نویسنده: Lukas Bijikli ، مدیر نمونه کارها ، درایوهای دنده یکپارچه ، فشرده سازی R&D CO2 و پمپ های حرارتی ، انرژی زیمنس.
سالهاست که کمپرسور دنده یکپارچه (IGC) فناوری انتخاب گیاهان جداسازی هوا بوده است. این عمدتا به دلیل راندمان بالای آنها است که مستقیماً منجر به کاهش هزینه های اکسیژن ، نیتروژن و گاز بی اثر می شود. با این حال ، تمرکز فزاینده بر دکربن سازی ، تقاضای جدیدی را در IPC ها ، به ویژه از نظر کارآیی و انعطاف پذیری نظارتی قرار می دهد. هزینه های سرمایه همچنان یک عامل مهم برای اپراتورهای گیاهی به ویژه در شرکت های کوچک و متوسط است.
طی چند سال گذشته ، زیمنس انرژی چندین پروژه تحقیق و توسعه (R&D) را با هدف گسترش قابلیت های IGC برای تأمین نیازهای متغیر بازار جدایی هوا آغاز کرده است. این مقاله برخی از پیشرفت های خاص طراحی را که ما انجام داده ایم برجسته می کند و در مورد چگونگی این تغییرات می تواند به تحقق اهداف مشتری و کاهش کربن کمک کند.
امروزه بیشتر واحدهای جداسازی هوا به دو کمپرسور مجهز شده اند: یک کمپرسور اصلی هوا (MAC) و یک کمپرسور هوای تقویت کننده (BAC). کمپرسور اصلی هوا به طور معمول کل جریان هوا را از فشار اتمسفر به تقریباً 6 بار فشرده می کند. بخشی از این جریان سپس در BAC به فشار حداکثر 60 بار فشرده می شود.
بسته به منبع انرژی ، کمپرسور معمولاً توسط یک توربین بخار یا موتور الکتریکی هدایت می شود. هنگام استفاده از توربین بخار ، هر دو کمپرسور توسط همان توربین از طریق انتهای شافت دوقلوی هدایت می شوند. در طرح کلاسیک ، یک دنده میانی بین توربین بخار و HAC نصب می شود (شکل 1).
در هر دو سیستم هدایت شده برقی و بخار توربین ، راندمان کمپرسور یک اهرم قدرتمند برای دکربن سازی است زیرا مستقیماً بر مصرف انرژی واحد تأثیر می گذارد. این امر به ویژه برای MGP های هدایت شده توسط توربین های بخار بسیار مهم است ، زیرا بیشتر گرما برای تولید بخار در دیگهای بخار سوخت فسیلی بدست می آید.
اگرچه موتورهای الکتریکی جایگزین سبز تری برای درایوهای توربین بخار ارائه می دهند ، اما اغلب نیاز به انعطاف پذیری کنترل وجود دارد. بسیاری از کارخانه های جداسازی هوای مدرن که امروزه ساخته می شوند ، به شبکه متصل شده و سطح بالایی از انرژی تجدید پذیر دارند. به عنوان مثال ، در استرالیا ، برنامه هایی برای ساخت چندین گیاه آمونیاک سبز وجود دارد که از واحدهای جداسازی هوا (ASUS) برای تولید نیتروژن برای سنتز آمونیاک استفاده می کنند و انتظار می رود که از باد و مزارع خورشیدی در این نزدیکی برق دریافت کند. در این گیاهان ، انعطاف پذیری نظارتی برای جبران نوسانات طبیعی در تولید برق بسیار مهم است.
زیمنس انرژی اولین IGC (که قبلاً با عنوان VK شناخته می شد) را در سال 1948 توسعه داد. امروز این شرکت بیش از 2300 واحد در سراسر جهان تولید می کند که بسیاری از آنها برای برنامه های کاربردی با نرخ جریان بیش از 400000 متر مکعب در ساعت طراحی شده اند. MGP های مدرن ما در یک ساختمان میزان جریان حداکثر 1.2 میلیون متر مکعب در ساعت دارند. این موارد شامل نسخه های بدون دنده کمپرسورهای کنسول با نسبت فشار حداکثر 2.5 یا بالاتر در نسخه های تک مرحله ای و نسبت فشار تا 6 در نسخه های سریال است.
در سالهای اخیر ، برای برآورده کردن تقاضای فزاینده برای بهره وری IGC ، انعطاف پذیری نظارتی و هزینه های سرمایه ، ما برخی از پیشرفت های قابل توجه طراحی را انجام داده ایم که در زیر خلاصه می شود.
