Yazar: Lukas Bijikli, Ürün Portföy Yöneticisi, Entegre Dişli Tahrikleri, Ar-Ge CO2 Sıkıştırma ve Isı Pompaları, Siemens Energy.
Uzun yıllardır Entegre Dişli Kompresör (IGC), hava ayırma tesisleri için tercih edilen teknoloji olmuştur. Bunun başlıca nedeni, oksijen, nitrojen ve inert gaz için maliyetlerin doğrudan azalmasına yol açan yüksek verimlilikleridir. Ancak, karbon gidermeye yönelik artan odaklanma, özellikle verimlilik ve düzenleyici esneklik açısından IPC'lere yeni talepler getirmektedir. Sermaye harcaması, özellikle küçük ve orta ölçekli işletmelerde tesis operatörleri için önemli bir faktör olmaya devam etmektedir.
Siemens Energy, son birkaç yıldır hava ayırma pazarının değişen ihtiyaçlarını karşılamak için IGC yeteneklerini genişletmeyi amaçlayan çeşitli araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) projeleri başlattı. Bu makale, yaptığımız bazı özel tasarım iyileştirmelerini vurguluyor ve bu değişikliklerin müşterilerimizin maliyet ve karbon azaltma hedeflerine ulaşmalarına nasıl yardımcı olabileceğini tartışıyor.
Günümüzde çoğu hava ayırma ünitesi iki kompresörle donatılmıştır: bir ana hava kompresörü (MAC) ve bir takviye hava kompresörü (BAC). Ana hava kompresörü genellikle tüm hava akışını atmosferik basınçtan yaklaşık 6 bara sıkıştırır. Bu akışın bir kısmı daha sonra BAC'de 60 bara kadar bir basınca sıkıştırılır.
Enerji kaynağına bağlı olarak, kompresör genellikle bir buhar türbini veya bir elektrik motoru tarafından çalıştırılır. Bir buhar türbini kullanıldığında, her iki kompresör de ikiz şaft uçları aracılığıyla aynı türbin tarafından çalıştırılır. Klasik şemada, buhar türbini ile HAC arasına bir ara dişli takılır (Şekil 1).
Hem elektrikle çalışan hem de buhar türbini ile çalışan sistemlerde, kompresör verimliliği, doğrudan ünitenin enerji tüketimini etkilediği için karbon giderme için güçlü bir kaldıraçtır. Bu, buhar türbinleri ile çalışan MGP'ler için özellikle önemlidir, çünkü buhar üretimi için ısının çoğu fosil yakıtla çalışan kazanlarda elde edilir.
Elektrik motorları buhar türbini tahriklerine göre daha yeşil bir alternatif sunsa da, genellikle kontrol esnekliğine daha fazla ihtiyaç vardır. Günümüzde inşa edilen birçok modern hava ayırma tesisi şebekeye bağlıdır ve yüksek düzeyde yenilenebilir enerji kullanımına sahiptir. Örneğin Avustralya'da, amonyak sentezi için nitrojen üretmek üzere hava ayırma üniteleri (ASU'lar) kullanacak ve yakındaki rüzgar ve güneş çiftliklerinden elektrik alması beklenen birkaç yeşil amonyak tesisi inşa etme planları vardır. Bu tesislerde, güç üretimindeki doğal dalgalanmaları telafi etmek için düzenleyici esneklik kritik öneme sahiptir.
Siemens Energy, ilk IGC'yi (eski adıyla VK) 1948'de geliştirdi. Şirket bugün dünya çapında 2.300'den fazla ünite üretiyor ve bunların çoğu 400.000 m3/saat'in üzerinde akış hızına sahip uygulamalar için tasarlanmıştır. Modern MGP'lerimiz bir binada saatte 1,2 milyon metreküpe kadar akış hızına sahiptir. Bunlara, tek kademeli versiyonlarda 2,5 veya daha yüksek basınç oranlarına ve seri versiyonlarda 6'ya kadar basınç oranlarına sahip dişlisiz konsol kompresör versiyonları dahildir.
Son yıllarda, IGC verimliliği, düzenleyici esneklik ve sermaye maliyetlerine yönelik artan talepleri karşılamak için aşağıda özetlenen bazı önemli tasarım iyileştirmeleri yaptık.
İlk MAC aşamasında tipik olarak kullanılan bir dizi pervanenin değişken verimliliği, kanat geometrisi değiştirilerek artırılır. Bu yeni pervane ile, geleneksel LS difüzörlerle birlikte %89'a kadar değişken verimlilikler ve yeni nesil hibrit difüzörlerle birlikte %90'ın üzerinde verimlilikler elde edilebilir.
Ek olarak, çarkın Mach sayısı 1,3'ten daha yüksektir ve bu da birinci kademeye daha yüksek bir güç yoğunluğu ve sıkıştırma oranı sağlar. Bu ayrıca üç kademeli MAC sistemlerindeki dişlilerin iletmesi gereken gücü azaltır ve birinci kademelerde daha küçük çaplı dişlilerin ve doğrudan tahrikli dişli kutularının kullanılmasına olanak tanır.
Geleneksel tam uzunlukta LS kanatlı difüzörle karşılaştırıldığında, yeni nesil hibrit difüzör %2,5'lik artırılmış bir aşama verimliliğine ve %3'lük bir kontrol faktörüne sahiptir. Bu artış, kanatların karıştırılmasıyla elde edilir (yani kanatlar tam yükseklikte ve kısmi yükseklikte bölümlere ayrılır). Bu yapılandırmada
Pervane ile difüzör arasındaki akış çıkışı, geleneksel bir LS difüzörünün kanatlarına göre pervaneye daha yakın konumlandırılan kanat yüksekliğinin bir kısmı kadar azaltılır. 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 şekilde kısmen artırılması, titreşim bölgesinin yakınındaki akış yönünü de iyileştirir. Tam uzunluktaki kanat bölümünün ön kenarı geleneksel bir LS difüzörle aynı çapta kaldığı için gaz hattı etkilenmez ve daha geniş bir uygulama ve ayar aralığına olanak tanır.
