مجموعة هانغتشو نوزو للتكنولوجيا المحدودة

المؤلف: لوكاس بيجيكلي، مدير محفظة المنتجات، محركات التروس المتكاملة، قسم البحث والتطوير لمضخات ضغط ثاني أكسيد الكربون والحرارة، شركة سيمنز للطاقة.
لسنوات عديدة، كان ضاغط التروس المتكامل (IGC) هو التقنية المفضلة لمحطات فصل الهواء. ويعود ذلك أساسًا إلى كفاءته العالية، مما يؤدي مباشرةً إلى خفض تكاليف الأكسجين والنيتروجين والغاز الخامل. ومع ذلك، فإن التركيز المتزايد على إزالة الكربون يفرض متطلبات جديدة على محطات فصل الهواء المتكامل، لا سيما من حيث الكفاءة والمرونة التنظيمية. ولا يزال الإنفاق الرأسمالي عاملًا مهمًا لمشغلي المحطات، وخاصةً في الشركات الصغيرة والمتوسطة.
على مدار السنوات القليلة الماضية، أطلقت شركة سيمنز للطاقة العديد من مشاريع البحث والتطوير الهادفة إلى توسيع قدرات IGC لتلبية الاحتياجات المتغيرة لسوق فصل الهواء. تُسلّط هذه المقالة الضوء على بعض التحسينات التصميمية التي أجريناها، وتناقش كيف يُمكن لهذه التغييرات أن تُساعد في تحقيق أهداف عملائنا في خفض التكاليف وانبعاثات الكربون.
معظم وحدات فصل الهواء اليوم مُجهزة بضاغطين: ضاغط هواء رئيسي (MAC) وضاغط هواء مُعزز (BAC). يضغط ضاغط الهواء الرئيسي عادةً تدفق الهواء بالكامل من الضغط الجوي إلى حوالي 6 بار. ثم يُضغط جزء من هذا التدفق في ضاغط الهواء المُعزز إلى ضغط يصل إلى 60 بار.
اعتمادًا على مصدر الطاقة، يُشغَّل الضاغط عادةً بواسطة توربين بخاري أو محرك كهربائي. عند استخدام توربين بخاري، يُشغَّل كلا الضاغطين بواسطة نفس التوربين عبر طرفي عمودين. في المخطط التقليدي، يُركَّب ترس وسيط بين التوربين البخاري ووحدة التحكم في الضاغط (الشكل 1).
في كلٍّ من الأنظمة الكهربائية والتوربينية البخارية، تُعدّ كفاءة الضاغط عاملاً أساسياً في إزالة الكربون، إذ تؤثر بشكل مباشر على استهلاك الوحدة للطاقة. ويكتسب هذا أهمية خاصة في محطات توليد الطاقة متعددة المراحل التي تعمل بالتوربينات البخارية، حيث يتم الحصول على معظم الحرارة اللازمة لإنتاج البخار في غلايات تعمل بالوقود الأحفوري.
على الرغم من أن المحركات الكهربائية تُوفر بديلاً صديقًا للبيئة لمحركات التوربينات البخارية، إلا أن مرونة التحكم غالبًا ما تكون أكبر. العديد من محطات فصل الهواء الحديثة التي تُبنى اليوم متصلة بالشبكة الكهربائية، وتتميز بمستوى عالٍ من استخدام الطاقة المتجددة. في أستراليا، على سبيل المثال، هناك خطط لبناء العديد من محطات الأمونيا الخضراء التي ستستخدم وحدات فصل الهواء (ASUs) لإنتاج النيتروجين لتخليق الأمونيا، ومن المتوقع أن تستقبل الكهرباء من مزارع الرياح والطاقة الشمسية القريبة. في هذه المحطات، تُعد المرونة التنظيمية أمرًا بالغ الأهمية لتعويض التقلبات الطبيعية في توليد الطاقة.
طورت شركة سيمنز للطاقة أول وحدة IGC (المعروفة سابقًا باسم VK) عام ١٩٤٨. واليوم، تنتج الشركة أكثر من ٢٣٠٠ وحدة حول العالم، العديد منها مصمم لتطبيقات ذات معدلات تدفق تتجاوز ٤٠٠ ألف متر مكعب/ساعة. تتميز وحدات MGP الحديثة لدينا بمعدل تدفق يصل إلى ١.٢ مليون متر مكعب/ساعة في مبنى واحد. وتشمل هذه الوحدات ضواغط وحدة التحكم بدون تروس، بنسب ضغط تصل إلى ٢.٥ أو أعلى في الإصدارات أحادية المرحلة، ونسب ضغط تصل إلى ٦ في الإصدارات التسلسلية.
