Höfundur: Lukas Bijikli, vöruframkvæmdastjóri, samþættar gírdrifnar, rannsóknir og þróun á CO2 þjöppunar- og hitadælum, Siemens Energy.
Í mörg ár hefur samþætt gírþjöppu (IGC) verið valin tækni fyrir loftskiljunarstöðvar. Þetta er aðallega vegna mikillar skilvirkni þeirra, sem leiðir beint til lækkaðs kostnaðar við súrefni, köfnunarefni og óvirk gas. Hins vegar setur vaxandi áhersla á kolefnislosun nýjar kröfur til samþættra gírþjöppna, sérstaklega hvað varðar skilvirkni og sveigjanleika í reglugerðum. Fjárfestingar eru áfram mikilvægur þáttur fyrir rekstraraðila stöðva, sérstaklega í litlum og meðalstórum fyrirtækjum.
Undanfarin ár hefur Siemens Energy hafið nokkur rannsóknar- og þróunarverkefni (R&D) sem miða að því að auka getu IGC til að mæta breyttum þörfum markaðarins fyrir loftskiljun. Þessi grein fjallar um nokkrar sérstakar hönnunarbætur sem við höfum gert og fjallar um hvernig þessar breytingar geta hjálpað til við að ná markmiðum viðskiptavina okkar um kostnaðar- og kolefnislækkun.
Flestar loftskiljunareiningar í dag eru búnar tveimur þjöppum: aðalloftþjöppu (MAC) og loftþjöppu (BAC). Aðalloftþjöppan þjappar venjulega öllu loftflæðinu frá andrúmsloftsþrýstingi niður í um það bil 6 bör. Hluti af þessu flæði er síðan þjappað frekar í BAC niður í allt að 60 bör þrýsting.
Eftir orkugjafa er þjöppan venjulega knúin áfram af gufutúrbínu eða rafmótor. Þegar gufutúrbína er notuð eru báðar þjöppurnar knúnar áfram af sömu túrbínu í gegnum tvöfalda ásenda. Í hefðbundnu kerfi er milligír settur upp á milli gufutúrbínunnar og HAC (Mynd 1).
Í bæði rafknúnum og gufutúrbínuknúnum kerfum er skilvirkni þjöppunnar öflugur stuðningur við kolefnislosun þar sem hún hefur bein áhrif á orkunotkun einingarinnar. Þetta er sérstaklega mikilvægt fyrir gufutúrbínuknúnar hitaveitur, þar sem megnið af varmanum til gufuframleiðslu fæst í katlum sem eru knúnir jarðefnaeldsneyti.
Þó að rafmótorar bjóði upp á umhverfisvænni valkost við gufutúrbínur, er oft meiri þörf fyrir sveigjanleika í stjórnun. Margar nútíma loftskiljunarstöðvar sem eru byggðar í dag eru tengdar við raforkunet og nota endurnýjanlega orku í miklu magni. Í Ástralíu, til dæmis, eru áætlanir um að byggja nokkrar grænar ammoníakstöðvar sem munu nota loftskiljunareiningar (ASU) til að framleiða köfnunarefni fyrir ammoníakmyndun og er gert ráð fyrir að þær fái rafmagn frá vind- og sólarorkuverum í nágrenninu. Í þessum stöðvum er sveigjanleiki í reglugerðum mikilvægur til að bæta upp fyrir náttúrulegar sveiflur í orkuframleiðslu.
Siemens Energy þróaði fyrstu IGC þjöppuna (áður þekkt sem VK) árið 1948. Í dag framleiðir fyrirtækið meira en 2.300 einingar um allan heim, og margar þeirra eru hannaðar fyrir notkun með rennslishraða yfir 400.000 m3/klst. Nútíma MGP þjöppur okkar hafa rennslishraða allt að 1,2 milljónir rúmmetra á klukkustund í einni byggingu. Þar á meðal eru gírlausar útgáfur af stjórnborðsþjöppum með þrýstihlutföllum allt að 2,5 eða hærri í eins þrepa útgáfum og þrýstihlutföllum allt að 6 í raðútgáfum.
