GRUPPU TECNULUGICU HANGZHOU NUZHUO CO., LTD.

Autore: Lukas Bijikli, Manager di Portafogliu di Prodotti, Trasmissioni à Ingranaggi Integrati, R&S Compressione di CO2 è Pompe di Calore, Siemens Energy.
Per parechji anni, u Compressore à Ingranaggi Integrati (IGC) hè stata a tecnulugia di scelta per l'impianti di separazione di l'aria. Questu hè principalmente duvutu à a so alta efficienza, chì porta direttamente à costi ridotti per l'ossigenu, l'azotu è u gas inerte. Tuttavia, a crescente attenzione à a decarbonizazione pone nuove esigenze à l'IPC, in particulare in termini di efficienza è flessibilità regulatoria. A spesa in capitale cuntinueghja à esse un fattore impurtante per l'operatori di l'impianti, in particulare in e piccule è medie imprese.
In l'ultimi anni, Siemens Energy hà iniziatu parechji prughjetti di ricerca è sviluppu (R&S) destinati à allargà e capacità IGC per risponde à i bisogni cambianti di u mercatu di a separazione di l'aria. Questu articulu mette in risaltu alcuni miglioramenti specifichi di cuncepimentu chì avemu fattu è discute cumu questi cambiamenti ponu aiutà à risponde à l'ubbiettivi di riduzione di costi è di carbone di i nostri clienti.
A maiò parte di l'unità di separazione di l'aria oghje sò dotate di dui compressori: un compressore d'aria principale (MAC) è un compressore d'aria boost (BAC). U compressore d'aria principale comprime tipicamente tuttu u flussu d'aria da a pressione atmosferica à circa 6 bar. Una parte di stu flussu hè poi ulteriormente compressa in u BAC à una pressione finu à 60 bar.
Sicondu a fonte d'energia, u compressore hè generalmente alimentatu da una turbina à vapore o da un mutore elettricu. Quandu si usa una turbina à vapore, i dui compressori sò alimentati da a stessa turbina per mezu di duie estremità d'alberi. In u schema classicu, un ingranaggio intermediu hè installatu trà a turbina à vapore è u HAC (Fig. 1).
In i sistemi sia elettrichi sia quelli à turbine à vapore, l'efficienza di u compressore hè una leva putente per a decarbonizazione, postu chì hà un impattu direttu nantu à u cunsumu energeticu di l'unità. Questu hè particularmente impurtante per i MGP azionati da turbine à vapore, postu chì a maiò parte di u calore per a pruduzzione di vapore hè ottenutu in caldaie à combustibili fossili.
Ancu s'è i motori elettrichi furniscenu una alternativa più verde à i motori di e turbine à vapore, ci hè spessu un bisognu più grande di flessibilità di cuntrollu. Parechje piante muderne di separazione di l'aria chì sò custruite oghje sò cunnesse à a rete è anu un altu livellu di usu di energie rinnuvevuli. In Australia, per esempiu, ci sò piani per custruisce parechje piante verdi di ammoniaca chì utilizanu unità di separazione di l'aria (ASU) per pruduce azotu per a sintesi di l'ammoniaca è si prevede chì ricevenu elettricità da parchi eolici è solari vicini. In queste piante, a flessibilità regulatoria hè cruciale per cumpensà e fluttuazioni naturali in a generazione di energia.
Siemens Energy hà sviluppatu u primu IGC (prima cunnisciutu cum'è VK) in u 1948. Oghje a cumpagnia produce più di 2.300 unità in u mondu sanu, assai di e quali sò cuncepite per applicazioni cù portate superiori à 400.000 m3/h. I nostri MGP muderni anu una portata finu à 1,2 milioni di metri cubi per ora in un edifiziu. Quessi includenu versioni senza ingranaggi di compressori di cunsola cù rapporti di pressione finu à 2,5 o più in versioni à un stadiu è rapporti di pressione finu à 6 in versioni seriali.
In l'ultimi anni, per risponde à e crescenti esigenze di efficienza IGC, flessibilità regulatoria è costi di capitale, avemu fattu alcuni miglioramenti di cuncepimentu notevuli, chì sò riassunti quì sottu.
