Autor: Lukas Bijikli, Produktportfoliomanager, integrierte Ausrüstungsfahrten, F & E -CO2 -Komprimierung und Wärmepumpen, Siemens Energy.
Seit vielen Jahren ist der Integrated Gear Compressor (IGC) die Technologie der Wahl für Lufttrennungsanlagen. Dies ist hauptsächlich auf ihre hohe Effizienz zurückzuführen, die direkt zu reduzierten Kosten für Sauerstoff, Stickstoff und Inertgas führt. Der wachsende Fokus auf die Dekarbonisierung stellt jedoch neue Anforderungen an IPCs, insbesondere in Bezug auf Effizienz und regulatorische Flexibilität. Die Investitionsausgaben sind nach wie vor ein wichtiger Faktor für Anlagenbetreiber, insbesondere in kleinen und mittelgroßen Unternehmen.
In den letzten Jahren hat Siemens Energy mehrere Forschungs- und Entwicklungsprojekte (F & E) initiiert, die darauf abzielen, die IGC -Fähigkeiten zu erweitern, um den sich ändernden Bedürfnissen des Marktes für Luftabschlüsse gerecht zu werden. In diesem Artikel werden einige spezifische Designverbesserungen hervorgehoben, die wir vorgenommen haben, und erläutert, wie diese Änderungen dazu beitragen können, die Kosten für die Kosten und die CO2 -Reduzierung der CO2 -Reduzierung zu erreichen.
Die meisten Lufttrenneinheiten sind heute mit zwei Kompressoren ausgestattet: einem Hauptluftkompressor (MAC) und einem Boost -Luftkompressor (BAC). Der Hauptluftkompressor komprimiert typischerweise den gesamten Luftstrom vom atmosphärischen Druck auf ungefähr 6 bar. Ein Teil dieses Flusses wird dann im BAC auf einen Druck von bis zu 60 bar zusammengedrückt.
Abhängig von der Energiequelle wird der Kompressor normalerweise von einer Dampfturbine oder einem Elektromotor angetrieben. Bei der Verwendung einer Dampfturbine werden beide Kompressoren durch die gleiche Turbine durch Zwillingswellenenden angetrieben. Im klassischen Schema wird ein Zwischenrad zwischen der Dampfturbine und dem HAC installiert (Abb. 1).
Sowohl in elektrisch angetriebenen als auch in Dampfturbinen -Systemen ist die Kompressor -Effizienz ein leistungsstarker Hebel für die Dekarbonisierung, da sie den Energieverbrauch der Einheit direkt beeinflusst. Dies ist besonders wichtig für MGPs, die von Dampfturbinen angetrieben werden, da der größte Teil der Wärme für die Dampfproduktion in fossilen Brennstoffkesseln erhalten wird.
Obwohl Elektromotoren eine grünere Alternative zu Dampfturbinenantrieben bieten, besteht häufig ein größerer Bedarf an Kontrollflexibilität. Viele moderne Luftrennungsanlagen werden heute gebaut, sind mit Gitter verbunden und haben einen hohen Niveau für erneuerbare Energien. In Australien ist beispielsweise Pläne, mehrere grüne Ammoniakanlagen zu bauen, die Lufttrenneinheiten (ASUs) verwenden, um Stickstoff für die Ammoniaksynthese zu erzeugen, und voraussichtlich Strom von nahe gelegenen Wind- und Solarparks erhalten. Bei diesen Anlagen ist die regulatorische Flexibilität von entscheidender Bedeutung, um natürliche Schwankungen bei der Stromerzeugung auszugleichen.
Siemens Energy entwickelte 1948 das erste IGC (früher als VK bekannt als VK). Heute produziert das Unternehmen weltweit mehr als 2.300 Einheiten, von denen viele für Anwendungen mit Durchflussraten von mehr als 400.000 m3/h ausgelegt sind. Unsere modernen MGPs haben in einem Gebäude eine Durchflussrate von bis zu 1,2 Millionen Kubikmeter pro Stunde. Dazu gehören Getriebeversionen von Konsolenkompressoren mit Druckverhältnissen von bis zu 2,5 oder höher in einstufigen Versionen und Druckverhältnissen bis zu 6 in seriellen Versionen.
Um die steigenden Anforderungen an IGC -Effizienz, regulatorische Flexibilität und Kapitalkosten zu erfüllen, haben wir in den letzten Jahren einige bemerkenswerte Designverbesserungen vorgenommen, die nachstehend zusammengefasst sind.