راندمان متغیر تعدادی از پروانه هایی که معمولاً در مرحله اول MAC استفاده می شوند با تغییر هندسه تیغه افزایش می یابد. با استفاده از این پروانه جدید ، راندمان متغیر تا 89 ٪ می تواند در ترکیب با دیفیوزرهای معمولی LS و بیش از 90 ٪ در ترکیب با نسل جدید دیفیوزرهای هیبریدی حاصل شود.
علاوه بر این ، پروانه دارای تعداد ماچ بالاتر از 1.3 است که مرحله اول را با چگالی قدرت بالاتر و نسبت فشرده سازی فراهم می کند. این همچنین قدرتی را که چرخ دنده ها در سیستم های MAC سه مرحله ای باید منتقل کنند ، کاهش می دهد و امکان استفاده از چرخ دنده های قطر کوچکتر و گیربکس های درایو مستقیم را در مراحل اول فراهم می کند.
در مقایسه با دیفیوزر پره ای LS تمام طول سنتی ، دیفیوزر ترکیبی نسل بعدی دارای راندمان مرحله 2.5 ٪ و ضریب کنترل 3 ٪ است. این افزایش با مخلوط کردن تیغه ها حاصل می شود (یعنی تیغه ها به بخش های تمام ارتفاع و جزئی تقسیم می شوند). در این پیکربندی
خروجی جریان بین پروانه و دیفیوزر توسط بخشی از ارتفاع تیغه که در نزدیکی پروانه قرار دارد از تیغه های یک دیفیوزر LS معمولی کاهش می یابد. همانطور که با یک دیفیوزر LS معمولی ، لبه های پیشرو تیغه های تمام طول از پروانه برای جلوگیری از تعامل پروانه دار که می تواند به تیغه ها آسیب برساند ، برابر هستند.
تا حدی افزایش ارتفاع تیغه ها به پروانه نیز جهت جریان را در نزدیکی منطقه پالس بهبود می بخشد. از آنجا که لبه اصلی بخش پرنده تمام طول به همان قطر به عنوان یک دیفیوزر معمولی LS باقی مانده است ، خط دریچه گاز بی تأثیر است و باعث می شود طیف وسیع تری از کاربرد و تنظیم باشد.
تزریق آب شامل تزریق قطرات آب به داخل جریان هوا در لوله مکش است. این قطرات تبخیر و جذب گرما از جریان گاز فرآیند ، در نتیجه دمای ورودی را به مرحله فشرده سازی کاهش می دهد. این منجر به کاهش نیازهای قدرت ایزنتروپیک و افزایش کارایی بیش از 1 ٪ می شود.
سخت شدن شافت دنده به شما امکان می دهد استرس مجاز در هر واحد را افزایش دهید ، که به شما امکان می دهد عرض دندان را کاهش دهید. این باعث می شود تلفات مکانیکی در گیربکس تا 25 ٪ کاهش یابد و در نتیجه باعث افزایش کارایی کلی تا 0.5 ٪ شود. علاوه بر این ، هزینه های کمپرسور اصلی را می توان تا 1 ٪ کاهش داد زیرا از فلز کمتری در گیربکس بزرگ استفاده می شود.
این پروانه می تواند با ضریب جریان (φ) حداکثر 0.25 کار کند و 6 ٪ بیشتر از سر پروانه 65 درجه را فراهم می کند. علاوه بر این ، ضریب جریان به 0.25 می رسد و در طراحی دو جریان دستگاه IGC ، جریان حجمی به 1.2 میلیون متر مکعب در ساعت یا حتی 2.4 میلیون متر مکعب در ساعت می رسد.
مقدار PHI بالاتر امکان استفاده از یک پروانه قطر کوچکتر را در همان جریان حجم فراهم می کند ، در نتیجه هزینه کمپرسور اصلی را تا 4 ٪ کاهش می دهد. قطر پروانه مرحله اول را می توان حتی بیشتر کاهش داد.
سر بالاتر با زاویه انحراف پروانه 75 درجه حاصل می شود ، که مؤلفه سرعت محیطی را در خروجی افزایش می دهد و بنابراین با توجه به معادله اویلر ، سر بالاتری را فراهم می کند.
در مقایسه با پروانه های پر سرعت و با راندمان بالا ، به دلیل تلفات بیشتر در حجم ، کارایی پروانه کمی کاهش می یابد. این می تواند با استفاده از یک حلزون به اندازه متوسط جبران شود. با این حال ، حتی بدون این حجم ، راندمان متغیر تا 87 ٪ می تواند در تعداد ماخ 1.0 و ضریب جریان 0.24 حاصل شود.
