Autorius: Lukas Bijikli, produktų portfelio vadovas, integruotos pavaros, CO2 suspaudimo ir šilumos siurblių moksliniai tyrimai ir plėtra, „Siemens Energy“.
Daugelį metų integruoti krumpliaratiniai kompresoriai (IGC) buvo pasirinkta technologija oro atskyrimo įrenginiams. Taip yra daugiausia dėl jų didelio efektyvumo, kuris tiesiogiai sumažina deguonies, azoto ir inertinių dujų sąnaudas. Tačiau didėjantis dėmesys dekarbonizacijai kelia naujus reikalavimus IPC, ypač efektyvumo ir reguliavimo lankstumo požiūriu. Kapitalo išlaidos ir toliau yra svarbus veiksnys įrenginių operatoriams, ypač mažose ir vidutinėse įmonėse.
Per pastaruosius kelerius metus „Siemens Energy“ inicijavo keletą mokslinių tyrimų ir plėtros (MTEP) projektų, kuriais siekiama išplėsti IGC galimybes, kad būtų patenkinti kintantys oro atskyrimo rinkos poreikiai. Šiame straipsnyje apžvelgiami kai kurie konkretūs mūsų atlikti konstrukcijos patobulinimai ir aptariama, kaip šie pakeitimai gali padėti pasiekti mūsų klientų sąnaudų ir anglies dioksido išmetimo mažinimo tikslus.
Dauguma šiuolaikinių oro atskyrimo įrenginių turi du kompresorius: pagrindinį oro kompresorių (MAC) ir slėgio didinimo oro kompresorių (BAC). Pagrindinis oro kompresorius paprastai suspaudžia visą oro srautą nuo atmosferos slėgio iki maždaug 6 barų. Dalis šio srauto toliau suspaudžiama BAC iki 60 barų slėgio.
Priklausomai nuo energijos šaltinio, kompresorių paprastai varo garo turbina arba elektros variklis. Naudojant garo turbiną, abu kompresorius varo ta pati turbina per dvigubus veleno galus. Klasikinėje schemoje tarp garo turbinos ir karšto oro kondicionavimo sistemos įrengiama tarpinė pavara (1 pav.).
Tiek elektra varomose, tiek garo turbinomis varomose sistemose kompresoriaus efektyvumas yra galingas dekarbonizacijos svertas, nes jis tiesiogiai veikia įrenginio energijos suvartojimą. Tai ypač svarbu garo turbinomis varomiems MGP, nes didžioji dalis šilumos garo gamybai gaunama iškastiniu kuru kūrenamuose katiluose.
Nors elektros varikliai yra ekologiškesnė alternatyva garo turbinų pavaroms, dažnai reikia didesnio valdymo lankstumo. Daugelis šiandien statomų modernių oro atskyrimo įrenginių yra prijungti prie tinklo ir juose naudojama daug atsinaujinančiosios energijos. Pavyzdžiui, Australijoje planuojama statyti keletą ekologiško amoniako gamyklų, kurios naudos oro atskyrimo įrenginius (ASU) azotui amoniako sintezei gaminti ir tikimasi, kad jos gaus elektros energiją iš netoliese esančių vėjo ir saulės jėgainių. Šiose gamyklose reguliavimo lankstumas yra labai svarbus norint kompensuoti natūralius elektros energijos gamybos svyravimus.
„Siemens Energy“ pirmąjį IGC (anksčiau žinomą kaip VK) sukūrė 1948 m. Šiandien įmonė visame pasaulyje pagamina daugiau nei 2300 įrenginių, daugelis jų skirti naudoti esant didesniam nei 400 000 m3/h srautui. Mūsų modernūs MGP įrenginiai viename pastate gali pasiekti iki 1,2 milijono kubinių metrų per valandą srautą. Tai apima konsolinių kompresorių versijas be krumpliaračių, kurių slėgio santykis vienpakopėse versijose yra iki 2,5 ar didesnis, o serijinėse versijose – iki 6.
Pastaraisiais metais, siekdami patenkinti didėjančius IGC efektyvumo, reguliavimo lankstumo ir kapitalo sąnaudų poreikius, atlikome keletą žymių projektavimo patobulinimų, kurie apibendrinti toliau.
