Auteur: Lukas Bijikli, Produktportfolio Manager, Integréiert Getriebeundriff, Fuerschung an Entwécklung CO2-Kompressioun a Wärmepompelen, Siemens Energy.
Zënter ville Joren ass den integréierte Getriebekompressor (IGC) déi bevorzugt Technologie fir Loftseparatiounsanlagen. Dëst ass haaptsächlech wéinst hirer héijer Effizienz, déi direkt zu reduzéierte Käschte fir Sauerstoff, Stéckstoff an Inertgas féiert. Wéi och ëmmer, de wuessende Fokus op Dekarboniséierung stellt nei Ufuerderungen un IPCen, besonnesch wat d'Effizienz an d'Reguléierungsflexibilitéit ugeet. Investitiounsausgaben bleiwen e wichtege Faktor fir Anlagebetreiber, besonnesch a klenge a mëttelgrousse Betriber.
An de leschte Joren huet Siemens Energy verschidde Fuerschungs- an Entwécklungsprojeten (F&E) initiéiert, déi drop ausgeriicht sinn, d'Kapazitéite vun den IGC-Produkter auszebauen, fir de verännerleche Bedierfnesser vum Loftseparatiounsmaart gerecht ze ginn. Dësen Artikel beliicht e puer spezifesch Designverbesserungen, déi mir gemaach hunn, a beschreift, wéi dës Ännerunge hëllefe kënnen, d'Käschten- a Kuelestoffreduktiounsziler vun eise Clienten z'erreechen.
Déi meescht Loftseparatiounseenheete sinn haut mat zwéi Kompressoren ausgestatt: engem Haaptloftkompressor (MAC) an engem Boost-Loftkompressor (BAC). Den Haaptloftkompressor kompriméiert typescherweis de gesamte Loftstroum vum Atmosphärendrock op ongeféier 6 bar. En Deel vun dësem Stroum gëtt dann am BAC weider op en Drock vu bis zu 60 bar kompriméiert.
Jee no der Energiequell gëtt de Kompressor normalerweis vun enger Dampturbinn oder engem Elektromotor ugedriwwen. Beim Gebrauch vun enger Dampturbinn ginn béid Kompressoren vun der selwechter Turbinn iwwer zwéin Wellenden ugedriwwen. Am klassesche Schema ass en Zwëschenrad tëscht der Dampturbinn an dem HAC installéiert (Fig. 1).
Souwuel an elektresch ugedriwwenen ewéi och an Dampfturbinen-gedriwwenen Systemer ass d'Kompressoreffizienz e staarke Hebel fir d'Dekarboniséierung, well se direkt den Energieverbrauch vun der Eenheet beaflosst. Dëst ass besonnesch wichteg fir MGPen, déi vun Dampfturbinen ugedriwwe ginn, well déi meescht Hëtzt fir d'Dampproduktioun a Kessel mat fossile Brennstoffer gewonnen gëtt.
Och wann Elektromotoren eng méi gréng Alternativ zu Dampfturbinenundriff bidden, gëtt et dacks e gréissere Besoin u Kontrollflexibilitéit. Vill modern Lofttrenneranlagen, déi haut gebaut ginn, sinn un d'Stroumnetz ugeschloss a verbrauchen en héije Grad un erneierbaren Energien. An Australien zum Beispill gëtt et Pläng fir verschidde gréng Ammoniakanlagen ze bauen, déi Lofttrennereenheeten (ASUs) benotze fir Stéckstoff fir d'Ammoniaksynthese ze produzéieren a sollen Stroum vun noer Wand- a Solarparken kréien. An dëse Kraaftwierker ass d'Reguléierungsflexibilitéit entscheedend fir natierlech Schwankungen an der Stroumproduktioun auszegläichen.
Siemens Energy huet den éischten IGC (fréier bekannt als VK) am Joer 1948 entwéckelt. Haut produzéiert d'Firma weltwäit méi wéi 2.300 Eenheeten, vun deenen der vill fir Uwendungen mat Duerchflussraten vu méi wéi 400.000 m3/h entwéckelt sinn. Eis modern MGPs hunn en Duerchfluss vu bis zu 1,2 Millioune Kubikmeter pro Stonn an engem Gebai. Dozou gehéieren Getriebefräi Versioune vu Konsolkompressoren mat Drockverhältnisser bis zu 2,5 oder méi an Eenstufeversiounen an Drockverhältnisser bis zu 6 a Serienversiounen.
An de leschte Joren hu mir, fir den ëmmer méi groussen Ufuerderungen un IGC-Effizienz, Reguléierungsflexibilitéit a Kapitalkäschten gerecht ze ginn, e puer bemierkenswäert Designverbesserungen duerchgefouert, déi hei ënnendrënner zesummegefaasst sinn.
