Tác giả: Lukas Bijikli, Trưởng phòng danh mục sản phẩm, Bộ truyền động bánh răng tích hợp, Nghiên cứu và phát triển Máy bơm nhiệt và nén CO2, Siemens Energy.
Trong nhiều năm, Máy nén bánh răng tích hợp (IGC) là công nghệ được lựa chọn cho các nhà máy tách khí. Điều này chủ yếu là do hiệu suất cao của chúng, dẫn đến việc giảm chi phí cho oxy, nitơ và khí trơ. Tuy nhiên, sự tập trung ngày càng tăng vào quá trình khử cacbon đặt ra những yêu cầu mới đối với IPC, đặc biệt là về mặt hiệu quả và tính linh hoạt trong quy định. Chi phí vốn tiếp tục là một yếu tố quan trọng đối với các nhà điều hành nhà máy, đặc biệt là ở 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 năng lực IGC để đáp ứng nhu cầu thay đổi của thị trường tách khí. Bài viết này nêu bật 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 mục tiêu giảm chi phí và carbon của khách hàng.
Hầu hết các đơn vị tách khí ngày nay đều được trang bị hai máy nén: máy nén khí chính (MAC) và máy nén khí tăng áp (BAC). Máy nén khí chính thường nén toàn bộ luồng khí từ áp suất khí quyển xuống khoảng 6 bar. Một phần luồng khí này sau đó được nén thêm trong BAC đến áp suất lên đến 60 bar.
Tùy thuộc vào nguồn năng lượng, máy nén thường được dẫn động bằng tua bin hơi hoặc động cơ điện. Khi sử dụng tua bin hơi, cả hai máy nén đều được dẫn động bằng cùng một tua bin thông qua hai đầu trục. Trong sơ đồ cổ điển, một bánh răng trung gian được lắp giữa tua bin hơi và HAC (Hình 1).
Trong cả hệ thống chạy bằng điện và chạy bằng tua bin hơi, hiệu suất máy nén là đòn bẩy mạnh mẽ để khử cacbon vì nó tác động trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị. Điều này đặc biệt quan trọng đối với MGP được dẫn động bằng tua bin hơi, vì hầu hết nhiệt để sản xuất hơi nước đều thu được từ lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch.
Mặc dù động cơ điện cung cấp một giải pháp thay thế xanh hơn cho các bộ truyền động tua bin hơi nước, nhưng thường có nhu cầu lớn hơn về tính linh hoạt trong điều khiển. Nhiều nhà máy tách khí hiện đại đang được xây dựng ngày nay được kết nối với lưới điện và có mức sử dụng năng lượng tái tạo cao. Ví dụ, tại Úc, có kế hoạch xây dựng một số nhà máy amoniac xanh sẽ sử dụng các đơn vị tách khí (ASU) 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 về mặt quy định là rất quan trọng để bù đắp cho những biến động tự nhiên trong sản xuất 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 đơn vị trong số đó được thiết kế cho các ứng dụng có lưu lượng vượt quá 400.000 m3/h. Các MGP hiện đại của chúng tôi có lưu lượng lên tới 1,2 triệu mét khối mỗi giờ trong một tòa nhà. Chúng bao gồm các phiên bản không có hộp số của máy nén console với tỷ số áp suất lên tới 2,5 hoặc cao hơn ở các phiên bản một cấp và tỷ số áp suất lên tới 6 ở 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 về mặt 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 suất biến đổi của một số cánh quạt thường được sử dụng trong giai đoạn MAC đầu tiên được tăng lên bằng cách thay đổi hình dạng cánh quạt. Với cánh quạt mới này, hiệu suất biến đổi lên đến 89% có thể đạt được khi kết hợp với bộ khuếch tán LS thông thường và hơn 90% khi kết hợp với thế hệ bộ khuếch tán lai mới.
Ngoài ra, cánh quạt có số Mach cao hơn 1,3, cung cấp cho giai đoạn đầu tiên mật độ công suất và tỷ số nén cao hơn. Điều này cũng làm giảm công suất mà các bánh răng trong hệ thống MAC ba giai đoạn phải truyền, cho phép sử dụng các bánh răng có đường kính nhỏ hơn và hộp số truyền động trực tiếp ở giai đoạn đầu tiên.
So với bộ khuếch tán cánh quạt LS toàn chiều dài truyền thống, bộ khuếch tán lai thế hệ tiếp theo có hiệu suất giai đoạn tăng 2,5% và hệ số kiểm soát là 3%. Sự gia tăng này đạt được bằng cách trộn các cánh quạt (tức là các cánh quạt được chia thành các phần có chiều cao toàn chiều cao và một phần chiều cao). Trong cấu hình này
Lưu lượng đầu ra giữa cánh quạt và bộ khuếch tán bị giảm đi một phần chiều cao của cánh quạt nằm gần cánh quạt hơn so với các cánh quạt của bộ khuếch tán LS thông thường. Cũng giống như bộ khuếch tán LS thông thường, các cạnh trước của các cánh quạt có chiều dài đầy đủ cách đều với cánh quạt để tránh tương tác giữa cánh quạt và bộ khuếch tán có thể làm hỏng các cánh quạt.
