CÔNG TY TNHH TẬP ĐOÀN CÔNG NGHỆ HANGZHOU NUZHUO

Tác giả: Lukas Bijikli, Giám đốc danh mục sản phẩm, Hệ thống truyền động bánh răng tích hợp, Nghiên cứu và phát triển máy nén CO2 và bơm nhiệt, Siemens Energy.
Trong nhiều năm qua, máy nén bánh răng tích hợp (IGC) đã là công nghệ được lựa chọn cho các nhà máy tách khí. Điều này chủ yếu là do hiệu suất cao của chúng, trực tiếp dẫn đến giảm chi phí cho oxy, nitơ và khí trơ. Tuy nhiên, sự tập trung ngày càng tăng vào việc giảm phát thải carbon đặt ra những yêu cầu mới đối với IGC, đặc biệt là về hiệu suất và tính linh hoạt về quy định. Chi phí đầu tư vẫn là một yếu tố quan trọng đối với các nhà vận hành nhà máy, đặc biệt là 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 của 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 các mục tiêu giảm chi phí và lượng khí thải carbon của khách hàng.
Hầu hết các thiết bị tách khí hiện nay đều được trang bị hai máy nén: một máy nén khí chính (MAC) và một máy nén khí tăng áp (BAC). Máy nén khí chính thường nén toàn bộ luồng khí từ áp suất khí quyển lên khoảng 6 bar. Một phần của luồng khí này sau đó được nén thêm trong máy nén khí tăng áp (BAC) đến áp suất lên đến 60 bar.
Tùy thuộc vào nguồn năng lượng, máy nén thường được dẫn động bằng tuabin hơi hoặc động cơ điện. Khi sử dụng tuabin hơi, cả hai máy nén đều được dẫn động bởi cùng một tuabin thông qua hai đầu trục. Trong sơ đồ cổ điển, một bộ truyền động trung gian được lắp đặt giữa tuabin hơi và máy nén HAC (Hình 1).
Trong cả hệ thống dẫn động bằng điện và hệ thống dẫn động bằng tuabin hơi, hiệu suất máy nén là một đòn bẩy mạnh mẽ để giảm phát thải carbon vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các nhà máy điện hạt nhân chạy bằng tuabin hơi, vì phần lớn nhiệt lượng để sản xuất hơi nước được lấy từ các nồi hơi đốt nhiên liệu hóa thạch.
Mặc dù động cơ điện cung cấp một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn so với động cơ tuabin hơi nước, nhưng thường cần sự linh hoạt hơn trong điều khiển. Nhiều nhà máy tách khí hiện đại đang được xây dựng ngày nay đều được kết nối với lưới điện và sử dụng nhiều năng lượng tái tạo. Ví dụ, tại Úc, có kế hoạch xây dựng một số nhà máy amoniac xanh sử dụng các đơn vị tách khí (ASU) để sản xuất nitơ cho quá trình tổng hợp amoniac và dự kiến ​​sẽ nhận điện từ các trang trại gió và năng lượng mặt trời gần đó. Tại các nhà máy này, sự linh hoạt trong điều chỉnh là rất quan trọng để bù đắp cho những biến động tự nhiên trong sản lượng điện.
Siemens Energy đã phát triển máy nén khí IGC đầu tiên (trước đây gọi là VK) vào năm 1948. Ngày nay, công ty sản xuất hơn 2.300 thiết bị trên toàn thế giới, nhiều thiết bị trong số đó được thiết kế cho các ứng dụng có lưu lượng vượt quá 400.000 m³/h. Các máy nén khí MGP hiện đại của chúng tôi có lưu lượng lên đến 1,2 triệu mét khối mỗi giờ trong một tòa nhà. Chúng bao gồm các phiên bản không hộp số của máy nén điều khiển với tỷ số áp suất lên đến 2,5 hoặc cao hơn trong các phiên bản một cấp và tỷ số 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, tính linh hoạt về quy định và chi phí vốn của IGC, chúng tôi đã thực hiện một số cải tiến đáng chú ý về thiết kế, được tóm tắt dưới đây.
Hiệu suất thay 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. Với cánh quạt mới này, hiệu suất thay 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, giúp giai đoạn đầu có 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 cấp phải truyền tải, cho phép sử dụng các bánh răng có đường kính nhỏ hơn và hộp số truyền động trực tiếp ở các giai đoạn đầu.
So với bộ khuếch tán cánh LS truyền thống có chiều dài đầy đủ, bộ khuếch tán lai thế hệ tiếp theo có hiệu suất tầng tăng 2,5% và hệ số điều khiển tăng 3%. Sự gia tăng này đạt được bằng cách trộn các cánh (tức là các cánh được chia thành các phần có chiều cao đầy đủ và chiều cao một phần). Trong cấu hình này
Lưu lượng dòng chảy giữa cánh quạt và bộ khuếch tán bị giảm đi một phần chiều cao của các cánh nằm gần cánh quạt hơn so với các cánh của bộ khuếch tán LS thông thường. Cũng giống như bộ khuếch tán LS thông thường, mép trước của các cánh có chiều dài đầy đủ được đặt cách đều cánh quạt để tránh tương tác giữa cánh quạt và bộ khuếch tán có thể làm hỏng các cánh.
Việc tăng một phần chiều cao của các cánh quạt gần trục chính cũng giúp cải thiện hướng dòng chảy gần vùng xung động. Vì mép trước của phần cánh quạt có chiều dài đầy đủ vẫn giữ nguyên đường kính như bộ khuếch tán LS thông thường, nên đường điều tiết không bị ảnh hưởng, cho phép phạm vi ứng dụng và điều chỉnh rộng hơn.
