HANGZHOU NUZHUO TEKNOLOJİ GRUBU A.Ş.

Yazar: Lukas Bijikli, Ürün Portföyü Yöneticisi, Entegre Dişli Tahrik Sistemleri, Ar-Ge CO2 Sıkıştırma ve Isı Pompaları, Siemens Energy.
Uzun yıllar boyunca, Entegre Dişli Kompresör (IGC), hava ayrıştırma tesisleri için tercih edilen teknoloji olmuştur. Bunun başlıca nedeni, oksijen, azot ve inert gaz maliyetlerini doğrudan düşüren yüksek verimlilikleridir. Bununla birlikte, karbonsuzlaştırmaya yönelik artan odaklanma, özellikle verimlilik ve düzenleyici esneklik açısından IPC'lere yeni talepler getirmektedir. Sermaye harcamaları, özellikle küçük ve orta ölçekli işletmelerde, tesis operatörleri için önemli bir faktör olmaya devam etmektedir.
Siemens Energy, son birkaç yıldır hava ayrıştırma pazarının değişen ihtiyaçlarını karşılamak amacıyla IGC (Entegre Gaz Geri Kazanımı) yeteneklerini genişletmeyi hedefleyen çeşitli araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) projeleri başlattı. Bu makale, yaptığımız bazı özel tasarım iyileştirmelerini vurgulamakta ve bu değişikliklerin müşterilerimizin maliyet ve karbon azaltma hedeflerine ulaşmalarına nasıl yardımcı olabileceğini tartışmaktadır.
Günümüzde çoğu hava ayırma ünitesi iki kompresörle donatılmıştır: ana hava kompresörü (MAC) ve takviye hava kompresörü (BAC). Ana hava kompresörü, tipik olarak tüm hava akışını atmosfer basıncından yaklaşık 6 bar'a kadar sıkıştırır. Bu akışın bir kısmı daha sonra BAC'de 60 bar'a kadar daha fazla sıkıştırılır.
Enerji kaynağına bağlı olarak, kompresör genellikle bir buhar türbini veya bir elektrik motoru ile çalıştırılır. Buhar türbini kullanıldığında, her iki kompresör de aynı türbin tarafından çift şaft uçları aracılığıyla tahrik edilir. Klasik şemada, buhar türbini ile HAC arasına bir ara dişli takımı yerleştirilir (Şekil 1).
Hem elektrikle çalışan hem de buhar türbiniyle çalışan sistemlerde, kompresör verimliliği, ünitenin enerji tüketimini doğrudan etkilediği için karbondan arındırma konusunda güçlü bir kaldıraçtır. Bu durum, özellikle buhar türbinleriyle çalışan mikro gaz üretim tesisleri için önemlidir, çünkü buhar üretimi için gereken ısının büyük kısmı fosil yakıtlı kazanlardan elde edilir.
Elektrik motorları buhar türbinli tahrik sistemlerine göre daha çevreci bir alternatif sunsa da, kontrol esnekliğine genellikle daha fazla ihtiyaç duyulmaktadır. Günümüzde inşa edilen birçok modern hava ayrıştırma tesisi şebekeye bağlıdır ve yüksek oranda yenilenebilir enerji kullanmaktadır. Örneğin Avustralya'da, amonyak sentezi için azot üretmek üzere hava ayrıştırma üniteleri (ASU) kullanacak ve yakındaki rüzgar ve güneş enerjisi santrallerinden elektrik alması beklenen birkaç yeşil amonyak tesisi inşa edilmesi planlanmaktadır. Bu tesislerde, enerji üretimindeki doğal dalgalanmaları telafi etmek için düzenleyici esneklik kritik öneme sahiptir.
Siemens Energy, ilk IGC'yi (eskiden VK olarak biliniyordu) 1948'de geliştirdi. Şirket bugün dünya çapında 2.300'den fazla ünite üretiyor ve bunların çoğu 400.000 m3/saat'in üzerinde debiye sahip uygulamalar için tasarlanmıştır. Modern MGP'lerimiz, tek bir binada saatte 1,2 milyon metreküpe kadar debiye sahiptir. Bunlar arasında, tek kademeli versiyonlarda 2,5 veya daha yüksek basınç oranlarına ve seri versiyonlarda 6'ya kadar basınç oranlarına sahip dişlisiz konsol kompresörleri de bulunmaktadır.
