Autore: Lukas Bijikli, Product Portfolio Manager, Integrated Gear Drives, R&S Compressione di CO2 e pompe di calore, Siemens Energy.
Per molti anni, il compressore a ingranaggi integrato (IGC) è stata la tecnologia preferita per gli impianti di separazione dell'aria. Ciò è dovuto principalmente alla sua elevata efficienza, che si traduce direttamente in una riduzione dei costi di ossigeno, azoto e gas inerte. Tuttavia, la crescente attenzione alla decarbonizzazione pone nuovi requisiti per gli IPC, soprattutto in termini di efficienza e flessibilità normativa. La spesa in conto capitale continua a essere un fattore importante per i gestori degli impianti, soprattutto nelle piccole e medie imprese.
Negli ultimi anni, Siemens Energy ha avviato diversi progetti di ricerca e sviluppo (R&S) volti ad ampliare le capacità degli IGC per soddisfare le mutevoli esigenze del mercato della separazione dell'aria. Questo articolo illustra alcuni specifici miglioramenti progettuali che abbiamo apportato e illustra come questi cambiamenti possano contribuire a raggiungere gli obiettivi di riduzione dei costi e delle emissioni di carbonio dei nostri clienti.
La maggior parte delle unità di separazione dell'aria oggi è dotata di due compressori: un compressore d'aria principale (MAC) e un compressore d'aria di sovralimentazione (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 poi ulteriormente compressa nel BAC fino a una pressione massima di 60 bar.
A seconda della fonte energetica, il compressore è solitamente azionato da una turbina a vapore o da un motore elettrico. Quando si utilizza una turbina a vapore, entrambi i compressori sono azionati dalla stessa turbina attraverso due alberi terminali. Nello schema classico, un ingranaggio intermedio è installato tra la turbina a vapore e il convertitore di coppia (HAC) (Fig. 1).
Sia nei sistemi elettrici che in quelli con turbina a vapore, l'efficienza del compressore rappresenta un potente strumento per la decarbonizzazione, in quanto influisce direttamente sul consumo energetico dell'unità. Questo è particolarmente importante per le turbine a vapore a ciclo combinato (MGP) azionate da turbine a vapore, poiché la maggior parte del calore per la produzione di vapore è ricavato da caldaie alimentate a combustibili fossili.
Sebbene i motori elettrici rappresentino un'alternativa più ecologica agli azionamenti delle turbine a vapore, spesso vi è una maggiore necessità di flessibilità di controllo. Molti moderni impianti di separazione dell'aria in costruzione oggi sono connessi alla rete e hanno un elevato livello di utilizzo di energia rinnovabile. In Australia, ad esempio, si prevede la costruzione di diversi impianti di ammoniaca ecologica che utilizzeranno unità di separazione dell'aria (ASU) per produrre azoto per la sintesi dell'ammoniaca e si prevede che riceveranno elettricità dai vicini parchi eolici e solari. In questi impianti, la flessibilità normativa è fondamentale per compensare le fluttuazioni naturali nella produzione di energia.
Siemens Energy sviluppò il primo IGC (precedentemente noto come VK) nel 1948. Oggi l'azienda produce oltre 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 singolo edificio. Tra questi figurano versioni gearless di compressori a console con rapporti di compressione fino a 2,5 o superiori nelle versioni monostadio e rapporti di compressione fino a 6 nelle versioni seriali.
Negli ultimi anni, per soddisfare la crescente domanda di efficienza IGC, flessibilità normativa e costi di capitale, abbiamo apportato alcuni notevoli miglioramenti progettuali, riassunti di seguito.
L'efficienza variabile di diverse giranti, tipicamente utilizzate nel primo stadio MAC, viene aumentata variando la geometria delle pale. Con questa nuova girante, è possibile raggiungere efficienze variabili fino all'89% in combinazione con i diffusori LS convenzionali e oltre il 90% in combinazione con la nuova generazione di diffusori ibridi.
Inoltre, la girante ha un numero di Mach superiore a 1,3, che conferisce al primo stadio una densità di potenza e un rapporto di compressione più elevati. Ciò riduce anche la potenza che gli ingranaggi nei sistemi MAC a tre stadi devono trasmettere, consentendo l'utilizzo di ingranaggi di diametro inferiore e riduttori a trasmissione diretta nei primi stadi.
Rispetto al tradizionale diffusore a pale LS a tutta lunghezza, il diffusore ibrido di nuova generazione offre un'efficienza di stadio aumentata del 2,5% e un fattore di controllo del 3%. Questo aumento è ottenuto miscelando le pale (ovvero, le pale sono divise in sezioni a tutta altezza e a metà altezza). In questa configurazione
La portata in uscita tra girante e diffusore è ridotta di una porzione dell'altezza delle pale che si trova più vicina alla girante rispetto alle pale di un diffusore LS convenzionale. Come in un diffusore LS convenzionale, i bordi d'attacco delle pale a tutta lunghezza sono equidistanti dalla girante per evitare interazioni girante-diffusore che potrebbero danneggiare le pale.
Aumentando parzialmente l'altezza delle pale più vicino alla girante si migliora anche la direzione del flusso in prossimità della zona di pulsazione. Poiché il bordo d'attacco della sezione a paletta a lunghezza intera mantiene lo stesso diametro di un diffusore LS convenzionale, la linea di accelerazione non ne risente, consentendo una gamma più ampia di applicazioni e regolazioni.
