Autori: Lukas Bijikli, Menaxher i Portofolit të Produkteve, Drives Integrated Gear, R&D CO2 Compression dhe Pompa Heat, Siemens Energy.
Për shumë vite, kompresori i integruar i integruar (IGC) ka qenë teknologjia e zgjedhjes për impiantet e ndarjes së ajrit. Kjo është kryesisht për shkak të efikasitetit të tyre të lartë, i cili çon drejtpërdrejt në uljen e kostove për oksigjenin, azotin dhe gazin inert. Sidoqoftë, përqendrimi në rritje në dekarbonizimin vendos kërkesa të reja në IPC, veçanërisht në drejtim të efikasitetit dhe fleksibilitetit rregullator. Shpenzimet kapitale vazhdojnë të jenë një faktor i rëndësishëm për operatorët e bimëve, veçanërisht në ndërmarrjet e vogla dhe të mesme.
Gjatë viteve të fundit, Siemens Energy ka filluar disa projekte kërkimore dhe zhvillimi (R&D) që synojnë zgjerimin e aftësive të IGC për të përmbushur nevojat në ndryshim të tregut të ndarjes së ajrit. Ky artikull nënvizon disa përmirësime specifike të projektimit që kemi bërë dhe diskuton se si këto ndryshime mund të ndihmojnë në përmbushjen e kostove të klientëve tanë dhe qëllimet e uljes së karbonit.
Shumica e njësive të ndarjes së ajrit sot janë të pajisura me dy kompresorë: një kompresor kryesor i ajrit (MAC) dhe një kompresor i ajrit të rritur (BAC). Kompresori kryesor i ajrit zakonisht kompreson të gjithë rrjedhën e ajrit nga presioni atmosferik në afërsisht 6 bar. Një pjesë e kësaj rrjedhë është kompresuar më tej në BAC në një presion deri në 60 bar.
Në varësi të burimit të energjisë, kompresori zakonisht drejtohet nga një turbinë me avull ose një motor elektrik. Kur përdorni një turbinë me avull, të dy kompresorët drejtohen nga e njëjta turbinë përmes skajeve të boshtit binjak. Në skemën klasike, është instaluar një ingranazh i ndërmjetëm midis turbinës me avull dhe HAC (Fig. 1).
Në të dy sistemet e drejtuara elektrike dhe me avull të drejtuar nga turbina, efikasiteti i kompresorit është një levë e fuqishme për dekarbonizim pasi ndikon drejtpërdrejt në konsumin e energjisë së njësisë. Kjo është veçanërisht e rëndësishme për MGP të drejtuara nga turbinat me avull, pasi shumica e nxehtësisë për prodhimin e avullit merret në kaldaja fosile me karburant.
Megjithëse motorët elektrikë sigurojnë një alternative më të gjelbër për disqet e turbinave me avull, shpesh ka një nevojë më të madhe për fleksibilitet kontrolli. Shumë bimë moderne të ndarjes së ajrit që po ndërtohen sot janë të lidhura me rrjetin dhe kanë një nivel të lartë të përdorimit të energjisë së rinovueshme. Në Australi, për shembull, ka plane për të ndërtuar disa bimë të gjelbërta të amoniakut që do të përdorin njësi të ndarjes së ajrit (ASUS) për të prodhuar azot për sintezën e amoniakut dhe pritet të marrin energji elektrike nga era afër dhe fermat diellore. Në këto bimë, fleksibiliteti rregullator është thelbësor për të kompensuar luhatjet natyrore në prodhimin e energjisë.
Siemens Energy zhvilloi IGC -në e parë (të njohur më parë si VK) në 1948. Sot kompania prodhon më shumë se 2.300 njësi në të gjithë botën, shumë prej të cilave janë krijuar për aplikime me norma të rrjedhës më të mëdha se 400,000 m3/orë. MGP -të tona moderne kanë një normë fluksi deri në 1.2 milion metra kub në orë në një ndërtesë. Këto përfshijnë versione pa ingranazhe të kompresorëve të tastierës me raporte presioni deri në 2.5 ose më të larta në versionet me një fazë dhe raportet e presionit deri në 6 në versionet serike.
Vitet e fundit, për të përmbushur kërkesat në rritje për efikasitetin e IGC, fleksibilitetin rregullator dhe kostot e kapitalit, ne kemi bërë disa përmirësime të dukshme të projektimit, të cilat janë përmbledhur më poshtë.
