Аўтар: Лукас Біджыклі, менеджэр па партфелі прадуктаў, інтэграваныя зубчастыя прывады, даследаванні і распрацоўкі ў галіне кампрэсіі CO2 і цеплавых помпаў, Siemens Energy.
На працягу многіх гадоў інтэграваны рэдукцыйны кампрэсар (ІРК) быў абранай тэхналогіяй для паветрараздзяляльных установак. Гэта ў асноўным звязана з яго высокай эфектыўнасцю, якая непасрэдна прыводзіць да зніжэння выдаткаў на кісларод, азот і інэртны газ. Аднак усё большая ўвага да дэкарбанізацыі прад'яўляе новыя патрабаванні да ІРК, асабліва з пункту гледжання эфектыўнасці і гнуткасці рэгулявання. Капітальныя выдаткі працягваюць заставацца важным фактарам для аператараў установак, асабліва ў малых і сярэдніх прадпрыемствах.
За апошнія некалькі гадоў кампанія Siemens Energy ініцыявала некалькі даследчых і распрацоўчых праектаў (R&D), накіраваных на пашырэнне магчымасцей міжкрышталічнага разбурэння (IGC) для задавальнення зменлівых патрэб рынку паветрападзелу. У гэтым артыкуле асвятляюцца некаторыя канкрэтныя ўдасканаленні канструкцыі, якія мы ўнеслі, і абмяркоўваецца, як гэтыя змены могуць дапамагчы дасягнуць мэтаў нашых кліентаў па скарачэнні выдаткаў і выкідаў вугляроду.
Большасць сучасных паветрараздзяляльных установак абсталяваны двума кампрэсарамі: асноўным паветраным кампрэсарам (MAC) і кампрэсарам павышальнага паветра (BAC). Асноўны паветраны кампрэсар звычайна сціскае ўвесь паветраны паток з атмасфернага ціску прыблізна да 6 бар. Частка гэтага патоку затым дадаткова сціскаецца ў BAC да ціску да 60 бар.
У залежнасці ад крыніцы энергіі кампрэсар звычайна прыводзіцца ў рух паравой турбінай або электрарухавіком. Пры выкарыстанні паравой турбіны абодва кампрэсары прыводзяцца ў рух адной і той жа турбінай праз два канцы вала. У класічнай схеме паміж паравой турбінай і ГАК усталёўваецца прамежкавая шасцярня (мал. 1).
Як у сістэмах з электрычным прывадам, так і ў сістэмах з паравым прывадам, эфектыўнасць кампрэсара з'яўляецца магутным рычагом дэкарбанізацыі, паколькі яна непасрэдна ўплывае на спажыванне энергіі агрэгатам. Гэта асабліва важна для масавых газагенератараў, якія працуюць на паравых турбінах, паколькі большая частка цяпла для вытворчасці пары атрымліваецца ў катлах, якія працуюць на выкапнёвым паліве.
Нягледзячы на тое, што электрарухавікі з'яўляюцца больш экалагічнай альтэрнатывай прывадам паравых турбін, часта існуе большая патрэба ў гнуткасці кіравання. Многія сучасныя паветрараздзяляльныя ўстаноўкі, якія будуюцца сёння, падключаны да сеткі і маюць высокі ўзровень выкарыстання аднаўляльных крыніц энергіі. Напрыклад, у Аўстраліі плануецца пабудаваць некалькі зялёных аміячных заводаў, якія будуць выкарыстоўваць паветрараздзяляльныя ўстаноўкі (ВРУ) для вытворчасці азоту для сінтэзу аміяку і, як чакаецца, будуць атрымліваць электраэнергію ад бліжэйшых ветраных і сонечных электрастанцый. На гэтых станцыях гнуткасць рэгулявання мае вырашальнае значэнне для кампенсацыі натуральных ваганняў вытворчасці электраэнергіі.
Кампанія Siemens Energy распрацавала першы IGC (раней вядомы як VK) у 1948 годзе. Сёння кампанія вырабляе больш за 2300 адзінак па ўсім свеце, многія з якіх прызначаны для прымянення з хуткасцю патоку больш за 400 000 м3/г. Нашы сучасныя MGP маюць хуткасць патоку да 1,2 мільёна кубічных метраў у гадзіну ў адным корпусе. Да іх адносяцца безрэдуктарныя версіі кансольных кампрэсараў з каэфіцыентамі ціску да 2,5 і вышэй у аднаступенчатых версіях і каэфіцыентамі ціску да 6 у серыйных версіях.
У апошнія гады, каб задаволіць растучыя патрабаванні да эфектыўнасці міжкрышталічнага працэсу (IGC), гнуткасці рэгулявання і капітальных выдаткаў, мы ўнеслі некаторыя прыкметныя паляпшэнні ў канструкцыю, якія коратка апісаны ніжэй.
