קבוצת הטכנולוגיה של האנגז'ו נוז'ואו בע"מ

מחבר: לוקאס ביז'יקלי, מנהל תיק מוצרים, מנועי הילוכים משולבים, מחקר ופיתוח משאבות דחיסה וחום של CO2, סימנס אנרג'י.
במשך שנים רבות, מדחס ההילוכים המשולב (IGC) היה הטכנולוגיה המועדפת עבור מתקני הפרדת אוויר. זאת בעיקר בשל יעילותם הגבוהה, המובילה ישירות להפחתת עלויות החמצן, החנקן והגז האינרטי. עם זאת, ההתמקדות הגוברת בדיכאון מציבה דרישות חדשות למדחסים משולבים, במיוחד מבחינת יעילות וגמישות רגולטורית. הוצאות הון ממשיכות להיות גורם חשוב עבור מפעילי מפעלים, במיוחד בעסקים קטנים ובינוניים.
במהלך השנים האחרונות, סימנס אנרג'י יזמה מספר פרויקטים של מחקר ופיתוח (מו"פ) שמטרתם להרחיב את יכולות ה-IGC כדי לענות על הצרכים המשתנים של שוק הפרדת האוויר. מאמר זה מדגיש כמה שיפורי עיצוב ספציפיים שביצענו ודן כיצד שינויים אלה יכולים לסייע בעמידה ביעדי הפחתת העלויות והפחתת הפחמן של לקוחותינו.
רוב יחידות הפרדת האוויר כיום מצוידות בשני מדחסים: מדחס אוויר ראשי (MAC) ומדחס אוויר מוגבר (BAC). מדחס האוויר הראשי בדרך כלל דוחס את כל זרימת האוויר מלחץ אטמוספרי לכ-6 בר. חלק מזרימה זו נדחס לאחר מכן ב-BAC ללחץ של עד 60 בר.
בהתאם למקור האנרגיה, המדחס מונע בדרך כלל על ידי טורבינת קיטור או מנוע חשמלי. בעת שימוש בטורבינת קיטור, שני המדחסים מונעים על ידי אותה טורבינה באמצעות קצוות פיר כפולים. בתכנית הקלאסית, מותקן גלגל שיניים ביניים בין טורבינת הקיטור לבין ה-HAC (איור 1).
הן במערכות המונעות על ידי חשמל והן במערכות המונעות על ידי טורבינות קיטור, יעילות המדחס היא מנוף רב עוצמה לפירוק פחמן, שכן היא משפיעה ישירות על צריכת האנרגיה של היחידה. זה חשוב במיוחד עבור דוודים המונעים על ידי טורבינות קיטור, מכיוון שרוב החום לייצור קיטור מתקבל בדוודים המונעים על ידי דלקים מאובנים.
למרות שמנועים חשמליים מספקים אלטרנטיבה ירוקה יותר להנעת טורבינות קיטור, לעתים קרובות קיים צורך גדול יותר בגמישות בקרה. מפעלי הפרדת אוויר מודרניים רבים הנבנים כיום מחוברים לרשת החשמל ובעלי רמת שימוש גבוהה באנרגיה מתחדשת. באוסטרליה, למשל, ישנן תוכניות לבנות מספר מפעלי אמוניה ירוקים שישתמשו ביחידות הפרדת אוויר (ASU) כדי לייצר חנקן לסינתזת אמוניה, וצפויים לקבל חשמל מחוות אנרגיית רוח ואנרגיה סולארית סמוכות. במפעלים אלה, גמישות רגולטורית היא קריטית כדי לפצות על תנודות טבעיות בייצור החשמל.
חברת סימנס אנרג'י פיתחה את מדחס ה-IGC הראשון (שנקרא בעבר VK) בשנת 1948. כיום החברה מייצרת יותר מ-2,300 יחידות ברחבי העולם, שרבות מהן מיועדות ליישומים עם קצב זרימה של יותר מ-400,000 מ"ק/שעה. למדחסי ה-MGP המודרניים שלנו יש קצב זרימה של עד 1.2 מיליון מטר מעוקב לשעה בבניין אחד. אלה כוללות גרסאות ללא גיר של מדחסים עם יחסי לחץ של עד 2.5 ומעלה בגרסאות חד-שלביות ויחסי לחץ של עד 6 בגרסאות סדרתיות.
בשנים האחרונות, כדי לעמוד בדרישות הגוברות ליעילות IGC, גמישות רגולטורית ועלויות הון, ביצענו כמה שיפורי תכנון בולטים, המסוכמים להלן.