Die variable Effizienz einer Reihe von Impeller, die typischerweise in der ersten Mac -Stufe verwendet werden, wird durch Variation der Blattgeometrie erhöht. Mit diesem neuen Laufrad können in Kombination mit herkömmlichen LS -Diffusoren und über 90% in Kombination mit der neuen Erzeugung von Hybriddiffusoren variable Effizienzen von bis zu 89% erzielt werden.
Darüber hinaus hat das Laufrad eine Machzahl von mehr als 1,3, was die erste Stufe mit einer höheren Leistungsdichte und einem Komprimierungsverhältnis bietet. Dies reduziert auch die Leistung, die in dreistufigen MAC-Systemen übertragen werden muss, wodurch die Verwendung von Zahnrädern mit kleinerem Durchmesser und Direktantriebsgetriebe in den ersten Stadien verwendet wird.
Im Vergleich zum traditionellen Diffusor mit LS-Schaufel in voller Länge weist der Hybriddiffusor der nächsten Generation einen erhöhten Stadium-Effizienz von 2,5% und einen Kontrollfaktor von 3% auf. Dieser Anstieg wird durch Mischen der Klingen erreicht (dh die Klingen werden in Abschnitte in voller Höhe und Teilhöhe unterteilt). In dieser Konfiguration
Der Flussausgang zwischen Laufrad und Diffusor wird durch einen Teil der Klingenhöhe reduziert, der sich näher am Laufrad befindet als die Klingen eines herkömmlichen LS -Diffusors. Wie bei einem herkömmlichen LS-Diffusor sind die führenden Kanten der Blätter in voller Länge vom Laufrad gleichmäßig, um eine Wechselwirkung zwischen Laufrad und Diffuser zu vermeiden, die die Klingen schädigen könnte.
Teilweise erhöht die Höhe der Klingen näher am Laufrad auch verbessert auch die Fließrichtung in der Nähe der Pulsationszone. Da die Vorderkante des Abschnitts voller Länge der gleiche Durchmesser wie ein herkömmlicher LS-Diffusor bleibt, ist die Drosselklappe nicht betroffen, was einen größeren Anwendungs- und Tuning-Bereich ermöglicht.
Bei der Wasserinjektion wird Wassertröpfchen in den Luftstrom im Saugrohr injiziert. Die Tröpfchen verdampfen und absorbieren Wärme aus dem Prozessgasstrom, wodurch die Einlasstemperatur auf die Kompressionsstufe reduziert wird. Dies führt zu einer Verringerung des isentropischen Leistungsbedarfs und zu einer Erhöhung der Effizienz von mehr als 1%.
Durch das Verhärten der Zahnradwelle können Sie die zulässige Spannung pro Bereich der Einheit erhöhen, sodass Sie die Zahnbreite reduzieren können. Dies reduziert die mechanischen Verluste im Getriebe um bis zu 25%, was zu einer Zunahme der Gesamteffizienz von bis zu 0,5%führt. Darüber hinaus können die Hauptkompressorkosten um bis zu 1% gesenkt werden, da im großen Getriebe weniger Metall verwendet wird.
Dieser Laufrad kann mit einem Durchflusskoeffizienten (φ) von bis zu 0,25 arbeiten und liefert 6% mehr Kopf als 65 -Grad -Stopper. Darüber hinaus erreicht der Durchflusskoeffizient 0,25 und im Doppelstrom-Design der IGC-Maschine erreicht der volumetrische Fluss 1,2 Millionen m3/h oder sogar 2,4 Millionen m3/h.
Ein höherer PHI -Wert ermöglicht die Verwendung eines Laufrads mit kleinerem Durchmesser im gleichen Volumenfluss, wodurch die Kosten des Hauptkompressors um bis zu 4%gesenkt werden. Der Durchmesser des ersten Stufe im Laufrad kann noch weiter reduziert werden.
Der höhere Kopf wird durch den Ablenkungswinkel von 75 ° im Laufrad erreicht, der die Umfangsgeschwindigkeitskomponente am Auslass erhöht und somit nach Euler -Gleichung einen höheren Kopf liefert.
Im Vergleich zu Hochgeschwindigkeits- und hohen Effizienz-Interpretenten ist der Wirkungsgrad des Laufrads aufgrund höherer Verluste im Volute geringfügig verringert. Dies kann durch die Verwendung einer mittelgroßen Schnecke kompensiert werden. Aber auch ohne diese Volute kann eine variable Effizienz von bis zu 87% bei einer Machzahl von 1,0 und einem Durchflusskoeffizienten von 0,24 erreicht werden.