Son yıllarda, IGC verimliliği, düzenleyici esneklik ve sermaye maliyetlerine yönelik artan talepleri karşılamak amacıyla, aşağıda özetlenen bazı önemli tasarım iyileştirmeleri gerçekleştirdik.
MAC aşamasının ilk evresinde tipik olarak kullanılan bir dizi pervanenin değişken verimliliği, kanat geometrisinin değiştirilmesiyle artırılır. Bu yeni pervane ile, geleneksel LS difüzörlerle birlikte %89'a kadar, yeni nesil hibrit difüzörlerle birlikte ise %90'ın üzerinde değişken verimlilik elde edilebilir.
Ek olarak, çarkın Mach sayısı 1,3'ten yüksektir; bu da birinci kademeye daha yüksek güç yoğunluğu ve sıkıştırma oranı sağlar. Bu aynı zamanda üç kademeli MAC sistemlerindeki dişlilerin iletmesi gereken gücü azaltarak, birinci kademelerde daha küçük çaplı dişlilerin ve doğrudan tahrikli şanzımanların kullanılmasına olanak tanır.
Geleneksel tam boy LS kanatlı difüzöre kıyasla, yeni nesil hibrit difüzör, kademe verimliliğinde %2,5 ve kontrol faktöründe %3'lük bir artış sağlamaktadır. Bu artış, kanatların karıştırılmasıyla (yani kanatların tam boy ve kısmi boy bölümlere ayrılmasıyla) elde edilir. Bu konfigürasyonda
Pervane ile difüzör arasındaki akış çıkışı, geleneksel bir LS difüzörünün kanatlarından daha çok pervaneye yakın konumlandırılmış kanat yüksekliğinin bir kısmıyla azaltılır. Geleneksel bir LS difüzöründe olduğu gibi, pervaneye zarar verebilecek pervane-difüzör etkileşimini önlemek için tam uzunluktaki kanatların ön kenarları pervaneye eşit uzaklıktadır.
Pervaneye daha yakın olan kanatların yüksekliğinin kısmen artırılması, titreşim bölgesine yakın akış yönünü de iyileştirir. Tam uzunluktaki kanat bölümünün ön kenarı, geleneksel bir LS difüzör ile aynı çapta kaldığı için, gaz kelebeği hattı etkilenmez, bu da daha geniş bir uygulama ve ayarlama aralığına olanak tanır.
Su enjeksiyonu, emme borusundaki hava akımına su damlacıklarının enjekte edilmesini içerir. Damlacıklar buharlaşır ve işlem gazı akımından ısıyı emer, böylece sıkıştırma aşamasına giriş sıcaklığını düşürür. Bu, izentropik güç gereksinimlerinde azalmaya ve verimlilikte %1'den fazla artışa yol açar.
Dişli milinin sertleştirilmesi, birim alan başına izin verilen gerilimi artırmanıza ve böylece diş genişliğini azaltmanıza olanak tanır. Bu, şanzımandaki mekanik kayıpları %25'e kadar azaltarak genel verimlilikte %0,5'e kadar artış sağlar. Ayrıca, büyük şanzımanda daha az metal kullanıldığı için ana kompresör maliyetleri %1'e kadar düşürülebilir.
Bu pervane, 0,25'e kadar akış katsayısı (φ) ile çalışabilir ve 65 derecelik pervanelere göre %6 daha fazla basma yüksekliği sağlar. Ayrıca, akış katsayısı 0,25'e ulaşır ve IGC makinesinin çift akışlı tasarımında hacimsel akış 1,2 milyon m³/sa hatta 2,4 milyon m³/sa'e kadar ulaşır.
Daha yüksek bir phi değeri, aynı hacimsel akışta daha küçük çaplı bir çark kullanılmasına olanak tanıyarak ana kompresörün maliyetini %4'e kadar düşürür. Birinci kademe çarkının çapı ise daha da küçültülebilir.
Daha yüksek basma yüksekliği, çıkıştaki çevresel hız bileşenini artıran ve böylece Euler denklemine göre daha yüksek basma yüksekliği sağlayan 75°'lik çark sapma açısıyla elde edilir.
Yüksek hızlı ve yüksek verimli pervanelere kıyasla, pervanenin verimliliği, salyangoz gövdesindeki daha yüksek kayıplar nedeniyle biraz azalır. Bu durum, orta büyüklükte bir salyangoz kullanılarak telafi edilebilir. Bununla birlikte, bu salyangoz gövdeleri olmadan bile, 1,0 Mach sayısında ve 0,24 akış katsayısında %87'ye kadar değişken verimlilik elde edilebilir.
