Avtor: Lukas Bijikli, vodja portfelja izdelkov, integrirani zobniški pogoni, raziskave in razvoj CO2 kompresije in toplotnih črpalk, Siemens Energy.
Integrirani zobniški kompresor (IGC) je že vrsto let tehnologija izbire za naprave za ločevanje zraka. To je predvsem posledica njihove visoke učinkovitosti, ki neposredno vodi do nižjih stroškov za kisik, dušik in inertni plin. Vendar pa vse večji poudarek na razogljičenju postavlja nove zahteve za integrirane pretvornike ogljikovega dioksida (IPC), zlasti glede učinkovitosti in regulativne prilagodljivosti. Kapitalski izdatki so še naprej pomemben dejavnik za upravljavce naprav, zlasti v malih in srednje velikih podjetjih.
V zadnjih nekaj letih je Siemens Energy začel več raziskovalno-razvojnih (R&R) projektov, katerih cilj je razširiti zmogljivosti IGC, da bi zadostili spreminjajočim se potrebam trga ločevanja zraka. Ta članek izpostavlja nekatere specifične izboljšave zasnove, ki smo jih naredili, in obravnava, kako lahko te spremembe pomagajo doseči cilje naših strank glede zmanjšanja stroškov in emisij ogljika.
Večina enot za ločevanje zraka je danes opremljenih z dvema kompresorjema: glavnim zračnim kompresorjem (MAC) in dodatnim zračnim kompresorjem (BAC). Glavni zračni kompresor običajno stisne celoten pretok zraka z atmosferskega tlaka na približno 6 barov. Del tega pretoka se nato v BAC dodatno stisne na tlak do 60 barov.
Glede na vir energije kompresor običajno poganja parna turbina ali elektromotor. Pri uporabi parne turbine oba kompresorja poganja ista turbina preko dvojnih koncev gredi. V klasični shemi je med parno turbino in HAC nameščeno vmesno gonilo (slika 1).
Tako v sistemih z električnim pogonom kot tudi v sistemih s parnimi turbinami je učinkovitost kompresorja močan dejavnik za razogljičenje, saj neposredno vpliva na porabo energije enote. To je še posebej pomembno za večgeneracijske elektrarne (MGP), ki jih poganjajo parne turbine, saj se večina toplote za proizvodnjo pare pridobiva v kotlih na fosilna goriva.
Čeprav elektromotorji predstavljajo bolj zeleno alternativo pogonom parnih turbin, je pogosto večja potreba po prilagodljivosti krmiljenja. Številne sodobne naprave za ločevanje zraka, ki se danes gradijo, so priključene na omrežje in imajo visoko stopnjo uporabe obnovljivih virov energije. V Avstraliji na primer obstajajo načrti za gradnjo več zelenih amoniačnih obratov, ki bodo uporabljali enote za ločevanje zraka (ASU) za proizvodnjo dušika za sintezo amoniaka in naj bi prejemali električno energijo iz bližnjih vetrnih in sončnih elektrarn. V teh elektrarnah je regulativna prilagodljivost ključnega pomena za izravnavo naravnih nihanj v proizvodnji električne energije.
Siemens Energy je prvi IGC (prej znan kot VK) razvil leta 1948. Danes podjetje po vsem svetu proizvaja več kot 2300 enot, od katerih so mnoge zasnovane za aplikacije s pretoki nad 400.000 m3/h. Naši sodobni MGP-ji imajo pretok do 1,2 milijona kubičnih metrov na uro v eni stavbi. Sem spadajo brezprestavne različice konzolnih kompresorjev s tlačnimi razmerji do 2,5 ali več v enostopenjskih izvedbah in tlačnimi razmerji do 6 v serijskih izvedbah.
V zadnjih letih smo za zadostitev naraščajočih zahtev po učinkovitosti medgeneracijskega cikla (IGC), regulativni fleksibilnosti in kapitalskih stroških uvedli nekaj pomembnih izboljšav zasnove, ki so povzete v nadaljevanju.