היעילות המשתנה של מספר אימפלרים המשמשים בדרך כלל בשלב ה-MAC הראשון מוגברת על ידי שינוי גיאומטריית הלהב. בעזרת אימפלר חדש זה, ניתן להשיג יעילות משתנה של עד 89% בשילוב עם מפזרי LS קונבנציונליים ומעל 90% בשילוב עם הדור החדש של מפזרי היברידיים.
בנוסף, לאימפלר יש מספר מאך גבוה מ-1.3, מה שמספק לשלב הראשון צפיפות הספק ויחס דחיסה גבוהים יותר. זה גם מפחית את ההספק שגלגלי שיניים במערכות MAC תלת-שלביות חייבים להעביר, מה שמאפשר שימוש בגלגלי שיניים בקוטר קטן יותר ובתיבות הילוכים עם הנעה ישירה בשלבים הראשונים.
בהשוואה למפזר הלהבים המסורתי באורך מלא מסוג LS, למפזר ההיברידי מהדור הבא יש יעילות דרגה מוגברת של 2.5% וגורם בקרה של 3%. עלייה זו מושגת על ידי ערבוב הלהבים (כלומר, הלהבים מחולקים למקטעים בגובה מלא וגובה חלקי). בתצורה זו.
תפוקת הזרימה בין האימפלר למפזר מצטמצמת בחלק מגובה הלהב הממוקם קרוב יותר לאימפלר מאשר להבי מפזר LS קונבנציונלי. כמו במפזר LS קונבנציונלי, הקצוות הקדמיים של הלהבים באורך מלא נמצאים במרחק שווה מהאימפלר כדי למנוע אינטראקציה בין האימפלר למפזר שעלולה לגרום נזק להבים.
הגדלה חלקית של גובה הלהבים קרוב יותר לאימפלר משפרת גם את כיוון הזרימה ליד אזור הפעימה. מכיוון שהקצה הקדמי של קטע הלהבים באורך מלא נשאר באותו קוטר כמו מפזר LS קונבנציונלי, קו המצערת אינו מושפע, מה שמאפשר טווח רחב יותר של יישומים וכיוונון.
הזרקת מים כרוכה בהזרקת טיפות מים לזרם האוויר בצינור היניקה. הטיפות מתאדות וסופגות חום מזרם גז התהליך, ובכך מורידות את טמפרטורת הכניסה לשלב הדחיסה. התוצאה היא הפחתה בדרישות ההספק האיזנטרופיות ועלייה ביעילות של יותר מ-1%.
הקשחת ציר ההילוכים מאפשרת להגדיל את המאמץ המותר ליחידת שטח, מה שמאפשר להקטין את רוחב השן. זה מפחית הפסדים מכניים בתיבת ההילוכים בעד 25%, וכתוצאה מכך עלייה ביעילות הכוללת של עד 0.5%. בנוסף, ניתן להפחית את עלויות המדחס הראשי בעד 1% מכיוון שנעשה שימוש בפחות מתכת בתיבת ההילוכים הגדולה.
אימפלר זה יכול לפעול עם מקדם זרימה (φ) של עד 0.25 ומספק 6% יותר גובה מאשר אימפלרים בזווית של 65 מעלות. בנוסף, מקדם הזרימה מגיע ל-0.25, ובתכנון הזרימה הכפולה של מכונת IGC, הזרימה הנפחית מגיעה ל-1.2 מיליון מ"ק/שעה או אפילו 2.4 מיליון מ"ק/שעה.
ערך phi גבוה יותר מאפשר שימוש באימפלר בקוטר קטן יותר באותה נפח זרימה, ובכך מפחית את עלות המדחס הראשי בעד 4%. ניתן להקטין עוד יותר את קוטר האימפלר של השלב הראשון.
העומס הגבוה יותר מושג על ידי זווית סטייה של 75° של האימפלר, אשר מגדילה את רכיב המהירות ההיקפית ביציאה וכך מספקת עומס גבוה יותר לפי משוואת אוילר.
בהשוואה לאימפלרים בעלי מהירות גבוהה ויעילות גבוהה, יעילות האימפלר מופחתת מעט עקב הפסדים גבוהים יותר בוולוטה. ניתן לפצות על כך באמצעות שימוש בחילזון בגודל בינוני. עם זאת, גם ללא הוולוטים הללו, ניתן להשיג יעילות משתנה של עד 87% במספר מאך של 1.0 ובמקדם זרימה של 0.24.