Su enjeksiyonu, emme borusundaki hava akışına su damlacıkları enjekte etmeyi içerir. Damlacıklar buharlaşır ve işlem gazı akışından ısı emer, böylece sıkıştırma aşamasına giriş sıcaklığı azalır. Bu, izantropik güç gereksinimlerinde bir azalma ve %1'den fazla verimlilik artışıyla sonuçlanır.
Dişli milinin sertleştirilmesi, birim alan başına izin verilen gerilimi artırmanıza olanak tanır, bu da diş genişliğini azaltmanıza olanak tanır. Bu, dişli kutusundaki mekanik kayıpları %25'e kadar azaltır ve genel verimlilikte %0,5'e kadar bir artışla sonuçlanır. Ayrıca, büyük dişli kutusunda daha az metal kullanıldığı için ana kompresör maliyetleri %1'e kadar azaltılabilir.
Bu çark 0,25'e kadar bir akış katsayısı (φ) ile çalışabilir ve 65 derece çarklardan %6 daha fazla basınç sağlar. Ayrıca akış katsayısı 0,25'e ulaşır ve IGC makinesinin çift akışlı tasarımında hacimsel akış 1,2 milyon m3/saate veya hatta 2,4 milyon m3/saate ulaşır.
Daha yüksek bir phi değeri, aynı hacim akışında daha küçük çaplı bir pervane kullanılmasına olanak tanır ve böylece ana kompresörün maliyeti %4'e kadar azaltılır. Birinci kademe pervanenin çapı daha da azaltılabilir.
Daha yüksek basma yüksekliği, 75°'lik çark sapma açısı ile elde edilir, bu da çıkıştaki çevresel hız bileşenini artırır ve böylece Euler denklemine göre daha yüksek basma yüksekliği sağlar.
Yüksek hızlı ve yüksek verimli çarklarla karşılaştırıldığında, pervanenin verimliliği, sarmaldaki daha yüksek kayıplar nedeniyle biraz azalır. Bu, orta büyüklükte bir salyangoz kullanılarak telafi edilebilir. Ancak, bu sarmallar olmadan bile, 1,0 Mach sayısı ve 0,24 akış katsayısında %87'ye kadar 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 rpm ila 1500 rpm) geçerek maliyet tasarrufu sağlayabilir. Ayrıca, helezon ve büyük dişliler için malzeme maliyetlerini azaltabilir.
Genel olarak, ana kompresör sermaye maliyetlerinde %2'ye kadar tasarruf sağlayabilir, ayrıca motor da sermaye maliyetlerinde %2 tasarruf sağlayabilir. Kompakt volütler biraz daha az verimli olduğundan, bunları kullanma kararı büyük ölçüde müşterinin önceliklerine (maliyet ve verimlilik) bağlıdır ve proje bazında değerlendirilmelidir.
Kontrol yeteneklerini artırmak için IGV, birden fazla aşamanın önüne kurulabilir. Bu, yalnızca ilk aşamaya kadar IGV'leri içeren önceki IGC projeleriyle keskin bir tezat oluşturmaktadır.
IGC'nin önceki yinelemelerinde, girdap katsayısı (yani, ikinci IGV'nin açısının birinci IGV1'in açısına bölümü) akışın ileri (açı > 0°, başın azalması) veya ters girdap (açı < 0) olup olmadığına bakılmaksızın sabit kalmıştır. °, basınç artar). 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 sağlıyor, böylece sabit verimlilik sağlanırken kontrol aralığı %4 artırılabiliyor.
BAC'lerde yaygın olarak kullanılan pervane için bir LS difüzör ekleyerek, çok aşamalı verimlilik %89'a çıkarılabilir. Bu, diğer verimlilik iyileştirmeleriyle birleştirildiğinde, genel tren verimliliğini korurken BAC aşamalarının sayısını azaltır. Aşamaların sayısını azaltmak, bir ara soğutucuya, ilişkili proses gazı borularına ve rotor ve stator bileşenlerine olan ihtiyacı ortadan kaldırır ve %10 maliyet tasarrufu sağlar. Ek olarak, birçok durumda ana hava kompresörünü 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 boş dişli, pinyon mili ile büyük dişli (4 dişli) arasına bir boş şaft eklenerek dişli kutusuna entegre edilebilir. Bu, toplam hat maliyetini (ana kompresör artı yardımcı ekipman) %4'e kadar azaltabilir.
Ayrıca, büyük ana hava kompresörlerinde 6 kutuplu motorlardan 4 kutuplu motorlara geçişte 4 pinyonlu dişliler kompakt sarmal motorlara göre daha verimli bir alternatiftir (eğer sarmal çarpışma olasılığı varsa veya izin verilen maksimum pinyon hızı düşecekse). ) 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 da yaygınlaşıyor.
Siemens Energy'nin IGC'leri tasarlama ve işletme konusunda uzun bir geçmişi vardır. Yukarıdaki (ve diğer) araştırma ve geliştirme çabalarıyla kanıtlandığı üzere, benzersiz uygulama ihtiyaçlarını karşılamak ve daha düşük maliyetler, artan verimlilik ve artan sürdürülebilirlik için büyüyen pazar taleplerini karşılamak üzere bu makineleri sürekli olarak yenilemeye kararlıyız. KT2
Gönderi zamanı: 28-Nis-2024