%.
Herding av girakselen lar deg øke det tillatte belastningen per arealenhet, noe som lar deg redusere tannbredden. Dette reduserer mekaniske tap i girkassen med opptil 25%, noe som resulterer i en økning i den samlede effektiviteten på opptil 0,5%. I tillegg kan hovedkompressorkostnadene reduseres med opptil 1% fordi mindre metall brukes i den store girkassen.
Denne impelleren kan operere med en strømningskoeffisient (φ) på opptil 0,25 og gir 6% mer hode enn 65 graders løpehjul. I tillegg når strømningskoeffisienten 0,25, og i dobbeltstrømningsdesignet til IGC-maskinen når den volumetriske strømmen 1,2 millioner m3/t eller til og med 2,4 millioner m3/t.
En høyere PHI -verdi tillater bruk av en impeller med mindre diameter ved samme volumstrøm, og reduserer dermed kostnadene for hovedkompressoren med opptil 4%. Diameteren til det første trinns impelleren kan reduseres ytterligere.
Det høyere hodet oppnås ved 75 ° løpehjulingsavbøyningsvinkelen, noe som øker omkretshastighetskomponenten ved utløpet og gir dermed høyere hode i henhold til Eulers ligning.
Sammenlignet med høyhastighets- og høyeffektivitetsopplysninger, reduseres løpehjulets effektivitet litt redusert på grunn av høyere tap i volum. Dette kan kompenseres for ved bruk av en mellomstor snegl. Selv uten disse voluttene kan imidlertid variabel effektivitet på opptil 87% oppnås ved et Mach -antall på 1,0 og en strømningskoeffisient på 0,24.
Den mindre volumet lar deg unngå kollisjoner med andre volutter når diameteren på det store giret reduseres. Operatører kan spare kostnader ved å bytte fra en 6-polet motor til en motor med høyere hastighet (1000 o / min til 1500 o / min) uten å overskride den maksimale tillatte girhastigheten. 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 volutes er noe mindre effektive, avhenger beslutningen om å bruke dem i stor grad av klientens prioriteringer (kostnad kontra effektivitet) og må vurderes på et prosjekt-for-prosjekt-grunnlag.
For å øke kontrollfunksjonene, kan IGV installeres foran flere trinn. Dette står i sterk kontrast til tidligere IGC -prosjekter, som bare inkluderte IGV -er frem til den første fasen.
I tidligere iterasjoner av IGC forble virvelkoeffisienten (dvs. vinkelen til den andre IGV delt med vinkelen til den første IGV1) konstant uavhengig av om strømmen var fremover (vinkel> 0 °, reduserende hode) eller omvendt virvel (vinkel <0). ° øker trykket). Dette er ugunstig fordi tegnet på vinkelen endres mellom positive og negative virvler.
Den nye konfigurasjonen gjør at to forskjellige virvelforhold kan brukes når maskinen er i fremover og bakover virvelmodus, og øker dermed kontrollområdet med 4% samtidig som den opprettholder konstant effektivitet.
Ved å inkorporere en LS-diffusor for impelleren som ofte brukes i BAC-er, kan flertrinns effektiviteten økes til 89%. Dette, kombinert med andre effektivitetsforbedringer, reduserer antall BAC -trinn mens du opprettholder den totale togeffektiviteten. Å redusere antall stadier eliminerer behovet for en intercooler, tilhørende prosessgassrør og rotor- og statorkomponenter, noe som resulterer i kostnadsbesparelser på 10%. I mange tilfeller er det i mange tilfeller mulig å kombinere hovedluftkompressoren og boosterkompressoren i en maskin.
Som nevnt tidligere er det vanligvis nødvendig med et mellomutstyr mellom dampturbinen og VAC. Med den nye IGC -designen fra Siemens Energy, kan dette tomgangsutstyret integreres i girkassen ved å legge til en tomgangsaksel mellom pinionakselen og det store giret (4 gir). Dette kan redusere den totale linjekostnaden (hovedkompressor pluss hjelpeutstyr) med opptil 4%.
I tillegg er 4-pinion gir et mer effektivt alternativ til kompakte rullemotorer for å bytte fra 6-polet til 4-polet motorer i store hovedluftkompressorer (hvis det er en mulighet for volut kollisjon eller hvis den maksimale tillatte pinionhastigheten vil bli redusert). ) fortid.
Deres bruk blir også mer vanlig i flere markeder som er viktige for industriell dekarbonisering, inkludert varmepumper og dampkompresjon, samt CO2 -komprimering i karbonfangst, utnyttelse og lagring (CCUS) utvikling.
Siemens Energy har en lang historie med utforming og drift av IGC -er. Som det fremgår av ovennevnte (og annen) forsknings- og utviklingsinnsats, er vi opptatt av å kontinuerlig innovere disse maskinene for å imøtekomme unike applikasjonsbehov og imøtekomme de voksende markedskravene for lavere kostnader, økt effektivitet og økt bærekraft. KT2
Post Time: Apr-28-2024