Зменная эфектыўнасць шэрагу рабочых колаў, якія звычайна выкарыстоўваюцца ў першай ступені MAC, павялічваецца шляхам змены геаметрыі лапатак. З дапамогай гэтага новага рабочага кола можна дасягнуць зменнай эфектыўнасці да 89% у спалучэнні з традыцыйнымі дыфузарамі LS і больш за 90% у спалучэнні з новым пакаленнем гібрыдных дыфузараў.
Акрамя таго, лік Маха крыльчаткі вышэйшы за 1,3, што забяспечвае першай ступені больш высокую шчыльнасць магутнасці і ступень сціску. Гэта таксама памяншае магутнасць, якую павінны перадаваць шасцярні ў трохступеньчатых сістэмах MAC, што дазваляе выкарыстоўваць шасцярні меншага дыяметра і рэдуктары прамога прывада ў першых ступенях.
У параўнанні з традыцыйным дыфузарам LS з лапаткамі поўнай даўжыні, гібрыдны дыфузар наступнага пакалення мае павышаную эфектыўнасць прыступкі на 2,5% і каэфіцыент кіравання на 3%. Гэта павелічэнне дасягаецца за кошт змешвання лапатак (г.зн. лапаткі падзелены на секцыі поўнай і частковай вышыні). У гэтай канфігурацыі
Выхадны паток паміж рабочым колам і дыфузарам памяншаецца на частку вышыні лапаткі, якая размешчана бліжэй да рабочага кола, чым лапаткі звычайнага дыфузара LS. Як і ў звычайным дыфузары LS, пярэднія краю лапатак па ўсёй даўжыні знаходзяцца на роўнай адлегласці ад рабочага кола, каб пазбегнуць узаемадзеяння рабочага кола і дыфузара, якое можа пашкодзіць лапаткі.
Частковае павелічэнне вышыні лапатак бліжэй да крыльчаткі таксама паляпшае кірунак патоку паблізу зоны пульсацыі. Паколькі пярэдні край поўнапамернай секцыі лапаткі застаецца таго ж дыяметра, што і ў звычайнага дыфузара LS, лінія дросельнай засланкі не змяняецца, што дазваляе пашырыць дыяпазон прымянення і налады.
Упырск вады прадугледжвае ўпырскванне кропель вады ў паветраны паток ва ўсмоктвальнай трубцы. Кропелькі выпараюцца і паглынаюць цяпло з патоку тэхналагічнага газу, тым самым зніжаючы тэмпературу на ўваходзе ў стадыю сціску. Гэта прыводзіць да зніжэння патрабаванняў да ізантропнай магутнасці і павышэння эфектыўнасці больш чым на 1%.
Загартоўка вала шасцярні дазваляе павялічыць дапушчальнае напружанне на адзінку плошчы, што дазваляе паменшыць шырыню зуба. Гэта зніжае механічныя страты ў рэдуктары да 25%, што прыводзіць да павелічэння агульнай эфектыўнасці да 0,5%. Акрамя таго, выдаткі на галоўны кампрэсар можна знізіць да 1%, паколькі ў вялікім рэдуктары выкарыстоўваецца менш металу.
Гэтае працоўнае кола можа працаваць з каэфіцыентам патоку (φ) да 0,25 і забяспечвае на 6% большы напор, чым працоўнае кола з вуглом нахілу 65 градусаў. Акрамя таго, каэфіцыент патоку дасягае 0,25, а ў двухпаточнай канструкцыі машыны IGC аб'ёмны паток дасягае 1,2 мільёна м3/г або нават 2,4 мільёна м3/г.
Больш высокае значэнне фі дазваляе выкарыстоўваць крыльчатку меншага дыяметра пры тым жа аб'ёмным патоку, тым самым зніжаючы кошт асноўнага кампрэсара да 4%. Дыяметр крыльчаткі першай ступені можна яшчэ больш паменшыць.
Большы напор дасягаецца за кошт вугла адхілення рабочага кола 75°, што павялічвае складнік акружной хуткасці на выхадзе і, такім чынам, забяспечвае большы напор згодна з ураўненнем Эйлера.
У параўнанні з высакахуткаснымі і высокаэфектыўнымі рабочымі коламі, эфектыўнасць рабочага кола некалькі зніжаецца з-за большых страт у спіральнай трубе. Гэта можна кампенсаваць выкарыстаннем слімака сярэдняга памеру. Аднак нават без гэтых спіральных труб можна дасягнуць зменнай эфектыўнасці да 87% пры ліку Маха 1,0 і каэфіцыенце патоку 0,24.
