HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO., LTD.

Författare: Lukas Bijikli, produktportföljchef, integrerade kugghjulsdrifter, forskning och utveckling av CO2-kompression och värmepumpar, Siemens Energy.
I många år har integrerade kugghjulskompressorer (IGC) varit den valda tekniken 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 avkarbonisering ställer dock nya krav på integrerade kugghjulskompressorer, särskilt när det gäller effektivitet och regelmässig flexibilitet. Kapitalutgifter fortsätter att vara 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-kapaciteten för att möta de förändrade behoven på marknaden för luftseparation. Den här artikeln belyser några specifika designförbättringar vi har gjort och diskuterar hur dessa förändringar kan bidra till att uppnå våra kunders mål för kostnads- och koldioxidminskning.
De flesta luftseparationsenheter idag är utrustade med två kompressorer: en huvudluftkompressor (MAC) och en laddluftkompressor (BAC). Huvudluftkompressorn komprimerar vanligtvis hela luftflödet från atmosfärstryck 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. Vid användning av en ångturbin drivs båda kompressorerna av samma turbin via dubbla axeländar. I det klassiska systemet är en mellanväxel installerad mellan ångturbinen och HAC (bild 1).
I både eldrivna och ångturbindrivna system är kompressorverkningsgraden en kraftfull hävstång för avkarbonisering eftersom den direkt påverkar enhetens energiförbrukning. Detta är särskilt viktigt för MGP:er som drivs av ångturbiner, eftersom det mesta av värmen för ångproduktion utvinns i fossilbränsleeldade pannor.
Även om elmotorer erbjuder ett grönare alternativ till ångturbindrift, finns det ofta ett större behov av flexibilitet i styrningen. 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 ammoniakanläggningar som kommer att använda luftseparationsenheter (ASU) för att producera kväve för ammoniaksyntes och förväntas ta emot el från närliggande vind- och solparker. Vid dessa anläggningar är regelflexibilitet avgörande för att kompensera för naturliga fluktuationer i kraftproduktionen.
Siemens Energy utvecklade den första IGC:n (tidigare känd som VK) år 1948. Idag producerar företaget mer än 2 300 enheter världen över, varav många är konstruerade för applikationer med flödeshastigheter över 400 000 m3/h. Våra moderna MGP:er har ett flöde på upp till 1,2 miljoner kubikmeter per timme i en byggnad. Dessa inkluderar växellösa versioner av konsolkompressorer med tryckförhållanden upp till 2,5 eller högre i enstegsversioner och tryckförhållanden upp till 6 i serieversioner.
Under senare år har vi, för att möta de ökande kraven på IGC-effektivitet, regelflexibilitet och kapitalkostnader, gjort några anmärkningsvärda designförbättringar, vilka sammanfattas nedan.
Den variabla verkningsgraden hos ett antal impeller som vanligtvis används i det första MAC-steget ökas genom att variera bladgeometrin. Med detta nya impeller kan variabel verkningsgrad på upp till 89 % uppnås i kombination med konventionella LS-diffusorer och över 90 % i kombination med den nya generationen hybriddiffusorer.
Dessutom har impellern ett Mach-tal högre än 1,3, vilket ger det första steget en högre effekttäthet och kompressionsförhållande. Detta minskar också den effekt som kugghjul i trestegs MAC-system måste överföra, vilket möjliggör användning av kugghjul med mindre diameter och direktdrivna växellådor i de första stegen.
Jämfört med den traditionella fullängds LS-lamelldiffusorn har nästa generations hybriddiffusor en ökad stegeffektivitet på 2,5 % och en kontrollfaktor på 3 %. Denna ökning uppnås genom att blanda bladen (dvs. bladen är uppdelade i fullhöjds- och delhöjdssektioner). I denna konfiguration
Flödet mellan impellern och diffusorn reduceras med en del av bladhöjden som är placerad närmare impellern än bladen på en konventionell LS-diffusor. Precis som med en konventionell LS-diffusor är framkanterna på de fullängdsbladen lika långt från impellern för att undvika interaktion mellan impeller och diffusor som kan skada bladen.
Att delvis öka bladhöjden närmare impellern förbättrar också flödesriktningen nära pulsationszonen. Eftersom den främre kanten av den fullängds lamellsektionen förblir samma diameter som en konventionell LS-diffusor, påverkas inte strypledningen, vilket möjliggör ett bredare användningsområde och inställning.
Vatteninjektion innebär att vattendroppar injiceras i luftströmmen i sugröret. Dropparna avdunstar och absorberar värme från processgasströmmen, vilket sänker inloppstemperaturen till kompressionssteget. Detta resulterar i en minskning av isentropiskt effektbehov och en ökning av verkningsgraden på mer än 1 %.