Tăng một phần chiều cao của cánh quạt gần với cánh quạt hơn cũng cải thiện hướng dòng chảy gần vùng xung động. Vì cạnh trước của phần cánh quạt toàn chiều dài vẫn giữ nguyên đường kính như bộ khuếch tán LS thông thường nên đường ống tiết lưu không bị ảnh hưởng, cho phép ứng dụng và điều chỉnh phạm vi rộng hơn.
Phun nước liên quan đến việc phun các giọt nước vào luồng không khí trong ống hút. Các giọt nước bốc hơi và hấp thụ nhiệt từ luồng khí quy trình, do đó làm giảm nhiệt độ đầu vào đến giai đoạn nén. Điều này dẫn đến việc giảm yêu cầu về công suất đẳng entropy và tăng hiệu suất hơn 1%.
Việc tôi 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 lên đến 25%, dẫn đến tăng hiệu suất tổng thể lên đến 0,5%. Ngoài ra, chi phí máy nén chính có thể giảm tới 1% vì sử dụng ít kim loại hơn trong hộp số lớn.
Cánh quạt này có thể hoạt động với hệ số lưu lượng (φ) lên đến 0,25 và cung cấp áp suất cao hơn 6% so với cánh quạt 65 độ. Ngoài ra, hệ số lưu lượng 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 cánh quạt có đường kính nhỏ hơn ở cùng lưu lượng thể tích, do đó giảm chi phí máy nén chính tới 4%. Đường kính của cánh quạt cấp một có thể được giảm thêm nữa.
Cột áp cao hơn đạt được nhờ góc lệch cánh quạt 75°, giúp tăng thành phần vận tốc chu vi tại cửa ra và do đó tạo ra cột áp cao hơn theo phương trình Euler.
So với các cánh quạt tốc độ cao và hiệu suất cao, hiệu suất của cánh quạt giảm nhẹ do tổn thất cao hơn trong volute. Điều này có thể được bù đắp bằng cách sử dụng một con ốc sên cỡ trung bình. Tuy nhiên, ngay cả khi không có các volute này, hiệu suất thay đổi lên đến 87% có thể đạt được ở số Mach là 1,0 và hệ số lưu lượng là 0,24.
Volute nhỏ hơn cho phép bạn tránh va chạm với các volute khác khi đường kính của bánh răng lớn bị giảm. Người vận hành 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 tối đa cho phép. Ngoài ra, nó có thể giảm chi phí vật liệu cho bánh răng xoắn ốc và bánh răng 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. Vì các ống xoắn nhỏ gọn kém hiệu quả hơn một chút, nên 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 trên cơ sở từng dự án.
Để tăng khả năng kiểm soát, IGV có thể được lắp đặt 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 lại trước đó của IGC, hệ số xoáy (tức là góc của IGV thứ hai chia cho góc của IGV1 đầu tiên) vẫn không đổi bất kể dòng chảy là về phía trước (góc > 0°, giảm áp suất) hay xoáy ngược (góc < 0). °, áp suất tăng). Điều này bất lợi vì dấu của góc thay đổi giữa xoáy dương và xoáy âm.
Cấu hình mới cho phép sử dụng hai tỷ lệ xoáy khác nhau khi máy ở chế độ xoáy thuận và xoáy ngược, do đó tăng phạm vi điều khiển lên 4% trong khi vẫn duy trì hiệu suất không đổi.
Bằng cách kết hợp bộ khuếch tán LS cho cánh quạt thường được sử dụng trong BAC, hiệu suất nhiều giai đoạn có thể tăng lên 89%. Điều này, kết hợp với các cải tiến hiệu suất khác, làm giảm số giai đoạn BAC trong khi vẫn duy trì hiệu suất chung của đoàn tàu. Giảm số giai đoạn loại bỏ nhu cầu về bộ làm mát trung gian, đường ống dẫn khí quy trình liên quan và các thành phần rôto và stato, giúp tiết kiệm chi phí 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, thường cần có một bánh răng trung gian giữa tua bin hơi và VAC. Với thiết kế IGC mới của Siemens Energy, bánh răng dẫn hướng này có thể được tích hợp vào hộp số bằng cách thêm một trục dẫn hướng giữa trục pignon và bánh răng lớn (4 bánh răng). Điều này có thể giảm tổng chi phí đường dây (máy nén chính cộng với thiết bị phụ trợ) tới 4%.
Ngoài ra, bánh răng 4 chấu là giải pháp thay thế hiệu quả hơn cho động cơ trục vít nhỏ gọn để chuyển đổi từ động cơ 6 cực sang động cơ 4 cực trong máy nén khí chính lớn (nếu có khả năng va chạm xoắn ốc hoặc nếu tốc độ bánh răng tối đa cho phép bị giảm). ) trong quá khứ.
Việc sử dụng chúng cũng đang trở nên phổ biến hơn ở một số thị trường quan trọng đối với quá trình khử cacbon trong công nghiệp, bao gồm máy bơm nhiệt và nén hơi, cũng như nén CO2 trong các dự án thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS).
Siemens Energy có lịch sử lâu dài trong việc thiết kế và vận hành IGC. Như được chứng minh bằng các nỗ lực nghiên cứu và phát triển nêu trên (và các nỗ lực khác), chúng tôi cam kết liên tục cải tiến các máy này để đáp ứng các nhu cầu ứng dụng độc đáo và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường về chi phí thấp hơn, hiệu quả tăng lên và tính bền vững tăng lên. KT2
Thời gian đăng: 28-04-2024