Författare: Lukas Bijikli, produktportföljförvaltare, integrerade växelenheter, FoU CO2 -komprimering och värmepumpar, Siemens Energy.
Under många år har den integrerade växelkompressorn (IGC) varit den teknik som valts för luftseparationsanläggningar. Detta beror främst på deras höga effektivitet, vilket direkt leder till minskade kostnader för syre, kväve och inert gas. Det växande fokuset på avkolning ställer emellertid nya krav på IPC: er, särskilt när det gäller effektivitet och regleringsflexibilitet. Kapitalutgifterna är fortfarande en viktig faktor för anläggningsoperatörer, särskilt i små och medelstora företag.
Under de senaste åren har Siemens Energy initierat flera forsknings- och utvecklingsprojekt (FoU) som syftar till att utöka IGC -kapacitet för att tillgodose de förändrade behoven på luftseparationsmarknaden. Den här artikeln belyser några specifika designförbättringar som vi har gjort och diskuterar hur dessa förändringar kan hjälpa till att möta våra kunders kostnads- och kolmineringsmål.
De flesta luftseparationsenheter är idag utrustade med två kompressorer: en huvudluftkompressor (MAC) och en boost luftkompressor (BAC). Den huvudsakliga luftkompressorn komprimerar vanligtvis hela luftflödet från atmosfärstrycket till cirka 6 bar. En del av detta flöde komprimeras sedan ytterligare i BAC till ett tryck på upp till 60 bar.
Beroende på energikällan drivs kompressorn vanligtvis av en ångturbin eller en elmotor. När man använder en ångturbin drivs båda kompressorerna av samma turbin genom tvillingaxlar. I det klassiska schemat installeras en mellanväxel mellan ångturbinen och HAC (fig. 1).
I både elektriskt drivna och ångturbindrivna system är kompressoreffektiviteten en kraftfull spak för avkolning eftersom det direkt påverkar enhetens energiförbrukning. Detta är särskilt viktigt för MGP: er som drivs av ångturbiner, eftersom det mesta av värmen för ångproduktion erhålls i fossila bränslepannor.
Även om elektriska motorer ger ett grönare alternativ till ångturbindrivning, finns det ofta ett större behov av kontrollflexibilitet. Många moderna luftseparationsanläggningar som byggs idag är nätanslutna och har en hög nivå av förnybar energianvändning. I Australien finns det till exempel planer på att bygga flera gröna ammoniakväxter som kommer att använda luftseparationsenheter (ASUS) för att producera kväve för ammoniaksyntes och förväntas få el från närliggande vind- och solodlingar. Vid dessa växter är reglerande flexibilitet avgörande för att kompensera för naturliga fluktuationer i kraftproduktion.
Siemens Energy utvecklade den första IGC (tidigare känd som VK) 1948. Idag producerar företaget mer än 2 300 enheter över hela världen, av vilka många är utformade för applikationer med flödeshastigheter över 400 000 m3/h. Våra moderna MGP: er har en flödeshastighet på upp till 1,2 miljoner kubikmeter per timme i en byggnad. Dessa inkluderar växelfria versioner av konsolkompressorer med tryckförhållanden upp till 2,5 eller högre i enstegsversioner och tryckförhållanden upp till 6 i seriella versioner.
Under de senaste åren, för att möta ökande krav på IGC -effektivitet, regleringsflexibilitet och kapitalkostnader, har vi gjort några anmärkningsvärda designförbättringar, som sammanfattas nedan.
Den variabla effektiviteten för ett antal impeller som vanligtvis används i det första MAC -steget ökas genom att variera bladgeometri. Med detta nya impeller kan variabla effektivitet på upp till 89% uppnås i kombination med konventionella LS -diffusorer och över 90% i kombination med den nya generationen av hybriddiffusorer.
Dessutom har impeller ett Mach -nummer högre än 1,3, vilket ger det första steget med ett högre effektdensitet och kompressionsförhållande. Detta minskar också kraften som växlar i tre-stegs MAC-system måste överföra, vilket möjliggör användning av mindre diameterväxlar och direktdrivväxellådor i de första stegen.
Jämfört med den traditionella fullängds LS-skoveldiffusorn har nästa generations hybriddiffusor en ökad sceneffektivitet på 2,5% och kontrollfaktor på 3%. Denna ökning uppnås genom att blanda bladen (dvs. bladen är uppdelade i sektioner med full höjd och partiell höjd). I denna konfiguration
Flödesutgången mellan pumphjulet och diffusorn reduceras med en del av bladhöjden som är belägen närmare pumphjulet än bladen i en konventionell LS -diffusor. Liksom med en konventionell LS-diffusor är de främsta kanterna på fullängdsbladen lika med pumphjulet för att undvika impeller-diffuser-interaktion som kan skada bladen.
Delvis ökar höjden på bladen närmare pumphjulet förbättrar också flödesriktningen nära pulsationszonen. Eftersom den främre kanten på den fulla vinge-sektionen förblir samma diameter som en konventionell LS-diffusor, påverkas gaslinjen inte, vilket möjliggör ett bredare utbud av applicering och inställning.
