Autor: Lukas Bijikli, gestor de cartera de productes, unitats integrades en marxa, compressió de R + D CO2 i bombes de calor, Siemens Energy.
Durant molts anys, el compressor d’engranatges integrat (IGC) ha estat la tecnologia que tria per a les plantes de separació d’aire. Això es deu principalment a la seva alta eficiència, la qual cosa comporta directament costos reduïts per a l’oxigen, el nitrogen i el gas inert. No obstant això, el focus creixent en la descarbonització dóna noves demandes als IPC, especialment en termes d'eficiència i flexibilitat reguladora. La despesa de capital continua sent un factor important per als operadors vegetals, 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 IGC per satisfer les necessitats canviants del mercat de separació de l’aire. Aquest article destaca algunes millores específiques del disseny que hem realitzat i discuteix com aquests canvis poden ajudar a assolir els objectius dels costos dels nostres clients i la reducció de carboni.
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 impuls (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 encara més al BAC fins a una pressió de fins a 60 bar.
Segons la font d’energia, el compressor sol ser conduït per una turbina de vapor o un motor elèctric. Quan s'utilitzen una turbina de vapor, tots dos compressors són conduïts per la mateixa turbina a través dels extrems de l'eix bessó. En l’esquema clàssic, s’instal·la un engranatge intermedi entre la turbina de vapor i l’HAC (Fig. 1).
Tant en els sistemes de turbina impulsats elèctricament com a la turbina 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 als MGP impulsats per les turbines de vapor, ja que la major part de la calor per a la producció de vapor s’obté en calderes de combustible fòssil.
Tot i que els motors elèctrics proporcionen una alternativa més verda a les unitats de turbines de vapor, sovint hi ha una necessitat més gran de flexibilitat de control. Moltes plantes modernes de separació d’aire que s’estan construint actualment 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 (ASUS) per produir nitrogen per a la síntesi d’amoníac i s’espera que rebin electricitat de les explotacions eòliques i solars properes. En aquestes plantes, la flexibilitat reguladora és fonamental per compensar les fluctuacions naturals de la generació d’energia.
Siemens Energy va desenvolupar el primer IGC (abans conegut com a VK) el 1948. Avui la companyia produeix més de 2.300 unitats a tot el món, moltes de les quals estan dissenyades per a aplicacions amb un cabal superior 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 edifici. S'inclouen versions sense engranatges de compressors de consola amb relacions de pressió fins a 2,5 o superiors en versions d'una sola etapa i relacions de pressió fins a 6 en versions en sèrie.
En els darrers anys, per satisfer les demandes creixents d’eficiència IGC, flexibilitat reguladora i costos de capital, hem fet algunes millores de disseny notables, que es resumeixen a continuació.
L’eficiència variable de diversos impulsors que s’utilitzen normalment en la primera etapa MAC s’incrementa en variar la geometria de la fulla. Amb aquest nou impulsor, es poden aconseguir eficiències variables de fins a un 89% en combinació amb difusors de LS convencionals i més del 90% en combinació amb la nova generació de difusors híbrids.
A més, l’impulsor té un nombre Mach superior a 1,3, que proporciona la primera etapa amb una proporció de densitat de potència i compressió més elevada. Això també redueix la potència que els engranatges dels sistemes MAC de tres etapes han de transmetre, permetent l’ús d’engranatges de diàmetre menor i les caixes d’engranatges directes en les primeres etapes.
En comparació amb el difusor tradicional de Vane LS de longitud completa, el difusor híbrid de la propera generació té una eficiència en fase augmentada del 2,5% i un factor de control del 3%. Aquest augment s’aconsegueix barrejant les fulles (és a dir, les fulles es divideixen en seccions d’alçada i alçada parcial). En aquesta configuració
La sortida de flux entre el rotor i el difusor es redueix per una porció de l'alçada de la fulla que es troba més a prop del impulsor que les fulles d'un difusor LS convencional. Igual que amb un difusor de LS convencional, les vores principals de les fulles de longitud completa són equidistants de l’impulsor per evitar la interacció de l’impulsor-Diffuser que podria danyar les fulles.
L’augment parcial de l’altura de les fulles més a prop de l’impulsor també millora la direcció del flux a prop de la zona de pulsació. Com que el límit principal de la secció de paleta de longitud completa continua sent el mateix diàmetre que un difusor LS convencional, la línia de l’acceleració no està afectada, permetent una gamma més àmplia d’aplicació i sintonia.
La injecció d’aigua implica injectar gotetes d’aigua al corrent d’aire del tub d’aspiració. Les gotetes s’evaporen i absorbeixen la calor del flux de gas de procés, reduint així la temperatura d’entrada a l’etapa de compressió. D’aquesta manera es produeix una reducció dels requisits de potència isentròpica i un augment de l’eficiència superior a l’1%.
