Tekijä: Lukas Bijikli, tuotesalkkupäällikkö, integroidut hammaspyöräkäytöt, CO2-kompressio- ja lämpöpumppujen tutkimus- ja kehitys, Siemens Energy.
Integroitu hammaspyöräkompressori (IGC) on ollut jo vuosia ensisijainen teknologia ilmanerotuslaitoksissa. Tämä johtuu pääasiassa niiden korkeasta hyötysuhteesta, joka johtaa suoraan hapen, typen ja inertin kaasun kustannusten alenemiseen. Kasvava keskittyminen hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen asettaa kuitenkin uusia vaatimuksia teollisuusvaihteistoille, erityisesti tehokkuuden ja sääntelyjoustavuuden osalta. Investoinnit ovat edelleen tärkeä tekijä laitosten käyttäjille, erityisesti pienissä ja keskisuurissa yrityksissä.
Viime vuosina Siemens Energy on käynnistänyt useita tutkimus- ja kehityshankkeita (T&K), joiden tavoitteena on laajentaa IGC-ominaisuuksia vastaamaan ilmanerotusmarkkinoiden muuttuviin tarpeisiin. Tässä artikkelissa tuodaan esiin joitakin tekemiämme suunnitteluparannuksia ja käsitellään, miten nämä muutokset voivat auttaa asiakkaidemme kustannus- ja hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteiden saavuttamisessa.
Useimmat nykyiset ilmanerotuslaitteet on varustettu kahdella kompressorilla: pääilmakompressorilla (MAC) ja tehosteilmakompressorilla (BAC). Pääilmakompressori puristaa tyypillisesti koko ilmavirran ilmakehän paineesta noin 6 baariin. Osa tästä virtauksesta puristetaan sitten edelleen BAC:ssa jopa 60 baarin paineeseen.
Energialähteestä riippuen kompressoria käyttää yleensä höyryturbiini tai sähkömoottori. Höyryturbiinia käytettäessä molempia kompressoreita käyttää sama turbiini kahden akselinpään kautta. Klassisessa järjestelmässä höyryturbiinin ja höyryilmanvaihtolaitteen väliin on asennettu välivaihde (kuva 1).
Sekä sähkökäyttöisissä että höyryturbiinikäyttöisissä järjestelmissä kompressorin hyötysuhde on tehokas vipu hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen, koska se vaikuttaa suoraan yksikön energiankulutukseen. Tämä on erityisen tärkeää höyryturbiinikäyttöisille MGP-järjestelmille, koska suurin osa höyryntuotannon lämmöstä saadaan fossiilisia polttoaineita käyttävistä kattiloista.
Vaikka sähkömoottorit tarjoavat vihreämmän vaihtoehdon höyryturbiinikäyttöihin verrattuna, ohjausjoustavuudelle on usein suurempi tarve. Monet nykyään rakennettavat nykyaikaiset ilmanerotuslaitokset ovat kytkettyinä verkkoon ja niissä käytetään paljon uusiutuvaa energiaa. Esimerkiksi Australiassa on suunnitelmissa rakentaa useita vihreän ammoniakin tehtaita, jotka käyttävät ilmanerotusyksiköitä (ASU) typen tuottamiseen ammoniakin synteesiä varten ja joiden odotetaan saavan sähköä läheisiltä tuuli- ja aurinkovoimaloilta. Näissä laitoksissa sääntelyjoustavuus on ratkaisevan tärkeää sähköntuotannon luonnollisten vaihteluiden kompensoimiseksi.
Siemens Energy kehitti ensimmäisen IGC:n (aiemmin VK) vuonna 1948. Nykyään yritys tuottaa maailmanlaajuisesti yli 2 300 yksikköä, joista monet on suunniteltu sovelluksiin, joiden virtausnopeudet ovat yli 400 000 m3/h. Nykyaikaisten MGP-kompressoriemme virtausnopeus on jopa 1,2 miljoonaa kuutiometriä tunnissa yhdessä rakennuksessa. Näihin kuuluvat konsolikompressorien vaihteettomat versiot, joiden painesuhde on jopa 2,5 tai suurempi yksivaiheisissa versioissa ja painesuhde jopa 6 sarjaversioissa.
Viime vuosina olemme tehneet joitakin merkittäviä suunnitteluparannuksia, jotka on tiivistetty alla, vastataksemme kasvaviin IGC-tehokkuuden, sääntelyjoustavuuden ja pääomakustannusten vaatimuksiin.
