المؤلف: Lukas Bijikli ، مدير Product Portfolio ، محركات الترس المدمجة ، ضغط R&D CO2 ومضخات الحرارة ، Siemens Energy.
لسنوات عديدة ، كان ضاغط التروس المدمج (IGC) التكنولوجيا المفضلة لنباتات فصل الهواء. ويرجع ذلك بشكل أساسي إلى كفاءتها العالية ، مما يؤدي مباشرة إلى انخفاض تكاليف الأكسجين والنيتروجين والغاز الخامل. ومع ذلك ، فإن التركيز المتزايد على إزالة الكربون يضع مطالب جديدة على IPCs ، وخاصة من حيث الكفاءة والمرونة التنظيمية. لا تزال النفقات الرأسمالية عاملاً مهمًا لمشغلي المصنع ، وخاصة في الشركات الصغيرة والمتوسطة الحجم.
على مدار السنوات القليلة الماضية ، بدأت Siemens Energy العديد من مشاريع البحث والتطوير (R&D) التي تهدف إلى توسيع قدرات IGC لتلبية الاحتياجات المتغيرة لسوق فصل الهواء. تسلط هذه المقالة الضوء على بعض التحسينات المحددة للتصميم التي أجريناها ونناقش كيف يمكن أن تساعد هذه التغييرات في تلبية تكلفة عملائنا وأهداف الحد من الكربون.
تم تجهيز معظم وحدات فصل الهواء اليوم بضغوطين: ضاغط الهواء الرئيسي (MAC) وضاغط الهواء التعزيز (BAC). عادةً ما يضغط ضاغط الهواء الرئيسي على تدفق الهواء بالكامل من الضغط الجوي إلى حوالي 6 بار. ثم يتم ضغط جزء من هذا التدفق في BAC إلى ضغط يصل إلى 60 بار.
اعتمادًا على مصدر الطاقة ، عادة ما يكون الضاغط مدفوعًا بتوربينات بخارية أو محرك كهربائي. عند استخدام التوربينات البخارية ، يتم قيادة كلا الضواغطين بنفس التوربينات من خلال نهايات العمود المزدوج. في المخطط الكلاسيكي ، يتم تثبيت الترس الوسيط بين التوربينات البخارية و HAC (الشكل 1).
في كل من الأنظمة التي تعتمد على التوربينات التي تحركها كهربائياً وتوربينات البخارية ، تعد كفاءة الضاغط رافعة قوية لإزالة الكربون لأنها تؤثر بشكل مباشر على استهلاك الطاقة للوحدة. هذا مهم بشكل خاص بالنسبة إلى MGPs مدفوعة بالتوربينات البخارية ، حيث يتم الحصول على معظم الحرارة لإنتاج البخار في الغلايات التي تعمل بالوقود الأحفوري.
على الرغم من أن المحركات الكهربائية توفر بديلاً أكثر خضرة لمحركات التوربينات البخارية ، إلا أن هناك حاجة أكبر إلى مرونة التحكم. العديد من مصانع فصل الهواء الحديثة التي يتم بناؤها اليوم متصلة بالشبكة ولديها مستوى عال من استخدام الطاقة المتجددة. في أستراليا ، على سبيل المثال ، هناك خطط لبناء العديد من نباتات الأمونيا الخضراء التي ستستخدم وحدات فصل الهواء (ASUS) لإنتاج النيتروجين لتوليف الأمونيا ومن المتوقع أن تتلقى الكهرباء من مزارع الرياح والطاقة الشمسية القريبة. في هذه النباتات ، تعد المرونة التنظيمية أمرًا بالغ الأهمية للتعويض عن التقلبات الطبيعية في توليد الطاقة.
طورت Siemens Energy أول IGC (المعروف سابقًا باسم VK) في عام 1948. وتنتج الشركة اليوم أكثر من 2300 وحدة في جميع أنحاء العالم ، تم تصميم العديد منها للتطبيقات التي تزيد عن معدلات التدفق التي تزيد عن 400000 م 3/ساعة. لدينا MGPs الحديثة معدل تدفق يصل إلى 1.2 مليون متر مكعب في الساعة في مبنى واحد. وتشمل هذه الإصدارات بدون تروس من ضواغط وحدة التحكم مع نسب الضغط تصل إلى 2.5 أو أعلى في الإصدارات أحادية المرحلة ونسب الضغط حتى 6 في الإصدارات التسلسلية.
في السنوات الأخيرة ، لتلبية الطلبات المتزايدة على كفاءة IGC والمرونة التنظيمية والتكاليف الرأسمالية ، قمنا ببعض التحسينات البارزة في التصميم ، والتي تم تلخيصها أدناه.