Spremenljiva učinkovitost številnih rotorjev, ki se običajno uporabljajo v prvi stopnji MAC, se poveča s spreminjanjem geometrije lopatic. S tem novim rotorjem je mogoče doseči spremenljivo učinkovitost do 89 % v kombinaciji s konvencionalnimi difuzorji LS in več kot 90 % v kombinaciji z novo generacijo hibridnih difuzorjev.
Poleg tega ima rotor Machovo število višje od 1,3, kar prvi stopnji zagotavlja večjo gostoto moči in kompresijsko razmerje. To tudi zmanjša moč, ki jo morajo prenesti zobniki v tristopenjskih sistemih MAC, kar omogoča uporabo zobnikov manjšega premera in menjalnikov z neposrednim pogonom v prvih stopnjah.
V primerjavi s tradicionalnim difuzorjem z lopaticami LS polne dolžine ima hibridni difuzor naslednje generacije povečan izkoristek stopnje za 2,5 % in faktor krmiljenja 3 %. To povečanje je doseženo z mešanjem lopatic (tj. lopatice so razdeljene na dele polne in delne višine). V tej konfiguraciji
Pretok med rotorjem in difuzorjem se zmanjša za del višine lopatic, ki je nameščen bližje rotorju kot lopatice običajnega difuzorja LS. Kot pri običajnem difuzorju LS so sprednji robovi lopatic po celotni dolžini enako oddaljeni od rotorja, da se prepreči interakcija med rotorjem in difuzorjem, ki bi lahko poškodovala lopatice.
Delno povečanje višine lopatic bližje rotorju izboljša tudi smer pretoka v bližini območja pulziranja. Ker sprednji rob celotnega dela lopatic ostane enakega premera kot pri običajnem difuzorju LS, to ne vpliva na dušilno cev, kar omogoča širši razpon uporabe in nastavitev.
Vbrizgavanje vode vključuje vbrizgavanje vodnih kapljic v zračni tok v sesalni cevi. Kapljice izhlapevajo in absorbirajo toploto iz procesnega plinskega toka, s čimer se zniža vstopna temperatura v fazo kompresije. To ima za posledico zmanjšanje izentropskih potreb po moči in povečanje učinkovitosti za več kot 1 %.
Kaljenje zobniške gredi omogoča povečanje dovoljene napetosti na enoto površine, kar omogoča zmanjšanje širine zoba. To zmanjša mehanske izgube v menjalniku za do 25 %, kar posledično poveča skupno učinkovitost za do 0,5 %. Poleg tega se lahko stroški glavnega kompresorja zmanjšajo za do 1 %, ker se v velikem menjalniku uporabi manj kovine.
Ta rotor lahko deluje s koeficientom pretoka (φ) do 0,25 in zagotavlja 6 % večji tlak kot rotorji s 65-stopinjskim kotom. Poleg tega koeficient pretoka doseže 0,25, pri dvojni pretočni izvedbi stroja IGC pa volumetrični pretok doseže 1,2 milijona m3/h ali celo 2,4 milijona m3/h.
Višja vrednost phi omogoča uporabo rotorja manjšega premera pri enakem volumskem pretoku, s čimer se stroški glavnega kompresorja zmanjšajo za do 4 %. Premer rotorja prve stopnje se lahko še dodatno zmanjša.
Višji tlak se doseže s kotom odklona rotorja 75°, kar poveča komponento obodne hitrosti na izhodu in tako zagotavlja višji tlak v skladu z Eulerjevo enačbo.
V primerjavi z visokohitrostnimi in visokoučinkovitimi rotorji je učinkovitost rotorja nekoliko zmanjšana zaradi večjih izgub v spiralni cevi. To je mogoče kompenzirati z uporabo srednje velikega polža. Vendar pa je tudi brez teh spiralnih cevi mogoče doseči spremenljiv izkoristek do 87 % pri Machovem številu 1,0 in koeficientu pretoka 0,24.