Useiden MAC-vaiheessa tyypillisesti käytettyjen juoksupyörien vaihtelevaa hyötysuhdetta lisätään muuttamalla siipien geometriaa. Tällä uudella juoksupyörällä voidaan saavuttaa jopa 89 %:n vaihteleva hyötysuhde perinteisten LS-hajottimien kanssa ja yli 90 %:n vaihteleva hyötysuhde uuden sukupolven hybridihajottimien kanssa.
Lisäksi juoksupyörän Mach-luku on yli 1,3, mikä antaa ensimmäiselle vaiheelle suuremman tehotiheyden ja puristussuhteen. Tämä myös vähentää kolmivaiheisten MAC-järjestelmien vaihteiden siirtämää tehoa, mikä mahdollistaa pienempien hammaspyörien ja suoravetoisten vaihteistojen käytön ensimmäisissä vaiheissa.
Perinteiseen täyspitkään LS-siipihajottimeen verrattuna seuraavan sukupolven hybridihajottimella on 2,5 %:n parempi lavan hyötysuhde ja 3 %:n säätökerroin. Tämä parannus saavutetaan sekoittamalla lapoja (eli lavat jaetaan täyskorkeisiin ja osakorkeisiin osiin). Tässä kokoonpanossa
Juoksupyörän ja hajottimen välinen virtaus pienenee lavan korkeuden osalla, joka sijaitsee lähempänä juoksupyörää kuin perinteisen LS-hajottimen lavat. Kuten perinteisessä LS-hajottajassa, täyspitkien lapojen etureunat ovat yhtä kaukana juoksupyörästä, jotta vältetään juoksupyörän ja hajottimen vuorovaikutus, joka voisi vahingoittaa lapoja.
Siipien korkeuden osittainen nostaminen lähemmäs juoksupyörää parantaa myös virtaussuuntaa pulssialueen lähellä. Koska täyspitkän siiveosan etureuna pysyy saman halkaisijan omaavana kuin perinteisessä LS-hajottimessa, kuristuslinja ei muutu, mikä mahdollistaa laajemman käyttö- ja säätöalueen.
Veden ruiskutuksessa vesipisaroita ruiskutetaan imuputkessa olevaan ilmavirtaan. Pisarat haihtuvat ja absorboivat lämpöä prosessikaasuvirrasta, mikä alentaa sisääntulolämpötilaa puristusvaiheeseen asti. Tämä johtaa isentrooppisen tehontarpeen vähenemiseen ja yli 1 %:n hyötysuhteen kasvuun.
Vaihteiston akselin karkaisulla voidaan lisätä sallittua jännitystä pinta-alayksikköä kohti, mikä puolestaan pienentää hampaan leveyttä. Tämä vähentää vaihteiston mekaanisia häviöitä jopa 25 %, mikä johtaa jopa 0,5 %:n kokonaishyötysuhteen kasvuun. Lisäksi pääkompressorin kustannuksia voidaan pienentää jopa 1 %, koska suuressa vaihteistossa käytetään vähemmän metallia.
Tämä juoksupyörä voi toimia jopa 0,25:n virtauskertoimella (φ) ja tarjoaa 6 % suuremman nostokorkeuden kuin 65 asteen juoksupyörät. Lisäksi virtauskerroin saavuttaa 0,25:n, ja IGC-koneen kaksoisvirtausrakenteessa tilavuusvirtaus on 1,2 miljoonaa m3/h tai jopa 2,4 miljoonaa m3/h.
Korkeampi phi-arvo mahdollistaa pienemmän halkaisijan omaavan juoksupyörän käytön samalla tilavuusvirtauksella, mikä alentaa pääkompressorin kustannuksia jopa 4 %. Ensimmäisen vaiheen juoksupyörän halkaisijaa voidaan pienentää entisestään.
Korkeampi nostokorkeus saavutetaan juoksupyörän 75°:n kääntökulmalla, joka lisää kehänopeuskomponenttia ulostulossa ja siten antaa korkeamman nostokorkeuden Eulerin yhtälön mukaisesti.
Verrattuna suurnopeuksisiin ja tehokkaisiin juoksupyöriin, juoksupyörän hyötysuhde on hieman heikompi kierukan suurempien häviöiden vuoksi. Tämä voidaan kompensoida käyttämällä keskikokoista etanaa. Kuitenkin jopa ilman näitä kierukoita voidaan saavuttaa jopa 87 %:n vaihteleva hyötysuhde Mach-luvulla 1,0 ja virtauskertoimella 0,24.