Efikasiteti i ndryshueshëm i një numri të shtytësve që përdoren zakonisht në fazën e parë MAC është rritur duke ndryshuar gjeometrinë e tehut. Me këtë shtytës të ri, efikasiteti i ndryshueshëm deri në 89% mund të arrihet në kombinim me shpërndarësit konvencionale të LS dhe mbi 90% në kombinim me gjeneratën e re të difuzuesve hibride.
Përveç kësaj, shtytësi ka një numër Mach më të lartë se 1.3, i cili siguron fazën e parë me një raport më të lartë të densitetit të energjisë dhe kompresimit. Kjo gjithashtu zvogëlon fuqinë që ingranazhet në sistemet MAC me tre faza duhet të transmetojnë, duke lejuar përdorimin e ingranazheve me diametër më të vogël dhe ingranazheve direkte të makinës në fazat e para.
Në krahasim me shpërndarësin tradicional të LS Vane me gjatësi të plotë, difuzioni hibrid i gjeneratës tjetër ka një efikasitet të rritur në fazë prej 2.5% dhe faktor kontrolli prej 3%. Kjo rritje arrihet duke përzier bladat (d.m.th. blades ndahen në seksione me lartësi të plotë dhe me lartësi të pjesshme). Në këtë konfigurim
Prodhimi i rrjedhës midis shtytësit dhe shpërndarësit zvogëlohet me një pjesë të lartësisë së tehut që ndodhet më afër shtytës sesa tehët e një difuzuesi LS konvencionale. Ashtu si me një shpërndarës LS konvencional, skajet kryesore të blades me gjatësi të plotë janë të barabarta nga shtytësi për të shmangur ndërveprimin e shtytësit-difuzer që mund të dëmtojë blades.
Rritja pjesërisht e lartësisë së blades më afër shtytësit gjithashtu përmirëson drejtimin e rrjedhës pranë zonës së pulsimit. Për shkak se skaji kryesor i seksionit të Vane me gjatësi të plotë mbetet i njëjti diametër si një shpërndarës konvencional LS, linja e mbytjes nuk është e ndikuar, duke lejuar një gamë më të gjerë aplikimi dhe akordimi.
Injeksioni i ujit përfshin injektimin e pikave të ujit në rrjedhën e ajrit në tubin e thithjes. Pikat avullojnë dhe thithin nxehtësinë nga procesi i rrjedhës së gazit, duke zvogëluar kështu temperaturën e hyrjes në fazën e kompresimit. Kjo rezulton në një ulje të kërkesave të energjisë isentropike dhe një rritje të efikasitetit prej më shumë se 1%.
Ngurtësimi i boshtit të ingranazheve ju lejon të rritni stresin e lejuar për zonën e njësisë, e cila ju lejon të zvogëloni gjerësinë e dhëmbit. Kjo zvogëlon humbjet mekanike në kutinë e ingranazhit deri në 25%, duke rezultuar në një rritje të efikasitetit të përgjithshëm deri në 0.5%. Për më tepër, kostot kryesore të kompresorit mund të zvogëlohen deri në 1% sepse më pak metal përdoret në kutinë e madhe të ingranazheve.
Ky shtytës mund të funksionojë me një koeficient të rrjedhës (φ) deri në 0.25 dhe siguron 6% më shumë kokë se 65 shtytës. Përveç kësaj, koeficienti i rrjedhës arrin 0.25, dhe në modelin me dy rrjedhë të makinës IGC, fluksi vëllimor arrin 1.2 milion m3/orë ose edhe 2.4 milion m3/orë.
Një vlerë më e lartë e Phi lejon përdorimin e një shtytësi me diametër më të vogël në të njëjtën rrjedhë vëllimi, duke zvogëluar kështu koston e kompresorit kryesor deri në 4%. Diametri i shtytësit të fazës së parë mund të zvogëlohet edhe më tej.
Koka më e lartë arrihet me këndin e devijimit të shtytësit 75 °, i cili rrit përbërësin e shpejtësisë periferike në prizë dhe kështu siguron kokë më të lartë sipas ekuacionit të Euler.
Në krahasim me shtytësit me shpejtësi të lartë dhe me efikasitet të lartë, efikasiteti i shtytësit zvogëlohet pak për shkak të humbjeve më të larta në vëllim. Kjo mund të kompensohet duke përdorur një kërmill të madhësisë së mesme. Sidoqoftë, edhe pa këto vëllime, efikasiteti i ndryshueshëm deri në 87% mund të arrihet në një numër Mach prej 1.0 dhe një koeficient të rrjedhës prej 0.24.
