Tác giả: Lukas Bijikli, Quản lý danh mục đầu tư sản phẩm, ổ đĩa bánh răng tích hợp, nén R & D CO2 và bơm nhiệt, Siemens Energy.
Trong nhiều năm, máy nén bánh răng tích hợp (IGC) là công nghệ được lựa chọn cho các nhà máy tách không khí. Điều này chủ yếu là do hiệu quả cao của chúng, dẫn đến việc giảm chi phí cho oxy, nitơ và khí trơ. Tuy nhiên, sự tập trung ngày càng tăng vào việc khử cacbon đặt nhu cầu mới đối với IPC, đặc biệt là về hiệu quả và tính linh hoạt theo quy định. Chi tiêu vốn tiếp tục là một yếu tố quan trọng đối với các nhà khai thác nhà máy, đặc biệt là trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ.
Trong vài năm qua, Siemens Energy đã khởi xướng một số dự án nghiên cứu và phát triển (R & D) nhằm mở rộng khả năng IGC để đáp ứng nhu cầu thay đổi của thị trường phân tách không khí. Bài viết này nhấn mạnh một số cải tiến thiết kế cụ thể mà chúng tôi đã thực hiện và thảo luận về cách những thay đổi này có thể giúp đáp ứng các mục tiêu giảm chi phí và carbon của khách hàng.
Hầu hết các đơn vị tách không khí ngày nay được trang bị hai máy nén: Máy nén khí chính (MAC) và máy nén khí tăng cường (BAC). Máy nén khí chính thường nén toàn bộ luồng không khí từ áp suất khí quyển đến khoảng 6 bar. Một phần của dòng chảy này sau đó được nén thêm trong BAC đến áp suất lên tới 60 bar.
Tùy thuộc vào nguồn năng lượng, máy nén thường được điều khiển bởi tuabin hơi nước hoặc động cơ điện. Khi sử dụng tuabin hơi nước, cả hai máy nén đều được điều khiển bởi cùng một tuabin thông qua các đầu trục đôi. Trong sơ đồ cổ điển, một bánh răng trung gian được lắp đặt giữa tuabin hơi nước và HAC (Hình 1).
Trong cả hệ thống điều khiển bằng điện và điều khiển tuabin hơi nước, hiệu quả của máy nén là một đòn bẩy mạnh mẽ để khử cacbon vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc tiêu thụ năng lượng của thiết bị. Điều này đặc biệt quan trọng đối với MGP được điều khiển bởi các tuabin hơi nước, vì phần lớn nhiệt để sản xuất hơi nước thu được trong nồi hơi đốt nhiên liệu hóa thạch.
Mặc dù động cơ điện cung cấp một giải pháp thay thế xanh hơn cho các ổ đĩa tuabin hơi nước, nhưng thường có nhu cầu linh hoạt kiểm soát lớn hơn. Nhiều nhà máy tách không khí hiện đại được xây dựng ngày nay được kết nối với lưới và có mức độ sử dụng năng lượng tái tạo cao. Ví dụ, ở Úc, có kế hoạch xây dựng một số nhà máy amoniac xanh sẽ sử dụng các đơn vị tách không khí (ASUS) để sản xuất nitơ để tổng hợp amoniac và dự kiến sẽ nhận điện từ các trang trại gió và mặt trời gần đó. Tại các nhà máy này, tính linh hoạt theo quy định là rất quan trọng để bù đắp cho sự biến động tự nhiên trong phát điện.
Siemens Energy đã phát triển IGC đầu tiên (trước đây gọi là VK) vào năm 1948. Ngày nay, công ty sản xuất hơn 2.300 đơn vị trên toàn thế giới, nhiều trong số đó được thiết kế cho các ứng dụng có tốc độ dòng chảy vượt quá 400.000 m3/h. MGP hiện đại của chúng tôi có tốc độ dòng chảy lên tới 1,2 triệu mét khối mỗi giờ trong một tòa nhà. Chúng bao gồm các phiên bản không có thiết bị của máy nén điều khiển có tỷ lệ áp suất lên tới 2,5 hoặc cao hơn trong các phiên bản một giai đoạn và tỷ lệ áp suất lên đến 6 trong các phiên bản nối tiếp.
Trong những năm gần đây, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về hiệu quả IGC, tính linh hoạt theo quy định và chi phí vốn, chúng tôi đã thực hiện một số cải tiến thiết kế đáng chú ý, được tóm tắt dưới đây.