הוולוט הקטן יותר מאפשר לך למנוע התנגשויות עם וולוטים אחרים כאשר קוטר גלגל השיניים הגדול מצטמצם. מפעילים יכולים לחסוך בעלויות על ידי מעבר ממנוע 6 קוטבים למנוע 4 קוטבים בעל מהירות גבוהה יותר (1000 סל"ד עד 1500 סל"ד) מבלי לחרוג ממהירות גלגל השיניים המרבית המותרת. בנוסף, הוא יכול להפחית את עלויות החומר עבור גלגלי שיניים סליליים וגדולים.
בסך הכל, המדחס הראשי יכול לחסוך עד 2% בעלויות ההון, בנוסף גם המנוע יכול לחסוך 2% בעלויות ההון. מכיוון שוולוטים קומפקטיים פחות יעילים, ההחלטה להשתמש בהם תלויה במידה רבה בסדרי העדיפויות של הלקוח (עלות לעומת יעילות) ויש להעריך אותה על בסיס פרויקט לפרויקט.
כדי להגביר את יכולות הבקרה, ניתן להתקין את ה-IGV מול מספר שלבים. זאת בניגוד מוחלט לפרויקטים קודמים של IGC, שכללו IGV רק עד השלב הראשון.
בגרסאות קודמות של ה-IGC, מקדם המערבולת (כלומר, זווית ה-IGV השני חלקי זווית ה-IGV1 הראשון) נותר קבוע ללא קשר לשאלה האם הזרימה הייתה קדימה (זווית > 0°, גובה הזרימה מצטמצם) או הפוכה (זווית < 0). °, הלחץ עולה). זהו חיסרון מכיוון שסימן הזווית משתנה בין מערבולות חיוביות לשליליות.
התצורה החדשה מאפשרת שימוש בשני יחסי מערבולת שונים כאשר המכונה נמצאת במצב מערבולת קדימה ואחורה, ובכך מגדילה את טווח הבקרה ב-4% תוך שמירה על יעילות קבועה.
על ידי שילוב מפזר LS עבור האימפלר, הנפוץ במכונות אוויר לחימום וקירור (BAC), ניתן להגדיל את יעילות הרב-שלבית ל-89%. שילוב זה עם שיפורי יעילות אחרים מפחית את מספר שלבי BAC תוך שמירה על יעילות כללית של מערכת החימום. צמצום מספר השלבים מבטל את הצורך במצנן בין-מערכתי, צנרת גז תהליך נלווית ורכיבי רוטור וסטטור, וכתוצאה מכך חיסכון בעלויות של 10%. בנוסף, במקרים רבים ניתן לשלב את מדחס האוויר הראשי ואת מדחס המאיץ במכונה אחת.
כפי שצוין קודם לכן, בדרך כלל נדרש גלגל שיניים ביניים בין טורבינת הקיטור ל-VAC. עם עיצוב ה-IGC החדש של סימנס אנרג'י, ניתן לשלב גלגל שיניים סרק זה בתיבת ההילוכים על ידי הוספת ציר סרק בין ציר הפיניון לגלגל השיניים הגדול (4 הילוכים). זה יכול להפחית את עלות הקו הכוללת (מדחס ראשי בתוספת ציוד עזר) עד 4%.
בנוסף, גלגלי שיניים בעלי 4 גלגלי שיניים הם אלטרנטיבה יעילה יותר למנועי גלילה קומפקטיים למעבר ממנועים בעלי 6 קוטבים ל-4 קוטבים במדחסי אוויר עיקריים גדולים (אם קיימת אפשרות להתנגשות גלגלי שיניים או אם מהירות הגלגלים המרבית המותרת תופחת).
השימוש בהם הופך נפוץ יותר ויותר במספר שווקים חשובים לפירוק פחמן תעשייתי, כולל משאבות חום ודחיסת קיטור, כמו גם דחיסת CO2 בפיתוחים של לכידת, ניצול ואחסון פחמן (CCUS).
לסימנס אנרג'י היסטוריה ארוכה של תכנון ותפעול של מכונות IGC. כפי שמעידים מאמצי המחקר והפיתוח הנ"ל (ומאמצי אחרים), אנו מחויבים לחדש ללא הרף את המכונות הללו כדי לענות על צרכי יישומים ייחודיים ולעמוד בדרישות השוק הגוברות לעלויות נמוכות יותר, יעילות מוגברת וקיימות מוגברת. KT2