Á undanförnum árum höfum við gert nokkrar athyglisverðar hönnunarbætur til að mæta vaxandi kröfum um skilvirkni IGC, sveigjanleika í reglugerðum og fjármagnskostnað, sem eru teknar saman hér að neðan.
Breytileg skilvirkni fjölda hjóla sem venjulega eru notaðir í fyrsta MAC-stigi er aukin með því að breyta lögun blaðanna. Með þessu nýja hjóli er hægt að ná allt að 89% skilvirkni í samsetningu við hefðbundna LS-dreifara og yfir 90% í samsetningu við nýja kynslóð blendingadreifara.
Að auki hefur hjólið Mach-tölu sem er hærri en 1,3, sem gefur fyrsta þrepinu hærri aflþéttleika og þjöppunarhlutfall. Þetta dregur einnig úr þeim krafti sem gírar í þriggja þrepa MAC-kerfum verða að flytja, sem gerir kleift að nota minni gíra og beinan drifgírkassa í fyrstu þrepunum.
Í samanburði við hefðbundinn LS-blöðudreifara í fullri lengd hefur næstu kynslóð blendingardreifara aukið stiganýtni um 2,5% og stýristuðul um 3%. Þessi aukning næst með því að blanda blöðunum saman (þ.e. blöðin eru skipt í hluta í fullri hæð og hluta í hálfri hæð). Í þessari stillingu.
Flæðisúttakið milli hjólsins og dreifarans minnkar um þann hluta af hæð blaðanna sem er staðsettur nær hjólinu en blöð hefðbundins LS dreifara. Eins og með hefðbundinn LS dreifara eru frambrúnir blaðanna í fullri lengd jafnlangt frá hjólinu til að koma í veg fyrir samspil hjólsins og dreifarans sem gæti skemmt blöðin.
Að auka að hluta til hæð blaðanna nær hjólinu bætir einnig flæðisstefnu nálægt púlsunarsvæðinu. Þar sem fremri brún blaðsins í fullri lengd er með sama þvermál og hefðbundinn LS-dreifari, er inngjöfin óbreytt, sem gerir kleift að beita fjölbreyttari notkun og stilla.
Vatnsinnspýting felur í sér að vatnsdropum er sprautað inn í loftstrauminn í sogrörinu. Droparnir gufa upp og taka í sig hita úr ferlisgasstraumnum, sem lækkar þannig inntakshitastigið að þjöppunarstiginu. Þetta leiðir til minnkunar á orkuþörf með jafnri ísótrópískri virkni og aukinnar skilvirkni um meira en 1%.
Herðing á gírskaftinu gerir þér kleift að auka leyfilega spennu á flatarmálseiningu, sem gerir þér kleift að minnka tannbreiddina. Þetta dregur úr vélrænu tapi í gírkassanum um allt að 25%, sem leiðir til allt að 0,5% aukningar á heildarnýtni. Að auki er hægt að lækka kostnað aðalþjöppunnar um allt að 1% þar sem minna málmur er notaður í stóra gírkassanum.
Þetta hjól getur starfað með rennslisstuðli (φ) allt að 0,25 og veitir 6% meiri hæð en 65 gráðu hjól. Að auki nær rennslisstuðullinn 0,25 og í tvöfaldri rennslis hönnun IGC vélarinnar nær rúmmálsflæðið 1,2 milljónir m3/klst eða jafnvel 2,4 milljónir m3/klst.
Hærra phi-gildi gerir kleift að nota hjól með minni þvermál við sama rúmmálsflæði, sem lækkar kostnað við aðalþjöppuna um allt að 4%. Hægt er að minnka þvermál fyrsta þreps hjólsins enn frekar.
Hærri þrýstingur næst með 75° sveigjuhorni hjólsins, sem eykur ummálshraðaþáttinn við útrásina og gefur þannig hærri þrýsting samkvæmt jöfnu Eulers.
Í samanburði við hraðvirkar og afkastamiklar hjólar er afköst hjólsins örlítið minni vegna meiri taps í snúningsásnum. Þetta er hægt að bæta upp með því að nota meðalstóran snigil. Hins vegar, jafnvel án þessara snúningsása, er hægt að ná breytilegri afköstum allt að 87% við Mach-tölu upp á 1,0 og rennslisstuðul upp á 0,24.