L'efficienza variabile di un certu numeru di giranti tipicamente aduprate in a prima fase MAC hè aumentata variendu a geometria di a pala. Cù sta nova girante, si ponu ottene efficienze variabili finu à l'89% in cumbinazione cù i diffusori LS cunvinziunali è più di u 90% in cumbinazione cù a nova generazione di diffusori ibridi.
Inoltre, a girante hà un numeru di Mach superiore à 1,3, ciò chì furnisce à u primu stadiu una densità di putenza è un rapportu di compressione più elevati. Questu riduce ancu a putenza chì l'ingranaggi in i sistemi MAC à trè stadii devenu trasmette, permettendu l'usu di ingranaggi di diametru più chjucu è scatule di cambiu à trasmissione diretta in i primi stadii.
In paragone cù u diffusore à palette LS tradiziunale à lunghezza piena, u diffusore ibridu di prossima generazione hà una efficienza di scena aumentata di 2,5% è un fattore di cuntrollu di 3%. Questu aumentu hè ottenutu mischjendu e palette (vale à dì chì e palette sò divise in sezioni à altezza piena è à altezza parziale). In questa cunfigurazione
U flussu di uscita trà a girante è u diffusore hè riduttu di una parte di l'altezza di a pala chì si trova più vicinu à a girante chè e pale di un diffusore LS cunvinziunale. Cum'è cù un diffusore LS cunvinziunale, i bordi d'attaccu di e pale à lunghezza piena sò equidistanti da a girante per evità l'interazione girante-diffusore chì puderia dannighjà e pale.
Aumentà parzialmente l'altezza di e pale più vicinu à a girante migliora ancu a direzzione di u flussu vicinu à a zona di pulsazione. Siccomu u bordu d'attaccu di a sezione di e pale à lunghezza piena ferma u listessu diametru cum'è un diffusore LS cunvinziunale, a linea di l'acceleratore ùn hè micca affettata, ciò chì permette una gamma più larga d'applicazione è di sintonizazione.
L'iniezione d'acqua implica l'iniezione di gocce d'acqua in u flussu d'aria in u tubu d'aspirazione. E gocce evaporanu è assorbenu u calore da u flussu di gas di prucessu, riducendu cusì a temperatura d'entrata à u stadiu di compressione. Questu si traduce in una riduzione di i requisiti di putenza isentropica è un aumentu di l'efficienza di più di l'1%.
L'indurimentu di l'arburu di l'ingranaggi permette di aumentà a tensione permessa per unità di superficie, ciò chì permette di riduce a larghezza di i denti. Questu riduce e perdite meccaniche in a scatula di ingranaggi finu à u 25%, risultendu in un aumentu di l'efficienza generale finu à u 0,5%. Inoltre, i costi di u compressore principale ponu esse ridutti finu à l'1% perchè menu metallu hè adupratu in a grande scatula di ingranaggi.
Questa girante pò funziunà cù un coefficientu di flussu (φ) finu à 0,25 è furnisce 6% in più di testa cà e giranti di 65 gradi. Inoltre, u coefficientu di flussu righjunghji 0,25, è in u disignu à doppiu flussu di a macchina IGC, u flussu vulumetricu righjunghji 1,2 milioni di m3/h o ancu 2,4 milioni di m3/h.
Un valore phi più altu permette l'usu di una girante di diametru più chjucu à u listessu flussu di volume, riducendu cusì u costu di u compressore principale finu à u 4%. U diametru di a girante di u primu stadiu pò esse riduttu ancu di più.
A testa più alta hè ottenuta da l'angulu di deflessione di a girante di 75°, chì aumenta a cumpunente di velocità circunferenziale à a surtita è cusì furnisce una testa più alta secondu l'equazione d'Euler.
In paragone cù e giranti à alta velocità è alta efficienza, l'efficienza di a girante hè ligeramente ridutta per via di perdite più elevate in a voluta. Questu pò esse cumpensatu aduprendu una lumaca di taglia media. Tuttavia, ancu senza queste volute, si pò ottene un'efficienza variabile finu à l'87% cù un numeru di Mach di 1,0 è un coefficientu di flussu di 0,24.
