Autor: Lukas Bijikli, Produktportfoliomanager, Integrierte Getriebe, F&E CO2-Kompression und Wärmepumpen, Siemens Energy.
Der integrierte Getriebekompressor (IGC) ist seit vielen Jahren die Technologie der Wahl für Luftzerlegungsanlagen. Dies liegt vor allem an seinem hohen Wirkungsgrad, der direkt zu reduzierten Kosten für Sauerstoff, Stickstoff und Inertgas führt. Der zunehmende Fokus auf die Dekarbonisierung stellt jedoch neue Anforderungen an IPCs, insbesondere hinsichtlich Effizienz und regulatorischer Flexibilität. Die Investitionskosten bleiben für Anlagenbetreiber, insbesondere in kleinen und mittleren Unternehmen, ein wichtiger Faktor.
Siemens Energy hat in den letzten Jahren mehrere Forschungs- und Entwicklungsprojekte (F&E) initiiert, um die IGC-Kapazitäten zu erweitern und den veränderten Anforderungen des Luftzerlegungsmarktes gerecht zu werden. Dieser Artikel stellt einige unserer spezifischen Designverbesserungen vor und erläutert, wie diese dazu beitragen können, die Kosten- und CO2-Reduktionsziele unserer Kunden zu erreichen.
Die meisten Luftzerlegungsanlagen sind heute mit zwei Kompressoren ausgestattet: einem Hauptluftkompressor (MAC) und einem Boost-Luftkompressor (BAC). Der Hauptluftkompressor komprimiert typischerweise den gesamten Luftstrom von atmosphärischem Druck 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 einer Dampfturbine werden beide Kompressoren über zwei Wellenenden von derselben Turbine angetrieben. Im klassischen Schema ist zwischen Dampfturbine und HAC ein Zwischengetriebe eingebaut (Abb. 1).
Sowohl bei elektrisch als auch bei dampfturbinengetriebenen Systemen ist die Kompressoreffizienz ein wichtiger Hebel zur Dekarbonisierung, da sie sich direkt auf den Energieverbrauch der Anlage auswirkt. Dies ist besonders wichtig für dampfturbinengetriebene MGPs, da die Wärme für die Dampferzeugung größtenteils in fossil befeuerten Kesseln gewonnen wird.
Obwohl Elektromotoren eine umweltfreundlichere Alternative zu Dampfturbinenantrieben darstellen, besteht oft ein höherer Bedarf an Regelungsflexibilität. Viele moderne Luftzerlegungsanlagen, die heute gebaut werden, sind an das Stromnetz angeschlossen und nutzen einen hohen Anteil erneuerbarer Energien. In Australien beispielsweise ist der Bau mehrerer umweltfreundlicher Ammoniakanlagen geplant, die mithilfe von Luftzerlegungsanlagen (ASUs) Stickstoff für die Ammoniaksynthese produzieren und voraussichtlich Strom aus nahegelegenen Wind- und Solarparks beziehen. In diesen Anlagen ist regulatorische Flexibilität entscheidend, um natürliche Schwankungen in der Stromerzeugung auszugleichen.
Siemens Energy entwickelte den ersten IGC (ehemals VK) im Jahr 1948. Heute produziert das Unternehmen weltweit über 2.300 Einheiten, viele davon für Anwendungen mit Durchflussraten von über 400.000 m3/h. Unsere modernen MGPs erreichen einen Durchfluss von bis zu 1,2 Millionen Kubikmetern pro Stunde in einem Gebäude. Dazu gehören getriebelose Versionen von Konsolenkompressoren mit Druckverhältnissen von bis zu 2,5 oder höher in einstufigen Ausführungen und Druckverhältnissen von bis zu 6 in seriellen Ausführungen.
Um den steigenden Anforderungen an die Effizienz von IGCs, die regulatorische Flexibilität und die Kapitalkosten gerecht zu werden, haben wir in den letzten Jahren einige bemerkenswerte Designverbesserungen vorgenommen, die im Folgenden zusammengefasst sind.
