מחבר: Lukas Bijikli, מנהל תיקי מוצרים, כונני הילוכים משולבים, דחיסה של R&D CO2 ומשאבות חום, Siemens Energy.
במשך שנים רבות מדחס ההילוכים המשולב (IGC) היה הטכנולוגיה שבחרת עבור מפעלי הפרדת אוויר. זה נובע בעיקר מהיעילות הגבוהה שלהם, מה שמוביל ישירות להפחתת העלויות עבור חמצן, חנקן וגז אינרטי. עם זאת, ההתמקדות ההולכת וגוברת בפיצול פחמימות מציבה דרישות חדשות ל- IPCs, במיוחד מבחינת היעילות והגמישות הרגולטורית. הוצאות הון ממשיכות להיות גורם חשוב עבור מפעילי המפעל, במיוחד במפעלים קטנים ובינוניים.
במהלך השנים האחרונות, Siemens Energy יזמה מספר פרויקטים של מחקר ופיתוח (R&D) שמטרתם להרחיב את יכולות ה- IGC כדי לענות על הצרכים המשתנים של שוק ההפרדה האווירית. מאמר זה מדגיש כמה שיפורי עיצוב ספציפיים שעשינו ודן כיצד שינויים אלה יכולים לעזור לעמוד ביעדי עלות הלקוחות שלנו ויעדי הפחתת הפחמן.
מרבית יחידות ההפרדה באוויר כיום מצוידות בשני מדחסים: מדחס אוויר ראשי (MAC) ומדחס אוויר Boost (BAC). מדחס האוויר הראשי דוחס בדרך כלל את כל זרימת האוויר מלחץ אטמוספרי לכ- 6 בר. לאחר מכן חלק מהזרימה הזו דחוס עוד יותר ב- BAC ללחץ של עד 60 בר.
תלוי במקור האנרגיה, המדחס מונע בדרך כלל על ידי טורבינת קיטור או מנוע חשמלי. בעת שימוש בטורבינת קיטור, שני המדחסים מונעים על ידי אותה טורבינה דרך קצוות פיר התאומים. בתכנית הקלאסית מותקן הילוך ביניים בין טורבינת הקיטור ל- HAC (איור 1).
הן במערכות מונעות חשמליות והן במערכות מונעות על טורבינות קיטור, יעילות המדחס היא מנוף רב עוצמה לפירוק הפחמה מכיוון שהיא משפיעה ישירות על צריכת האנרגיה של היחידה. זה חשוב במיוחד עבור MGPs המונעים על ידי טורבינות קיטור, מכיוון שרוב החום לייצור אדים מתקבל בדודים מאובנים דלק.
למרות שמנועים חשמליים מספקים אלטרנטיבה ירוקה יותר לכונני טורבינת קיטור, לעיתים קרובות יש צורך גדול יותר בגמישות שליטה. מפעלי הפרדת אוויר מודרניים רבים הנבנים כיום מחוברים לרשת ויש להם רמה גבוהה של שימוש באנרגיה מתחדשת. באוסטרליה, למשל, ישנן תוכניות לבנות כמה מפעלי אמוניה ירוקים אשר ישתמשו ביחידות הפרדת אוויר (ASUS) כדי לייצר חנקן לסינתזת אמוניה וצפויים לקבל חשמל מחוות רוח ושמש סמוכות. במפעלים אלה, גמישות רגולטורית היא קריטית כדי לפצות על תנודות טבעיות בייצור חשמל.
Siemens Energy פיתח את ה- IGC הראשון (לשעבר ידוע בשם VK) בשנת 1948. כיום החברה מייצרת יותר מ -2,300 יחידות ברחבי העולם, שרבות מהן מיועדות ליישומים עם שיעורי זרימה העולים על 400,000 m3 לשעה. ל- MGPs המודרניים שלנו קצב זרימה של עד 1.2 מיליון קוב לשעה בבניין אחד. אלה כוללים גרסאות ללא הילוכים של מדחסי קונסולה עם יחסי לחץ עד 2.5 ומעלה בגרסאות חד-שלביות ויחסי לחץ עד 6 בגרסאות סדרתיות.
בשנים האחרונות, כדי לעמוד בדרישות הולכות וגוברות ליעילות IGC, גמישות רגולטורית ועלויות הון, ביצענו כמה שיפורי תכנון בולטים, המסוכמים להלן.