Pienempi kierukkaosa mahdollistaa törmäysten välttämisen muiden kierukoiden kanssa, kun suuren hammaspyörän halkaisijaa pienennetään. Käyttäjät voivat säästää kustannuksia vaihtamalla 6-napaisesta moottorista nopeampaan 4-napaiseen moottoriin (1000 rpm - 1500 rpm) ylittämättä suurinta sallittua hammaspyörän nopeutta. Lisäksi se voi vähentää materiaalikustannuksia kierukkavaihteissa ja suurissa hammaspyörissä.
Kaiken kaikkiaan pääkompressori voi säästää jopa 2 % pääomakustannuksissa, ja lisäksi moottori voi myös säästää 2 % pääomakustannuksissa. Koska kompaktit voluutit ovat jonkin verran vähemmän tehokkaita, päätös niiden käytöstä riippuu pitkälti asiakkaan prioriteeteista (kustannus vs. tehokkuus) ja se on arvioitava projektikohtaisesti.
Ohjausominaisuuksien parantamiseksi IGV voidaan asentaa useiden näyttämöiden eteen. Tämä on jyrkässä ristiriidassa aiempien IGC-projektien kanssa, joissa IGV:itä käytettiin vain ensimmäiseen vaiheeseen asti.
IGC:n aiemmissa iteraatioissa pyörrekerroin (eli toisen IGV:n kulma jaettuna ensimmäisen IGV1:n kulmalla) pysyi vakiona riippumatta siitä, oliko virtaus eteenpäin (kulma > 0°, pienentävä pää) vai vastakkaiseen suuntaan (kulma < 0°). Kun paine kasvaa, paine kasvaa. Tämä on epäedullista, koska kulman etumerkki muuttuu positiivisten ja negatiivisten pyörteiden välillä.
Uusi kokoonpano mahdollistaa kahden eri pyörrevirtaussuhteen käytön koneen ollessa eteenpäin- ja taaksepäin suuntautuvassa pyörrevirtaustilassa, mikä lisää säätöaluetta 4 % ja säilyttää samalla tehokkuuden.
Sisällyttämällä LS-diffuusorin BAC-laitteissa yleisesti käytettyyn juoksupyörään, monivaiheista hyötysuhdetta voidaan nostaa 89 %:iin. Tämä yhdistettynä muihin hyötysuhteen parannuksiin vähentää BAC-vaiheiden määrää säilyttäen samalla järjestelmän kokonaishyötysuhteen. Vaiheiden määrän vähentäminen poistaa välijäähdyttimen, siihen liittyvän prosessikaasuputkiston sekä roottori- ja staattorikomponenttien tarpeen, mikä johtaa 10 %:n kustannussäästöihin. Lisäksi monissa tapauksissa on mahdollista yhdistää pääilmakompressori ja tehostekompressori samaan koneeseen.
Kuten aiemmin mainittiin, höyryturbiinin ja vaihtovirtapumpun väliin tarvitaan yleensä välipyörä. Siemens Energyn uuden IGC-rakenteen ansiosta tämä välipyörä voidaan integroida vaihteistoon lisäämällä välipyörän akseli hammaspyörän akselin ja ison hammaspyörän (4 vaihdetta) väliin. Tämä voi vähentää linjan kokonaiskustannuksia (pääkompressori ja apulaitteet) jopa 4 %.
Lisäksi 4-pyöräiset vaihteet ovat tehokkaampi vaihtoehto kompakteille scroll-moottoreille vaihdettaessa 6-napaisista 4-napaisiin moottoreihin suurissa pääilmakompressoreissa (jos on olemassa kierukkaosien törmäyksen mahdollisuus tai jos suurin sallittu hammaspyörän nopeus pienenee). ) ohi.
Niiden käyttö on myös yleistymässä useilla teollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämisen kannalta tärkeillä markkinoilla, mukaan lukien lämpöpumput ja höyrynpuristus sekä hiilidioksidin puristus hiilidioksidin talteenoton, hyödyntämisen ja varastoinnin (CCUS) kehityshankkeissa.
Siemens Energyllä on pitkä historia IGC-laitteiden suunnittelussa ja käytössä. Kuten edellä mainitut (ja muut) tutkimus- ja kehitystyöt osoittavat, olemme sitoutuneet jatkuvasti innovoimaan näitä koneita vastataksemme ainutlaatuisiin sovellustarpeisiin ja vastataksemme markkinoiden kasvaviin vaatimuksiin alhaisempien kustannusten, paremman tehokkuuden ja kestävän kehityksen osalta. KT2
Julkaisun aika: 28.4.2024