HANGZHOU NUZHUO TEKNOLOJİ GRUBU CO.,LTD.

Yazar: Lukas Bijikli, Ürün Portföy Yöneticisi, Entegre Dişli Tahrikleri, Ar-Ge CO2 Sıkıştırma ve Isı Pompaları, Siemens Energy.
Entegre Dişli Kompresörler (IGC), uzun yıllardır hava ayrıştırma tesisleri için tercih edilen teknoloji olmuştur. Bunun başlıca nedeni, oksijen, azot ve inert gaz maliyetlerini doğrudan düşüren yüksek verimlilikleridir. Ancak, karbonsuzlaştırmaya artan ilgi, özellikle verimlilik ve düzenleyici esneklik açısından IPC'lere yeni talepler getirmektedir. Sermaye harcamaları, özellikle küçük ve orta ölçekli işletmelerde tesis işletmecileri için önemli bir faktör olmaya devam etmektedir.
Siemens Energy, son birkaç yıldır hava ayırma pazarının değişen ihtiyaçlarını karşılamak üzere IGC kapasitelerini genişletmeyi amaçlayan çeşitli araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) projeleri başlattı. Bu makalede, yaptığımız bazı özel tasarım iyileştirmeleri vurgulanıyor ve bu değişikliklerin müşterilerimizin maliyet ve karbon azaltma hedeflerine ulaşmalarına nasıl yardımcı olabileceği tartışılıyor.
Günümüzde çoğu hava ayırma ünitesi iki kompresörle donatılmıştır: ana hava kompresörü (MAC) ve takviye hava kompresörü (BAC). Ana hava kompresörü genellikle tüm hava akışını atmosferik basınçtan yaklaşık 6 bar'a sıkıştırır. Bu akışın bir kısmı daha sonra BAC'de 60 bar'a kadar bir basınca sıkıştırılır.
Enerji kaynağına bağlı olarak, kompresör genellikle bir buhar türbini veya elektrik motoru tarafından tahrik edilir. Buhar türbini kullanıldığında, her iki kompresör de aynı türbin tarafından çift şaft uçları aracılığıyla tahrik edilir. Klasik düzende, buhar türbini ile HAC arasına bir ara dişli takılır (Şekil 1).
Hem elektrikle çalışan hem de buhar türbinli sistemlerde, kompresör verimliliği, ünitenin enerji tüketimini doğrudan etkilediği için karbonsuzlaştırma için güçlü bir kaldıraçtır. Bu, buhar türbinleriyle çalışan MGP'ler için özellikle önemlidir, çünkü buhar üretimi için gereken ısının çoğu fosil yakıtla çalışan kazanlarda elde edilir.
Elektrik motorları, buhar türbini tahriklerine göre daha çevre dostu bir alternatif sunsa da, genellikle kontrol esnekliğine daha fazla ihtiyaç duyulur. Günümüzde inşa edilen birçok modern hava ayırma tesisi şebekeye bağlıdır ve yüksek düzeyde yenilenebilir enerji kullanmaktadır. Örneğin Avustralya'da, amonyak sentezi için azot üretmek üzere hava ayırma üniteleri (ASU) kullanacak ve yakındaki rüzgar ve güneş çiftliklerinden elektrik alması beklenen birkaç yeşil amonyak tesisi inşa edilmesi planlanmaktadır. Bu tesislerde, enerji üretimindeki doğal dalgalanmaları telafi etmek için yasal düzenlemelerin esnekliği kritik öneme sahiptir.
Siemens Energy, ilk IGC'yi (eski adıyla VK) 1948 yılında geliştirmiştir. Şirket bugün dünya çapında 2.300'den fazla ünite üretmektedir 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 ulaşabilmektedir. Bunlar arasında, tek kademeli versiyonlarda 2,5 veya daha yüksek basınç oranlarına, seri versiyonlarda ise 6'ya kadar basınç oranlarına sahip dişlisiz konsol kompresörleri de bulunmaktadır.
Son yıllarda, IGC verimliliği, düzenleyici esneklik ve sermaye maliyetlerine yönelik artan talepleri karşılamak için aşağıda özetlenen bazı önemli tasarım iyileştirmeleri yaptık.