Volute کوچکتر به شما امکان می دهد در هنگام کاهش قطر دنده بزرگ ، از برخورد با سایر حجم ها خودداری کنید. اپراتورها می توانند با جابجایی از موتور 6 قطبی به موتور 4 قطبی با سرعت بالاتر (1000 دور در دقیقه به 1500 دور در دقیقه) بدون اینکه بیش از حداکثر سرعت دنده مجاز باشند ، هزینه ها را پس انداز کنند. علاوه بر این ، می تواند هزینه های مواد را برای چرخ دنده های مارپیچ و بزرگ کاهش دهد.
به طور کلی ، کمپرسور اصلی می تواند تا 2 ٪ در هزینه های سرمایه صرفه جویی کند ، به علاوه موتور همچنین می تواند 2 ٪ در هزینه های سرمایه صرفه جویی کند. از آنجا که حجم های جمع و جور تا حدودی کارآمدتر هستند ، تصمیم به استفاده از آنها تا حد زیادی به اولویت های مشتری (هزینه در مقابل کارآیی) بستگی دارد و باید بر اساس پروژه توسط پروژه ارزیابی شود.
برای افزایش قابلیت های کنترل ، IGV را می توان جلوی چندین مرحله نصب کرد. این برخلاف پروژه های IGC قبلی است ، که فقط IGV ها را تا مرحله اول شامل می شد.
در تکرار قبلی IGC ، ضریب گرداب (به عنوان مثال ، زاویه IGV دوم که با زاویه Igv1 اول تقسیم می شود) بدون توجه به اینکه جریان به جلو (زاویه> 0 درجه ، کاهش سر) یا گرداب معکوس (زاویه <0) ثابت ماند. ° ، فشار افزایش می یابد). این امر نامطلوب است زیرا نشانه زاویه بین گردابهای مثبت و منفی تغییر می کند.
پیکربندی جدید اجازه می دهد تا دو نسبت گرداب مختلف هنگام استفاده از دستگاه رو به جلو و معکوس از حالت گرداب استفاده شود ، در نتیجه در حالی که بازده ثابت را حفظ می کند ، 4 ٪ کنترل را افزایش می دهد.
با ترکیب یک دیفیوزر LS برای پروانه ای که معمولاً در BAC ها استفاده می شود ، می توان راندمان چند مرحله ای را به 89 ٪ افزایش داد. این ، همراه با سایر بهبود کارایی ، ضمن حفظ کارایی کلی قطار ، تعداد مراحل BAC را کاهش می دهد. کاهش تعداد مراحل ، نیاز به یک اتصال دهنده ، لوله کشی گاز فرآیند مرتبط و اجزای روتور و استاتور را از بین می برد و در نتیجه صرفه جویی در هزینه 10 ٪ می شود. علاوه بر این ، در بسیاری از موارد می توان کمپرسور اصلی هوا و کمپرسور تقویت کننده را در یک دستگاه ترکیب کرد.
همانطور که قبلاً ذکر شد ، معمولاً یک دنده متوسط بین توربین بخار و VAC مورد نیاز است. با طراحی جدید IGC از زیمنس انرژی ، این دنده بیکار می تواند با اضافه کردن یک شافت بیکار بین شافت پین و دنده بزرگ (4 چرخ دنده) در گیربکس ادغام شود. این می تواند هزینه کل خط (کمپرسور اصلی به علاوه تجهیزات کمکی) را تا 4 ٪ کاهش دهد.
علاوه بر این ، چرخ دنده های 4 پینی یک جایگزین کارآمدتر برای موتورهای پیمایش جمع و جور برای جابجایی از موتورهای 6 قطبی به 4 قطبی در کمپرسورهای بزرگ هوای اصلی هستند (در صورت وجود احتمال برخورد حجمی یا اینکه حداکثر سرعت پین مجاز کاهش می یابد). ) گذشته.
استفاده از آنها همچنین در چندین بازار مهم برای دکربن سازی صنعتی از جمله پمپ های حرارتی و فشرده سازی بخار و همچنین فشرده سازی CO2 در ضبط کربن ، استفاده و ذخیره سازی (CCUS) رایج تر می شود.
زیمنس انرژی سابقه طولانی در طراحی و بهره برداری از IGC دارد. همانطور که در تلاشهای تحقیقاتی و توسعه فوق (و سایر) مشهود است ، ما متعهد هستیم که به طور مداوم این دستگاه ها را برای رفع نیازهای کاربردی منحصر به فرد نوآوری کنیم و نیازهای رو به رشد بازار را برای هزینه های پایین تر ، افزایش کارایی و افزایش پایداری برآورده کنیم. kt2
زمان پست: آوریل 28-2024