Меншы памер спіральнай трубкі дазваляе пазбегнуць сутыкненняў з іншымі спіральнымі трубкамі пры памяншэнні дыяметра вялікай шасцярні. Аператары могуць зэканоміць выдаткі, пераключыўшыся з 6-полюснага рухавіка на больш хуткасны 4-полюсны рухавік (ад 1000 да 1500 аб/мін), не перавышаючы максімальна дапушчальную хуткасць перадачы. Акрамя таго, гэта можа знізіць выдаткі на матэрыялы для спіральных і вялікіх шасцярняў.
У цэлым, галоўны кампрэсар можа зэканоміць да 2% капітальных выдаткаў, а рухавік таксама можа зэканоміць 2% капітальных выдаткаў. Паколькі кампактныя спіральныя кампрэсары некалькі менш эфектыўныя, рашэнне аб іх выкарыстанні ў значнай ступені залежыць ад прыярытэтаў кліента (кошт супраць эфектыўнасці) і павінна ацэньвацца ў кожным праекце асобна.
Каб пашырыць магчымасці кіравання, IGV можна ўсталяваць перад некалькімі этапамі. Гэта рэзка кантрастуе з папярэднімі праектамі IGC, якія ўключалі IGV толькі да першай фазы.
У папярэдніх ітэрацыях міжвіхарнага метаду (IGC) каэфіцыент віхуры (г.зн. вугал другога IGV, падзелены на вугал першага IGV1) заставаўся пастаянным незалежна ад таго, ці быў паток прамым (вугал > 0°, зніжэнне напору) ці зваротным віхурам (вугал < 0°, ціск павялічваецца). Гэта нявыгадна, таму што знак вугла змяняецца паміж станоўчымі і адмоўнымі віхарамі.
Новая канфігурацыя дазваляе выкарыстоўваць два розныя каэфіцыенты віхравых кручэнняў, калі машына знаходзіцца ў рэжыме прамога і зваротнага віхравых кручэнняў, тым самым павялічваючы дыяпазон кіравання на 4% пры захаванні пастаяннай эфектыўнасці.
Дзякуючы ўкамплектацыі дыфузара LS для рабочага кола, якое звычайна выкарыстоўваецца ў кампрэсарах паветранага паліва (BAC), шматступенчатую эфектыўнасць можна павялічыць да 89%. Гэта, у спалучэнні з іншымі паляпшэннямі эфектыўнасці, памяншае колькасць ступеняў BAC, захоўваючы пры гэтым агульную эфектыўнасць лініі. Зніжэнне колькасці ступеняў ліквідуе неабходнасць у прамежкавым ахаладжальніку, адпаведных трубаправодах тэхналагічнага газу, а таксама кампанентах ротара і статара, што прыводзіць да эканоміі сродкаў на 10%. Акрамя таго, у многіх выпадках можна аб'яднаць асноўны паветраны кампрэсар і бустэрны кампрэсар у адной машыне.
Як ужо згадвалася раней, паміж паравой турбінай і кандыцыянерам пераменнага току звычайна патрабуецца прамежкавая шасцярня. З новай канструкцыяй міжкрышталічнага кампрэсара ад Siemens Energy гэтую прамежкавую шасцярню можна інтэграваць у рэдуктар, дадаўшы прамежкавы вал паміж валам шасцярні і вялікай шасцярнёй (4 перадачы). Гэта можа знізіць агульны кошт лініі (галоўны кампрэсар плюс дапаможнае абсталяванне) да 4%.
Акрамя таго, 4-шасцярнёвыя рэдуктары з'яўляюцца больш эфектыўнай альтэрнатывай кампактным спіральным рухавікам для пераключэння з 6-полюсных на 4-полюсныя рухавікі ў буйных галоўных паветраных кампрэсарах (калі ёсць верагоднасць сутыкнення спіральных дыскаў або калі максімальна дапушчальная хуткасць кручэння шасцярні будзе зніжана).
Іх выкарыстанне таксама становіцца ўсё больш распаўсюджаным на некалькіх рынках, важных для прамысловай дэкарбанізацыі, у тым ліку ў цеплавых помпах і сцісканні пары, а таксама ў сцісканні CO2 пры распрацоўках сістэм улоўлівання, выкарыстання і захоўвання вугляроду (CCUS).
«Сіменс Энерджы» мае даўнюю гісторыю праектавання і эксплуатацыі міжкрышталічных катлоў. Як пацвярджаюць вышэйзгаданыя (і іншыя) даследчыя і распрацоўчыя намаганні, мы імкнемся пастаянна ўдасканальваць гэтыя машыны, каб задаволіць унікальныя патрэбы прымянення і адпавядаць растучым патрабаванням рынку да зніжэння выдаткаў, павышэння эфектыўнасці і ўстойлівасці. KT2
Час публікацыі: 28 красавіка 2024 г.