يتم زيادة الكفاءة المتغيرة لعدد من الدهون المستخدمة عادة في مرحلة MAC الأولى عن طريق تغيير هندسة الشفرة. مع هذا المكره الجديد ، يمكن تحقيق الكفاءة المتغيرة التي تصل إلى 89 ٪ بالاشتراك مع نشرات LS التقليدية وأكثر من 90 ٪ مع الجيل الجديد من الناشرات الهجينة.
بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي المكره على عدد ماخ أعلى من 1.3 ، والذي يوفر المرحلة الأولى مع كثافة الطاقة ونسبة الضغط الأعلى. هذا يقلل أيضًا من الطاقة التي يجب أن تنقلها التروس في أنظمة MAC من ثلاث مراحل ، مما يسمح باستخدام التروس القطر الأصغر وعلب تروس محرك الأقراص المباشر في المراحل الأولى.
بالمقارنة مع ناشر LS Vane التقليدي ، فإن الناشر الهجين من الجيل التالي لديه زيادة في المرحلة بنسبة 2.5 ٪ وعامل التحكم بنسبة 3 ٪. يتم تحقيق هذه الزيادة عن طريق خلط الشفرات (أي أن الشفرات مقسمة إلى أقسام كاملة ونهبة جزئية). في هذا التكوين
يتم تقليل ناتج التدفق بين المكره والناشر من خلال جزء من ارتفاع الشفرة الذي يقع بالقرب من المكره من شفرات ناشر LS التقليدية. كما هو الحال مع موزع LS التقليدي ، فإن الحواف الرائدة للشفرات كاملة الطول متساوية من المكره لتجنب تفاعل المكره الذي قد يتسبب في تلف الشفرات.
زيادة جزئيا من ارتفاع الشفرات القريبة من المكره يحسن أيضا اتجاه التدفق بالقرب من منطقة النبض. نظرًا لأن الحافة الأمامية لقسم VANE كامل الطول تظل نفس القطر مثل ناشر LS التقليدي ، فإن خط الخانقة لا يتأثر ، مما يسمح بمجموعة واسعة من التطبيق والضبط.
يتضمن حقن الماء حقن قطرات الماء في مجرى الهواء في أنبوب الشفط. تتبخر القطرات وتمتص الحرارة من تيار الغاز العملية ، مما يقلل من درجة حرارة المدخل إلى مرحلة الضغط. ينتج عن هذا انخفاض متطلبات الطاقة المتنصفية وزيادة كفاءة تزيد عن 1 ٪.
يتيح لك تصلب عمود التروس زيادة الإجهاد المسموح به لكل وحدة ، مما يتيح لك تقليل عرض الأسنان. هذا يقلل من الخسائر الميكانيكية في علبة التروس بنسبة تصل إلى 25 ٪ ، مما يؤدي إلى زيادة في الكفاءة الإجمالية تصل إلى 0.5 ٪. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تخفيض تكاليف الضاغط الرئيسي بنسبة تصل إلى 1 ٪ لأنه يتم استخدام أقل معدن في علبة التروس الكبيرة.
يمكن أن يعمل هذا المكره مع معامل التدفق (φ) يصل إلى 0.25 ويوفر 6 ٪ رأسًا أكثر من 65 درجة. بالإضافة إلى ذلك ، يصل معامل التدفق إلى 0.25 ، وفي التصميم المزدوج لآلة IGC ، يصل التدفق الحجمي إلى 1.2 مليون م 3/ساعة أو حتى 2.4 مليون متر مكعب/ساعة.
تسمح قيمة PHI الأعلى باستخدام المكره القطر الأصغر في نفس التدفق ، مما يقلل من تكلفة الضاغط الرئيسي بنسبة تصل إلى 4 ٪. يمكن تقليل قطر المكره المرحلة الأولى إلى أبعد من ذلك.
يتم تحقيق الرأس العالي من خلال زاوية انحراف المكره 75 درجة ، مما يزيد من مكون السرعة المحيطية في المخرج ، وبالتالي يوفر رأسًا أعلى وفقًا لمعادلة Euler.
بالمقارنة مع المتدفتين عالية السرعة والكفاءة عالية ، يتم تقليل كفاءة المكره قليلاً بسبب خسائر أعلى في الحجم. يمكن تعويض ذلك باستخدام حلزون متوسط الحجم. ومع ذلك ، حتى بدون هذه الفتات ، يمكن تحقيق الكفاءة المتغيرة التي تصل إلى 87 ٪ في عدد ماخ من 1.0 ومعامل التدفق 0.24.
