Autor: Lukas Bijikli, xestor da carteira de produtos, accionamentos de engrenaxes integrados, I+D de compresión de CO2 e bombas de calor, Siemens Energy.
Durante moitos anos, o compresor de engrenaxes integrado (IGC) foi a tecnoloxía escollida para as plantas de separación de aire. Isto débese principalmente á súa alta eficiencia, que leva directamente a unha redución dos custos do osíxeno, o nitróxeno e o gas inerte. Non obstante, o crecente enfoque na descarbonización impón novas esixencias aos IPC, especialmente en termos de eficiencia e flexibilidade regulatoria. O gasto de capital segue a ser un factor importante para os operadores de plantas, especialmente nas pequenas e medianas empresas.
Nos últimos anos, Siemens Energy iniciou varios proxectos de investigación e desenvolvemento (I+D) destinados a ampliar as capacidades da IGC para satisfacer as necesidades cambiantes do mercado da separación de aire. Este artigo destaca algunhas melloras específicas no deseño que realizamos e analiza como estes cambios poden axudar a cumprir os obxectivos de redución de custos e carbono dos nosos clientes.
A maioría das unidades de separación de aire actuais están equipadas con dous compresores: un compresor de aire principal (MAC) e un compresor de aire de sobrealimentación (BAC). O compresor de aire principal normalmente comprime todo o fluxo de aire desde a presión atmosférica ata aproximadamente 6 bar. Unha parte deste fluxo comprímese despois no BAC ata unha presión de ata 60 bar.
Dependendo da fonte de enerxía, o compresor adoita ser accionado por unha turbina de vapor ou un motor eléctrico. Cando se usa unha turbina de vapor, ambos compresores son accionados pola mesma turbina a través de extremos de eixe xemelgos. No esquema clásico, instálase unha engrenaxe intermedia entre a turbina de vapor e o HAC (Fig. 1).
Tanto nos sistemas accionados por electricidade como nos sistemas accionados por turbinas de vapor, a eficiencia do compresor é unha potente ferramenta para a descarbonización, xa que inflúe directamente no consumo de enerxía da unidade. Isto é especialmente importante para as turbinas de vapor accionadas por turbinas de vapor, xa que a maior parte da calor para a produción de vapor obtense en caldeiras alimentadas por combustibles fósiles.
Aínda que os motores eléctricos ofrecen unha alternativa máis ecolóxica aos accionamentos das turbinas de vapor, adoita haber unha maior necesidade de flexibilidade de control. Moitas das plantas modernas de separación de aire que se están a construír hoxe en día están conectadas á rede e teñen un alto nivel de uso de enerxía renovable. En Australia, por exemplo, hai plans para construír varias plantas de amoníaco ecolóxicas que usarán unidades de separación de aire (ASU) para producir nitróxeno para a síntese de amoníaco e espérase que reciban electricidade de parques eólicos e solares próximos. Nestas plantas, a flexibilidade regulatoria é fundamental para compensar as flutuacións naturais na xeración de enerxía.
Siemens Energy desenvolveu o primeiro IGC (anteriormente coñecido como VK) en 1948. Hoxe en día, a empresa produce máis de 2300 unidades en todo o mundo, moitas das cales están deseñadas para aplicacións con caudais superiores a 400 000 m3/h. Os nosos MGP modernos teñen un caudal de ata 1,2 millóns de metros cúbicos por hora nun só edificio. Estes inclúen versións sen engrenaxes de compresores de consola con relacións de presión de ata 2,5 ou superiores en versións dunha soa etapa e relacións de presión de ata 6 en versións en serie.
Nos últimos anos, para satisfacer as crecentes demandas de eficiencia da IGC, flexibilidade regulatoria e custos de capital, realizamos algunhas melloras notables no deseño, que se resumen a continuación.
A eficiencia variable dun certo número de impulsores que se empregan normalmente na primeira etapa MAC aumenta ao variar a xeometría das á. Con este novo impulsor, pódense conseguir eficiencias variables de ata o 89 % en combinación con difusores LS convencionais e de máis do 90 % en combinación coa nova xeración de difusores híbridos.
Ademais, o impulsor ten un número de Mach superior a 1,3, o que proporciona á primeira etapa unha maior densidade de potencia e relación de compresión. Isto tamén reduce a potencia que deben transmitir as engrenaxes nos sistemas MAC de tres etapas, o que permite o uso de engrenaxes de menor diámetro e caixas de cambios de accionamento directo nas primeiras etapas.
En comparación co difusor de paletas LS tradicional de lonxitude completa, o difusor híbrido de última xeración ten unha eficiencia de etapa maior do 2,5 % e un factor de control do 3 %. Este aumento conséguese mesturando as palas (é dicir, as palas divídense en seccións de altura completa e de altura parcial). Nesta configuración
O fluxo de saída entre o impulsor e o difusor redúcese nunha parte da altura da á que se atopa máis preto do impulsor que as á dun difusor LS convencional. Do mesmo xeito que cun difusor LS convencional, os bordos dianteiros das á de lonxitude completa están equidistantes do impulsor para evitar a interacción impulsor-difusor que podería danalas.
Aumentar parcialmente a altura das álabes máis preto do impulsor tamén mellora a dirección do fluxo preto da zona de pulsación. Dado que o bordo de ataque da sección de álabes de lonxitude completa segue tendo o mesmo diámetro que o dun difusor LS convencional, a liña de aceleración non se ve afectada, o que permite unha maior gama de aplicacións e axustes.