Genom att härda kugghjulsaxeln kan den tillåtna spänningen per ytenhet ökas, vilket minskar tandbredden. Detta minskar de mekaniska förlusterna i växellådan med upp till 25 %, vilket resulterar i en ökning av den totala verkningsgraden på upp till 0,5 %. Dessutom kan kostnaderna för huvudkompressorn minskas med upp till 1 % eftersom mindre metall används i den stora växellådan.
Detta impeller kan arbeta med en flödeskoefficient (φ) på upp till 0,25 och ger 6 % mer tryck än 65-graders impeller. Dessutom når flödeskoefficienten 0,25, och i dubbelflödesdesignen av IGC-maskinen 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 ett impeller med mindre diameter vid samma volymflöde, vilket minskar kostnaden för huvudkompressorn med upp till 4 %. Diametern på det första stegets impeller kan minskas ytterligare.
Det högre trycket uppnås genom pumphjulets avböjningsvinkel på 75°, vilket ökar den omkretsmässiga hastighetskomponenten vid utloppet och därmed ger högre tryck enligt Eulers ekvation.
Jämfört med höghastighets- och högeffektiva impeller är impellerns verkningsgrad något reducerad på grund av högre förluster i spiralen. Detta kan kompenseras genom att använda en medelstor snäcka. Men även utan dessa spiraler kan man uppnå en variabel verkningsgrad på upp till 87 % vid ett Mach-tal på 1,0 och en flödeskoefficient på 0,24.
Den mindre spiralen gör att du kan undvika kollisioner med andra spiraler när diametern på det stora kugghjulet minskas. Operatörer kan spara kostnader genom att byta från en 6-polig motor till en 4-polig motor med högre hastighet (1000 rpm till 1500 rpm) utan att överskrida det maximalt tillåtna kugghjulsvarvtalet. Dessutom kan det minska materialkostnaderna för spiralformade och stora kugghjul.
Sammantaget kan huvudkompressorn spara upp till 2 % i kapitalkostnader, plus att motorn också kan spara 2 % i kapitalkostnader. Eftersom kompakta spiraler är något mindre effektiva beror beslutet att använda dem till stor del på kundens prioriteringar (kostnad kontra effektivitet) och måste bedömas projekt för projekt.
För att öka kontrollmöjligheterna kan IGV:n installeras framför flera etapper. Detta står i skarp kontrast till tidigare IGC-projekt, som endast inkluderade IGV:er fram till den första fasen.
I tidigare iterationer av IGC förblev virvelkoefficienten (dvs. vinkeln på den andra IGV:n dividerad med vinkeln på den första IGV:n) konstant oavsett om flödet var framåtriktat (vinkel > 0°, reducerande tryckhöjd) eller omvänt virvelflöde (vinkel < 0). Om flödet var ° ökar trycket. Detta är nackdelaktigt eftersom vinkelns tecken ändras mellan positiva och negativa virvlar.
Den nya konfigurationen möjliggör användning av två olika virvelförhållanden när maskinen är i framåt- och bakåtgående virvelläge, vilket ökar reglerområdet med 4 % samtidigt som konstant effektivitet bibehålls.
Genom att integrera en LS-diffusor för impellern, som vanligtvis används i BAC:er, kan flerstegseffektiviteten ökas till 89 %. Detta, i kombination med andra effektivitetsförbättringar, minskar antalet BAC-steg samtidigt som den totala effektiviteten bibehålls. Att minska antalet steg eliminerar behovet av en intercooler, tillhörande processgasrör samt 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 tidigare nämnts krävs vanligtvis en mellanväxel mellan ångturbinen och VAC-systemet. Med den nya IGC-konstruktionen från Siemens Energy kan denna mellanväxel integreras i växellådan genom att lägga till en mellanaxel mellan pinjongaxeln och det stora kugghjulet (4 växlar). Detta kan minska den totala linjekostnaden (huvudkompressor plus hjälputrustning) med upp till 4 %.
Dessutom är 4-pinjongväxlar ett mer effektivt alternativ till kompakta scrollmotorer för att växla från 6-poliga till 4-poliga motorer i stora huvudluftkompressorer (om det finns risk för spiralkollision eller om det maximala tillåtna pinjongvarvtalet kommer att minskas).
Deras användning blir också allt vanligare på flera marknader som är viktiga för industriell avkarbonisering, inklusive värmepumpar och ångkompression, samt CO2-komprimering i utveckling av koldioxidavskiljning, -användning och -lagring (CCUS).
Siemens Energy har en lång historia av att designa och driva mellanrumsgaser (IGC). Som framgår av ovanstående (och andra) forsknings- och utvecklingsinsatser är vi engagerade i att kontinuerligt förnya dessa maskiner för att möta unika applikationsbehov och möta de växande marknadskraven på lägre kostnader, ökad effektivitet och ökad hållbarhet. KT2