A voluta più chjuca permette d'evità collisioni cù altre volute quandu u diametru di l'ingranaggio grande hè riduttu. L'operatori ponu risparmià costi passendu da un mutore à 6 poli à un mutore à 4 poli di velocità più alta (da 1000 giri/min à 1500 giri/min) senza superà a velocità massima permessa di l'ingranaggio. Inoltre, pò riduce i costi di materiale per ingranaggi elicoidali è grandi.
In generale, u cumpressore principale pò risparmià finu à u 2% di i costi di capitale, è ancu u mutore pò risparmià u 2% di i costi di capitale. Siccome e volute compatte sò un pocu menu efficienti, a decisione di aduprà dipende in gran parte da e priorità di u cliente (costu vs. efficienza) è deve esse valutata prughjettu per prughjettu.
Per aumentà e capacità di cuntrollu, l'IGV pò esse stallatu davanti à parechje tappe. Questu hè in cuntrastu cù i prughjetti IGC precedenti, chì includevanu IGV solu finu à a prima fase.
In l'iterazioni precedenti di l'IGC, u cuefficiente di vortice (vale à dì, l'angulu di u secondu IGV divisu per l'angulu di u primu IGV1) hè restatu custante indipendentemente da se u flussu era in avanti (angulu > 0°, riducendu a testa) o vortice inversu (angulu < 0°). Quandu si riduce u flussu di pressione à 0°, a pressione aumenta. Questu hè svantaghju perchè u segnu di l'angulu cambia trà vortici pusitivi è negativi.
A nova cunfigurazione permette di utilizà dui rapporti di vortice diversi quandu a macchina hè in modalità vortice in avanti è in daretu, aumentendu cusì a gamma di cuntrollu di u 4% mantenendu una efficienza custante.
Incorporendu un diffusore LS per a girante cumunemente aduprata in i BAC, l'efficienza multistadio pò esse aumentata finu à 89%. Questu, cumminatu cù altri miglioramenti di l'efficienza, riduce u numeru di stadii BAC mantenendu l'efficienza generale di u trenu. A riduzione di u numeru di stadii elimina a necessità di un intercooler, di e tubazioni di gas di prucessu assuciate è di i cumpunenti di u rotore è di u statore, cù un risparmiu di costi di u 10%. Inoltre, in parechji casi hè pussibule cumminà u compressore d'aria principale è u compressore booster in una sola macchina.
Cum'è digià mintuvatu, un ingranaggio intermediu hè generalmente necessariu trà a turbina à vapore è u VAC. Cù u novu disignu IGC di Siemens Energy, questu ingranaggio folle pò esse integratu in a scatula di cambiu aghjunghjendu un alberu folle trà l'alberu di pignone è u grande ingranaggio (4 ingranaggi). Questu pò riduce u costu tutale di a linea (compressore principale più equipaggiamenti ausiliari) finu à u 4%.
Inoltre, l'ingranaggi à 4 pignoni sò un'alternativa più efficiente à i motori scroll compatti per passà da motori à 6 poli à 4 poli in grandi compressori d'aria principali (s'ellu ci hè una pussibilità di collisione di volute o se a velocità massima permessa di u pignone serà ridutta). ) passatu.
U so usu hè ancu diventatu più cumunu in parechji mercati impurtanti per a decarbonizazione industriale, cumprese e pompe di calore è a cumpressione di vapore, è ancu a cumpressione di CO2 in i sviluppi di cattura, utilizzazione è almacenamentu di carbone (CCUS).
Siemens Energy hà una longa storia di cuncepimentu è funziunamentu di IGC. Cum'è dimustratu da i sforzi di ricerca è sviluppu sopra citati (è altri), simu impegnati à innovà continuamente queste macchine per risponde à i bisogni unichi di l'applicazione è à risponde à e crescenti richieste di u mercatu per costi più bassi, una maggiore efficienza è una maggiore sustenibilità. KT2