May-akda: Lukas Bijikli, Product Portfolio Manager, Integrated Gear Drives, R&D CO2 Compression at Heat Pumps, Siemens Energy.
Sa loob ng maraming taon, ang Integrated Gear Compressor (IGC) ang napiling teknolohiya para sa air separation plants. Ito ay higit sa lahat dahil sa kanilang mataas na kahusayan, na direktang humahantong sa pinababang gastos para sa oxygen, nitrogen at inert gas. Gayunpaman, ang lumalagong pagtuon sa decarbonization ay naglalagay ng mga bagong pangangailangan sa mga IPC, lalo na sa mga tuntunin ng kahusayan at kakayahang umangkop sa regulasyon. Ang paggasta ng kapital ay patuloy na isang mahalagang kadahilanan para sa mga operator ng halaman, lalo na sa mga maliliit at katamtamang laki ng mga negosyo.
Sa nakalipas na ilang taon, sinimulan ng Siemens Energy ang ilang mga proyekto sa pananaliksik at pagpapaunlad (R&D) na naglalayong palawakin ang mga kakayahan ng IGC upang matugunan ang mga nagbabagong pangangailangan ng air separation market. Itinatampok ng artikulong ito ang ilang partikular na pagpapahusay sa disenyo na ginawa namin at tinatalakay kung paano makakatulong ang mga pagbabagong ito na matugunan ang mga layunin ng aming mga customer sa gastos at pagbabawas ng carbon.
Karamihan sa mga air separation unit ngayon ay nilagyan ng dalawang compressor: isang pangunahing air compressor (MAC) at isang boost air compressor (BAC). Karaniwang pinipiga ng pangunahing air compressor ang buong daloy ng hangin mula sa atmospheric pressure hanggang humigit-kumulang 6 bar. Ang isang bahagi ng daloy na ito ay higit pang i-compress sa BAC sa presyon na hanggang 60 bar.
Depende sa pinagmumulan ng enerhiya, ang compressor ay karaniwang hinihimok ng steam turbine o electric motor. Kapag gumagamit ng steam turbine, ang parehong mga compressor ay hinihimok ng parehong turbine sa pamamagitan ng twin shaft ends. Sa klasikal na pamamaraan, ang isang intermediate na gear ay naka-install sa pagitan ng steam turbine at ng HAC (Larawan 1).
Sa parehong electrically driven at steam turbine driven system, ang compressor efficiency ay isang malakas na lever para sa decarbonization dahil direktang nakakaapekto ito sa pagkonsumo ng enerhiya ng unit. Ito ay lalong mahalaga para sa mga MGP na pinatatakbo ng mga steam turbine, dahil ang karamihan sa init para sa produksyon ng singaw ay nakukuha sa mga boiler na pinapagana ng fossil fuel.
Bagama't ang mga de-koryenteng motor ay nagbibigay ng mas berdeng alternatibo sa mga steam turbine drive, kadalasan ay may higit na pangangailangan para sa kakayahang umangkop sa kontrol. Maraming modernong air separation plants na itinatayo ngayon ang grid-connected at may mataas na antas ng renewable energy na paggamit. Sa Australia, halimbawa, may mga planong magtayo ng ilang berdeng halaman ng ammonia na gagamit ng mga air separation unit (ASU) para makagawa ng nitrogen para sa ammonia synthesis at inaasahang makakatanggap ng kuryente mula sa kalapit na wind at solar farm. Sa mga halaman na ito, mahalaga ang kakayahang umangkop sa regulasyon upang mabayaran ang mga likas na pagbabago sa pagbuo ng kuryente.
Binuo ng Siemens Energy ang unang IGC (dating kilala bilang VK) noong 1948. Ngayon ang kumpanya ay gumagawa ng higit sa 2,300 mga yunit sa buong mundo, na marami sa mga ito ay idinisenyo para sa mga application na may mga rate ng daloy na higit sa 400,000 m3/h. Ang aming mga makabagong MGP ay may daloy ng hanggang 1.2 milyong metro kubiko kada oras sa isang gusali. Kabilang dito ang mga gearless na bersyon ng mga console compressor na may mga ratio ng presyon hanggang 2.5 o mas mataas sa mga bersyon ng single-stage at mga ratio ng presyon hanggang 6 sa mga serial na bersyon.
Sa mga nakalipas na taon, upang matugunan ang dumaraming mga pangangailangan para sa kahusayan ng IGC, kakayahang umangkop sa regulasyon at mga gastos sa kapital, gumawa kami ng ilang kapansin-pansing pagpapahusay sa disenyo, na ibinubuod sa ibaba.
