نویسنده: لوکاس بیجیکلی، مدیر سبد محصولات، درایوهای دنده یکپارچه، تحقیق و توسعه، پمپ‌های فشرده‌سازی و حرارتی CO2، زیمنس انرژی.
سال‌هاست که کمپرسور دنده‌ای یکپارچه (IGC) فناوری منتخب برای کارخانه‌های جداسازی هوا بوده است. این امر عمدتاً به دلیل راندمان بالای آنها است که مستقیماً منجر به کاهش هزینه‌های اکسیژن، نیتروژن و گاز بی‌اثر می‌شود. با این حال، تمرکز روزافزون بر کربن‌زدایی، تقاضاهای جدیدی را برای IPCها، به ویژه از نظر راندمان و انعطاف‌پذیری نظارتی، ایجاد می‌کند. هزینه‌های سرمایه‌ای همچنان عامل مهمی برای اپراتورهای کارخانه، به ویژه در شرکت‌های کوچک و متوسط، است.
در طول چند سال گذشته، شرکت زیمنس انرژی چندین پروژه تحقیق و توسعه (R&D) را با هدف گسترش قابلیت‌های IGC برای برآوردن نیازهای در حال تغییر بازار جداسازی هوا آغاز کرده است. این مقاله به برخی از پیشرفت‌های طراحی خاص انجام شده توسط ما اشاره می‌کند و در مورد چگونگی کمک این تغییرات به دستیابی به اهداف کاهش هزینه و کربن مشتریان ما بحث می‌کند.
امروزه اکثر واحدهای جداسازی هوا مجهز به دو کمپرسور هستند: یک کمپرسور هوای اصلی (MAC) و یک کمپرسور هوای تقویتی (BAC). کمپرسور هوای اصلی معمولاً کل جریان هوا را از فشار اتمسفر تا تقریباً 6 بار فشرده می‌کند. سپس بخشی از این جریان در BAC تا فشاری تا 60 بار فشرده می‌شود.
بسته به منبع انرژی، کمپرسور معمولاً توسط یک توربین بخار یا یک موتور الکتریکی به حرکت در می‌آید. هنگام استفاده از توربین بخار، هر دو کمپرسور توسط یک توربین از طریق دو انتهای شفت به حرکت در می‌آیند. در طرح کلاسیک، یک چرخ‌دنده میانی بین توربین بخار و HAC نصب می‌شود (شکل 1).
در هر دو سیستم با نیروی محرکه الکتریکی و توربین بخار، راندمان کمپرسور یک اهرم قدرتمند برای کربن‌زدایی است زیرا مستقیماً بر مصرف انرژی واحد تأثیر می‌گذارد. این امر به ویژه برای MGP هایی که توسط توربین‌های بخار هدایت می‌شوند، اهمیت دارد، زیرا بیشتر گرمای لازم برای تولید بخار در دیگ‌های بخار با سوخت فسیلی به دست می‌آید.
اگرچه موتورهای الکتریکی جایگزین سبزتری برای محرک‌های توربین بخار ارائه می‌دهند، اما اغلب نیاز بیشتری به انعطاف‌پذیری کنترل وجود دارد. بسیاری از کارخانه‌های مدرن جداسازی هوا که امروزه ساخته می‌شوند، به شبکه متصل هستند و سطح بالایی از مصرف انرژی تجدیدپذیر دارند. به عنوان مثال، در استرالیا، برنامه‌هایی برای ساخت چندین کارخانه آمونیاک سبز وجود دارد که از واحدهای جداسازی هوا (ASU) برای تولید نیتروژن برای سنتز آمونیاک استفاده می‌کنند و انتظار می‌رود از مزارع بادی و خورشیدی مجاور برق دریافت کنند. در این کارخانه‌ها، انعطاف‌پذیری نظارتی برای جبران نوسانات طبیعی در تولید برق بسیار مهم است.
شرکت زیمنس انرژی اولین کمپرسور IGC (که قبلاً با نام VK شناخته می‌شد) را در سال ۱۹۴۸ توسعه داد. امروزه این شرکت بیش از ۲۳۰۰ واحد در سراسر جهان تولید می‌کند که بسیاری از آنها برای کاربردهایی با دبی بیش از ۴۰۰۰۰۰ متر مکعب در ساعت طراحی شده‌اند. کمپرسورهای MGP مدرن ما دارای دبی تا ۱.۲ میلیون متر مکعب در ساعت در یک ساختمان هستند. این کمپرسورها شامل نسخه‌های بدون گیربکس کمپرسورهای کنسول با نسبت فشار تا ۲.۵ یا بالاتر در نسخه‌های تک مرحله‌ای و نسبت فشار تا ۶ در نسخه‌های سری هستند.
در سال‌های اخیر، برای برآورده کردن تقاضای روزافزون برای بهره‌وری IGC، انعطاف‌پذیری نظارتی و هزینه‌های سرمایه‌ای، ما پیشرفت‌های قابل توجهی در طراحی ایجاد کرده‌ایم که در زیر خلاصه شده است.
