HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Autor: Lukas Bijikli, Produktportfoliomanager, Integrierte Getriebeantriebe, F&E CO2-Kompression und Wärmepumpen, Siemens Energy.
Seit vielen Jahren gilt der integrierte Zahnradkompressor (IGC) als bevorzugte Technologie für Luftzerlegungsanlagen. Dies ist vor allem auf seinen hohen Wirkungsgrad zurückzuführen, der direkt zu geringeren Kosten für Sauerstoff, Stickstoff und Inertgase führt. Der zunehmende Fokus auf Dekarbonisierung stellt jedoch neue Anforderungen an IGCs, insbesondere hinsichtlich Wirkungsgrad und regulatorischer Flexibilität. Die Investitionskosten bleiben für Anlagenbetreiber, insbesondere für kleine und mittlere Unternehmen, ein wichtiger Faktor.
Siemens Energy hat in den vergangenen Jahren mehrere Forschungs- und Entwicklungsprojekte initiiert, um die Kompetenzen im Bereich integrierter Gaschromatographie (IGC) auszubauen und den sich wandelnden Anforderungen des Luftzerlegungsmarktes gerecht zu werden. Dieser Artikel beleuchtet einige konkrete Designverbesserungen und erläutert, wie diese unseren Kunden helfen können, ihre Kosten- und CO₂-Reduktionsziele zu erreichen.
Die meisten Luftzerlegungsanlagen sind heute mit zwei Kompressoren ausgestattet: einem Hauptluftkompressor (MAC) und einem Zusatzluftkompressor (BAC). Der Hauptluftkompressor verdichtet typischerweise den gesamten Luftstrom vom Atmosphärendruck auf etwa 6 bar. Ein Teil dieses Luftstroms wird anschließend im BAC auf einen Druck von bis zu 60 bar weiter verdichtet.
Je nach Energiequelle wird der Kompressor üblicherweise von einer Dampfturbine oder einem Elektromotor angetrieben. Bei Verwendung einer Dampfturbine werden beide Kompressoren über zwei Wellenenden von derselben Turbine angetrieben. Im klassischen Aufbau ist zwischen der Dampfturbine und dem HAC ein Zwischengetriebe eingebaut (Abb. 1).
Sowohl bei elektrisch als auch bei dampfturbinengetriebenen Systemen ist der Wirkungsgrad des Kompressors ein entscheidender Faktor für die Dekarbonisierung, da er den Energieverbrauch der Anlage direkt beeinflusst. Dies ist besonders wichtig für dampfturbinengetriebene Gaskraftwerke, da der größte Teil der für die Dampferzeugung benötigten Wärme in fossil befeuerten Kesseln gewonnen wird.
Obwohl Elektromotoren eine umweltfreundlichere Alternative zu Dampfturbinenantrieben darstellen, besteht oft ein höherer Bedarf an flexibler Regelung. Viele moderne Luftzerlegungsanlagen, die heute gebaut werden, sind netzgekoppelt und nutzen einen hohen Anteil erneuerbarer Energien. In Australien beispielsweise sind mehrere Anlagen zur Herstellung von grünem Ammoniak geplant, die Luftzerlegungsanlagen (ASUs) zur Stickstoffgewinnung für die Ammoniaksynthese einsetzen und voraussichtlich Strom aus nahegelegenen Wind- und Solarparks beziehen werden. Für diese Anlagen ist regulatorische Flexibilität entscheidend, um natürliche Schwankungen in der Stromerzeugung auszugleichen.
Siemens Energy entwickelte 1948 den ersten IGC (ehemals VK). Heute produziert das Unternehmen weltweit über 2.300 Einheiten, viele davon für Anwendungen mit Fördermengen von über 400.000 m³/h. Unsere modernen MGPs erreichen Fördermengen von bis zu 1,2 Millionen Kubikmetern pro Stunde in einem Gebäude. Dazu gehören getriebelose Ausführungen von Konsolenkompressoren mit Druckverhältnissen von bis zu 2,5 oder höher in einstufigen und bis zu 6 in seriellen Ausführungen.
Um den steigenden Anforderungen an die Effizienz von integrierten Gasanlagen, die regulatorische Flexibilität und die Kapitalkosten gerecht zu werden, haben wir in den letzten Jahren einige bemerkenswerte Designverbesserungen vorgenommen, die im Folgenden zusammengefasst sind.
