Autor: Lukas Bijikli, xestor de carteira de produtos, unidades de engrenaxes integradas, compresión de I + D CO2 e bombas de calor, Enerxía Siemens.
Durante moitos anos, o compresor de engrenaxes integrado (IGC) foi a tecnoloxía de elección para as plantas de separación de aire. Isto débese principalmente á súa alta eficiencia, o que leva directamente a custos reducidos para osíxeno, nitróxeno e gas inerte. Non obstante, o crecente foco na descarbonización pon novas demandas nos IPC, especialmente en termos de eficiencia e flexibilidade reguladora. O gasto de capital segue a ser un factor importante para os operadores vexetais, especialmente nas pequenas e medianas empresas.
Nos últimos anos, Siemens Energy iniciou varios proxectos de investigación e desenvolvemento (I + D) dirixidos a ampliar as capacidades IGC para satisfacer as necesidades cambiantes do mercado de separación de aire. Este artigo pon de manifesto algunhas melloras específicas do deseño que fixemos e discute como estes cambios poden axudar a cumprir os obxectivos de custo e redución de carbono dos nosos clientes.
A maioría das unidades de separación de aire hoxe están equipadas con dous compresores: un compresor de aire principal (MAC) e un compresor de aire Boost (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 é entón comprimida no BAC ata unha presión de ata 60 bar.
Dependendo da fonte de enerxía, o compresor normalmente é conducido por unha turbina de vapor ou un motor eléctrico. Ao usar unha turbina de vapor, os dous compresores son conducidos pola mesma turbina a través de extremos do eixe xemelgo. No esquema clásico, instalouse unha engrenaxe intermedia entre a turbina de vapor e o HAC (Fig. 1).
Tanto nos sistemas impulsados por turbinas eléctricamente como na turbina de vapor, a eficiencia do compresor é unha potente palanca para a descarbonización xa que afecta directamente ao consumo de enerxía da unidade. Isto é especialmente importante para as MGPs impulsadas por turbinas de vapor, xa que a maior parte da calor para a produción de vapor obtense en caldeiras de combustible fósil.
Aínda que os motores eléctricos proporcionan unha alternativa máis ecolóxica ás unidades de turbinas de vapor, moitas veces hai unha maior necesidade de flexibilidade do control. Moitas plantas modernas de separación de aire que se constrúen hoxe están conectadas á rede e teñen un alto nivel de consumo de enerxía renovable. En Australia, por exemplo, hai plans para construír varias plantas de amoníaco verdes que empregarán unidades de separación de aire (ASUS) para producir nitróxeno para a síntese de amoníaco e espérase que reciban electricidade das explotacións eólicas e solares próximas. Nestas plantas, a flexibilidade reguladora é fundamental para compensar as flutuacións naturais na xeración de enerxía.
Siemens Energy desenvolveu o primeiro IGC (antes coñecido como VK) en 1948. Hoxe a compañía produce máis de 2.300 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 edificio. Estes inclúen versións sen engrenaxes de compresores de consolas con relacións de presión de ata 2,5 ou superiores en versións dunha soa etapa e relacións de presión ata 6 en versións en serie.
Nos últimos anos, para satisfacer as demandas crecentes de eficiencia IGC, flexibilidade reguladora e custos de capital, fixemos algunhas melloras notables do deseño, que se resumen a continuación.
A eficiencia variable de varios impulsores usados normalmente na primeira etapa Mac aumenta variando a xeometría da lámina. Con este novo impulsor, pódense conseguir eficiencias variables de ata o 89% en combinación con difusores convencionais de LS e máis do 90% en combinación coa nova xeración de difusores híbridos.
Ademais, o impulsor ten un número 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 os engrenaxes nos sistemas Mac de tres etapas deben transmitir, permitindo o uso de engrenaxes de menor diámetro e caixas de cambios de accionamento directo nas primeiras etapas.
En comparación co difusor tradicional de Vane LS de lonxitude completa, o difusor híbrido de seguinte xeración ten un aumento da eficiencia en fase do 2,5% e o factor de control do 3%. Este aumento conséguese mesturando as láminas (é dicir, as láminas divídense en seccións de altura completa e de altura parcial). Nesta configuración
A saída de fluxo entre o impulsor e o difusor redúcese por unha porción da altura da lámina situada máis preto do impulsor que as láminas dun difusor LS convencional. Do mesmo xeito que cun difusor de LS convencional, os bordos principais das láminas de lonxitude completa son equidistantes do impulsor para evitar a interacción do impulsor-difusor que poida danar as láminas.
Aumentar parcialmente a altura das láminas máis preto do impulsor tamén mellora a dirección do fluxo preto da zona de pulsación. Debido a que o bordo principal da sección de paletas de lonxitude completa segue sendo o mesmo diámetro que un difusor LS convencional, a liña do acelerador non se ve afectada, permitindo unha gama máis ampla de aplicacións e afinación.
A inxección de auga implica inxectar pingas de auga no fluxo de aire no tubo de succión. As pingas evaporan e absorben a calor do fluxo de gas do proceso, reducindo así a temperatura de entrada á fase de compresión. Isto resulta nunha redución dos requirimentos de enerxía isentrópica e un aumento da eficiencia superior ao 1%.