راندمان متغیر تعدادی از پروانه‌هایی که معمولاً در مرحله اول MAC استفاده می‌شوند، با تغییر هندسه پره افزایش می‌یابد. با این پروانه جدید، می‌توان به راندمان‌های متغیر تا ۸۹٪ در ترکیب با دیفیوزرهای LS معمولی و بیش از ۹۰٪ در ترکیب با نسل جدید دیفیوزرهای هیبریدی دست یافت.
علاوه بر این، پروانه دارای عدد ماخ بالاتر از ۱.۳ است که چگالی توان و نسبت تراکم بالاتری را برای مرحله اول فراهم می‌کند. این امر همچنین قدرتی را که چرخ‌دنده‌ها در سیستم‌های MAC سه مرحله‌ای باید منتقل کنند، کاهش می‌دهد و امکان استفاده از چرخ‌دنده‌های با قطر کوچکتر و گیربکس‌های محرک مستقیم را در مراحل اول فراهم می‌کند.
در مقایسه با دیفیوزر پره‌دار LS سنتی با طول کامل، دیفیوزر هیبریدی نسل بعدی دارای راندمان مرحله‌ای افزایش‌یافته ۲.۵٪ و ضریب کنترل ۳٪ است. این افزایش با مخلوط کردن پره‌ها حاصل می‌شود (یعنی پره‌ها به بخش‌های تمام‌قد و نیمه‌قد تقسیم می‌شوند). در این پیکربندی
جریان خروجی بین پروانه و دیفیوزر به اندازه بخشی از ارتفاع تیغه که نسبت به تیغه‌های یک دیفیوزر LS معمولی به پروانه نزدیک‌تر است، کاهش می‌یابد. همانند یک دیفیوزر LS معمولی، لبه‌های جلویی تیغه‌های تمام طول از پروانه به یک اندازه فاصله دارند تا از برهمکنش پروانه-دیفیوزر که می‌تواند به تیغه‌ها آسیب برساند، جلوگیری شود.
افزایش جزئی ارتفاع پره‌ها در نزدیکی پروانه، جهت جریان در نزدیکی ناحیه ضربان را نیز بهبود می‌بخشد. از آنجا که لبه جلویی بخش پره در تمام طول، قطری مشابه دیفیوزر LS معمولی باقی می‌ماند، خط دریچه گاز تحت تأثیر قرار نمی‌گیرد و امکان طیف وسیع‌تری از کاربرد و تنظیم را فراهم می‌کند.
تزریق آب شامل تزریق قطرات آب به جریان هوا در لوله مکش است. قطرات تبخیر شده و گرما را از جریان گاز فرآیند جذب می‌کنند و در نتیجه دمای ورودی به مرحله فشرده‌سازی را کاهش می‌دهند. این امر منجر به کاهش نیاز به توان ایزنتروپیک و افزایش راندمان بیش از ۱٪ می‌شود.
سخت‌کاری محور چرخ‌دنده به شما امکان می‌دهد تنش مجاز در واحد سطح را افزایش دهید، که به شما امکان می‌دهد عرض دندانه را کاهش دهید. این کار تلفات مکانیکی در گیربکس را تا 25٪ کاهش می‌دهد و در نتیجه راندمان کلی را تا 0.5٪ افزایش می‌دهد. علاوه بر این، هزینه‌های کمپرسور اصلی را می‌توان تا 1٪ کاهش داد زیرا در گیربکس بزرگ از فلز کمتری استفاده می‌شود.
این پروانه می‌تواند با ضریب جریان (φ) تا 0.25 کار کند و 6٪ هد بیشتر از پروانه‌های 65 درجه فراهم می‌کند. علاوه بر این، ضریب جریان به 0.25 می‌رسد و در طراحی جریان دوگانه ماشین IGC، جریان حجمی به 1.2 میلیون متر مکعب در ساعت یا حتی 2.4 میلیون متر مکعب در ساعت می‌رسد.
مقدار بالاتر phi امکان استفاده از پروانه با قطر کوچکتر را در جریان حجمی یکسان فراهم می‌کند و در نتیجه هزینه کمپرسور اصلی را تا ۴٪ کاهش می‌دهد. قطر پروانه مرحله اول را می‌توان حتی بیشتر کاهش داد.
هد بالاتر با زاویه انحراف پروانه ۷۵ درجه حاصل می‌شود که مولفه سرعت محیطی را در خروجی افزایش می‌دهد و بنابراین طبق معادله اویلر، هد بالاتری را فراهم می‌کند.
در مقایسه با پروانه‌های سرعت بالا و راندمان بالا، راندمان پروانه به دلیل تلفات بیشتر در حلزونی کمی کاهش می‌یابد. این امر را می‌توان با استفاده از یک حلزون با اندازه متوسط جبران کرد. با این حال، حتی بدون این حلزونی‌ها، می‌توان در عدد ماخ ۱.۰ و ضریب جریان ۰.۲۴ به راندمان متغیر تا ۸۷٪ دست یافت.