Kelių pirmajame MAC etape paprastai naudojamų sparnuočių kintamas efektyvumas padidinamas keičiant menčių geometriją. Su šiuo nauju sparnuote kartu su įprastais LS difuzoriais galima pasiekti iki 89 % kintamą efektyvumą, o kartu su naujos kartos hibridiniais difuzoriais – daugiau nei 90 %.
Be to, sparnuotės Macho skaičius yra didesnis nei 1,3, todėl pirmajai pakopai būdingas didesnis galios tankis ir suspaudimo laipsnis. Tai taip pat sumažina galią, kurią trijų pakopų MAC sistemų krumpliaračiai turi perduoti, todėl pirmosiose pakopose galima naudoti mažesnio skersmens krumpliaračius ir tiesioginės pavaros pavarų dėžes.
Palyginti su tradiciniu viso ilgio LS menčių difuzoriumi, naujos kartos hibridinis difuzorius pasižymi 2,5 % padidintu scenos efektyvumu ir 3 % valdymo koeficientu. Šis padidėjimas pasiekiamas maišant mentes (t. y. mentės yra padalintos į viso aukščio ir dalinio aukščio dalis). Šioje konfigūracijoje
Srauto išeiga tarp sparnuotės ir difuzoriaus sumažinama ta mentės aukščio dalimi, kuri yra arčiau sparnuotės nei įprasto LS difuzoriaus mentės. Kaip ir įprasto LS difuzoriaus atveju, viso ilgio menčių priekiniai kraštai yra vienodu atstumu nuo sparnuotės, kad būtų išvengta sparnuotės ir difuzoriaus sąveikos, kuri galėtų pažeisti mentes.
Dalinis menčių aukščio padidinimas arčiau sparnuotės taip pat pagerina srauto kryptį pulsacijos zonoje. Kadangi viso ilgio menčių sekcijos priekinis kraštas išlieka tokio pat skersmens kaip ir įprasto LS difuzoriaus, droselio linija nepakinta, todėl galima platesnį pritaikymo ir reguliavimo diapazoną.
Vandens įpurškimas – tai vandens lašelių įpurškimas į oro srautą įsiurbimo vamzdyje. Lašeliai išgaruoja ir sugeria šilumą iš proceso dujų srauto, taip sumažindami įleidimo temperatūrą iki suspaudimo etapo. Dėl to sumažėja izentropiniai energijos poreikiai ir padidėja efektyvumas daugiau nei 1 %.
Krumpliaračio veleno grūdinimas leidžia padidinti leistiną įtempį ploto vienete, o tai leidžia sumažinti dantų plotį. Tai sumažina mechaninius nuostolius reduktoriuje iki 25 %, todėl bendras efektyvumas padidėja iki 0,5 %. Be to, pagrindinio kompresoriaus sąnaudos gali būti sumažintos iki 1 %, nes didelėje reduktoriuje sunaudojama mažiau metalo.
Šis rotorius gali veikti su iki 0,25 srauto koeficientu (φ) ir užtikrina 6 % didesnį slėgį nei 65 laipsnių rotoriai. Be to, srauto koeficientas siekia 0,25, o dvigubo srauto IGC mašinos konstrukcijoje tūrinis srautas siekia 1,2 mln. m3/h arba net 2,4 mln. m3/h.
Didesnė phi vertė leidžia naudoti mažesnio skersmens rotorių esant tam pačiam tūrio srautui, taip sumažinant pagrindinio kompresoriaus kainą iki 4 %. Pirmosios pakopos rotoriaus skersmenį galima dar labiau sumažinti.
Didesnis slėgis pasiekiamas dėl 75° sparnuotės nuokrypio kampo, kuris padidina apskritiminio greičio komponentę išleidimo angoje ir taip užtikrina didesnį slėgį pagal Eulerio lygtį.
Palyginti su didelio greičio ir didelio efektyvumo rotoriais, rotoriaus efektyvumas yra šiek tiek mažesnis dėl didesnių nuostolių voliute. Tai galima kompensuoti naudojant vidutinio dydžio sraigę. Tačiau net ir be šių voliutų, esant Macho skaičiui 1,0 ir srauto koeficientui 0,24, galima pasiekti iki 87 % kintamą efektyvumą.