Hiệu quả thay đổi của một số người cố gắng thường được sử dụng trong giai đoạn MAC đầu tiên được tăng lên bằng cách thay đổi hình học lưỡi. Với bánh công tác mới này, hiệu quả biến đổi lên tới 89% có thể đạt được kết hợp với các bộ khuếch tán LS thông thường và hơn 90% kết hợp với thế hệ khuếch tán lai mới.
Ngoài ra, cánh quạt có số Mach cao hơn 1,3, cung cấp giai đoạn đầu tiên có mật độ công suất và tỷ lệ nén cao hơn. Điều này cũng làm giảm sức mạnh mà các bánh răng trong các hệ thống MAC ba giai đoạn phải truyền, cho phép sử dụng các bánh răng đường kính nhỏ hơn và hộp số ổ đĩa trực tiếp trong giai đoạn đầu.
So với bộ khuếch tán LS có độ dài đầy đủ truyền thống, bộ khuếch tán lai thế hệ tiếp theo có hiệu suất giai đoạn tăng 2,5% và hệ số điều khiển là 3%. Sự gia tăng này đạt được bằng cách trộn các lưỡi dao (tức là các lưỡi được chia thành các phần chiều cao và chiều cao một phần). Trong cấu hình này
Đầu ra dòng chảy giữa bánh công tác và bộ khuếch tán bị giảm bởi một phần chiều cao lưỡi nằm gần với bánh công tác hơn các lưỡi của bộ khuếch tán LS thông thường. Cũng như một bộ khuếch tán LS thông thường, các cạnh hàng đầu của các lưỡi có độ dài đầy đủ là tương đương từ bánh công tác để tránh tương tác của công tác cánh quạt có thể làm hỏng các lưỡi.
Làm tăng một phần chiều cao của các lưỡi dao gần với bánh công tác cũng cải thiện hướng dòng chảy gần vùng xung. Do cạnh đầu của phần cánh có độ dài đầy đủ vẫn có cùng đường kính với bộ khuếch tán LS thông thường, đường ga không bị ảnh hưởng, cho phép phạm vi ứng dụng và điều chỉnh rộng hơn.
Tiêm nước liên quan đến việc tiêm các giọt nước vào luồng không khí trong ống hút. Các giọt nước bốc hơi và hấp thụ nhiệt từ luồng khí xử lý, do đó làm giảm nhiệt độ đầu vào xuống giai đoạn nén. Điều này dẫn đến việc giảm các yêu cầu năng lượng đẳng hướng và tăng hiệu quả hơn 1%.
Làm cứng trục bánh răng cho phép bạn tăng ứng suất cho phép trên một đơn vị diện tích, cho phép bạn giảm chiều rộng răng. Điều này làm giảm tổn thất cơ học trong hộp số tới 25%, dẫn đến tăng hiệu quả tổng thể lên tới 0,5%. Ngoài ra, chi phí máy nén chính có thể giảm tới 1% vì ít kim loại được sử dụng trong hộp số lớn.
Bánh công tác này có thể hoạt động với hệ số dòng chảy (φ) lên tới 0,25 và cung cấp thêm 6% đầu so với 65 độ. Ngoài ra, hệ số dòng chảy đạt 0,25 và trong thiết kế dòng chảy kép của máy IGC, lưu lượng thể tích đạt 1,2 triệu m3/h hoặc thậm chí 2,4 triệu m3/h.
Giá trị PHI cao hơn cho phép sử dụng bánh công tác đường kính nhỏ hơn ở cùng một luồng âm lượng, do đó giảm chi phí của máy nén chính lên tới 4%. Đường kính của bánh công tác giai đoạn đầu có thể giảm hơn nữa.
Đầu cao hơn đạt được bằng góc lệch của cánh quạt 75 °, làm tăng thành phần vận tốc chu vi ở đầu ra và do đó cung cấp đầu cao hơn theo phương trình của Euler.
So với các động cơ chạy tốc độ cao và hiệu quả cao, hiệu quả của cánh quạt giảm nhẹ do tổn thất cao hơn trong Volute. Điều này có thể được bù cho bằng cách sử dụng một con ốc cỡ trung bình. Tuy nhiên, ngay cả khi không có các volutes này, hiệu quả thay đổi lên tới 87% có thể đạt được với số lượng Mach là 1,0 và hệ số dòng chảy là 0,24.