حلزونی کوچکتر به شما این امکان را می‌دهد که هنگام کاهش قطر چرخ‌دنده بزرگ، از برخورد با سایر حلزونی‌ها جلوگیری کنید. اپراتورها می‌توانند با تغییر از یک موتور ۶ قطبی به یک موتور ۴ قطبی با سرعت بالاتر (۱۰۰۰ دور در دقیقه تا ۱۵۰۰ دور در دقیقه) بدون تجاوز از حداکثر سرعت مجاز چرخ‌دنده، در هزینه‌ها صرفه‌جویی کنند. علاوه بر این، می‌تواند هزینه‌های مواد برای چرخ‌دنده‌های مارپیچ و بزرگ را کاهش دهد.
در مجموع، کمپرسور اصلی می‌تواند تا ۲٪ در هزینه‌های سرمایه‌ای صرفه‌جویی کند، به علاوه موتور نیز می‌تواند ۲٪ در هزینه‌های سرمایه‌ای صرفه‌جویی کند. از آنجا که موتورهای حلزونی فشرده تا حدودی راندمان کمتری دارند، تصمیم به استفاده از آنها تا حد زیادی به اولویت‌های مشتری (هزینه در مقابل راندمان) بستگی دارد و باید بر اساس پروژه به پروژه ارزیابی شود.
برای افزایش قابلیت‌های کنترل، می‌توان IGV را در جلوی چندین مرحله نصب کرد. این کاملاً در تضاد با پروژه‌های قبلی IGC است که فقط شامل IGVها تا مرحله اول بودند.
در تکرارهای قبلی IGC، ضریب گرداب (یعنی زاویه IGV دوم تقسیم بر زاویه IGV1 اول) صرف نظر از اینکه جریان رو به جلو (زاویه > 0°، کاهش هد) یا گرداب معکوس (زاویه < 0°) باشد، ثابت می‌ماند. با افزایش °، فشار افزایش می‌یابد. این یک عیب است زیرا علامت زاویه بین گرداب‌های مثبت و منفی تغییر می‌کند.
پیکربندی جدید امکان استفاده از دو نسبت گردابه مختلف را در حالت گردابه رو به جلو و معکوس فراهم می‌کند و در نتیجه محدوده کنترل را 4٪ افزایش می‌دهد و در عین حال راندمان ثابت را حفظ می‌کند.
با گنجاندن یک پخش‌کننده LS برای پروانه‌ای که معمولاً در BACها استفاده می‌شود، می‌توان راندمان چند مرحله‌ای را به ۸۹٪ افزایش داد. این امر، همراه با سایر بهبودهای راندمان، تعداد مراحل BAC را کاهش می‌دهد و در عین حال راندمان کلی قطار را حفظ می‌کند. کاهش تعداد مراحل، نیاز به اینترکولر، لوله‌کشی گاز فرآیندی مرتبط و اجزای روتور و استاتور را از بین می‌برد و منجر به صرفه‌جویی ۱۰٪ در هزینه می‌شود. علاوه بر این، در بسیاری از موارد می‌توان کمپرسور هوای اصلی و کمپرسور تقویت‌کننده را در یک دستگاه ترکیب کرد.
همانطور که قبلاً ذکر شد، معمولاً یک چرخ‌دنده میانی بین توربین بخار و VAC مورد نیاز است. با طراحی جدید IGC از زیمنس انرژی، این چرخ‌دنده هرزگرد می‌تواند با اضافه کردن یک شفت هرزگرد بین شفت پینیون و چرخ‌دنده بزرگ (۴ دنده) در گیربکس ادغام شود. این می‌تواند هزینه کل خط (کمپرسور اصلی به علاوه تجهیزات کمکی) را تا ۴٪ کاهش دهد.
علاوه بر این، چرخ‌دنده‌های ۴ پینیون جایگزین کارآمدتری برای موتورهای اسکرول کامپکت برای تغییر از موتورهای ۶ قطبی به ۴ قطبی در کمپرسورهای هوای اصلی بزرگ هستند (اگر احتمال برخورد حلزونی وجود داشته باشد یا اگر حداکثر سرعت مجاز پینیون کاهش یابد).
استفاده از آنها همچنین در چندین بازار مهم برای کربن‌زدایی صنعتی، از جمله پمپ‌های حرارتی و فشرده‌سازی بخار، و همچنین فشرده‌سازی CO2 در توسعه‌های جذب، استفاده و ذخیره‌سازی کربن (CCUS)، رایج‌تر می‌شود.
شرکت زیمنس انرژی سابقه طولانی در طراحی و بهره‌برداری از IGCها دارد. همانطور که در تلاش‌های تحقیق و توسعه فوق (و سایر موارد) مشهود است، ما متعهد به نوآوری مداوم در این ماشین‌آلات هستیم تا نیازهای کاربردی منحصر به فرد را برآورده کنیم و تقاضای رو به رشد بازار را برای هزینه‌های کمتر، افزایش بهره‌وری و افزایش پایداری برآورده سازیم. KT2
زمان ارسال: ۲۸ آوریل ۲۰۲۴