Birinci MAC aşamasında tipik olarak kullanılan bir dizi pervanenin değişken verimliliği, kanat geometrisinin değiştirilmesiyle artırılır. Bu yeni pervane ile, geleneksel LS difüzörlerle birlikte %89'a varan, yeni nesil hibrit difüzörlerle birlikte ise %90'ın üzerinde değişken verimlilik elde edilebilir.
Ayrıca, pervanenin Mach sayısı 1,3'ten yüksek olduğundan, birinci kademeye daha yüksek bir güç yoğunluğu ve sıkıştırma oranı sağlanır. Bu da, üç kademeli MAC sistemlerindeki dişlilerin iletmesi gereken gücü azaltarak, birinci kademelerde daha küçük çaplı dişlilerin ve doğrudan tahrikli dişli kutularının kullanılmasına olanak tanır.
Geleneksel tam boy LS kanatlı difüzöre kıyasla, yeni nesil hibrit difüzör %2,5 daha yüksek sahne verimliliğine ve %3 daha yüksek kontrol faktörüne sahiptir. Bu artış, kanatların karıştırılmasıyla (yani kanatlar tam boy ve kısmi boy bölümlere ayrılarak) sağlanır. Bu konfigürasyonda
Pervane ve difüzör arasındaki akış çıkışı, geleneksel bir LS difüzörün kanatlarına kıyasla pervaneye daha yakın konumlandırılan kanat yüksekliğinin bir kısmı kadar azalır. Geleneksel bir LS difüzörde olduğu gibi, tam uzunluktaki kanatların ön kenarları, kanatlara zarar verebilecek pervane-difüzör etkileşimini önlemek için pervaneden eşit uzaklıktadır.
Kanatların yüksekliğinin pervaneye yakın bir noktaya kısmen artırılması, titreşim bölgesi yakınındaki akış yönünü de iyileştirir. Tam uzunluktaki kanat bölümünün ön kenarı, geleneksel bir LS difüzörle aynı çapta kaldığı için, gaz kelebeği hattı etkilenmez ve bu da daha geniş bir uygulama ve ayar yelpazesi sağlar.
Su enjeksiyonu, emiş borusundaki hava akımına su damlacıklarının enjekte edilmesini içerir. Damlacıklar buharlaşarak proses gazı akımından ısı emer ve böylece sıkıştırma aşamasına giriş sıcaklığı düşer. Bu, izantropik güç gereksinimlerinde bir azalma ve verimlilikte %1'den fazla bir artış sağlar.
Dişli milinin sertleştirilmesi, birim alan başına izin verilen gerilimi artırmanıza ve böylece diş genişliğini azaltmanıza olanak tanır. Bu, dişli kutusundaki mekanik kayıpları %25'e kadar azaltarak genel verimlilikte %0,5'e kadar artış sağlar. Ayrıca, büyük dişli kutusunda daha az metal kullanıldığı için ana kompresör maliyetleri %1'e kadar düşürülebilir.
Bu çark, 0,25'e kadar akış katsayısı (φ) ile çalışabilir ve 65 derecelik çarklara göre %6 daha fazla basınç 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 ulaşabilir.
Daha yüksek bir phi değeri, aynı hacim akışında daha küçük çaplı bir pervane kullanılmasına olanak tanır ve böylece ana kompresör maliyeti %4'e kadar düşürülür. Birinci kademe pervanenin çapı daha da küçültülebilir.
Daha yüksek basınç, 75°'lik pervane sapma açısı ile elde edilir, bu da çıkıştaki çevresel hız bileşenini artırır ve böylece Euler denklemine göre daha yüksek basınç sağlar.
Yüksek hızlı ve yüksek verimli pervanelere kıyasla, pervanenin verimliliği, sarmaldaki daha yüksek kayıplar nedeniyle biraz daha düşüktür. Bu durum, orta boy bir salyangoz kullanılarak telafi edilebilir. Ancak, bu sarmallar olmadan bile, 1,0 Mach sayısı ve 0,24 akış katsayısında %87'ye varan değişken verimlilik elde edilebilir.