Mit dem kleineren Volute können Sie Kollisionen mit anderen Volutes vermeiden, wenn der Durchmesser des großen Ganges verringert wird. Die Betreiber können Kosten sparen, indem sie von einem 6-poligen Motor zu einem 4-poligen 4-poligen Motor (1000 U / min bis 1500 U / min) wechseln, ohne die maximal zulässige Zahnradgeschwindigkeit zu überschreiten. Darüber hinaus kann es die Materialkosten für helikale und große Zahnräder senken.
Insgesamt kann der Hauptkompressor bis zu 2% der Kapitalkosten sparen, plus der Motor kann auch 2% der Kapitalkosten einsparen. Da kompakte Volutes etwas weniger effizient sind, hängt die Entscheidung, sie zu verwenden, weitgehend von den Prioritäten des Kunden (Kosten vs. Effizienz) ab und muss auf einer Projektbasis bewertet werden.
Um die Kontrollfunktionen zu erhöhen, kann das IGV vor mehreren Phasen installiert werden. Dies steht in starkem Gegensatz zu früheren IGC -Projekten, die nur IGVs bis zur ersten Phase enthielten.
In früheren Iterationen des IGC blieb der Wirbelkoeffizient (dh der Winkel des zweiten IGV geteilt durch den Winkel des ersten IGV1) konstant, unabhängig davon, ob der Fluss nach vorne (Winkel> 0 °, reduzierender Kopf) oder umgekehrtem Wirbel (Winkel <0) war. ° steigt der Druck). Dies ist nachteilig, da sich das Vorzeichen des Winkels zwischen positiven und negativen Wirbeln ändert.
Mit der neuen Konfiguration können zwei verschiedene Wirbelverhältnisse verwendet werden, wenn sich die Maschine im Vorwärts- und Rückwärtswirbelmodus befindet, wodurch der Kontrollbereich um 4% erhöht wird und gleichzeitig die konstante Effizienz beibehalten wird.
Durch die Einbeziehung eines LS-Diffusors für den in BAC üblicherweise verwendeten Laufrad kann die mehrstufige Effizienz auf 89%erhöht werden. In Kombination mit anderen Effizienzverbesserungen reduziert dies die Anzahl der BAC -Stufen und hält die Effizienz des Gesamtzuzuges bei. Durch die Reduzierung der Anzahl der Stufen wird die Notwendigkeit eines Ladeluftkühlers, der zugehörigen Prozessgasposition sowie der Rotor- und Statorkomponenten beseitigt, was zu einer Kosteneinsparung von 10%führt. Darüber hinaus ist es in vielen Fällen möglich, den Hauptluftkompressor und den Booster -Kompressor in einer Maschine zu kombinieren.
Wie bereits erwähnt, ist zwischen der Dampfturbine und dem VAC normalerweise ein Zwischenrad erforderlich. Mit dem neuen IGC -Design von Siemens Energy kann dieses Idler -Zahnrad in das Getriebe integriert werden, indem eine Idlerschaft zwischen dem Ritzel und dem großen Gang (4 Zahnräder) hinzugefügt wird. Dies kann die Gesamtleitungskosten (Hauptkompressor plus Hilfsgeräte) um bis zu 4%senken.
Darüber hinaus sind 4-P-Getriebe eine effizientere Alternative zu kompakten Bildlaufmotoren zum Umschalten von 6-poligen zu 4-poligen Motoren in großen Hauptluftkompressoren (wenn die Möglichkeit einer Volutskollision besteht oder wenn die maximal zulässige Ritzeldrehzahl verringert wird). ) Vergangenheit.
Ihre Verwendung wird auch in mehreren Märkten immer häufiger für die industrielle Dekarbonisierung, einschließlich Wärmepumpen und Dampfkomprimierung sowie CO2 -Komprimierung bei CO2 -Erfassungs-, Nutzungs- und Speicherentwicklungen, häufiger.
Siemens Energy hat eine lange Geschichte des Entwerfens und Betriebs von IGCs. Wie aus den oben genannten (und anderen) Forschungs- und Entwicklungsbemühungen hervorgeht, sind wir bestrebt, diese Maschinen kontinuierlich zu innovieren, um den einzigartigen Anwendungsbedarf zu decken und die wachsenden Marktanforderungen an niedrigere Kosten, eine höhere Effizienz und eine höhere Nachhaltigkeit gerecht zu werden. KT2
Postzeit: Apr-28-2024