يتيح لك الفولوت الأصغر تجنب الاصطدامات مع فولاتيس أخرى عند تقليل قطر الترس الكبير. يمكن للمشغلين توفير التكاليف عن طريق التبديل من محرك 6 أقطار إلى محرك أعلى سرعة 4 قطب (1000 دورة في الدقيقة إلى 1500 دورة في الدقيقة) دون تجاوز الحد الأقصى لسرعة التروس المسموح بها. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يقلل من تكاليف المواد للتروس الحلزونية والكبيرة.
بشكل عام ، يمكن للضاغط الرئيسي توفير ما يصل إلى 2 ٪ من التكاليف الرأسمالية ، بالإضافة إلى أن المحرك يمكن أن يوفر أيضًا 2 ٪ من التكاليف الرأسمالية. نظرًا لأن المدونة المدمجة أقل كفاءة إلى حد ما ، فإن قرار استخدامها يعتمد إلى حد كبير على أولويات العميل (التكلفة مقابل الكفاءة) ويجب تقييمها على أساس كل مشروع على حدة.
لزيادة قدرات التحكم ، يمكن تثبيت IGV أمام مراحل متعددة. هذا في تناقض صارخ مع مشاريع IGC السابقة ، والتي شملت فقط IGVs حتى المرحلة الأولى.
في التكرارات السابقة لـ IGC ، ظلت معامل الدوامة (أي ، زاوية IGV الثانية مقسومة على زاوية IGV1 الأولى) ثابتة بغض النظر عما إذا كان التدفق إلى الأمام (الزاوية> 0 درجة ، مما يقلل من الرأس) أو دوامة عكسية (الزاوية <0). ° ، يزيد الضغط). هذا أمر غير موات لأن علامة الزاوية تتغير بين الدوامات الإيجابية والسلبية.
يتيح التكوين الجديد استخدام نسبين مختلفة لدوامة عندما يكون الجهاز في وضع دوامة للأمام والعكس ، وبالتالي زيادة نطاق التحكم بنسبة 4 ٪ مع الحفاظ على كفاءة ثابتة.
من خلال دمج موزع LS للمكره الشائع في BACs ، يمكن زيادة الكفاءة متعددة المراحل إلى 89 ٪. هذا ، إلى جانب تحسينات الكفاءة الأخرى ، يقلل من عدد مراحل BAC مع الحفاظ على كفاءة القطار الكلية. يؤدي تقليل عدد المراحل إلى إلغاء الحاجة إلى المبرد ، وأنابيب الغاز المرتبطة بالعملية ، ومكونات الدوار والثابت ، مما يؤدي إلى وفورات في التكلفة بنسبة 10 ٪. بالإضافة إلى ذلك ، في كثير من الحالات ، من الممكن الجمع بين ضاغط الهواء الرئيسي وضاغط الداعم في آلة واحدة.
كما ذكرنا سابقًا ، عادة ما يكون الترس الوسيط مطلوبًا بين التوربينات البخارية و VAC. من خلال تصميم IGC الجديد من Siemens Energy ، يمكن دمج معدات العمال هذه في علبة التروس عن طريق إضافة عمود ماطف بين عمود الترس والعروض الكبيرة (4 تروس). هذا يمكن أن يقلل من إجمالي تكلفة الخط (الضاغط الرئيسي بالإضافة إلى المعدات الإضافية) بنسبة تصل إلى 4 ٪.
بالإضافة إلى ذلك ، تعد التروس المكونة من 4-pinion بديلاً أكثر كفاءة لمحركات التمرير المضغوطة للتبديل من 6 ألقاب إلى 4 ألقاب في ضواغط الهواء الرئيسية الكبيرة (إذا كان هناك احتمال لتصادم فولوت أو إذا تم تقليل أقصى سرعة ترسصية مسموح بها). ) ماضي.
أصبح استخدامها أيضًا أكثر شيوعًا في العديد من الأسواق المهمة لإزالة الكربون الصناعي ، بما في ذلك مضخات الحرارة وضغط البخار ، وكذلك ضغط ثاني أكسيد الكربون في تطورات التقاط الكربون والاستخدام والتخزين (CCUS).
يتمتع Siemens Energy بتاريخ طويل في تصميم وتشغيل IGCs. كما يتضح من جهود البحث والتطوير أعلاه (وغيرها) ، نحن ملتزمون باستمرار ابتكار هذه الآلات لتلبية احتياجات التطبيق الفريدة وتلبية متطلبات السوق المتزايدة لخفض التكاليف وزيادة الكفاءة وزيادة الاستدامة. KT2
وقت النشر: أبريل -28-2024