Die variable Effizienz mehrerer in der ersten MAC-Stufe üblicherweise eingesetzter Laufräder wird durch Variation der Schaufelgeometrie gesteigert. Mit diesem neuen Laufrad lassen sich in Kombination mit herkömmlichen LS-Diffusoren variable Wirkungsgrade von bis zu 89 % und in Kombination mit der neuen Generation von Hybriddiffusoren über 90 % erzielen.
Darüber hinaus weist das Laufrad eine Mach-Zahl von über 1,3 auf, was der ersten Stufe eine höhere Leistungsdichte und ein höheres Verdichtungsverhältnis verleiht. Dies reduziert zudem die von den Zahnrädern in dreistufigen MAC-Systemen zu übertragende Leistung und ermöglicht den Einsatz von Zahnrädern mit kleinerem Durchmesser und Direktantriebsgetrieben in den ersten Stufen.
Im Vergleich zum herkömmlichen LS-Diffusor mit voller Schaufellänge weist der Hybrid-Diffusor der nächsten Generation eine um 2,5 % höhere Stufeneffizienz und einen um 3 % höheren Regelfaktor auf. Diese Steigerung wird durch die Mischung der Schaufeln erreicht (d. h. die Schaufeln sind in Abschnitte voller und teilweiser Höhe unterteilt). In dieser Konfiguration
Der Durchfluss zwischen Laufrad und Diffusor wird durch einen Teil der Schaufelhöhe reduziert, der näher am Laufrad liegt als die Schaufeln eines herkömmlichen LS-Diffusors. Wie bei einem herkömmlichen LS-Diffusor sind die Vorderkanten der Schaufeln in voller Länge gleich weit vom Laufrad entfernt, um eine Wechselwirkung zwischen Laufrad und Diffusor zu vermeiden, die die Schaufeln beschädigen könnte.
Eine teilweise Erhöhung der Schaufelhöhe im Bereich des Laufrads verbessert zudem die Strömungsrichtung in der Nähe der Pulsationszone. Da die Vorderkante des gesamten Schaufelabschnitts denselben Durchmesser wie bei einem herkömmlichen LS-Diffusor aufweist, bleibt die Drossellinie unverändert, was ein breiteres Anwendungs- und Abstimmungsspektrum ermöglicht.
Bei der Wassereinspritzung werden Wassertropfen in den Luftstrom im Saugrohr eingespritzt. Die Tropfen verdampfen und entziehen dem Prozessgasstrom Wärme, wodurch die Eintrittstemperatur der Verdichtungsstufe gesenkt wird. Dies führt zu einer Reduzierung des isentropen Leistungsbedarfs und einer Effizienzsteigerung von über 1 %.
Durch die Härtung der Getriebewelle lässt sich die zulässige Spannung pro Flächeneinheit erhöhen, wodurch die Zahnbreite verringert werden kann. Dies reduziert die mechanischen Verluste im Getriebe um bis zu 25 %, was zu einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrades um bis zu 0,5 % führt. Zusätzlich können die Kosten des Hauptkompressors um bis zu 1 % gesenkt werden, da im großen Getriebe weniger Material benötigt wird.
Dieses Laufrad kann mit einem Durchflusskoeffizienten (φ) von bis zu 0,25 betrieben werden und bietet 6 % mehr Förderhöhe als 65°-Laufräder. Darüber hinaus erreicht der Durchflusskoeffizient 0,25, und in der Doppelstromausführung der IGC-Maschine beträgt der Volumenstrom 1,2 Millionen m³/h oder sogar 2,4 Millionen m³/h.
Ein höherer Phi-Wert ermöglicht den Einsatz eines Laufrads mit kleinerem Durchmesser bei gleichem Volumenstrom, wodurch die Kosten des Hauptkompressors um bis zu 4 % gesenkt werden können. Der Durchmesser des Laufrads der ersten Stufe kann sogar noch weiter reduziert werden.
Die höhere Förderhöhe wird durch den 75°-Laufradablenkwinkel erreicht, der die Umfangsgeschwindigkeitskomponente am Auslass erhöht und somit gemäß der Euler-Gleichung eine höhere Förderhöhe ermöglicht.
Im Vergleich zu Hochgeschwindigkeits- und Hocheffizienz-Laufrädern ist der Wirkungsgrad dieses Laufrads aufgrund höherer Verluste im Spiralgehäuse etwas geringer. Dies lässt sich durch den Einsatz einer mittelgroßen Schnecke kompensieren. Selbst ohne diese Spiralgehäuse kann jedoch bei einer Mach-Zahl von 1,0 und einem Durchflusskoeffizienten von 0,24 ein variabler Wirkungsgrad von bis zu 87 % erreicht werden.