Minni snúningsásinn gerir þér kleift að forðast árekstra við aðra snúningsása þegar þvermál stóra gírsins er minnkað. Rekstraraðilar geta sparað kostnað með því að skipta úr 6-póla mótor yfir í 4-póla mótor með meiri hraða (1000 snúninga á mínútu til 1500 snúninga á mínútu) án þess að fara yfir leyfilegan hámarkshraða gírsins. Að auki getur það dregið úr efniskostnaði fyrir skrúfgír og stóra gír.
Í heildina getur aðalþjöppan sparað allt að 2% í fjárfestingarkostnaði, auk þess sem vélin getur einnig sparað 2% í fjárfestingarkostnaði. Þar sem samþjöppuð þjöppuþjöppur eru nokkuð minna skilvirkar, fer ákvörðunin um notkun þeirra að miklu leyti eftir forgangsröðun viðskiptavinarins (kostnaður á móti skilvirkni) og verður að meta hana verkefni fyrir verkefni.
Til að auka stjórnunargetu er hægt að setja upp IGV-inn fyrir framan mörg stig. Þetta er í mikilli andstöðu við fyrri IGC verkefni, sem aðeins innihéldu IGV-a fram að fyrsta áfanga.
Í fyrri útgáfum af IGC hélst hvirfilstuðullinn (þ.e. horn annars IGV deilt með horni fyrsta IGV1) stöðugur óháð því hvort flæðið var fram á við (horn > 0°, minnkandi þrýstingur) eða öfug hvirfil (horn < 0). Ef þrýstingurinn eykst eykst þetta. Þetta er óhagstætt þar sem formerki hornsins breytist á milli jákvæðra og neikvæðra hvirfla.
Nýja stillingin gerir kleift að nota tvö mismunandi hvirfilhlutföll þegar vélin er í hvirfilham áfram og aftur á bak, og þannig auka stjórnsviðið um 4% en viðhalda stöðugri skilvirkni.
Með því að fella inn LS-dreifara fyrir hjólið, sem almennt er notað í loftþjöppum (BACs), er hægt að auka fjölþrepanýtni í 89%. Þetta, ásamt öðrum hagkvæmnibótum, dregur úr fjölda BAC-þrepa en viðheldur heildarhagkvæmni lestarinnar. Með því að fækka þrepum er ekki þörf á millikæli, tengdum ferlisgasleiðslum og snúnings- og statoríhlutum, sem leiðir til 10% sparnaðar. Að auki er í mörgum tilfellum mögulegt að sameina aðalloftþjöppuna og hvataþjöppuna í einni vél.
Eins og áður hefur komið fram er venjulega þörf á milligír milli gufutúrbínunnar og loftþrýstingskælikerfisins (VAC). Með nýju hönnuninni á IGC frá Siemens Energy er hægt að samþætta þennan lausagangsgír í gírkassann með því að bæta við lausagangi á milli drifássins og stóra gírsins (4 gírar). Þetta getur lækkað heildarkostnað línunnar (aðalþjöppu ásamt aukabúnaði) um allt að 4%.
Að auki eru 4-gírhjóladrifnir gírar skilvirkari valkostur við samþjöppuð skrúfumótorar til að skipta úr 6-póla yfir í 4-póla mótora í stórum aðalloftþjöppum (ef möguleiki er á árekstri snúningsása eða ef leyfilegur hámarkshraði gírhjólsins minnkar).
Notkun þeirra er einnig að verða algengari á nokkrum mörkuðum sem eru mikilvægir fyrir iðnaðarafkolefnislosun, þar á meðal varmadælur og gufuþjöppun, sem og CO2-þjöppun í þróun kolefnisbindingar, nýtingar og geymslu (CCUS).
Siemens Energy á sér langa sögu í hönnun og rekstri innri rafgeyma (IGC). Eins og framangreint (og önnur) rannsóknar- og þróunarstarf sýnir, erum við staðráðin í að stöðugt þróa þessar vélar til að mæta einstökum þörfum og vaxandi kröfum markaðarins um lægri kostnað, aukna skilvirkni og aukna sjálfbærni. KT2
Birtingartími: 28. apríl 2024