Penulis: Lukas Bijikli, Manajer Portofolio Produk, Drive Gear Terpadu, Kompresi R&D CO2 dan Pompa Panas, Siemens Energy.
Selama bertahun -tahun, kompresor roda gigi terintegrasi (IGC) telah menjadi teknologi pilihan untuk pabrik pemisahan udara. Ini terutama karena efisiensi tinggi, yang secara langsung mengarah pada pengurangan biaya untuk gas oksigen, nitrogen dan inert. Namun, fokus yang berkembang pada dekarbonisasi menempatkan tuntutan baru pada IPC, terutama dalam hal efisiensi dan fleksibilitas peraturan. Pengeluaran modal terus menjadi faktor penting bagi operator pabrik, terutama di perusahaan kecil dan menengah.
Selama beberapa tahun terakhir, Siemens Energy telah memulai beberapa proyek penelitian dan pengembangan (R&D) yang bertujuan memperluas kemampuan IGC untuk memenuhi perubahan kebutuhan pasar pemisahan udara. Artikel ini menyoroti beberapa peningkatan desain spesifik yang telah kami buat dan membahas bagaimana perubahan ini dapat membantu memenuhi tujuan biaya dan pengurangan karbon pelanggan kami.
Sebagian besar unit pemisahan udara saat ini dilengkapi dengan dua kompresor: kompresor udara utama (MAC) dan kompresor udara Boost (BAC). Kompresor udara utama biasanya memampatkan seluruh aliran udara dari tekanan atmosfer hingga sekitar 6 bar. Sebagian dari aliran ini kemudian dikompresi lebih lanjut dalam BAC ke tekanan hingga 60 bar.
Bergantung pada sumber energi, kompresor biasanya digerakkan oleh turbin uap atau motor listrik. Saat menggunakan turbin uap, kedua kompresor digerakkan oleh turbin yang sama melalui ujung poros kembar. Dalam skema klasik, gigi perantara dipasang antara turbin uap dan HAC (Gbr. 1).
Baik dalam sistem yang digerakkan secara elektrik dan turbin uap, efisiensi kompresor adalah tuas yang kuat untuk dekarbonisasi karena secara langsung berdampak pada konsumsi energi unit. Ini sangat penting untuk MGP yang digerakkan oleh turbin uap, karena sebagian besar panas untuk produksi uap diperoleh dalam boiler berbahan bakar bahan bakar fosil.
Meskipun motor listrik memberikan alternatif yang lebih hijau untuk drive turbin uap, seringkali ada kebutuhan yang lebih besar untuk fleksibilitas kontrol. Banyak tanaman pemisahan udara modern yang sedang dibangun saat ini terhubung dengan jaringan dan memiliki tingkat penggunaan energi terbarukan yang tinggi. Di Australia, misalnya, ada rencana untuk membangun beberapa pabrik amonia hijau yang akan menggunakan unit pemisahan udara (ASU) untuk menghasilkan nitrogen untuk sintesis amonia dan diharapkan menerima listrik dari angin terdekat dan peternakan surya. Pada tanaman ini, fleksibilitas peraturan sangat penting untuk mengimbangi fluktuasi alami dalam pembangkit listrik.
Siemens Energy mengembangkan IGC pertama (sebelumnya dikenal sebagai VK) pada tahun 1948. Hari ini perusahaan memproduksi lebih dari 2.300 unit di seluruh dunia, banyak di antaranya dirancang untuk aplikasi dengan laju aliran lebih dari 400.000 m3/jam. MGP modern kami memiliki laju aliran hingga 1,2 juta meter kubik per jam dalam satu gedung. Ini termasuk versi tanpa gigi dari kompresor konsol dengan rasio tekanan hingga 2,5 atau lebih tinggi dalam versi tahap tunggal dan rasio tekanan hingga 6 dalam versi serial.
Dalam beberapa tahun terakhir, untuk memenuhi meningkatnya tuntutan efisiensi IGC, fleksibilitas peraturan dan biaya modal, kami telah membuat beberapa peningkatan desain yang penting, yang dirangkum di bawah ini.