Durch die kleinere Spirale lassen sich Kollisionen mit anderen Spiralen vermeiden, wenn der Durchmesser des großen Zahnrads reduziert wird. Betreiber können Kosten sparen, indem sie von einem 6-poligen Motor auf einen drehzahlstärkeren 4-poligen Motor (1000 bis 1500 U/min) umsteigen, ohne die maximal zulässige Drehzahl des Zahnrads zu überschreiten. Zusätzlich können die Materialkosten für Schrägverzahnungen und große Zahnräder gesenkt werden.
Insgesamt können durch den Hauptkompressor bis zu 2 % der Investitionskosten eingespart werden, zusätzlich kann der Motor ebenfalls 2 % der Investitionskosten einsparen. Da Kompaktspiralen etwas weniger effizient sind, hängt die Entscheidung für deren Einsatz maßgeblich von den Prioritäten des Kunden (Kosten vs. Effizienz) ab und muss projektbezogen geprüft werden.
Um die Steuerungsmöglichkeiten zu erweitern, kann die IGV vor mehreren Stufen installiert werden. Dies steht im deutlichen Gegensatz zu früheren IGC-Projekten, bei denen IGVs nur bis zur ersten Phase zum Einsatz kamen.
In früheren Versionen des IGC blieb der Wirbelkoeffizient (d. h. der Winkel des zweiten IGV geteilt durch den Winkel des ersten IGV1) unabhängig davon konstant, ob es sich um eine Vorwärtsströmung (Winkel > 0°, Druckminderung) oder eine Rückwärtsströmung (Winkel < 0°) handelte. Dies ist nachteilig, da sich das Vorzeichen des Winkels zwischen positiven und negativen Wirbeln ändert.
Die neue Konfiguration ermöglicht die Verwendung zweier unterschiedlicher Wirbelverhältnisse im Vorwärts- und Rückwärtswirbelbetrieb der Maschine, wodurch der Regelbereich um 4 % erhöht wird, während die Effizienz konstant bleibt.
Durch den Einsatz eines LS-Diffusors für das in BACs üblicherweise verwendete Laufrad lässt sich der Wirkungsgrad der mehrstufigen Verdichteranlage auf 89 % steigern. Dies, kombiniert mit weiteren Effizienzverbesserungen, reduziert die Anzahl der BAC-Stufen bei gleichbleibendem Gesamtwirkungsgrad. Die reduzierte Stufenzahl macht einen Zwischenkühler, die zugehörigen Prozessgasleitungen sowie Rotor- und Statorkomponenten überflüssig, was zu Kosteneinsparungen von 10 % führt. Darüber hinaus ist es in vielen Fällen möglich, den Hauptluftverdichter und den Zusatzverdichter in einer Maschine zu kombinieren.
Wie bereits erwähnt, ist üblicherweise ein Zwischenrad zwischen Dampfturbine und Vakuumkompressor erforderlich. Dank des neuen IGC-Designs von Siemens Energy lässt sich dieses Zwischenrad durch Hinzufügen einer Zwischenwelle zwischen Ritzelwelle und Hauptzahnrad (insgesamt 4 Zahnräder) in das Getriebe integrieren. Dadurch können die Gesamtkosten der Anlage (Hauptkompressor plus Hilfseinrichtungen) um bis zu 4 % gesenkt werden.
Darüber hinaus stellen 4-Ritzel-Getriebe eine effizientere Alternative zu kompakten Scrollmotoren für den Wechsel von 6-poligen auf 4-polige Motoren in großen Hauptluftkompressoren dar (wenn die Möglichkeit einer Spiralgehäusekollision besteht oder die maximal zulässige Ritzeldrehzahl reduziert wird).
Ihr Einsatz wird auch in mehreren Märkten, die für die industrielle Dekarbonisierung wichtig sind, immer häufiger, darunter Wärmepumpen und Dampfkompression sowie die CO2-Kompression bei Entwicklungen zur Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS).
Siemens Energy blickt auf eine lange Geschichte in der Entwicklung und dem Betrieb von IGCs zurück. Wie die oben genannten (und weitere) Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten belegen, engagieren wir uns für die kontinuierliche Innovation dieser Maschinen, um spezifischen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden und den wachsenden Marktanforderungen nach geringeren Kosten, höherer Effizienz und mehr Nachhaltigkeit zu entsprechen. KT2