Vëllimi më i vogël ju lejon të shmangni përplasjet me vëllime të tjera kur diametri i ingranazhit të madh është zvogëluar. Operatorët mund të kursejnë kostot duke kaluar nga një motor me 6 pole në një motor me 4 pole me shpejtësi më të lartë (1000 rpm në 1500 rpm) pa e tejkaluar shpejtësinë maksimale të lejueshme të ingranazhit. Për më tepër, ajo mund të zvogëlojë kostot materiale për ingranazhet helikale dhe të mëdha.
Në përgjithësi, kompresori kryesor mund të kursejë deri në 2% në kostot e kapitalit, plus motori gjithashtu mund të kursejë 2% në kostot e kapitalit. Për shkak se vëllimet kompakte janë disi më pak efikase, vendimi për t'i përdorur ato kryesisht varet nga përparësitë e klientit (kostoja kundrejt efikasitetit) dhe duhet të vlerësohet në bazë të projektit-nga projekti.
Për të rritur aftësitë e kontrollit, IGV mund të instalohet para fazave të shumta. Kjo është në kontrast të ashpër me projektet e mëparshme të IGC, të cilat përfshinin vetëm IGV deri në fazën e parë.
Në përsëritjet e mëparshme të IGC, koeficienti i vorbullës (d.m.th., këndi i IGV i dytë i ndarë me këndin e IGV1 të parë) mbeti konstante, pavarësisht nëse rrjedha ishte përpara (këndi> 0 °, duke zvogëluar kokën) ose vorbullën e kundërt (këndi <0). °, presioni rritet). Kjo është e pafavorshme sepse shenja e këndit ndryshon midis vorbullave pozitive dhe negative.
Konfigurimi i ri lejon që dy raporte të ndryshme të vorbullës të përdoren kur makina është në modalitetin e vorbullës përpara dhe të kundërt, duke rritur kështu intervalin e kontrollit me 4% duke ruajtur efikasitetin e vazhdueshëm.
Duke përfshirë një shpërndarës LS për shtytësin që përdoret zakonisht në BAC, efikasiteti me shumë faza mund të rritet në 89%. Kjo, e kombinuar me përmirësime të tjera të efikasitetit, zvogëlon numrin e fazave BAC duke ruajtur efikasitetin e përgjithshëm të trenit. Ulja e numrit të fazave eliminon nevojën për një ndërlidhës, tubacionet e gazit të procesit të shoqëruar, dhe përbërësit e rotorit dhe statorit, duke rezultuar në kursime të kostos prej 10%. Për më tepër, në shumë raste është e mundur të kombinoni kompresorin kryesor të ajrit dhe kompresorin përforcues në një makinë.
Siç u përmend më herët, zakonisht kërkohet një ingranazh i ndërmjetëm midis turbinës me avull dhe VAC. Me modelin e ri IGC nga Siemens Energy, kjo ingranazh i papunë mund të integrohet në kutinë e ingranazhit duke shtuar një bosht të papunë midis boshtit pinion dhe ingranazhit të madh (4 ingranazhe). Kjo mund të zvogëlojë koston totale të linjës (kompresori kryesor plus pajisjet ndihmëse) deri në 4%.
Për më tepër, ingranazhet me 4 pinion janë një alternative më efikase për motorët lëvizës kompakt për kalimin nga motorët me 6 pole në 4 pole në kompresorë të mëdhenj të ajrit kryesor (nëse ekziston mundësia e përplasjes volute ose nëse shpejtësia maksimale e lejuar e pinionit do të zvogëlohet). ) e kaluara.
Përdorimi i tyre po bëhet gjithashtu më i zakonshëm në disa tregje të rëndësishme për dekarbonizimin industrial, duke përfshirë pompat e nxehtësisë dhe kompresimin e avullit, si dhe kompresimin e CO2 në zhvillimet e kapjes, përdorimit dhe ruajtjes së karbonit (CCUS).
Siemens Energy ka një histori të gjatë të projektimit dhe funksionimit të IGC -ve. Siç dëshmohet nga përpjekjet e mësipërme (dhe të tjera) të hulumtimit dhe zhvillimit, ne jemi të përkushtuar që vazhdimisht të inovojmë këto makina për të përmbushur nevojat unike të aplikimit dhe për të përmbushur kërkesat në rritje të tregut për kosto më të ulët, efikasitetin e rritur dhe rritjen e qëndrueshmërisë. KT2
Koha e postimit: Prill-28-2024