Der variable Wirkungsgrad einiger typischerweise in der ersten MAC-Stufe eingesetzter Laufräder wird durch Variation der Schaufelgeometrie erhöht. Mit diesem neuen Laufrad lassen sich variable Wirkungsgrade von bis zu 89 % in Kombination mit herkömmlichen LS-Diffusoren und über 90 % in Kombination mit der neuen Generation von Hybriddiffusoren erreichen.
Darüber hinaus weist das Laufrad eine Machzahl von über 1,3 auf, was der ersten Stufe eine höhere Leistungsdichte und ein höheres Kompressionsverhältnis verleiht. Dies reduziert auch die Leistung, die die Zahnräder in dreistufigen MAC-Systemen übertragen müssen, und ermöglicht den Einsatz von Zahnrädern mit kleinerem Durchmesser und Direktantriebsgetrieben in den ersten Stufen.
Im Vergleich zum herkömmlichen LS-Diffusor mit voller Länge bietet der Hybriddiffusor der nächsten Generation einen um 2,5 % höheren Stufenwirkungsgrad und einen um 3 % höheren Regelfaktor. Diese Steigerung wird durch die Mischung der Schaufeln erreicht (d. h. die Schaufeln sind in Abschnitte mit voller Höhe und Teilhöhe 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 durchgehenden Schaufeln gleich weit vom Laufrad entfernt, um eine Wechselwirkung zwischen Laufrad und Diffusor zu vermeiden, die die Schaufeln beschädigen könnte.
Die teilweise Erhöhung der Schaufelhöhe näher am Laufrad verbessert zudem die Strömungsrichtung in der Pulsationszone. Da die Vorderkante des Schaufelblatts über die gesamte Länge den gleichen Durchmesser wie bei einem herkömmlichen LS-Diffusor aufweist, bleibt die Drossellinie unverändert, was einen größeren Anwendungs- und Abstimmungsbereich ermöglicht.
Bei der Wassereinspritzung werden Wassertropfen in den Luftstrom im Saugrohr eingespritzt. Die Tropfen verdampfen und absorbieren Wärme aus dem Prozessgasstrom, wodurch die Eintrittstemperatur zur Kompressionsstufe gesenkt wird. Dies führt zu einer Reduzierung des isentropen Leistungsbedarfs und einer Effizienzsteigerung von mehr als 1 %.
Durch das Härten der Getriebewelle lässt sich die zulässige Flächenspannung erhöhen, wodurch die Zahnbreite reduziert werden kann. Dies reduziert die mechanischen Verluste im Getriebe um bis zu 25 %, was zu einer Steigerung des Gesamtwirkungsgrads um bis zu 0,5 % führt. Darüber hinaus können die Hauptkompressorkosten um bis zu 1 % gesenkt werden, da im großen Getriebe weniger Metall verwendet wird.
Dieses Laufrad kann mit einem Durchflusskoeffizienten (φ) von bis zu 0,25 betrieben werden und bietet 6 % mehr Förderhöhe als 65-Grad-Laufräder. Darüber hinaus erreicht der Durchflusskoeffizient 0,25, und in der doppelflutigen Ausführung der IGC-Maschine erreicht der Volumenstrom 1,2 Mio. m3/h oder sogar 2,4 Mio. m3/h.
Ein höherer Phi-Wert ermöglicht den Einsatz eines Laufrads mit kleinerem Durchmesser bei gleichem Volumenstrom. Dadurch reduzieren sich die Kosten des Hauptkompressors um bis zu 4 %. 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 bietet.
Im Vergleich zu schnelllaufenden und hocheffizienten Laufrädern ist der Wirkungsgrad des Laufrads aufgrund höherer Verluste in der Spirale leicht reduziert. Dies kann durch den Einsatz einer mittelgroßen Schnecke ausgeglichen werden. Aber auch ohne diese Spiralen lässt sich bei einer Machzahl von 1,0 und einem Durchflusskoeffizienten von 0,24 ein variabler Wirkungsgrad von bis zu 87 % erreichen.