L'iniezione d'acqua consiste nell'iniettare goccioline d'acqua nel flusso d'aria nel tubo di aspirazione. Le goccioline evaporano e assorbono calore dal flusso di gas di processo, riducendo così la temperatura di ingresso nella fase di compressione. Ciò si traduce in una riduzione del fabbisogno energetico isoentropico e in un aumento dell'efficienza di oltre l'1%.
Temprando l'albero del cambio è possibile aumentare la sollecitazione ammissibile per unità di superficie, riducendo così la larghezza dei denti. Questo riduce le perdite meccaniche nel cambio fino al 25%, con un conseguente aumento dell'efficienza complessiva fino allo 0,5%. Inoltre, i costi del compressore principale possono essere ridotti fino all'1% grazie al minor utilizzo di metallo nel cambio di grandi dimensioni.
Questa girante può funzionare con un coefficiente di portata (φ) fino a 0,25 e fornisce una prevalenza superiore del 6% rispetto alle giranti con angolo di 65°. Inoltre, il coefficiente di portata raggiunge 0,25 e, nella versione a doppio flusso della macchina IGC, la portata volumetrica raggiunge 1,2 milioni di m³/h o addirittura 2,4 milioni di m³/h.
Un valore phi più elevato consente l'utilizzo di una girante di diametro inferiore a parità di portata, riducendo così il costo del compressore principale fino al 4%. Il diametro della girante del primo stadio può essere ulteriormente ridotto.
La prevalenza più elevata è ottenuta grazie all'angolo di deflessione della girante di 75°, che aumenta la componente di velocità circonferenziale all'uscita e quindi garantisce una prevalenza più elevata secondo l'equazione di Eulero.
Rispetto alle giranti ad alta velocità e ad alta efficienza, l'efficienza della girante è leggermente ridotta a causa delle maggiori perdite nella chiocciola. Questo può essere compensato utilizzando una chiocciola di medie dimensioni. Tuttavia, anche senza queste chiocciole, è possibile ottenere un'efficienza variabile fino all'87% 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 dell'ingranaggio grande viene ridotto. Gli operatori possono risparmiare sui costi passando da un motore a 6 poli a un motore a 4 poli ad alta velocità (da 1000 giri/min a 1500 giri/min) senza superare la velocità massima consentita per l'ingranaggio. Inoltre, può ridurre i costi dei materiali per ingranaggi elicoidali e di grandi dimensioni.
Nel complesso, il compressore principale può far risparmiare fino al 2% sui costi di capitale, a cui si aggiunge anche il motore. Poiché le volute compatte sono leggermente meno efficienti, la decisione di utilizzarle dipende in larga misura dalle priorità del cliente (costo vs. efficienza) e deve essere valutata progetto per progetto.
Per aumentare le capacità di controllo, l'IGV può essere installato davanti a più palchi. Questo è in netto contrasto con i precedenti progetti IGC, che includevano IGV solo fino alla prima fase.
Nelle precedenti iterazioni dell'IGC, il coefficiente di vortice (ovvero l'angolo del secondo IGV diviso per l'angolo del primo IGV1) rimaneva costante indipendentemente dal fatto che il flusso fosse in avanti (angolo > 0°, con conseguente riduzione del salto) o inverso (angolo < 0°, con conseguente aumento della pressione). Questo 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 avanti e indietro, aumentando così l'intervallo di controllo del 4% mantenendo costante l'efficienza.
Incorporando un diffusore LS per la girante comunemente utilizzata nei compressori a camera di compressione (BAC), l'efficienza multistadio può essere aumentata all'89%. Questo, combinato con altri miglioramenti dell'efficienza, riduce il numero di stadi del BAC mantenendo inalterata l'efficienza complessiva del gruppo. La riduzione del numero di stadi elimina la necessità di un intercooler, delle relative tubazioni del gas di processo e dei componenti di rotore e statore, con un conseguente risparmio sui costi del 10%. Inoltre, in molti casi è possibile combinare il compressore d'aria principale e il compressore booster in un'unica macchina.
Come accennato in precedenza, solitamente è necessario un ingranaggio intermedio tra la turbina a vapore e il VAC. Con il nuovo design IGC di Siemens Energy, questo ingranaggio intermedio può essere integrato nel riduttore aggiungendo un albero intermedio tra l'albero del pignone e l'ingranaggio principale (4 ingranaggi). Questo può ridurre i costi totali di linea (compressore principale più apparecchiature ausiliarie) fino al 4%.
Inoltre, gli ingranaggi a 4 pignoni rappresentano un'alternativa più efficiente ai motori a spirale compatti per la commutazione da motori a 6 poli a motori a 4 poli nei grandi compressori d'aria principali (se esiste la possibilità di collisione della voluta o se la velocità massima consentita del pignone verrà ridotta). ) passato.
Il loro utilizzo sta diventando sempre più comune in diversi mercati importanti per la decarbonizzazione industriale, tra cui pompe di calore e compressione del vapore, nonché la compressione della CO2 negli sviluppi di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS).
Siemens Energy vanta una lunga tradizione nella progettazione e gestione di IGC. Come dimostrato dalle attività di ricerca e sviluppo di cui sopra (e da altre), ci impegniamo a innovare costantemente queste macchine per soddisfare esigenze applicative specifiche e rispondere alla crescente domanda del mercato di costi inferiori, maggiore efficienza e maggiore sostenibilità. KT2
Data di pubblicazione: 28 aprile 2024