Các volute nhỏ hơn cho phép bạn tránh va chạm với các volut khác khi đường kính của bánh răng lớn bị giảm. Các nhà khai thác có thể tiết kiệm chi phí bằng cách chuyển từ động cơ 6 cực sang động cơ 4 cực tốc độ cao hơn (1000 vòng / phút đến 1500 vòng / phút) mà không vượt quá tốc độ bánh răng cho phép tối đa. Ngoài ra, nó có thể giảm chi phí vật liệu cho bánh răng xoắn ốc và lớn.
Nhìn chung, máy nén chính có thể tiết kiệm tới 2% chi phí vốn, cộng với động cơ cũng có thể tiết kiệm 2% chi phí vốn. Bởi vì các voluts nhỏ gọn có phần kém hiệu quả, quyết định sử dụng chúng phần lớn phụ thuộc vào các ưu tiên của khách hàng (chi phí so với hiệu quả) và phải được đánh giá theo từng dự án.
Để tăng khả năng kiểm soát, IGV có thể được cài đặt ở phía trước nhiều giai đoạn. Điều này trái ngược hoàn toàn với các dự án IGC trước đây, chỉ bao gồm IGV cho đến giai đoạn đầu tiên.
Trong các lần lặp trước đó của IgC, hệ số xoáy (nghĩa là góc của IgV thứ hai chia cho góc của IgV1 thứ nhất) không đổi bất kể dòng chảy nào được chuyển tiếp (góc> 0 °, giảm đầu) hoặc xoáy ngược (góc <0). °, áp suất tăng). Điều này là bất lợi vì dấu hiệu của góc thay đổi giữa các xoáy dương và âm.
Cấu hình mới cho phép hai tỷ lệ xoáy khác nhau được sử dụng khi máy ở chế độ xoáy chuyển tiếp và đảo ngược, do đó tăng phạm vi điều khiển thêm 4% trong khi vẫn duy trì hiệu quả không đổi.
Bằng cách kết hợp bộ khuếch tán LS cho bánh công tác thường được sử dụng trong BACS, hiệu suất nhiều giai đoạn có thể được tăng lên 89%. Điều này, kết hợp với các cải tiến hiệu quả khác, làm giảm số lượng giai đoạn BAC trong khi vẫn duy trì hiệu quả của tàu. Giảm số lượng các giai đoạn giúp loại bỏ sự cần thiết của một bộ điều khiển, đường ống khí quá trình liên quan, và các thành phần rôto và stato, dẫn đến tiết kiệm chi phí là 10%. Ngoài ra, trong nhiều trường hợp, có thể kết hợp máy nén khí chính và máy nén tăng áp trong một máy.
Như đã đề cập trước đó, một thiết bị trung gian thường được yêu cầu giữa tuabin hơi nước và VAC. Với thiết kế IGC mới từ Siemens Energy, thiết bị nhàn rỗi này có thể được tích hợp vào hộp số bằng cách thêm một trục làm phiền giữa trục pinion và bánh răng lớn (4 bánh răng). Điều này có thể giảm tổng chi phí dòng (máy nén chính cộng với thiết bị phụ trợ) lên tới 4%.
Ngoài ra, các bánh răng 4 pin là một sự thay thế hiệu quả hơn cho các động cơ cuộn nhỏ gọn để chuyển từ động cơ từ 6 cực sang 4 cực trong máy nén khí chính lớn (nếu có khả năng va chạm volute hoặc nếu tốc độ pinion cho phép tối đa sẽ bị giảm). ) quá khứ.
Việc sử dụng của chúng cũng đang trở nên phổ biến hơn ở một số thị trường quan trọng đối với quá trình khử carbon công nghiệp, bao gồm bơm nhiệt và nén hơi nước, cũng như nén CO2 trong việc thu thập carbon, sử dụng và lưu trữ (CCUS).
Siemens Energy có một lịch sử lâu dài về thiết kế và vận hành IGC. Bằng chứng là các nỗ lực nghiên cứu và phát triển trên (và khác), chúng tôi cam kết liên tục đổi mới các máy này để đáp ứng nhu cầu ứng dụng độc đáo và đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng tăng về chi phí thấp hơn, tăng hiệu quả và tăng tính bền vững. KT2
Thời gian đăng: Tháng Tư-28-2024