Endinar l’eix de l’engranatge permet augmentar l’estrès admissible per unitat d’àrea, cosa que permet reduir l’amplada de les dents. Això redueix fins a un 25%les pèrdues mecàniques a la caixa de canvis, donant lloc a un augment de l'eficiència global del 0,5%. A més, els costos del compressor principal es poden reduir fins a un 1% perquè s’utilitza menys metall a la gran caixa de canvis.
Aquest impulsor pot funcionar amb un coeficient de flux (φ) de fins a 0,25 i proporciona un 6% més de capçalera que els impulsors de 65 graus. A més, el coeficient de flux arriba a 0,25, i en el disseny de doble flux de la màquina IGC, el flux volumètric arriba a 1,2 milions de m3/h o fins i tot 2,4 milions de m3/h.
Un valor PHI més elevat permet l’ús d’un impulsor de diàmetre menor al mateix flux de volum, reduint així el cost del compressor principal fins a un 4%. El diàmetre del impulsor de la primera etapa es pot reduir encara més.
El cap més alt s’aconsegueix mitjançant l’angle de desviació de l’impulsor de 75 °, que augmenta el component de velocitat circumferencial a la sortida i proporciona així el cap superior segons l’equació d’Euler.
En comparació amb els impulsors d’alta velocitat i d’alta eficiència, l’eficiència del rotor es redueix lleugerament a causa de les pèrdues més elevades en la volte. Es pot compensar mitjançant un caragol de mida mitjana. No obstant això, fins i tot sense aquests voluts, es pot aconseguir una eficiència variable de fins a un 87% a un nombre MACH d’1,0 i un coeficient de flux de 0,24.
La voluta més petita permet evitar col·lisions amb altres voluts quan es redueix el diàmetre de l’engranatge gran. Els operadors poden estalviar costos passant d’un motor de 6 pols a un motor de 4 pols de més velocitat (1000 rpm a 1500 rpm) sense superar la velocitat màxima de l’engranatge admissible. 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 els costos de capital, a més del motor també pot estalviar un 2% en els costos de capital. Com que els voluts compactes són una mica menys eficients, la decisió d’utilitzar-les depèn en gran mesura de les prioritats del client (cost i eficiència) i s’ha de valorar de forma projectiva per projecte.
Per augmentar les capacitats de control, la IGV es pot instal·lar davant de diverses etapes. Això contrasta molt amb els projectes IGC anteriors, que només incloïen IGV fins a la primera fase.
En iteracions anteriors de la IGC, el coeficient de vòrtex (és a dir, l’angle del segon IGV dividit per l’angle del primer IGV1) es va mantenir constant independentment de si el flux era endavant (angle> 0 °, reductor de cap) o vòrtex invers (angle <0). °, la pressió augmenta). Això és desavantatge 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 es troba en mode vòrtex cap endavant i invers, augmentant així el rang de control en un 4% mantenint l'eficiència constant.
En incorporar un difusor LS per al rotor que s’utilitza habitualment en BACS, l’eficiència en diverses etapes es pot augmentar fins al 89%. Això, combinat amb altres millores d’eficiència, redueix el nombre d’etapes BAC mantenint 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, amb la qual cosa es produeix 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 màquina.
Com s'ha esmentat anteriorment, normalment es requereix un engranatge intermedi entre la turbina de vapor i la VAC. Amb el nou disseny IGC de Siemens Energy, aquest engranatge ralentí es pot integrar a la caixa de canvis afegint un eix de ralentí entre l’eix del pinyó i l’engranatge gran (4 engranatges). Això pot reduir el cost total de la línia (compressor principal més els equips auxiliars) fins a un 4%.
A més, els engranatges de 4 pins són una alternativa més eficient als motors de desplaçament compactes per canviar de motors de 6 pols a 4 pols en grans compressors d’aire principal (si hi ha possibilitat de col·lisió voluta o si es reduirà la velocitat màxima de pinyó admissible). ) passat.
El seu ús també és cada cop més comú en diversos mercats importants per a la descarbonització industrial, incloses les bombes de calor i la compressió de vapor, així com la compressió de CO2 en els desenvolupaments de captació de carboni, utilització i emmagatzematge (CCUS).
Siemens Energy té una llarga història de disseny i operació IGC. Tal com ho demostren els esforços de recerca i desenvolupament anteriors (i altres), ens comprometem a innovar contínuament aquestes màquines per satisfer les necessitats d’aplicació úniques i satisfer les creixents demandes del mercat de costos més baixos, augment de l’eficiència i augment de la sostenibilitat. KT2
Hora de publicació: 28-28-2024