היעילות המשתנה של מספר אימילים המשמשים בדרך כלל בשלב ה- MAC הראשון מוגברת על ידי שינוי הגיאומטריה של הלהב. בעזרת הדחף החדש הזה ניתן להשיג יעילות משתנה של עד 89% בשילוב עם מפזרי LS קונבנציונליים ולמעלה מ- 90% בשילוב עם הדור החדש של מפזרים היברידיים.
בנוסף, ל- Impeller יש מספר MACH גבוה מ- 1.3, המספק לשלב הראשון יחס צפיפות כוח ויחס דחיסה גבוה יותר. זה גם מקטין את הכוח שהילוכים במערכות MAC תלת-שלב חייבות להעביר, ומאפשר שימוש בהילוכים בקוטר קטן יותר ותיבות הילוכים ישירות של כונן בשלבים הראשונים.
בהשוואה למפזר ה- LS Vane המסורתי באורך מלא, למפזר ההיברידי של הדור הבא יש יעילות שלב מוגברת של 2.5% וגורם הבקרה של 3%. עלייה זו מושגת על ידי ערבוב הלהבים (כלומר הלהבים מחולקים לקטעים בגובה מלא וחלקי בגובה חלקי). בתצורה זו
תפוקת הזרימה בין האימפלר למפזר מצטמצמת על ידי חלק מגובה הלהב שנמצא קרוב יותר לאימפלר מאשר להבי מפזר LS קונבנציונאלי. בדומה למפזר LS קונבנציונאלי, הקצוות המובילים של הלהבים באורך מלא שווים מהאימפלר כדי להימנע מאינטראקציה בין אימפלר-דיפוזר העלולה לפגוע בלהבים.
הגדלת חלקית של גובה הלהבים הקרובים יותר לאימפלר משפרת גם את כיוון הזרימה בסמוך לאזור הפעימה. מכיוון שהקצה המוביל של קטע השבש באורך מלא נותר באותו קוטר כמו מפזר LS קונבנציונאלי, קו המצערת אינו מושפע, ומאפשר טווח רחב יותר של יישום וכוונון.
הזרקת מים כוללת הזרקת טיפות מים לזרם האוויר בצינור היניקה. הטיפות מתנדפות וסופגות חום מזרם הגז של התהליך, ובכך מפחיתים את טמפרטורת הכניסה לשלב הדחיסה. התוצאה היא ירידה בדרישות הכוח האיסנטרופיות ועלייה ביעילות של יותר מ- 1%.
התקשורת פיר ההילוכים מאפשרת לך להגדיל את הלחץ המותר ליחידה, המאפשר לך להפחית את רוחב השן. זה מקטין את ההפסדים המכניים בתיבת ההילוכים בעד 25%, וכתוצאה מכך עלייה ביעילות הכוללת של עד 0.5%. בנוסף, ניתן להפחית את עלויות המדחס העיקריות עד 1% מכיוון שפחות מתכת משמשת בתיבת ההילוכים הגדולה.
אימפלר זה יכול לפעול עם מקדם זרימה (φ) של עד 0.25 ומספק 6% יותר ראש מ- 65 מעלות. בנוסף, מקדם הזרימה מגיע ל 0.25, ובעיצוב הזרימה הכפולה של מכונת ה- IGC, הזרימה הנפחית מגיעה ל -1.2 מיליון מ"ר לשעה או אפילו 2.4 מיליון מ"ר לשעה.
ערך PHI גבוה יותר מאפשר שימוש במתחם בקוטר קטן יותר באותה זרימת נפח, ובכך מפחית את עלות המדחס הראשי בעד 4%. ניתן להפחית עוד יותר את קוטר האימפלר הראשון.
הראש הגבוה יותר מושג על ידי זווית הסטייה של 75 מעלות, מה שמגדיל את רכיב המהירות ההיקפית בשקע ובכך מספק ראש גבוה יותר על פי משוואת אוילר.
בהשוואה לאימפלרים במהירות גבוהה ויעילות גבוהה, היעילות של האימפלר מופחתת מעט בגלל הפסדים גבוהים יותר ב- Volute. ניתן לפצות את זה באמצעות חילזון בינוני. עם זאת, גם ללא נחלות אלה, ניתן להשיג יעילות משתנה של עד 87% במספר MACH של 1.0 ומקדם זרימה של 0.24.