Déi variabel Effizienz vun enger Rei vu Lafwierker, déi typescherweis an der éischter MAC-Stuf benotzt ginn, gëtt duerch d'Variatioun vun der Blatgeometrie erhéicht. Mat dësem neie Lafwierk kënnen variabel Effizienz vu bis zu 89% a Kombinatioun mat konventionellen LS-Diffusoren an iwwer 90% a Kombinatioun mat der neier Generatioun vun Hybriddiffusoren erreecht ginn.
Zousätzlech huet den Impeller eng Mach-Zuel méi héich wéi 1,3, wat der éischter Stuf eng méi héich Leeschtungsdicht a Kompressiounsverhältnis gëtt. Dëst reduzéiert och d'Leeschtung, déi Zännrieder an dräistufege MAC-Systemer iwwerdroe mussen, wat d'Benotzung vu Zännrieder mat méi klengem Duerchmiesser a Getrieber mat Direktantrieb an den éischte Stufe erméiglecht.
Am Verglach mam traditionellen LS-Vanediffusor mat voller Längt huet den Hybriddiffusor vun der nächster Generatioun eng erhéicht Stufeneffizienz vun 2,5% an e Kontrollfaktor vun 3%. Dës Erhéijung gëtt duerch d'Mëschung vun de Blieder erreecht (d.h. d'Blieder sinn a Sektiounen mat voller Héicht an deelweiser Héicht opgedeelt). An dëser Konfiguratioun
De Stroumungsausgab tëscht dem Lafwierk an dem Diffusor gëtt ëm en Deel vun der Blathéicht reduzéiert, deen méi no beim Lafwierk läit wéi d'Blieder vun engem konventionellen LS-Diffusor. Wéi bei engem konventionellen LS-Diffusor sinn d'Virkante vun de Blatten iwwer déi ganz Längt gläich wäit vum Lafwierk ewech, fir eng Interaktioun tëscht Lafwierk an Diffusor ze vermeiden, déi d'Blieder kéint beschiedegen.
Eng deelweis Erhéijung vun der Héicht vun de Blieder méi no beim Lafwierk verbessert och d'Stroumrichtung no bei der Pulsatiounszon. Well d'Virkant vun der Lamellensektioun iwwer déi ganz Längt dee selwechten Duerchmiesser bleift wéi bei engem konventionellen LS-Diffusor, bleift d'Drosselleitung onberéiert, wat e méi breede Spektrum vun Uwendungen an Ofstëmmen erméiglecht.
Waasserinjektioun besteet doran, Waasserdrëpsen an de Loftstroum am Saugröhr ze injizéieren. D'Drëpsen verdampfen an absorbéieren Hëtzt vum Prozessgasstroum, wouduerch d'Inlettemperatur an d'Kompressiounsstuf reduzéiert gëtt. Dëst féiert zu enger Reduktioun vum isentropesche Leeschtungsbedarf an enger Erhéijung vun der Effizienz ëm méi wéi 1%.
D'Häertung vun der Getriebewelle erlaabt d'zulässeg Spannung pro Flächeneenheet ze erhéijen, wat d'Zännbreet reduzéiere kann. Dëst reduzéiert mechanesch Verloschter am Getriebe ëm bis zu 25%, wat zu enger Erhéijung vun der Gesamtleistung ëm bis zu 0,5% féiert. Zousätzlech kënnen d'Käschte vum Haaptkompressor ëm bis zu 1% reduzéiert ginn, well manner Metall am grousse Getriebe benotzt gëtt.
Dësen Impeller kann mat engem Duerchflusskoeffizient (φ) vu bis zu 0,25 funktionéieren a bitt 6% méi Dréihöffnung wéi 65-Grad-Impeller. Zousätzlech erreecht de Duerchflusskoeffizient 0,25, an am Duebelduerchflussdesign vun der IGC-Maschinn erreecht de Volumenduerchfluss 1,2 Millioune m3/h oder souguer 2,4 Millioune m3/h.
E méi héije Phi-Wäert erlaabt d'Benotzung vun engem Lafwierk mat méi klengem Duerchmiesser beim selwechte Volumenstroum, wouduerch d'Käschte vum Haaptkompressor ëm bis zu 4% reduzéiert ginn. Den Duerchmiesser vum Lafwierk vun der éischter Stuf kann nach weider reduzéiert ginn.
Déi méi héich Dréihöffnung gëtt duerch den Oflenkwénkel vum Lafwierk vu 75° erreecht, wat d'Ëmlafgeschwindegkeetskomponent um Ausgang erhéicht an doduerch eng méi héich Dréihöffnung no der Euler-Equatioun garantéiert.
Am Verglach mat Héichgeschwindegkeets- a Leistungswierder ass d'Effizienz vum Wiesselwierk liicht reduzéiert wéinst méi héije Verloschter am Spiralrahmen. Dëst kann duerch d'Benotzung vun enger mëttelgrousser Schnecke kompenséiert ginn. Awer och ouni dës Spiralrahmen kann eng variabel Effizienz vu bis zu 87% bei enger Mach-Zuel vun 1,0 an engem Duerchflusskoeffizient vun 0,24 erreecht ginn.