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 4-poligen Motor mit höherer Drehzahl (1000 U/min bis 1500 U/min) umsteigen, ohne die maximal zulässige Drehzahl des Zahnrads zu überschreiten. Darüber hinaus können die Materialkosten für Schräg- und Großzahnräder gesenkt werden.
Insgesamt können durch den Hauptkompressor bis zu 2 % der Kapitalkosten eingespart werden, und auch der Motor kann ebenfalls 2 % der Kapitalkosten einsparen. Da Kompaktspiralen etwas weniger effizient sind, hängt die Entscheidung für ihren Einsatz weitgehend von den Prioritäten des Kunden (Kosten vs. Effizienz) ab und muss projektbezogen bewertet werden.
Um die Steuerungsmöglichkeiten zu verbessern, kann das IGV vor mehreren Bühnen installiert werden. Dies steht im Gegensatz zu früheren IGC-Projekten, bei denen IGVs nur bis zur ersten Phase eingesetzt wurden.
In früheren Iterationen des IGC blieb der Wirbelkoeffizient (d. h. der Winkel des zweiten IGV geteilt durch den Winkel des ersten IGV1) konstant, unabhängig davon, ob die Strömung vorwärts (Winkel > 0°, abnehmende Förderhöhe) oder rückwärts gerichteter Wirbel (Winkel < 0°, der Druck steigt) war. Dies ist nachteilig, da sich das Vorzeichen des Winkels zwischen positiven und negativen Wirbeln ändert.
Die neue Konfiguration ermöglicht die Verwendung von zwei verschiedenen Wirbelverhältnissen, wenn sich die Maschine im Vorwärts- und Rückwärtswirbelmodus befindet, wodurch der Regelbereich bei konstanter Effizienz um 4 % erhöht wird.
Durch den Einbau eines LS-Diffusors für das in BACs üblicherweise verwendete Laufrad kann der mehrstufige Wirkungsgrad auf 89 % gesteigert werden. Zusammen mit weiteren Effizienzverbesserungen reduziert dies die Anzahl der BAC-Stufen bei gleichbleibender Gesamteffizienz des Zuges. Durch die Reduzierung der Stufenanzahl entfallen Zwischenkühler, zugehörige Prozessgasleitungen sowie Rotor- und Statorkomponenten, was zu Kosteneinsparungen von 10 % führt. Darüber hinaus ist es in vielen Fällen möglich, Hauptluftkompressor und Booster-Kompressor in einer Maschine zu kombinieren.
Wie bereits erwähnt, ist zwischen der Dampfturbine und dem VAC üblicherweise ein Zwischengetriebe erforderlich. Mit dem neuen IGC-Design von Siemens Energy kann dieses Zwischengetriebe durch Hinzufügen einer Zwischenwelle zwischen Ritzelwelle und großem Zahnrad (vier Zahnräder) in das Getriebe integriert werden. Dadurch können die Gesamtkosten der Anlage (Hauptkompressor plus Zusatzausrüstung) um bis zu 4 % gesenkt werden.
Darüber hinaus sind 4-Ritzel-Getriebe eine effizientere Alternative zu kompakten Scrollmotoren, wenn in großen Hauptluftkompressoren von 6-poligen auf 4-polige Motoren umgeschaltet werden soll (wenn die Möglichkeit einer Spiralkollision besteht oder die maximal zulässige Ritzeldrehzahl reduziert wird).
Ihr Einsatz kommt auch in mehreren für die industrielle Dekarbonisierung wichtigen Märkten immer häufiger zum Einsatz, darunter Wärmepumpen und Dampfkompression sowie CO2-Kompression bei Entwicklungen zur Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung (CCUS).
Siemens Energy verfügt über eine lange Tradition in der Entwicklung und im Betrieb von IGCs. Wie die oben genannten (und weitere) Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten belegen, sind wir bestrebt, diese Maschinen kontinuierlich zu verbessern, um individuellen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden und den wachsenden Marktanforderungen nach niedrigeren Kosten, höherer Effizienz und mehr Nachhaltigkeit gerecht zu werden. KT2
Veröffentlichungszeit: 28. April 2024