O endurecemento do eixe de engrenaxes permítelle aumentar a tensión admisible por unidade de área, o que lle permite reducir o ancho do dente. Isto reduce as perdas mecánicas na caixa de cambios ata un 25%, obtendo un aumento da eficiencia global de ata o 0,5%. Ademais, os principais custos do compresor pódense reducir ata un 1% porque se usa menos metal na caixa de cambios grande.
Este impulsor pode operar cun coeficiente de fluxo (φ) de ata 0,25 e proporciona un 6% máis de cabeza que 65 graos. Ademais, o coeficiente de fluxo alcanza 0,25 e, no deseño de dobre fluxo da máquina IGC, o fluxo volumétrico alcanza 1,2 millóns de m3/h ou incluso 2,4 millóns de m3/h.
Un maior valor PHI permite o uso dun impulsor de diámetro menor ao mesmo fluxo de volume, reducindo así o custo do compresor principal ata un 4%. O diámetro do impulsor da primeira etapa pode reducirse aínda máis.
A cabeza superior conséguese co ángulo de desvío do impulsor de 75 °, o que aumenta o compoñente de velocidade circunferencial na toma e proporciona así a cabeza máis alta segundo a ecuación de Euler.
En comparación cos impulsores de alta velocidade e de alta eficiencia, a eficiencia do impulsor redúcese lixeiramente debido a maiores perdas no voluto. Pódese compensar usando un caracol de tamaño medio. Non obstante, incluso sen estas volutas, pódese conseguir unha eficiencia variable de ata o 87% nun número Mach de 1,0 e un coeficiente de fluxo de 0,24.
O voluto máis pequeno permítelle 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 (1000 rpm a 1500 rpm) sen superar a velocidade máxima permitida. Ademais, pode reducir os custos materiais para engrenaxes helicoidales e grandes.
En xeral, o principal compresor pode aforrar ata un 2% nos custos de capital, ademais do motor tamén pode aforrar un 2% nos custos de capital. Debido a que as volutas compactas son algo menos eficientes, a decisión de usalos depende en gran medida das prioridades do cliente (custo fronte á eficiencia) e debe valorarse nunha base de proxecto por proxecto.
Para aumentar as capacidades de control, o IGV pódese instalar fronte a varias etapas. Isto contrasta moito cos proxectos IGC anteriores, que só incluíron IGV ata a primeira fase.
Nas iteracións anteriores do IGC, o coeficiente de vórtice (é dicir, o ángulo do segundo IGV dividido polo ángulo do primeiro IGV1) mantívose constante independentemente de que o fluxo fose adiante (ángulo> 0 °, reducindo a cabeza) ou o vórtice inverso (ángulo <0). °, aumenta a presión). Isto é desvantaxe porque o signo do ángulo cambia entre vórtices positivos e negativos.
A nova configuración permite empregar dúas relacións de vórtice diferentes cando a máquina está en modo vórtice cara adiante e inversa, aumentando así o rango de control nun 4% mantendo a eficiencia constante.
Ao incorporar un difusor LS para o impulsor usado habitualmente en BACS, a eficiencia en varias etapas pode aumentar ata o 89%. Isto, combinado con outras melloras de eficiencia, reduce o número de etapas BAC mantendo a eficiencia global do tren. A redución do número de etapas elimina a necesidade dun intercooler, canalización de gases de proceso asociada e compoñentes do rotor e do estator, obtendo un aforro de custos do 10%. Ademais, en moitos casos é posible combinar o compresor de aire principal e o compresor de reforzo nunha máquina.
Como se mencionou anteriormente, normalmente é necesaria unha engrenaxe intermedia entre a turbina de vapor e o VAC. Co novo deseño IGC de Siemens Energy, esta engrenaxe de ralentí pódese integrar na caixa de cambios engadindo un eixe de ralentí entre o eixe do piñón e a engrenaxe grande (4 engrenaxes). Isto pode reducir o custo total da liña (compresor principal máis equipos auxiliares) ata un 4%.
Ademais, as engrenaxes de 4 pincións son unha alternativa máis eficiente aos motores de desprazamento compactos para cambiar de 6 polos a 4 polos de 4 polos en compresores de aire principal (se hai posibilidade de colisión volutiva ou se se reducirá a velocidade máxima de piñón admisible). ) pasado.
O seu uso tamén é cada vez máis común en varios mercados importantes para a descarbonización industrial, incluíndo bombas de calor e compresión de vapor, así como a compresión de CO2 na captura de carbono, utilización e almacenamento (CCUS).
Siemens Energy ten unha longa historia de deseño e operación de IGC. Como evidencian os esforzos de investigación e desenvolvemento anteriores (e outros), comprometémonos a innovar continuamente estas máquinas para satisfacer as necesidades de aplicación únicas e satisfacer as crecentes demandas do mercado de menores custos, aumentar a eficiencia e unha maior sustentabilidade. KT2
Tempo de publicación: 28 de abril-2024