Autore: Lukas Bijikli, Product Portfolio Manager, marcia integrata, Compressione di CO2 R&D e pompe di calore, Siemens Energy.
Per molti anni, il compressore di ingranaggi integrato (IGC) è stata la tecnologia di scelta per gli impianti di separazione dell'aria. Ciò è dovuto principalmente alla loro elevata efficienza, che porta direttamente a una riduzione dei costi per ossigeno, azoto e gas inerte. Tuttavia, la crescente attenzione alla decarbonizzazione pone nuove richieste agli IPC, in particolare in termini di efficienza e flessibilità normativa. La spesa in conto capitale continua ad essere un fattore importante per gli operatori delle piante, specialmente nelle piccole e medie imprese.
Negli ultimi anni, Siemens Energy ha avviato diversi progetti di ricerca e sviluppo (R&S) volti ad espandere le capacità IGC per soddisfare le mutevoli esigenze del mercato della separazione dell'aria. Questo articolo evidenzia alcuni specifici miglioramenti del design che abbiamo apportato e discute di come queste modifiche possano aiutare a raggiungere gli obiettivi dei costi e della riduzione del carbonio dei nostri clienti.
La maggior parte delle unità di separazione dell'aria oggi sono dotate di due compressori: un compressore d'aria principale (MAC) e un compressore d'aria Boost (BAC). Il compressore d'aria principale in genere comprime l'intero flusso d'aria dalla pressione atmosferica a circa 6 bar. Una parte di questo flusso viene quindi ulteriormente compressa nel BAC fino a una pressione fino a 60 bar.
A seconda della fonte di energia, il compressore è generalmente guidato da una turbina a vapore o da un motore elettrico. Quando si utilizzano una turbina a vapore, entrambi i compressori sono guidati dalla stessa turbina attraverso le estremità a doppio albero. Nello schema classico, viene installato un ingranaggio intermedio tra la turbina a vapore e l'HAC (Fig. 1).
Nei sistemi a turbina a vapore basati elettricamente e a vapore, l'efficienza del compressore è una potente leva per la decarbonizzazione in quanto influisce direttamente sul consumo di energia dell'unità. Ciò è particolarmente importante per gli MGP guidati dalle turbine a vapore, poiché la maggior parte del calore per la produzione di vapore è ottenuta nelle caldaie a fuoco di combustibili fossili.
Sebbene i motori elettrici forniscano un'alternativa più verde alle unità di turbina a vapore, spesso c'è una maggiore necessità di flessibilità di controllo. Molte moderne impianti di separazione dell'aria in costruzione oggi sono collegate alla rete e hanno un alto livello di consumo di energia rinnovabile. In Australia, ad esempio, ci sono piani per costruire diverse piante di ammoniaca che useranno le unità di separazione dell'aria (ASU) per produrre azoto per la sintesi di ammoniaca e si prevede che riceveranno elettricità dalle colonne vento e solari vicine. In queste piante, la flessibilità normativa è fondamentale per compensare le fluttuazioni naturali nella generazione di energia.
Siemens Energy ha sviluppato il primo IGC (precedentemente noto come VK) nel 1948. Oggi la società produce più di 2.300 unità in tutto il mondo, molte delle quali sono progettate per applicazioni con portate superiori a 400.000 m3/h. I nostri moderni MGP hanno una portata fino a 1,2 milioni di metri cubi all'ora in un edificio. Questi includono versioni senza ingranaggi di compressori console con rapporti di pressione fino a 2,5 o superiori nelle versioni a singolo stadio e rapporti di pressione fino a 6 nelle versioni seriali.
Negli ultimi anni, per soddisfare le crescenti richieste di efficienza IGC, flessibilità normativa e costi di capitale, abbiamo apportato alcuni notevoli miglioramenti del design, che sono riassunti di seguito.
L'efficienza variabile di un certo numero di giranti tipicamente utilizzate nel primo stadio MAC è aumentata variando la geometria della lama. Con questa nuova girante, l'efficienza variabile fino all'89% può essere raggiunta in combinazione con diffusori LS convenzionali e oltre il 90% in combinazione con la nuova generazione di diffusori ibridi.
Inoltre, la girante ha un numero Mach superiore a 1,3, che fornisce al primo stadio una densità di potenza più elevata e un rapporto di compressione. Ciò riduce anche la potenza che gli ingranaggi nei sistemi MAC a tre stadi devono trasmettere, consentendo l'uso di ingranaggi di diametro più piccoli e cambi di trasmissione diretta nelle prime fasi.
Rispetto al tradizionale diffusore LS di LS a lunghezza intera, il diffusore ibrido di prossima generazione ha un aumento dell'efficienza dello stadio del 2,5% e il fattore di controllo del 3%. Questo aumento si ottiene mescolando le lame (cioè le lame sono divise in sezioni a tutta altezza e di altezza parziale). In questa configurazione
L'uscita del flusso tra la girante e il diffusore è ridotta da una parte dell'altezza della lama che si trova più vicino alla girante rispetto alle pale di un diffusore LS convenzionale. Come per un diffusore LS convenzionale, i bordi principali delle pale a tutta lunghezza sono equidistanti dalla girante per evitare l'interazione della girante che potrebbe danneggiare le lame.
Aumentare parzialmente l'altezza delle lame più vicine alla girante migliora anche la direzione del flusso vicino alla zona di pulsazione. Poiché il bordo anteriore della sezione di pale a tutta lunghezza rimane lo stesso diametro di un diffusore LS convenzionale, la linea dell'acceleratore non è influenzata, consentendo una gamma più ampia di applicazioni e ottimizzazione.
