Autor: Lukas Bijikli, director de cartera de productes, accionaments d'engranatges integrats, R+D de compressió de CO2 i bombes de calor, Siemens Energy.
Durant molts anys, el compressor d'engranatges integrat (IGC) ha estat la tecnologia preferida per a les plantes de separació d'aire. Això es deu principalment a la seva alta eficiència, que condueix directament a la reducció dels costos d'oxigen, nitrogen i gas inert. Tanmateix, el creixent enfocament en la descarbonització planteja noves demandes als IPC, especialment pel que fa a l'eficiència i la flexibilitat reguladora. La despesa de capital continua sent un factor important per als operadors de plantes, especialment en petites i mitjanes empreses.
Durant els darrers anys, Siemens Energy ha iniciat diversos projectes de recerca i desenvolupament (R+D) destinats a ampliar les capacitats de la IGC per satisfer les necessitats canviants del mercat de la separació d'aire. Aquest article destaca algunes millores de disseny específiques que hem fet i analitza com aquests canvis poden ajudar a assolir els objectius de reducció de costos i carboni dels nostres clients.
La majoria de les unitats de separació d'aire actuals estan equipades amb dos compressors: un compressor d'aire principal (MAC) i un compressor d'aire de reforç (BAC). El compressor d'aire principal normalment comprimeix tot el flux d'aire des de la pressió atmosfèrica fins a aproximadament 6 bar. Una part d'aquest flux es comprimeix posteriorment al BAC fins a una pressió de fins a 60 bar.
Depenent de la font d'energia, el compressor sol ser accionat per una turbina de vapor o un motor elèctric. Quan s'utilitza una turbina de vapor, tots dos compressors són accionats per la mateixa turbina a través de dos extrems d'eix. En l'esquema clàssic, s'instal·la un engranatge intermedi entre la turbina de vapor i el HAC (Fig. 1).
Tant en sistemes accionats per electricitat com per turbines de vapor, l'eficiència del compressor és una potent palanca per a la descarbonització, ja que afecta directament el consum d'energia de la unitat. Això és especialment important per a les turbines de vapor accionades per turbines de vapor, ja que la major part de la calor per a la producció de vapor s'obté en calderes alimentades per combustibles fòssils.
Tot i que els motors elèctrics ofereixen una alternativa més ecològica als accionaments de les turbines de vapor, sovint hi ha una major necessitat de flexibilitat de control. Moltes plantes modernes de separació d'aire que es construeixen avui dia estan connectades a la xarxa i tenen un alt nivell d'ús d'energia renovable. A Austràlia, per exemple, hi ha plans per construir diverses plantes d'amoníac verd que utilitzaran unitats de separació d'aire (ASU) per produir nitrogen per a la síntesi d'amoníac i s'espera que rebin electricitat de parcs eòlics i solars propers. En aquestes plantes, la flexibilitat reguladora és fonamental per compensar les fluctuacions naturals en la generació d'energia.
Siemens Energy va desenvolupar el primer IGC (anteriorment conegut com a VK) el 1948. Avui dia, l'empresa produeix més de 2.300 unitats a tot el món, moltes de les quals estan dissenyades per a aplicacions amb cabals superiors a 400.000 m3/h. Els nostres MGP moderns tenen un cabal de fins a 1,2 milions de metres cúbics per hora en un sol edifici. Aquests inclouen versions sense engranatges de compressors de consola amb relacions de pressió de fins a 2,5 o superiors en versions d'una sola etapa i relacions de pressió de fins a 6 en versions en sèrie.
En els darrers anys, per satisfer les creixents demandes d'eficiència de l'IGC, flexibilitat reguladora i costos de capital, hem fet algunes millores notables en el disseny, que es resumeixen a continuació.
L'eficiència variable d'una sèrie d'impel·lents que s'utilitzen típicament a la primera etapa MAC s'incrementa variant la geometria de les pales. Amb aquest nou impulsor, es poden aconseguir eficiències variables de fins al 89% en combinació amb difusors LS convencionals i de més del 90% en combinació amb la nova generació de difusors híbrids.
A més, l'impel·lent té un nombre de Mach superior a 1,3, cosa que proporciona a la primera etapa una densitat de potència i una relació de compressió més elevades. Això també redueix la potència que han de transmetre els engranatges dels sistemes MAC de tres etapes, permetent l'ús d'engranatges de diàmetre més petit i caixes de canvis d'accionament directe a les primeres etapes.
En comparació amb el difusor de pales LS tradicional de longitud completa, el difusor híbrid de nova generació té una eficiència d'etapa augmentada del 2,5% i un factor de control del 3%. Aquest augment s'aconsegueix barrejant les pales (és a dir, les pales es divideixen en seccions d'alçada completa i d'alçada parcial). En aquesta configuració
El cabal de sortida entre l'impel·lent i el difusor es redueix en una part de l'alçada de la pala que es troba més a prop de l'impel·lent que les pales d'un difusor LS convencional. Igual que amb un difusor LS convencional, les vores davanteres de les pales de longitud completa són equidistants de l'impel·lent per evitar la interacció entre l'impel·lent i el difusor que podria danyar les pales.
Augmentar parcialment l'alçada de les pales més a prop de l'impel·lent també millora la direcció del flux prop de la zona de pulsació. Com que la vora davantera de la secció de les pales de longitud completa continua tenint el mateix diàmetre que un difusor LS convencional, la línia de l'accelerador no es veu afectada, cosa que permet una gamma més àmplia d'aplicacions i ajustaments.