Manjša spirala vam omogoča, da se izognete trkom z drugimi spiralami, ko se premer velikega zobnika zmanjša. Operaterji lahko prihranijo stroške s prehodom s 6-polnega motorja na 4-polni motor z višjo hitrostjo (od 1000 vrt/min do 1500 vrt/min), ne da bi pri tem presegli največjo dovoljeno hitrost zobnika. Poleg tega lahko zmanjša stroške materiala za vijačne in velike zobnike.
Na splošno lahko glavni kompresor prihrani do 2 % kapitalskih stroškov, poleg tega pa lahko motor prihrani 2 % kapitalskih stroškov. Ker so kompaktne spiralne kompresorske naprave nekoliko manj učinkovite, je odločitev o njihovi uporabi v veliki meri odvisna od prioritet naročnika (stroški v primerjavi z učinkovitostjo) in jo je treba oceniti za vsak projekt posebej.
Za povečanje nadzornih zmogljivosti je mogoče IGV namestiti pred več stopnjami. To je v ostrem nasprotju s prejšnjimi projekti IGC, ki so vključevali IGV le do prve faze.
V prejšnjih iteracijah IGC je vrtinčni koeficient (tj. kot drugega IGV, deljen s kotom prvega IGV1) ostal konstanten ne glede na to, ali je bil tok naprej (kot > 0°, zmanjšanje tlaka) ali nazaj v vrtincu (kot < 0°, tlak se poveča). To je neugodno, ker se predznak kota spreminja med pozitivnimi in negativnimi vrtinci.
Nova konfiguracija omogoča uporabo dveh različnih razmerij vrtinčenja, ko je stroj v načinu vrtenja naprej in nazaj, s čimer se območje krmiljenja poveča za 4 %, hkrati pa se ohranja konstantna učinkovitost.
Z vključitvijo difuzorja LS za rotor, ki se običajno uporablja v BAC-ih, se lahko večstopenjska učinkovitost poveča na 89 %. To v kombinaciji z drugimi izboljšavami učinkovitosti zmanjša število stopenj BAC, hkrati pa ohrani splošno učinkovitost vlaka. Zmanjšanje števila stopenj odpravlja potrebo po hladilniku polnilnega zraka, pripadajočih ceveh za procesni plin ter komponentah rotorja in statorja, kar povzroči prihranek stroškov v višini 10 %. Poleg tega je v mnogih primerih mogoče glavni zračni kompresor in ojačevalni kompresor združiti v enem stroju.
Kot smo že omenili, je med parno turbino in prezračevalnim sistemom običajno potreben vmesni zobnik. Z novo zasnovo IGC podjetja Siemens Energy je mogoče ta vmesni zobnik integrirati v menjalnik z dodajanjem vmesne gredi med pastorkovo gred in glavni zobnik (4 zobniki). To lahko zmanjša skupne stroške linije (glavni kompresor in pomožna oprema) za do 4 %.
Poleg tega so 4-pastorki učinkovitejša alternativa kompaktnim spiralnim motorjem za preklapljanje s 6-polnih na 4-polne motorje v velikih glavnih zračnih kompresorjih (če obstaja možnost trčenja spiralne komore ali če se bo zmanjšala največja dovoljena hitrost pastorka).
Njihova uporaba postaja vse pogostejša tudi na več trgih, pomembnih za industrijsko razogljičenje, vključno s toplotnimi črpalkami in kompresijo pare, pa tudi s kompresijo CO2 pri razvoju zajemanja, uporabe in shranjevanja ogljika (CCUS).
Siemens Energy ima dolgo zgodovino načrtovanja in delovanja medgeneracijskih grelnikov plina (IGC). Kot dokazujejo zgoraj navedena (in druga) raziskovalna in razvojna prizadevanja, smo zavezani k nenehnemu inoviranju teh strojev, da bi zadostili edinstvenim potrebam aplikacij in zadostili naraščajočim povpraševanju trga po nižjih stroških, večji učinkovitosti in večji trajnosti. KT2
Čas objave: 28. april 2024