Ang variable na kahusayan ng isang bilang ng mga impeller na karaniwang ginagamit sa unang yugto ng MAC ay nadaragdagan sa pamamagitan ng pag-iiba-iba ng geometry ng talim. Sa bagong impeller na ito, ang mga variable na kahusayan na hanggang 89% ay maaaring makamit kasama ng mga kumbensyonal na LS diffuser at higit sa 90% kasama ang bagong henerasyon ng mga hybrid na diffuser.
Bilang karagdagan, ang impeller ay may isang Mach na numero na mas mataas kaysa sa 1.3, na nagbibigay ng unang yugto na may mas mataas na density ng kapangyarihan at ratio ng compression. Binabawasan din nito ang kapangyarihan na dapat ihatid ng mga gear sa tatlong yugto ng MAC system, na nagpapahintulot sa paggamit ng mas maliliit na diameter na gear at direct drive na gearbox sa mga unang yugto.
Kung ikukumpara sa tradisyonal na full-length na LS vane diffuser, ang susunod na henerasyong hybrid diffuser ay may tumaas na stage efficiency na 2.5% at control factor na 3%. Ang pagtaas na ito ay nakakamit sa pamamagitan ng paghahalo ng mga blades (ibig sabihin, ang mga blades ay nahahati sa full-height at partial-height na mga seksyon). Sa pagsasaayos na ito
Ang output ng daloy sa pagitan ng impeller at diffuser ay nababawasan ng isang bahagi ng taas ng blade na mas malapit sa impeller kaysa sa mga blades ng isang kumbensyonal na LS diffuser. Tulad ng karaniwang LS diffuser, ang mga nangungunang gilid ng full-length na blades ay katumbas ng layo mula sa impeller upang maiwasan ang interaksyon ng impeller-diffuser na maaaring makapinsala sa mga blades.
Ang bahagyang pagtaas ng taas ng mga blades na mas malapit sa impeller ay nagpapabuti din ng direksyon ng daloy malapit sa pulsation zone. Dahil ang nangungunang gilid ng full-length na seksyon ng vane ay nananatiling kapareho ng diyametro gaya ng karaniwang LS diffuser, ang throttle line ay hindi naaapektuhan, na nagbibigay-daan para sa mas malawak na hanay ng aplikasyon at pag-tune.
Kasama sa iniksyon ng tubig ang pag-iniksyon ng mga patak ng tubig sa daloy ng hangin sa suction tube. Ang mga droplet ay sumingaw at sumisipsip ng init mula sa proseso ng daloy ng gas, sa gayon ay binabawasan ang temperatura ng pumapasok sa yugto ng compression. Nagreresulta ito sa isang pagbawas sa mga kinakailangan sa isentropic na kapangyarihan at isang pagtaas sa kahusayan ng higit sa 1%.
Ang pagpapatigas ng gear shaft ay nagbibigay-daan sa iyo upang madagdagan ang pinahihintulutang stress sa bawat unit area, na nagpapahintulot sa iyo na bawasan ang lapad ng ngipin. Binabawasan nito ang mekanikal na pagkalugi sa gearbox ng hanggang 25%, na nagreresulta sa pagtaas ng pangkalahatang kahusayan ng hanggang 0.5%. Bilang karagdagan, ang mga pangunahing gastos ng compressor ay maaaring mabawasan ng hanggang 1% dahil mas kaunting metal ang ginagamit sa malaking gearbox.
Ang impeller na ito ay maaaring gumana nang may flow coefficient (φ) na hanggang 0.25 at nagbibigay ng 6% na higit pang ulo kaysa sa 65 degree na mga impeller. Bilang karagdagan, ang daloy ng koepisyent ay umabot sa 0.25, at sa double-flow na disenyo ng IGC machine, ang volumetric na daloy ay umabot sa 1.2 milyong m3 / h o kahit na 2.4 milyong m3 / h.
Ang isang mas mataas na halaga ng phi ay nagbibigay-daan sa paggamit ng isang mas maliit na diameter impeller sa parehong dami ng daloy, sa gayon ay binabawasan ang gastos ng pangunahing tagapiga ng hanggang 4%. Ang diameter ng unang yugto ng impeller ay maaaring mabawasan nang higit pa.
Ang mas mataas na ulo ay nakakamit ng 75° impeller deflection angle, na nagpapataas ng circumferential velocity component sa outlet at sa gayon ay nagbibigay ng mas mataas na ulo ayon sa Euler's equation.
Kung ikukumpara sa mga high-speed at high-efficiency impeller, ang kahusayan ng impeller ay bahagyang nabawasan dahil sa mas mataas na pagkalugi sa volute. Maaari itong mabayaran sa pamamagitan ng paggamit ng isang medium-sized na snail. Gayunpaman, kahit na wala ang mga volutes na ito, ang variable na kahusayan na hanggang 87% ay maaaring makamit sa isang Mach number na 1.0 at isang flow coefficient na 0.24.