Daha küçük volüt, büyük dişlinin çapı küçültüldüğünde diğer volütlerle çarpışmayı önlemenizi sağlar. Operatörler, izin verilen maksimum dişli hızını aşmadan 6 kutuplu bir motordan daha yüksek hızlı 4 kutuplu bir motora (1000 dev/dak ila 1500 dev/dak) geçerek maliyet tasarrufu sağlayabilirler. Ayrıca, helisel ve büyük dişliler için malzeme maliyetlerini de düşürebilir.
Genel olarak, ana kompresör sermaye maliyetlerinde %2'ye kadar tasarruf sağlayabilir, ayrıca motor da sermaye maliyetlerinde %2 tasarruf sağlayabilir. Kompakt salyangozlar biraz daha az verimli olduğundan, bunları kullanma kararı büyük ölçüde müşterinin önceliklerine (maliyet ve verimlilik) bağlıdır ve proje bazında değerlendirilmelidir.
Kontrol kabiliyetlerini artırmak için IGV, birden fazla aşamanın önüne kurulabilir. Bu durum, yalnızca ilk aşamaya kadar IGV'leri içeren önceki IGC projelerinden çok farklıdır.
IGC'nin önceki yinelemelerinde, girdap katsayısı (yani, ikinci IGV açısının birinci IGV açısına bölümü), akışın ileri (açı > 0°, basınç azalır) veya ters girdap (açı < 0) olup olmadığına bakılmaksızın sabit kalmıştır. °, basınç artar. Bu durum dezavantajlıdır çünkü açının işareti pozitif ve negatif girdaplar arasında değişmektedir.
Yeni konfigürasyon, makine ileri ve geri girdap modundayken iki farklı girdap oranının kullanılmasına olanak tanıyor ve böylece sabit verimlilik sağlanırken kontrol aralığı %4 artırılıyor.
BAC'lerde yaygın olarak kullanılan pervaneye bir LS difüzör entegre edilerek, çok kademeli verimlilik %89'a kadar artırılabilir. Bu, diğer verimlilik iyileştirmeleriyle birlikte, genel tren verimliliğini korurken BAC kademe sayısını azaltır. Kademe sayısının azaltılması, ara soğutucu, ilgili proses gazı boru hattı ve rotor ile stator bileşenlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırarak %10'luk maliyet tasarrufu sağlar. Ayrıca, çoğu durumda ana hava kompresörü ve yükseltici kompresörü tek bir makinede birleştirmek mümkündür.
Daha önce de belirtildiği gibi, buhar türbini ile VAC arasında genellikle bir ara dişli gerekir. Siemens Energy'nin yeni IGC tasarımıyla, bu ara dişli, pinyon mili ile büyük dişli (4 dişli) arasına bir ara mil eklenerek dişli kutusuna entegre edilebilir. Bu, toplam hat maliyetini (ana kompresör ve yardımcı ekipman) %4'e kadar azaltabilir.
Ayrıca, büyük ana hava kompresörlerinde 6 kutuplu motorlardan 4 kutuplu motorlara geçişte 4 pinyonlu dişliler kompakt kaydırmalı motorlara göre daha verimli bir alternatiftir (eğer sarmal çarpışma olasılığı varsa veya izin verilen maksimum pinyon hızı düşürülecekse). ) geçmiş.
Endüstriyel karbonsuzlaştırma açısından önemli olan ısı pompaları ve buhar sıkıştırma ile karbon yakalama, kullanım ve depolama (CCUS) geliştirmelerinde CO2 sıkıştırma gibi çeşitli pazarlarda kullanımı daha yaygın hale geliyor.
Siemens Energy, IGC'leri tasarlama ve işletme konusunda uzun bir geçmişe sahiptir. Yukarıda belirtilen (ve diğer) araştırma ve geliştirme çalışmalarından da anlaşılacağı üzere, benzersiz uygulama ihtiyaçlarını karşılamak ve daha düşük maliyetler, daha yüksek verimlilik ve daha yüksek sürdürülebilirlik için artan pazar taleplerini karşılamak üzere bu makineleri sürekli olarak yenilemeye kararlıyız. KT2