Déi méi kleng Spiral erlaabt Iech Kollisiounen mat anere Spiralzänn ze vermeiden, wann den Duerchmiesser vum grousse Zännrad reduzéiert gëtt. D'Betreiber kënnen Käschte spueren andeems se vun engem 6-Pol-Motor op e 4-Pol-Motor mat méi héijer Geschwindegkeet (1000 bis 1500 U/min) wiesselen, ouni déi maximal zulässlech Zännradgeschwindegkeet ze iwwerschreiden. Zousätzlech kann et d'Materialkäschte fir spiralfërmeg a grouss Zännrad reduzéieren.
Insgesamt kann den Haaptkompressor bis zu 2% u Kapitalkäschte spueren, an de Motor kann och 2% u Kapitalkäschte spueren. Well kompakt Spiralventile liicht manner effizient sinn, hänkt d'Entscheedung, se ze benotzen, gréisstendeels vun de Prioritéite vum Client of (Käschten vs. Effizienz) a muss vu Projet zu Projet beurteelt ginn.
Fir d'Kontrollméiglechkeeten ze erhéijen, kann den IGV viru verschiddene Bühnen installéiert ginn. Dëst steet am staarke Géigesaz zu fréiere IGC-Projeten, déi nëmmen IGVen bis an déi éischt Phas abegraff hunn.
A fréiere Versioune vum IGC ass de Wirbelkoeffizient (dh de Wénkel vum zweeten IGV gedeelt duerch de Wénkel vum éischten IGV1) konstant bliwwen, egal ob de Stroum no vir (Wénkel > 0°, reduzéierend Drock) oder no hannen (Wénkel < 0) war. Bei ° klëmmt den Drock. Dëst ass en Nodeel, well d'Zeechen vum Wénkel tëscht positiven an negativen Wirbel ännert.
Déi nei Konfiguratioun erlaabt d'Benotzung vun zwou verschiddene Wirbelverhältnisser, wann d'Maschinn am Vir- an am Réckwärtsdriwwene Wirbelmodus ass, wouduerch de Kontrollberäich ëm 4% erhéicht gëtt, während d'Effizienz konstant bäibehale gëtt.
Duerch d'Integratioun vun engem LS-Diffusor fir den Impeller, deen üblech a BACs benotzt gëtt, kann d'Méistufeg-Effizienz op 89% erhéicht ginn. Dëst, zesumme mat anere Verbesserunge vun der Effizienz, reduzéiert d'Zuel vun den BAC-Etappen, während d'Gesamteffizienz vum Zuch bäibehale gëtt. D'Reduktioun vun der Zuel vun den Etappen eliminéiert de Besoin fir en Intercooler, déi associéiert Prozessgasleitungen, a Rotor- a Statorkomponenten, wat zu Käschtenerspuernisser vun 10% féiert. Zousätzlech ass et a ville Fäll méiglech, den Haaptloftkompressor an de Boosterkompressor an enger Maschinn ze kombinéieren.
Wéi scho gesot, ass normalerweis en Zwëschenzahnrad tëscht der Dampfturbinn an dem VAC noutwendeg. Mam neien IGC-Design vu Siemens Energy kann dëst Leerzahnrad an d'Getriebe integréiert ginn, andeems eng Leerzahnwelle tëscht der Ritzwelle an dem grousse Zahnrad (4 Zahnrad) bäigefüügt gëtt. Dëst kann d'Gesamtleitungskäschten (Haaptkompressor plus Hëllefsausrüstung) ëm bis zu 4% reduzéieren.
Zousätzlech sinn 4-Ritzelzahnrad eng méi effizient Alternativ zu kompakte Scrollmotoren fir de Wiessel vu 6-Pole- op 4-Pole-Motoren a groussen Haaptloftkompressoren (wann et eng Méiglechkeet vun enger Spiralkollisioun gëtt oder wann déi maximal zulässlech Ritzeldrehzahl reduzéiert gëtt).
Hire Gebrauch gëtt och ëmmer méi heefeg a verschiddene Mäert, déi fir d'industriell Dekarboniséierung wichteg sinn, dorënner Wärmepompelen a Dampkompressioun, souwéi CO2-Kompressioun bei Entwécklungen am Beräich vun der Kuelestoffoflagerung, -ausnotzung a -späicherung (CCUS).
Siemens Energy huet eng laang Geschicht am Design a Betrib vun IGCs. Wéi déi uewe genannten (an aner) Fuerschungs- an Entwécklungsaktivitéite bewisen, engagéiere mir eis fir dës Maschinnen kontinuéierlech z'innovéieren, fir eenzegaarteg Uwendungsbedürfnisser gerecht ze ginn an déi wuessend Maartufroen no méi niddrege Käschten, erhéichter Effizienz a méi héijer Nohaltegkeet ze erfëllen. KT2
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 28. Abrëll 2024