Efisiensi variabel dari sejumlah impeler yang biasanya digunakan pada tahap MAC pertama meningkat dengan memvariasikan geometri blade. Dengan impeller baru ini, efisiensi variabel hingga 89% dapat dicapai dalam kombinasi dengan diffuser LS konvensional dan lebih dari 90% dalam kombinasi dengan generasi baru diffuser hibrida.
Selain itu, impeller memiliki nomor Mach lebih tinggi dari 1,3, yang memberikan tahap pertama dengan kepadatan daya dan rasio kompresi yang lebih tinggi. Ini juga mengurangi daya yang harus ditransmisikan oleh roda gigi dalam tiga tahap, memungkinkan penggunaan gigi berdiameter lebih kecil dan gearbox drive langsung pada tahap pertama.
Dibandingkan dengan diffuser LS Vane full-length tradisional, diffuser hybrid generasi berikutnya memiliki peningkatan efisiensi tahap 2,5% dan faktor kontrol 3%. Peningkatan ini dicapai dengan mencampurkan bilah (yaitu bilah dibagi menjadi bagian tinggi dan setinggi parsial). Dalam konfigurasi ini
Output aliran antara impeller dan diffuser dikurangi dengan sebagian dari ketinggian blade yang terletak lebih dekat ke impeller daripada bilah diffuser LS konvensional. Seperti halnya diffuser LS konvensional, tepi terkemuka bilah panjang penuh sama dari impeller untuk menghindari interaksi impeller-difuser yang dapat merusak bilah.
Sebagian meningkatkan ketinggian bilah lebih dekat ke impeller juga meningkatkan arah aliran di dekat zona denyut. Karena tepi terdepan dari bagian baling-baling full-length tetap memiliki diameter yang sama dengan diffuser LS konvensional, garis throttle tidak terpengaruh, memungkinkan untuk rentang aplikasi dan penyetelan yang lebih luas.
Injeksi air melibatkan suntikan tetesan air ke dalam aliran udara di tabung hisap. Tetesan menguap dan menyerap panas dari proses gas proses, sehingga mengurangi suhu saluran masuk ke tahap kompresi. Ini menghasilkan pengurangan kebutuhan daya isentropik dan peningkatan efisiensi lebih dari 1%.
Mengeraskan poros roda gigi memungkinkan Anda untuk meningkatkan stres yang diizinkan per satuan area, yang memungkinkan Anda untuk mengurangi lebar gigi. Ini mengurangi kerugian mekanis di gearbox hingga 25%, yang mengakibatkan peningkatan efisiensi keseluruhan hingga 0,5%. Selain itu, biaya kompresor utama dapat dikurangi hingga 1% karena lebih sedikit logam yang digunakan dalam gearbox besar.
Impeller ini dapat beroperasi dengan koefisien aliran (φ) hingga 0,25 dan memberikan 6% lebih banyak kepala dari 65 derajat impeler. Selain itu, koefisien aliran mencapai 0,25, dan dalam desain aliran ganda mesin IGC, aliran volumetrik mencapai 1,2 juta m3/jam atau bahkan 2,4 juta m3/jam.
Nilai PHI yang lebih tinggi memungkinkan penggunaan impeller berdiameter yang lebih kecil pada aliran volume yang sama, sehingga mengurangi biaya kompresor utama hingga 4%. Diameter impeller tahap pertama dapat dikurangi lebih jauh.
Kepala yang lebih tinggi dicapai dengan sudut defleksi impeller 75 °, yang meningkatkan komponen kecepatan melingkar di outlet dan dengan demikian memberikan kepala yang lebih tinggi sesuai dengan persamaan Euler.
Dibandingkan dengan impeler berkecepatan tinggi dan efisiensi tinggi, efisiensi impeller sedikit berkurang karena kerugian yang lebih tinggi dalam volute. Ini dapat dikompensasi dengan menggunakan siput berukuran sedang. Namun, bahkan tanpa volute ini, efisiensi variabel hingga 87% dapat dicapai pada jumlah Mach 1,0 dan koefisien aliran 0,24.