Ang mas maliit na volute ay nagpapahintulot sa iyo na maiwasan ang mga banggaan sa iba pang mga volute kapag ang diameter ng malaking gear ay nabawasan. Ang mga operator ay maaaring makatipid ng mga gastos sa pamamagitan ng paglipat mula sa isang 6 na poste na motor patungo sa isang mas mataas na bilis na 4 na poste na motor (1000 rpm hanggang 1500 rpm) nang hindi lalampas sa maximum na pinapahintulutang bilis ng gear. Bukod pa rito, maaari nitong bawasan ang mga gastos sa materyal para sa helical at malalaking gears.
Sa pangkalahatan, ang pangunahing compressor ay maaaring makatipid ng hanggang 2% sa mga gastos sa kapital, kasama ang makina ay maaari ring makatipid ng 2% sa mga gastos sa kapital. Dahil medyo hindi gaanong episyente ang mga compact volute, ang desisyon na gamitin ang mga ito ay higit na nakadepende sa mga priyoridad ng kliyente (gastos kumpara sa kahusayan) at dapat masuri sa isang proyekto-by-proyekto na batayan.
Upang madagdagan ang mga kakayahan sa kontrol, ang IGV ay maaaring mai-install sa harap ng maraming yugto. Ito ay lubos na kaibahan sa mga nakaraang proyekto ng IGC, na kinabibilangan lamang ng mga IGV hanggang sa unang yugto.
Sa mga naunang pag-ulit ng IGC, ang vortex coefficient (ibig sabihin, ang anggulo ng pangalawang IGV na hinati sa anggulo ng unang IGV1) ay nanatiling pare-pareho kahit na ang daloy ay pasulong (anggulo > 0°, pagbabawas ng ulo) o reverse vortex (anggulo < 0). °, tumataas ang presyon). Ito ay disadvantageous dahil ang tanda ng anggulo ay nagbabago sa pagitan ng positibo at negatibong vortex.
Ang bagong configuration ay nagbibigay-daan sa dalawang magkaibang vortex ratios na magamit kapag ang makina ay nasa forward at reverse vortex mode, sa gayon ay tumataas ang control range ng 4% habang pinapanatili ang patuloy na kahusayan.
Sa pamamagitan ng pagsasama ng isang LS diffuser para sa impeller na karaniwang ginagamit sa mga BAC, ang multi-stage na kahusayan ay maaaring tumaas sa 89%. Ito, kasama ng iba pang mga pagpapabuti ng kahusayan, ay binabawasan ang bilang ng mga yugto ng BAC habang pinapanatili ang pangkalahatang kahusayan ng tren. Ang pagbabawas sa bilang ng mga yugto ay nag-aalis ng pangangailangan para sa isang intercooler, nauugnay na proseso ng gas piping, at mga bahagi ng rotor at stator, na nagreresulta sa pagtitipid sa gastos ng 10%. Bukod pa rito, sa maraming mga kaso posible na pagsamahin ang pangunahing air compressor at ang booster compressor sa isang makina.
Tulad ng nabanggit kanina, ang isang intermediate na gear ay karaniwang kinakailangan sa pagitan ng steam turbine at ng VAC. Gamit ang bagong disenyo ng IGC mula sa Siemens Energy, ang idler gear na ito ay maaaring isama sa gearbox sa pamamagitan ng pagdaragdag ng idler shaft sa pagitan ng pinion shaft at ng malaking gear (4 na gears). Maaari nitong bawasan ang kabuuang gastos sa linya (pangunahing tagapiga at pantulong na kagamitan) nang hanggang 4%.
Bukod pa rito, ang 4-pinion gears ay isang mas mahusay na alternatibo sa mga compact scroll motor para sa paglipat mula sa 6-pole hanggang 4-pole na motor sa malalaking pangunahing air compressor (kung may posibilidad ng volute collision o kung ang maximum na pinapahintulutang bilis ng pinion ay mababawasan). ) nakaraan.
Ang kanilang paggamit ay nagiging mas karaniwan din sa ilang mga merkado na mahalaga sa industriyal na decarbonization, kabilang ang mga heat pump at steam compression, pati na rin ang CO2 compression sa carbon capture, utilization and storage (CCUS) developments.
Ang Siemens Energy ay may mahabang kasaysayan ng pagdidisenyo at pagpapatakbo ng mga IGC. Bilang ebidensya ng nasa itaas (at iba pang) pagsisikap sa pananaliksik at pagpapaunlad, nakatuon kami sa patuloy na pagbabago sa mga makinang ito upang matugunan ang mga natatanging pangangailangan sa aplikasyon at matugunan ang lumalaking pangangailangan sa merkado para sa mas mababang gastos, pagtaas ng kahusayan at pagtaas ng pagpapanatili. KT2
Oras ng post: Abr-28-2024