A inxección de auga implica inxectar pingas de auga na corrente de aire do tubo de succión. As pingas evapóranse e absorben calor da corrente de gas do proceso, reducindo así a temperatura de entrada á etapa de compresión. Isto resulta nunha redución nos requisitos de potencia isentrópica e nun aumento da eficiencia de máis do 1 %.
O endurecemento do eixe da engrenaxe permite aumentar a tensión admisible por unidade de área, o que permite reducir o ancho do dente. Isto reduce as perdas mecánicas na caixa de cambios ata nun 25 %, o que resulta nun aumento da eficiencia global de ata un 0,5 %. Ademais, os custos do compresor principal poden reducirse ata nun 1 % porque se usa menos metal na caixa de cambios grande.
Este impulsor pode funcionar cun coeficiente de caudal (φ) de ata 0,25 e proporciona un 6 % máis de altura que os impulsores de 65 graos. Ademais, o coeficiente de caudal alcanza 0,25 e, no deseño de dobre caudal da máquina IGC, o caudal volumétrico alcanza 1,2 millóns de m3/h ou incluso 2,4 millóns de m3/h.
Un valor phi máis alto permite o uso dun impulsor de menor diámetro para o mesmo caudal, o que reduce o custo do compresor principal ata nun 4 %. O diámetro do impulsor da primeira etapa pódese reducir aínda máis.
A maior altura conséguese grazas ao ángulo de deflexión de 75° do impulsor, o que aumenta o compoñente da velocidade circunferencial na saída e, polo tanto, proporciona unha maior altura segundo a ecuación de Euler.
En comparación cos impulsores de alta velocidade e alta eficiencia, a eficiencia do impulsor redúcese lixeiramente debido ás maiores perdas na voluta. Isto pódese compensar usando un caracol de tamaño mediano. Non obstante, mesmo sen estas volutas, pódese conseguir unha eficiencia variable de ata o 87 % cun número de Mach de 1,0 e un coeficiente de fluxo de 0,24.
A voluta máis pequena permite evitar colisións con outras volutas cando se reduce o diámetro da engrenaxe grande. Os operadores poden aforrar custos cambiando dun motor de 6 polos a un motor de 4 polos de maior velocidade (de 1000 rpm a 1500 rpm) sen superar a velocidade máxima permitida da engrenaxe. Ademais, pode reducir os custos de materiais para engrenaxes helicoidais e grandes.
En xeral, o compresor principal pode aforrar ata un 2 % en custos de capital, e o motor tamén pode aforrar un 2 % en custos de capital. Dado que as volutas compactas son algo menos eficientes, a decisión de usalas depende en gran medida das prioridades do cliente (custo fronte a eficiencia) e debe avaliarse proxecto por proxecto.
Para aumentar as capacidades de control, o IGV pódese instalar diante de varias etapas. Isto contrasta fortemente cos proxectos IGC anteriores, que só incluían IGV ata a primeira fase.
En iteracións anteriores do IGC, o coeficiente de vórtice (é dicir, o ángulo do segundo IGV dividido polo ángulo do primeiro IGV1) permanecía constante independentemente de se o fluxo era cara adiante (ángulo > 0°, reducindo a altura) ou cara a atrás (ángulo < 0°). Isto é desvantaxoso porque o signo do ángulo cambia entre vórtices positivos e negativos.
A nova configuración permite usar dúas relacións de vórtice diferentes cando a máquina está en modo de vórtice cara adiante e cara atrás, aumentando así o rango de control nun 4 % e mantendo unha eficiencia constante.
Ao incorporar un difusor LS para o impulsor que se emprega habitualmente nos BAC, a eficiencia multietapa pódese aumentar ata o 89 %. Isto, combinado con outras melloras na eficiencia, reduce o número de etapas do BAC e mantén a eficiencia xeral do tren. A redución do número de etapas elimina a necesidade dun intercooler, das tubaxes de gas de proceso asociadas e dos compoñentes do rotor e do estator, o que resulta nun aforro de custos do 10 %. Ademais, en moitos casos é posible combinar o compresor de aire principal e o compresor de reforzo nunha soa máquina.
Como se mencionou anteriormente, normalmente requírese unha engrenaxe intermedia entre a turbina de vapor e o VAC. Co novo deseño IGC de Siemens Energy, esta engrenaxe locomotora pódese integrar na caixa de cambios engadindo un eixe locomotor entre o eixe do piñón e a engrenaxe grande (4 engrenaxes). Isto pode reducir o custo total da liña (compresor principal máis equipo auxiliar) ata nun 4 %.
Ademais, as engrenaxes de 4 piñóns son unha alternativa máis eficiente aos motores de espiral compactos para cambiar de motores de 6 polos a 4 polos en grandes compresores de aire principais (se existe a posibilidade de colisión de espiral ou se se reduce a velocidade máxima permitida do piñón).
O seu uso tamén se está a volver máis común en varios mercados importantes para a descarbonización industrial, incluíndo as bombas de calor e a compresión de vapor, así como a compresión de CO2 nos desenvolvementos de captura, utilización e almacenamento de carbono (CCUS).
Siemens Energy ten unha longa historia no deseño e funcionamento de IGC. Como demostran os esforzos de investigación e desenvolvemento mencionados (e outros), estamos comprometidos coa innovación continua destas máquinas para satisfacer as necesidades únicas das aplicacións e satisfacer as crecentes demandas do mercado de custos máis baixos, maior eficiencia e maior sustentabilidade. KT2
Data de publicación: 28 de abril de 2024