Volute yang lebih kecil memungkinkan Anda untuk menghindari tabrakan dengan volute lain ketika diameter gigi besar berkurang. Operator dapat menghemat biaya dengan beralih dari motor 6-tiang ke motor 4-tiang berkecepatan lebih tinggi (1000 rpm ke 1500 rpm) tanpa melebihi kecepatan gigi maksimum yang diijinkan. Selain itu, dapat mengurangi biaya material untuk roda gigi heliks dan besar.
Secara keseluruhan, kompresor utama dapat menghemat hingga 2% dalam biaya modal, ditambah mesin juga dapat menghemat 2% dalam biaya modal. Karena volute kompak agak kurang efisien, keputusan untuk menggunakannya sebagian besar tergantung pada prioritas klien (biaya vs efisiensi) dan harus dinilai berdasarkan proyek-per proyek.
Untuk meningkatkan kemampuan kontrol, IGV dapat dipasang di depan beberapa tahap. Ini sangat kontras dengan proyek IGC sebelumnya, yang hanya termasuk IGV hingga fase pertama.
Dalam iterasi IGC sebelumnya, koefisien vortex (yaitu, sudut IGV kedua dibagi dengan sudut IGV1 pertama) tetap konstan terlepas dari apakah alirannya maju (sudut> 0 °, mengurangi kepala) atau vortex terbalik (sudut <0). °, tekanan meningkat). Ini tidak menguntungkan karena tanda sudut berubah antara vortisitas positif dan negatif.
Konfigurasi baru memungkinkan dua rasio vortex yang berbeda untuk digunakan ketika mesin berada di mode vortex maju dan terbalik, sehingga meningkatkan rentang kontrol sebesar 4% sambil mempertahankan efisiensi konstan.
Dengan menggabungkan diffuser LS untuk impeller yang biasa digunakan dalam BAC, efisiensi multi-tahap dapat ditingkatkan menjadi 89%. Ini, dikombinasikan dengan peningkatan efisiensi lainnya, mengurangi jumlah tahapan BAC sambil mempertahankan efisiensi kereta secara keseluruhan. Mengurangi jumlah tahapan menghilangkan kebutuhan untuk intercooler, pipa gas proses terkait, dan komponen rotor dan stator, menghasilkan penghematan biaya 10%. Selain itu, dalam banyak kasus dimungkinkan untuk menggabungkan kompresor udara utama dan kompresor pendorong dalam satu mesin.
Seperti disebutkan sebelumnya, gigi perantara biasanya diperlukan antara turbin uap dan VAC. Dengan desain IGC baru dari Siemens Energy, gigi pemalas ini dapat diintegrasikan ke dalam gearbox dengan menambahkan poros pemalas antara poros pinion dan gigi besar (4 gigi). Ini dapat mengurangi total biaya garis (kompresor utama ditambah peralatan tambahan) hingga 4%.
Selain itu, roda gigi 4-pinion adalah alternatif yang lebih efisien untuk motor gulir kompak untuk beralih dari 6-kutub ke motor 4-kutub dalam kompresor udara utama besar (jika ada kemungkinan tabrakan volute atau jika kecepatan pinion maksimum yang diizinkan akan dikurangi). ) masa lalu.
Penggunaannya juga menjadi lebih umum di beberapa pasar yang penting untuk dekarbonisasi industri, termasuk pompa panas dan kompresi uap, serta kompresi CO2 dalam pengembangan penangkapan karbon, pemanfaatan dan penyimpanan (CCUS).
Siemens Energy memiliki sejarah panjang dalam merancang dan mengoperasikan IGC. Sebagaimana dibuktikan oleh upaya penelitian dan pengembangan di atas (dan lainnya), kami berkomitmen untuk terus berinovasi mesin -mesin ini untuk memenuhi kebutuhan aplikasi yang unik dan memenuhi permintaan pasar yang meningkat untuk biaya yang lebih rendah, peningkatan efisiensi dan peningkatan keberlanjutan. KT2
Waktu posting: APR-28-2024