Phương pháp phun nước bao gồm việc phun các giọt nước vào luồng khí trong ống hút. Các giọt nước bay hơi và hấp thụ nhiệt từ luồng khí xử lý, do đó làm giảm nhiệt độ đầu vào của giai đoạn nén. Điều này dẫn đến giảm yêu cầu công suất đẳng entropy và tăng hiệu suất hơn 1%.
Việc tôi cứng trục bánh răng cho phép tăng ứng suất cho phép trên mỗi đơn vị diện tích, từ đó giúp giảm chiều rộng răng. Điều này giúp 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 đến 1% do lượng kim loại sử dụng trong hộp số lớn giảm đi.
Cánh quạt này có thể hoạt động với hệ số dòng chảy (φ) lên đến 0,25 và tạo ra cột áp cao hơn 6% so với cánh quạt 65 độ. Ngoài ra, khi hệ số dòng chảy đạt 0,25, trong thiết kế dòng chảy kép của máy IGC, lưu lượng thể tích có thể 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 của máy nén chính lên đến 4%. Đường kính của cánh quạt giai đoạn đầu tiên thậm chí có thể giảm hơn nữa.
Cột áp cao hơn đạt được nhờ góc lệch cánh quạt 75°, làm 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 này giảm nhẹ do tổn thất lớn hơn trong buồng xoắn ốc. Điều này có thể được bù đắp bằng cách sử dụng một ống xoắn ốc cỡ trung bình. Tuy nhiên, ngay cả khi không có các buồng xoắn ốc này, hiệu suất thay đổi lên đến 87% vẫn có thể đạt được ở số Mach 1.0 và hệ số lưu lượng 0.24.
Thiết kế xoắn ốc nhỏ hơn giúp tránh va chạm với các xoắn ốc 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 quay tối đa cho phép. Ngoài ra, nó còn giúp giảm chi phí vật liệu cho bánh răng xoắn và bánh răng lớn.
Nhìn chung, máy nén chính có thể tiết kiệm tới 2% chi phí đầu tư, cộng thêm động cơ cũng có thể tiết kiệm thêm 2% chi phí đầu tư. Vì các thiết bị nén dạng xoắn ốc nhỏ gọn có hiệu suất thấp hơn một chút, quyết định sử dụng chúng phần lớn phụ thuộc vào ưu tiên của khách hàng (chi phí so với hiệu suất) và cần được đánh giá trên từng dự án cụ thể.
Để tăng cường khả năng điều khiển, IGV có thể được lắp đặt ở phía trước nhiều tầng. Điều này hoàn toàn trái ngược với các dự án IGC trước đây, vốn chỉ bao gồm IGV đến tầng đầu tiên.
Trong các phiên bản trước của IGC, hệ số xoáy (tức là góc của IGV thứ hai chia cho góc của IGV thứ nhất) vẫn không đổi bất kể dòng chảy là xoáy thuận (góc > 0°, làm giảm cột áp) hay xoáy ngược (góc < 0°, làm tăng áp suất). Điều này bất lợi vì dấu của góc thay đổi giữa các xoáy dương và âm.
Cấu hình mới cho phép sử dụng hai tỷ lệ xoáy khác nhau khi máy hoạt động ở chế độ xoáy thuận và xoáy nghịch, nhờ đó tăng phạm vi điều khiển lên 4% trong khi vẫn duy trì hiệu suất không đổi.
Bằng cách tích hợp bộ khuếch tán LS cho cánh quạt thường được sử dụng trong các máy nén khí BAC, hiệu suất đa tầng có thể được tăng lên 89%. Điều này, kết hợp với các cải tiến hiệu suất khác, làm giảm số lượng tầng của máy nén khí BAC trong khi vẫn duy trì hiệu suất tổng thể của hệ thống. Việc giảm số lượng tầng giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ làm mát trung gian, đường ống dẫn khí xử lý liên quan, và các bộ phận rôto và stato, dẫn đến 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 cùng một máy.
Như đã đề cập trước đó, thường cần một bánh răng trung gian giữa tuabin hơi và VAC. Với thiết kế IGC mới từ Siemens Energy, bánh răng trung gian này có thể được tích hợp vào hộp số bằng cách thêm một trục trung gian giữa trục bánh răng nhỏ và bánh răng lớn (4 bánh răng). Điều này có thể giảm tổng chi phí dây chuyền (máy nén chính cộng với thiết bị phụ trợ) lên đến 4%.
Ngoài ra, hộp số 4 bánh răng là một giải pháp thay thế hiệu quả hơn cho động cơ xoắn ốc nhỏ gọn để chuyển đổi từ động cơ 6 cực sang động cơ 4 cực trong các máy nén khí chính lớn (nếu có khả năng xảy ra va chạm vỏ xoắn ốc hoặc nếu tốc độ bánh răng tối đa cho phép bị giảm).
Việc sử dụng chúng cũng ngày càng phổ biến trong 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 các dự án thu giữ, sử dụng và lưu trữ carbon (CCUS).
Siemens Energy có bề dày kinh nghiệm trong thiết kế và vận hành các nhà máy điện khí tích hợp (IGC). Như đã được chứng minh qua các nỗ lực nghiên cứu và phát triển nêu trên (và các nỗ lực khác), chúng tôi cam kết liên tục đổi mới các máy móc này để đáp ứng nhu cầu ứng dụng đặc thù và đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường về chi phí thấp hơn, hiệu quả cao hơn và tính bền vững cao hơn. KT2