L'iniezione d'acqua comporta l'iniezione di gocce d'acqua nel flusso d'aria nel tubo di aspirazione. Le goccioline evaporano e assorbono il calore dal flusso di gas di processo, riducendo così la temperatura di ingresso allo stadio di compressione. Ciò si traduce in una riduzione dei requisiti di potenza isentropica e un aumento dell'efficienza di oltre l'1%.
L'indurnazione dell'albero di ingranaggio consente di aumentare la sollecitazione consentita per unità di area, che consente di ridurre la larghezza del dente. Ciò riduce le perdite meccaniche nel cambio fino al 25%, con un aumento dell'efficienza complessiva fino allo 0,5%. Inoltre, i principali costi del compressore possono essere ridotti fino all'1% perché meno metallo viene utilizzato nel cambio di grandi dimensioni.
Questa girante può operare con un coefficiente di flusso (φ) fino a 0,25 e fornisce il 6% in più di testa di 65 gradi. Inoltre, il coefficiente di flusso raggiunge 0,25 e nella progettazione a doppio flusso della macchina IGC, il flusso volumetrico raggiunge 1,2 milioni di m3/h o anche 2,4 milioni di m3/h.
Un valore PHI più elevato consente l'uso di una girante di diametro inferiore allo stesso flusso di volume, riducendo così il costo del compressore principale fino al 4%. Il diametro della girante del primo stadio può essere ulteriormente ridotto.
La testa più alta si ottiene dall'angolo di deflessione della girante a 75 °, che aumenta la componente di velocità circonferenziale all'uscita e quindi fornisce una testa più alta secondo l'equazione di Eulero.
Rispetto alle giranti ad alta velocità e ad alta efficienza, l'efficienza della girante è leggermente ridotta a causa di perdite più elevate nella voluta. Questo può essere compensato utilizzando una lumaca di medie dimensioni. Tuttavia, anche senza queste volute, l'efficienza variabile fino all'87% può essere raggiunta con un numero di Mach di 1,0 e un coefficiente di flusso di 0,24.
La voluta più piccola consente di evitare collisioni con altre volute quando il diametro della marcia grande è ridotto. Gli operatori possono risparmiare i costi passando da un motore a 6 poli a un motore a 4 poli più velocità (da 1000 giri / min a 1500 giri / min) senza superare la velocità di marcia massima consentita. Inoltre, può ridurre i costi dei materiali per gli ingranaggi elicoidali e grandi.
Complessivamente, il compressore principale può risparmiare fino al 2% dei costi di capitale, inoltre il motore può anche risparmiare il 2% dei costi di capitale. Poiché le volute compatte sono in qualche modo meno efficienti, la decisione di utilizzarle dipende in gran parte dalle priorità del cliente (costo vs. efficienza) e devono essere valutate su base di progetto.
Per aumentare le capacità di controllo, l'IGV può essere installato di fronte a più fasi. Ciò è in netto contrasto con i precedenti progetti IGC, che includevano solo IGV fino alla prima fase.
Nelle precedenti iterazioni dell'IGC, il coefficiente di vortice (cioè, l'angolo del secondo IGV diviso per l'angolo del primo IGV1) è rimasto costante indipendentemente dal fatto che il flusso fosse in avanti (angolo> 0 °, riducendo la testa) o vortice inversa (angolo <0). °, la pressione aumenta). Ciò è svantaggioso perché il segno dell'angolo cambia tra vortici positivi e negativi.
La nuova configurazione consente di utilizzare due diversi rapporti di vortice quando la macchina è in modalità vortice in avanti e inversa, aumentando così l'intervallo di controllo del 4% mantenendo l'efficienza costante.
Incorporando un diffusore LS per la girante comunemente utilizzata nei BAC, l'efficienza multi-stage può essere aumentata all'89%. Questo, combinato con altri miglioramenti dell'efficienza, riduce il numero di fasi BAC mantenendo l'efficienza complessiva del treno. La riduzione del numero di fasi elimina la necessità di un intercooler, tubazioni del gas di processo associate e componenti del rotore e dello statore, con conseguente risparmio sui costi del 10%. Inoltre, in molti casi è possibile combinare il compressore d'aria principale e il compressore del booster in una macchina.
Come accennato in precedenza, di solito è richiesto un ingranaggio intermedio tra la turbina a vapore e il VAC. Con il nuovo design IGC di Siemens Energy, questo ingranaggio folle può essere integrato nel cambio aggiungendo un albero inattivo tra l'albero del pignone e il grande ingranaggio (4 marce). Ciò può ridurre il costo totale della linea (compressore principale più apparecchiature ausiliarie) fino al 4%.
Inoltre, gli ingranaggi a 4 pinion sono un'alternativa più efficiente ai motori a scorrimento compatti per il passaggio dai motori da 6 pole a 4 poli in grandi compressori d'aria principali (se esiste una possibilità di collisione a voluto o se la velocità del pignone massima consentita sarà ridotta). ) passato.
Il loro uso sta anche diventando più comune in diversi mercati importanti per la decarbonizzazione industriale, tra cui le pompe di calore e la compressione del vapore, nonché la compressione di CO2 negli sviluppi di acquisizione, utilizzo e conservazione del carbonio (CCUS).
Siemens Energy ha una lunga storia di progettazione e operazione operativa. Come evidenziato dagli sforzi di ricerca e sviluppo di cui sopra (e altri), ci impegniamo a innovare continuamente queste macchine per soddisfare le esigenze di applicazione uniche e soddisfare le crescenti esigenze di mercato di costi inferiori, una maggiore efficienza e una maggiore sostenibilità. KT2
Tempo post: aprile-20-2024