Daha küçük sarmal yapı, büyük dişlinin çapı küçültüldüğünde diğer sarmal yapılarla çarpışmaları önlemenizi sağlar. Operatörler, izin verilen maksimum dişli hızını aşmadan 6 kutuplu bir motordan daha yüksek hızlı 4 kutuplu bir motora (1000 rpm'den 1500 rpm'ye) geçerek maliyetlerden tasarruf edebilirler. Ayrıca, helisel ve büyük dişliler için malzeme maliyetlerini de azaltabilir.
Genel olarak, ana kompresör sermaye maliyetlerinde %2'ye varan tasarruf sağlayabilir; ayrıca motor da sermaye maliyetlerinde %2 tasarruf sağlayabilir. Kompakt volütler biraz daha az verimli olduğundan, bunların kullanımı büyük ölçüde müşterinin önceliklerine (maliyet vs. verimlilik) bağlıdır ve proje bazında değerlendirilmelidir.
Kontrol kapasitesini artırmak için, IGV birden fazla aşamanın önüne kurulabilir. Bu, yalnızca ilk aşamaya kadar IGV'lerin kullanıldığı önceki IGC projeleriyle tam bir tezat oluşturmaktadır.
IGC'nin önceki versiyonlarında, girdap katsayısı (yani, ikinci IGV'nin açısının birinci IGV1'in açısına bölünmesi), akışın ileri (açı > 0°, basınç azalır) veya ters girdap (açı < 0°, basınç artar) olmasına bakılmaksızın sabit kalmıştır. Bu dezavantajlıdır çünkü açının işareti pozitif ve negatif girdaplar arasında değişir.
Yeni konfigürasyon, makine ileri ve geri girdap modundayken iki farklı girdap oranının kullanılmasına olanak tanıyarak, verimliliği sabit tutarken kontrol aralığını %4 oranında artırıyor.
BAC'lerde yaygın olarak kullanılan pervaneye bir LS difüzör entegre edilerek, çok kademeli verimlilik %89'a çıkarılabilir. Bu, diğer verimlilik iyileştirmeleriyle birleştiğinde, genel sistem verimliliğini korurken BAC kademelerinin sayısını azaltır. Kademe sayısının azaltılması, ara soğutucuya, ilgili proses gazı borularına ve rotor ve stator bileşenlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak %10 maliyet tasarrufu sağlar. Ayrıca, birçok durumda ana hava kompresörü ve takviye kompresörünü tek bir makinede birleştirmek mümkündür.
Daha önce de belirtildiği gibi, buhar türbini ile VAC arasında genellikle bir ara dişli gereklidir. Siemens Energy'nin yeni IGC tasarımıyla, pinyon mili ile büyük dişli (4 dişli) arasına bir ara mil eklenerek bu ara dişli şanzımana entegre edilebilir. Bu, toplam hat maliyetini (ana kompresör artı yardımcı ekipman) %4'e kadar azaltabilir.
Ek olarak, 4 pinyonlu dişliler, büyük ana hava kompresörlerinde 6 kutuplu motorlardan 4 kutuplu motorlara geçiş için (eğer volüt çarpışması olasılığı varsa veya izin verilen maksimum pinyon hızı düşürülecekse) kompakt sarmal motorlara göre daha verimli bir alternatiftir.
Isı pompaları ve buhar sıkıştırma gibi endüstriyel karbonsuzlaştırma için önemli olan çeşitli pazarlarda ve ayrıca karbon yakalama, kullanım ve depolama (CCUS) geliştirmelerinde CO2 sıkıştırmasında kullanımları giderek yaygınlaşıyor.
Siemens Energy, IGC'lerin tasarımı ve işletimi konusunda uzun bir geçmişe sahiptir. Yukarıda belirtilen (ve diğer) araştırma ve geliştirme çalışmalarıyla da kanıtlandığı gibi, benzersiz uygulama ihtiyaçlarını karşılamak ve düşük maliyetler, artırılmış verimlilik ve artırılmış sürdürülebilirlik için artan pazar taleplerini karşılamak üzere bu makineleri sürekli olarak yenilemeye kararlıyız. KT2