הוולוט הקטן יותר מאפשר לך להימנע מהתנגשויות עם נפח אחרות כאשר קוטר ההילוך הגדול מצטמצם. מפעילים יכולים לחסוך עלויות על ידי מעבר ממנוע 6 קוטן למנוע בעל 4 קוטות במהירות גבוהה יותר (1000 סל"ד עד 1500 סל"ד) מבלי לחרוג ממהירות ההילוכים המרבית המותרת. בנוסף, זה יכול להפחית את עלויות החומר עבור הילוכים סליליים וגדולים.
בסך הכל, המדחס העיקרי יכול לחסוך עד 2% בעלויות ההון, ובנוסף המנוע יכול גם לחסוך 2% בעלויות הון. מכיוון ש- Volutes קומפקטיים יעילים מעט פחות, ההחלטה להשתמש בהם תלויה במידה רבה בסדרי העדיפויות של הלקוח (עלות לעומת יעילות) ויש להעריך אותה על בסיס פרויקט אחר פרויקט.
כדי להגדיל את יכולות הבקרה, ניתן להתקין את ה- IGV מול מספר שלבים. זה בניגוד מוחלט לפרויקטים קודמים של IGC, שכללו רק IGVs עד לשלב הראשון.
באיטרציות קודמות של ה- IGC, מקדם המערבולת (כלומר, זווית ה- IGV השנייה המחולקת בזווית ה- IGV1 הראשון) נותרה קבועה ללא קשר אם הזרימה הייתה קדימה (זווית> 0 °, הפחתת ראש) או מערבולת הפוכה (זווית <0). °, הלחץ עולה). זה חסרון מכיוון שסימן הזווית משתנה בין מערבולות חיוביות לשליליות.
התצורה החדשה מאפשרת להשתמש בשני יחסי מערבולת שונים כאשר המכונה נמצאת במצב מערבולת קדימה ואחורה, ובכך להגדיל את טווח הבקרה ב -4% תוך שמירה על יעילות קבועה.
על ידי שילוב מפזר LS עבור האימפלר הנפוץ ב- BACs, ניתן להגדיל את היעילות הרב-שלבית ל 89%. זה, בשילוב עם שיפורי יעילות אחרים, מפחית את מספר שלבי ה- BAC תוך שמירה על יעילות הרכבת הכללית. הפחתת מספר השלבים מבטלת את הצורך בקירור בין צנרת, צנרת גז תהליכים, ורכיבי רוטור וסטטור, וכתוצאה מכך חיסכון בעלויות של 10%. בנוסף, במקרים רבים ניתן לשלב את מדחס האוויר הראשי ואת מדחס המאיץ במכונה אחת.
כאמור, בדרך כלל נדרש הילוך ביניים בין טורבינת הקיטור ל- VAC. עם עיצוב ה- IGC החדש מ- Siemens Energy, ניתן לשלב את ציוד הבטל הזה בתיבת ההילוכים על ידי הוספת פיר סרק בין פיר הפניון להילוך הגדול (4 הילוכים). זה יכול להפחית את עלות הקו הכוללת (מדחס ראשי בתוספת ציוד עזר) בשיעור של עד 4%.
בנוסף, הילוכים עם 4 פיניון הם אלטרנטיבה יעילה יותר למנועי גלילה קומפקטיים לצורך מעבר ממנועי 6 קוטנים ל -4 קוטנים במדחסי אוויר ראשיים גדולים (אם יש אפשרות להתנגשות נפש או אם יופחתו מהירות הפינה המותרת המרבית). ) עבר.
השימוש בהם הופך גם נפוץ יותר בכמה שווקים החשובים לפירוק תעשייתי, כולל משאבות חום ודחיסת קיטור, כמו גם דחיסת CO2 בפיתוחים לכידת פחמן, ניצול ואחסון (CCU).
ל- Siemens Energy היסטוריה ארוכה של תכנון והפעלה של IGCs. כפי שמעידים מאמצי המחקר והפיתוח לעיל (ואחרים), אנו מחויבים לחדש ללא הרף מכונות אלה כדי לענות על צרכי יישום ייחודיים ולעמוד בדרישות השוק ההולכות וגדלות לעלויות נמוכות יותר, יעילות מוגברת והגברת הקיימות. KT2
זמן ההודעה: אפריל 28-2024