CÔNG TY TNHH TẬP ĐOÀN CÔNG NGHỆ NUZHUO HÀNG CHÂU

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 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 nhờ hiệu suất cao, giúp giảm chi phí oxy, nitơ và khí trơ. Tuy nhiên, việc ngày càng chú trọng vào quá trình khử cacbon đặt ra những yêu cầu mới đối với các IPC, đặc biệt là về hiệu suất và tính linh hoạt trong quy định. Chi phí đầu tư vẫn là một yếu tố quan trọng đối với các nhà vận 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 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 về chi phí và giảm thiểu carbon của khách hàng.
Hầu hết các thiết bị tách khí hiện 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 lên áp suất lên đến 60 bar.
Tùy thuộc vào nguồn năng lượng, máy nén thường được dẫn động bởi tua-bin hơi nước hoặc động cơ điện. Khi sử dụng tua-bin hơi nước, cả hai máy nén đều được dẫn động bởi cùng một tua-bin thông qua hai đầu trục. Trong sơ đồ cổ điển, một bánh răng trung gian được lắp đặt giữa tua-bin hơi nước và HAC (Hình 1).
Trong cả hệ thống chạy bằng điện và tua-bin hơi, hiệu suất máy nén là một đòn bẩy mạnh mẽ cho quá trình khử cacbon vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến mức tiêu thụ năng lượng của thiết bị. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các lò hơi MGP chạy bằng tua-bin hơi, vì phần lớn nhiệt lượng để sản xuất hơi nước được lấy từ các lò hơi đốt nhiên liệu hóa thạch.
Mặc dù động cơ điện là một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường hơn so với hệ thống truyền động tuabin hơi, nhưng nhu cầu về tính linh hoạt trong điều khiển thường cao hơn. Nhiều nhà máy tách khí hiện đại đang được xây dựng hiện nay được kết nối lưới điện và sử dụng năng lượng tái tạo ở mức cao. 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 phục vụ 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 điều tiết là rất quan trọng để bù đắp cho những biến động tự nhiên trong sản xuất điện.
Siemens Energy đã phát triển máy nén khí IGC đầu tiên (trước đây gọi là VK) vào năm 1948. Hiện nay, công ty sản xuất hơn 2.300 máy trên toàn thế giới, nhiều máy trong số đó được thiết kế cho các ứng dụng có lưu lượng trên 400.000 m3/giờ. 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 khí console với tỷ số nén lên đến 2,5 hoặc cao hơn ở phiên bản một cấp và tỷ số nén lên đến 6 ở 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 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 thiên của một số cánh quạt thường được sử dụng trong giai đoạn MAC đầu tiên được tăng cường bằng cách thay đổi hình dạng cánh quạt. Với cánh quạt mới này, hiệu suất biến thiên có thể đạt tới 89% khi kết hợp với bộ khuếch tán LS thông thường và hơn 90% khi kết hợp với bộ khuếch tán hybrid thế hệ mới.
Ngoài ra, cánh quạt có số Mach cao hơn 1,3, giúp tầng đầu tiên 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 tầng phải truyền, cho phép sử dụng bánh răng đường kính nhỏ hơn và hộp số truyền động trực tiếp ở tầng đầu tiên.
So với bộ khuếch tán cánh gạt LS toàn chiều dài truyền thống, bộ khuếch tán lai thế hệ tiếp theo có hiệu suất tầng tăng 2,5% và hệ số kiểm soát tăng 3%. Sự gia tăng này đạt được bằng cách trộn các cánh (tức là các cánh được chia thành các phần toàn chiều cao và một phần chiều cao). Trong cấu hình này
Lưu lượng dòng chảy giữa cánh quạt và bộ khuếch tán bị giảm đi một phần chiều cao cánh quạt, vốn nằm gần cánh quạt hơn so với cánh quạt của bộ khuếch tán LS thông thường. Cũng như bộ khuếch tán LS thông thường, các cạnh trước của cánh quạt toàn chiều dài được đặt cách đều cánh quạt để tránh tương tác giữa cánh quạt và bộ khuếch tán, có thể làm hỏng cánh quạt.
Việc tăng một phần chiều cao của cánh gần với cánh quạt hơn cũng cải thiện hướng dòng chảy gần vùng dao 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 bao gồm việc phun các giọt nước vào luồng 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 của giai đoạn nén. Điều này dẫn đến việc giảm nhu 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 một đơn vị diện tích, giúp giảm chiều rộng răng. Điều này giúp giảm tổn thất cơ học trong hộp số tới 25%, dẫn đến tăng hiệu suất tổng thể lên tới 0,5%. Ngoài ra, chi phí máy nén chính có thể giảm tới 1% do 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 cột áp 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/giờ hoặc thậm chí 2,4 triệu m3/giờ.
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 thậm chí còn có thể giảm hơn 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 cánh quạt tốc độ cao và hiệu suất cao, hiệu suất của cánh quạt giảm nhẹ do tổn thất lớn hơn trong ống xoắn. ​​Điều này có thể được bù đắp bằng cách sử dụng ốc sên cỡ trung bình. Tuy nhiên, ngay cả khi không có các ống xoắn này, hiệu suất biến thiên lên đến 87% vẫn có thể đạt được ở số Mach là 1,0 và hệ số lưu lượng là 0,24.
Volute nhỏ hơn cho phép 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 đổi từ động cơ 6 cực sang động cơ 4 cực tốc độ cao hơn (từ 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 đầu tư, cộng với động cơ cũng có thể tiết kiệm 2% chi phí đầu tư. Do ống xoắn 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 quả) và phải được đánh giá theo từng dự án.
Để tăng khả năng điều khiển, IGV có thể được lắp đặt trước nhiều giai đoạn. Điều này hoàn toàn trái ngược với các dự án IGC trước đây, vốn chỉ bao gồm IGV 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 thứ nhất) vẫn không đổi bất kể dòng chảy là hướng về phía trước (góc > 0°, cột áp giảm) hay hướng ngược (góc < 0°, áp suất tăng). 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 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 tích hợp bộ khuếch tán LS cho cánh quạt thường được sử dụng trong BAC, hiệu suất đa tầng có thể được tăng lên 89%. Điều này, kết hợp với các cải tiến hiệu suất khác, giúp giảm số lượng tầng BAC mà vẫn duy trì hiệu suất chung của hệ thống. Việc giảm số lượng tầng giúp loại bỏ nhu cầu về bộ làm mát trung gian, đường ống dẫn khí quy trình liên quan, cũng như các bộ phận rotor 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 khí 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 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 cuộn 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 cacbon (CCUS).
Siemens Energy có bề dày lịch sử thiết kế và vận hành các hệ thống IGC. Bằng chứng là những nỗ lực nghiên cứu và phát triển nêu trên (và các nỗ lực khác), chúng tôi cam kết liên tục cải tiến các máy móc này để đáp ứng nhu cầu ứng dụng độc đáo 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