Mažesnis voliutas leidžia išvengti susidūrimų su kitais voliutais, kai sumažinamas didelės pavaros skersmuo. Operatoriai gali sutaupyti lėšų, perjungdami iš 6 polių variklio į didesnio greičio 4 polių variklį (nuo 1000 iki 1500 aps./min.), neviršydami maksimalaus leistino pavaros greičio. Be to, tai gali sumažinti spiralinių ir didelių pavarų medžiagų sąnaudas.
Apskritai pagrindinis kompresorius gali sutaupyti iki 2 % kapitalo sąnaudų, o variklis taip pat gali sutaupyti 2 % kapitalo sąnaudų. Kadangi kompaktiški voliutiniai įrenginiai yra šiek tiek mažiau efektyvūs, sprendimas juos naudoti labai priklauso nuo kliento prioritetų (kaina ir efektyvumas) ir turi būti vertinamas kiekviename projekte atskirai.
Siekiant padidinti valdymo galimybes, IGV galima montuoti priešais kelias scenas. Tai smarkiai skiriasi nuo ankstesnių IGC projektų, kuriuose IGV buvo naudojami tik iki pirmojo etapo.
Ankstesnėse IGC versijose sūkurio koeficientas (t. y. antrojo IGV kampas, padalytas iš pirmojo IGV1 kampo) išliko pastovus, nepriklausomai nuo to, ar srautas buvo tiesioginis (kampas > 0°, mažėjantis slėgis), ar atvirkštinis sūkurys (kampas < 0). °, slėgis didėja). Tai yra nepalanku, nes kampo ženklas kinta tarp teigiamų ir neigiamų sūkurių.
Naujoji konfigūracija leidžia naudoti du skirtingus sūkurio santykius, kai mašina veikia tiesioginio ir atvirkštinio sūkurio režimu, taip padidinant valdymo diapazoną 4 %, išlaikant pastovų efektyvumą.
Įmontavus LS difuzorių sparnuotei, dažniausiai naudojamai BAC sistemose, daugiapakopį efektyvumą galima padidinti iki 89 %. Tai, kartu su kitais efektyvumo patobulinimais, sumažina BAC pakopų skaičių, išlaikant bendrą traukinio efektyvumą. Pakopų skaičiaus sumažinimas panaikina tarpinio aušintuvo, susijusių proceso dujų vamzdynų, rotoriaus ir statoriaus komponentų poreikį, todėl sutaupoma 10 % išlaidų. Be to, daugeliu atvejų pagrindinį oro kompresorių ir pagalbinį kompresorių galima sujungti viename įrenginyje.
Kaip minėta anksčiau, tarp garo turbinos ir VAC paprastai reikalinga tarpinė pavara. Naudojant naują „Siemens Energy“ IGC konstrukciją, šią laisvosios eigos pavarą galima integruoti į reduktorių, pridedant laisvosios eigos veleną tarp krumpliaračio veleno ir didžiosios pavaros (4 pavaros). Tai gali sumažinti bendras linijos sąnaudas (pagrindinis kompresorius ir pagalbinė įranga) iki 4 %.
Be to, 4 krumpliaračių krumpliaračiai yra efektyvesnė alternatyva kompaktiškiems spiraliniams varikliams, perjungiant iš 6 polių į 4 polių variklius dideliuose pagrindiniuose oro kompresoriuose (jei yra spiralės formos susidūrimo galimybė arba jei sumažės maksimalus leistinas krumpliaračio greitis).
Jų naudojimas taip pat tampa vis dažnesnis keliose rinkose, svarbiose pramonės dekarbonizacijai, įskaitant šilumos siurblius ir garo suspaudimą, taip pat CO2 suspaudimą anglies dioksido surinkimo, panaudojimo ir saugojimo (CCUS) plėtros srityje.
„Siemens Energy“ turi ilgą IGC projektavimo ir eksploatavimo istoriją. Kaip rodo minėtos (ir kitos) mokslinių tyrimų ir plėtros pastangos, esame įsipareigoję nuolat tobulinti šias mašinas, kad patenkintume unikalius pritaikymo poreikius ir augančius rinkos poreikius dėl mažesnių sąnaudų, didesnio efektyvumo ir didesnio tvarumo. KT2
Įrašo laikas: 2024 m. balandžio 28 d.