Vatteninjektion involverar injicering av vattendroppar i luftströmmen i sugröret. Dropparna avdunstar och absorberar värme från processgasströmmen och reducerar därmed inloppstemperaturen till kompressionssteget. Detta resulterar i en minskning av isentropiska kraftkrav och en ökning av effektiviteten på mer än 1%.
Att härda växelaxeln gör att du kan öka den tillåtna spänningen per enhetsarea, vilket gör att du kan minska tandbredden. Detta minskar mekaniska förluster i växellådan med upp till 25%, vilket resulterar i en ökning av den totala effektiviteten på upp till 0,5%. Dessutom kan huvudkompressorkostnaderna sänkas med upp till 1% eftersom mindre metall används i den stora växellådan.
Detta pumphjul kan arbeta med en flödeskoefficient (φ) på upp till 0,25 och ger 6% mer huvud än 65 graders impeller. Dessutom når flödekoefficienten 0,25, och i IGC-maskinens dubbelflödesdesign når det volymetriska flödet 1,2 miljoner m3/h eller till och med 2,4 miljoner m3/h.
Ett högre PHI -värde möjliggör användning av en mindre diameter pumphjul vid samma volymflöde, vilket minskar kostnaden för huvudkompressorn med upp till 4%. Diametern för det första stegets pumphjul kan minskas ytterligare.
Det högre huvudet uppnås med 75 ° pumphjulsavböjningsvinkeln, vilket ökar den omkretshastighetskomponenten vid utloppet och ger därmed högre huvud enligt Eulers ekvation.
Jämfört med höghastighets- och högeffektivt impeller, reduceras impellerens effektivitet något på grund av högre förluster i volymen. Detta kan kompenseras för genom att använda en medelstor snigel. Även utan dessa volym kan variabel effektivitet på upp till 87% uppnås vid ett MACH -antal på 1,0 och en flödekoefficient på 0,24.
Den mindre volymen gör att du kan undvika kollisioner med andra volym när diametern på den stora växeln reduceras. Operatörer kan spara kostnader genom att byta från en 6-polig motor till en högre hastighet 4-polig motor (1000 varv / minut till 1500 varv / minut) utan att överskrida den maximala tillåtna växelhastigheten. Dessutom kan det minska materialkostnaderna för spiralformade och stora växlar.
Sammantaget kan huvudkompressorn spara upp till 2% i kapitalkostnader, plus motorn kan också spara 2% i kapitalkostnader. Eftersom kompakta volym är något mindre effektiva beror beslutet att använda dem till stor del på klientens prioriteringar (kostnad kontra effektivitet) och måste bedömas på projekt-för-projektbasis.
För att öka kontrollfunktionerna kan IGV installeras framför flera steg. Detta står i skarp kontrast till tidigare IGC -projekt, som endast inkluderade IGV: er upp till den första fasen.
I tidigare iterationer av IGC förblev virvelkoefficienten (dvs. vinkeln på den andra IgV dividerat med vinkeln på den första Igv1) konstant oavsett om flödet var framåt (vinkel> 0 °, reducerande huvud) eller omvänd virvel (vinkel <0). °, trycket ökar). Detta är nackdel eftersom tecknet på vinkeln förändras mellan positiva och negativa virvlar.
Den nya konfigurationen gör att två olika virvelförhållanden kan användas när maskinen är i framåt och omvänd virvelläge, vilket ökar kontrollområdet med 4% samtidigt som konstant effektivitet bibehålls.
Genom att integrera en LS-diffusor för den pumphjul som vanligtvis används i BAC kan flerstegseffektiviteten ökas till 89%. Detta, i kombination med andra effektivitetsförbättringar, minskar antalet BAC -steg samtidigt som den totala tågeffektiviteten bibehålls. Att minska antalet steg eliminerar behovet av en interkylare, tillhörande processgasledningar och rotor- och statorkomponenter, vilket resulterar i kostnadsbesparingar på 10%. Dessutom är det i många fall möjligt att kombinera huvudluftkompressorn och boosterkompressorn i en maskin.
Som nämnts tidigare krävs vanligtvis en mellanväxel mellan ångturbinen och VAC. Med den nya IGC -designen från Siemens Energy kan denna tomgångsutrustning integreras i växellådan genom att lägga till en tomgångsaxel mellan kugghjulet och de stora växeln (4 växlar). Detta kan minska den totala linjekostnaden (huvudkompressor plus hjälputrustning) med upp till 4%.
Dessutom är 4-pinion-växlar ett mer effektivt alternativ till kompakta rullmotorer för att växla från 6-poliga till 4-poliga motorer i stora huvudluftkompressorer (om det finns en möjlighet till volymkollision eller om den maximala tillåtna pinionhastigheten kommer att reduceras). ) tidigare.
Deras användning blir också vanligare på flera marknader som är viktiga för industriell avkörning, inklusive värmepumpar och ångkomprimering, samt CO2 -komprimering i koldioxidinsamling, användning och lagring (CCUS).
Siemens Energy har en lång historia av att designa och driva IGC: er. Som framgår av ovanstående (och andra) forsknings- och utvecklingsinsatser är vi engagerade i att kontinuerligt förnya dessa maskiner för att tillgodose unika tillämpningsbehov och möta de växande marknadskraven för lägre kostnader, ökad effektivitet och ökad hållbarhet. Kt2
Inläggstid: april-28-2024