La injecció d'aigua consisteix a injectar gotes d'aigua al corrent d'aire del tub d'aspiració. Les gotes s'evaporen i absorbeixen la calor del corrent de gas del procés, reduint així la temperatura d'entrada a l'etapa de compressió. Això resulta en una reducció dels requisits de potència isentròpica i un augment de l'eficiència de més de l'1%.
L'enduriment de l'eix de l'engranatge permet augmentar la tensió admissible per unitat de superfície, cosa que permet reduir l'amplada de la dent. Això redueix les pèrdues mecàniques a la caixa de canvis fins a un 25%, cosa que resulta en un augment de l'eficiència global de fins a un 0,5%. A més, els costos del compressor principal es poden reduir fins a un 1% perquè s'utilitza menys metall a la caixa de canvis gran.
Aquest impulsor pot funcionar amb un coeficient de cabal (φ) de fins a 0,25 i proporciona un 6% més d'alçada que els impulsors de 65 graus. A més, el coeficient de cabal arriba a 0,25, i en el disseny de doble flux de la màquina IGC, el cabal volumètric arriba a 1,2 milions de m3/h o fins i tot 2,4 milions de m3/h.
Un valor phi més alt permet l'ús d'un impulsor de diàmetre més petit al mateix cabal, reduint així el cost del compressor principal fins a un 4%. El diàmetre de l'impulsor de la primera etapa es pot reduir encara més.
L'alçada més alta s'aconsegueix gràcies a l'angle de desviació de 75° de l'impel·lent, que augmenta el component de velocitat circumferencial a la sortida i, per tant, proporciona una alçada més alta segons l'equació d'Euler.
En comparació amb els impulsors d'alta velocitat i alta eficiència, l'eficiència del impulsor es redueix lleugerament a causa de les pèrdues més elevades a la voluta. Això es pot compensar mitjançant l'ús d'un cargol de mida mitjana. Tanmateix, fins i tot sense aquestes volutes, es pot aconseguir una eficiència variable de fins al 87% amb un nombre de Mach d'1,0 i un coeficient de flux de 0,24.
La voluta més petita permet evitar col·lisions amb altres volutes quan es redueix el diàmetre de l'engranatge gran. Els operadors poden estalviar costos canviant d'un motor de 6 pols a un motor de 4 pols de velocitat més alta (de 1000 rpm a 1500 rpm) sense superar la velocitat màxima permesa de l'engranatge. A més, pot reduir els costos de material per a engranatges helicoïdals i grans.
En general, el compressor principal pot estalviar fins a un 2% en costos de capital, a més que el motor també pot estalviar un 2% en costos de capital. Com que les volutes compactes són una mica menys eficients, la decisió d'utilitzar-les depèn en gran mesura de les prioritats del client (cost vs. eficiència) i s'ha d'avaluar projecte per projecte.
Per augmentar les capacitats de control, l'IGV es pot instal·lar davant de múltiples etapes. Això contrasta fortament amb projectes IGC anteriors, que només incloïen IGV fins a la primera fase.
En iteracions anteriors de l'IGC, el coeficient de vòrtex (és a dir, l'angle del segon IGV dividit per l'angle del primer IGV1) es mantenia constant independentment de si el flux era directe (angle > 0°, reduint l'alçada) o invers (angle < 0°). Si es redueix a 0°, la pressió augmenta. Això és desavantatjós perquè el signe de l'angle canvia entre vòrtexs positius i negatius.
La nova configuració permet utilitzar dues relacions de vòrtex diferents quan la màquina està en mode de vòrtex directe i invers, augmentant així el rang de control en un 4% i mantenint una eficiència constant.
En incorporar un difusor LS per a l'impel·lent que s'utilitza habitualment en els BAC, l'eficiència multietapa es pot augmentar fins al 89%. Això, combinat amb altres millores d'eficiència, redueix el nombre d'etapes del BAC alhora que manté l'eficiència general del tren. La reducció del nombre d'etapes elimina la necessitat d'un intercooler, les canonades de gas de procés associades i els components del rotor i l'estator, cosa que resulta en un estalvi de costos del 10%. A més, en molts casos és possible combinar el compressor d'aire principal i el compressor de reforç en una sola màquina.
Com s'ha esmentat anteriorment, normalment es requereix un engranatge intermedi entre la turbina de vapor i el VAC. Amb el nou disseny IGC de Siemens Energy, aquest engranatge tendidor es pot integrar a la caixa de canvis afegint un eix tendidor entre l'eix del pinyó i l'engranatge gran (4 engranatges). Això pot reduir el cost total de la línia (compressor principal més equip auxiliar) fins a un 4%.
A més, els engranatges de 4 pinyons són una alternativa més eficient als motors de voluta compactes per canviar de motors de 6 pols a 4 pols en compressors d'aire principals grans (si hi ha la possibilitat de col·lisió de la voluta o si es reduirà la velocitat màxima permesa del pinyó).
El seu ús també és cada cop més comú en diversos mercats importants per a la descarbonització industrial, com ara les bombes de calor i la compressió de vapor, així com la compressió de CO2 en els desenvolupaments de captura, utilització i emmagatzematge de carboni (CCUS).
Siemens Energy té una llarga trajectòria en el disseny i l'operació de generadors intergeneracionals (IGC). Com ho demostren els esforços de recerca i desenvolupament esmentats (i altres), estem compromesos a innovar contínuament aquestes màquines per satisfer les necessitats úniques de les aplicacions i satisfer les creixents demandes del mercat de costos més baixos, una major eficiència i una major sostenibilitat. KT2
Data de publicació: 28 d'abril de 2024