وفي السنوات الأخيرة، لتلبية الطلب المتزايد على كفاءة الغاز المصاحب والمرونة التنظيمية وتكاليف رأس المال، قمنا بإجراء بعض التحسينات الملحوظة في التصميم، والتي تم تلخيصها أدناه.
تزداد الكفاءة المتغيرة لعدد من الدوافع المستخدمة عادةً في المرحلة الأولى من نظام التحكم في الطور (MAC) بتغيير هندسة الشفرات. مع هذا الدوافع الجديد، يمكن تحقيق كفاءات متغيرة تصل إلى 89% عند استخدامه مع ناشرات LS التقليدية، وأكثر من 90% عند استخدامه مع الجيل الجديد من الدوافع الهجينة.
بالإضافة إلى ذلك، يتميز المكره برقم ماخ أعلى من 1.3، مما يوفر للمرحلة الأولى كثافة طاقة ونسبة ضغط أعلى. كما يُقلل هذا من الطاقة التي يجب أن تنقلها التروس في أنظمة التحكم في السرعات ثلاثية المراحل، مما يسمح باستخدام تروس ذات قطر أصغر وعلب تروس ذات دفع مباشر في المراحل الأولى.
مقارنةً بناشر ريش LS التقليدي كامل الطول، يتميز الناشر الهجين من الجيل التالي بكفاءة مرحلة أعلى بنسبة 2.5% وعامل تحكم بنسبة 3%. ويتم تحقيق هذه الزيادة عن طريق خلط الشفرات (أي تقسيم الشفرات إلى أقسام كاملة الارتفاع وجزئية الارتفاع). في هذا التكوين،
يتم تقليل خرج التدفق بين الدافع والناشر بواسطة جزء من ارتفاع الشفرة أقرب إلى الدافع منه إلى شفرات ناشر LS التقليدي. وكما هو الحال في ناشر LS التقليدي، تكون الحواف الأمامية للشفرات كاملة الطول على مسافة متساوية من الدافع لتجنب تفاعل الدافع والناشر الذي قد يؤدي إلى تلف الشفرات.
كما أن زيادة ارتفاع الشفرات جزئيًا بالقرب من الدافع تُحسّن أيضًا اتجاه التدفق بالقرب من منطقة النبض. ولأن الحافة الأمامية لقسم الريشة كامل الطول تبقى بنفس قطر ناشر LS التقليدي، فإن خط الخانق لا يتأثر، مما يسمح بنطاق أوسع من التطبيقات والضبط.
يتضمن حقن الماء حقن قطرات الماء في تيار الهواء في أنبوب الشفط. تتبخر القطرات وتمتص الحرارة من تيار غاز العملية، مما يُخفض درجة حرارة المدخل إلى مرحلة الضغط. يؤدي هذا إلى انخفاض متطلبات الطاقة الأيزنتروبي وزيادة الكفاءة بأكثر من 1%.
يُتيح تقوية عمود التروس زيادة الإجهاد المسموح به لكل وحدة مساحة، مما يُقلل عرض السن. يُقلل هذا من الخسائر الميكانيكية في علبة التروس بنسبة تصل إلى 25%، مما يُؤدي إلى زيادة الكفاءة الكلية بنسبة تصل إلى 0.5%. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن خفض تكاليف الضاغط الرئيسي بنسبة تصل إلى 1% بفضل استخدام كمية أقل من المعدن في علبة التروس الكبيرة.
يمكن لهذه المروحة أن تعمل بمعامل تدفق (φ) يصل إلى 0.25، وتوفر ضغطًا أعلى بنسبة 6% مقارنةً بالمراوح بزاوية 65 درجة. علاوة على ذلك، يصل معامل التدفق إلى 0.25، وفي تصميم التدفق المزدوج لآلة IGC، يصل التدفق الحجمي إلى 1.2 مليون متر مكعب/ساعة، أو حتى 2.4 مليون متر مكعب/ساعة.
تسمح قيمة فاي الأعلى باستخدام مروحة ذات قطر أصغر بنفس حجم التدفق، مما يقلل تكلفة الضاغط الرئيسي بنسبة تصل إلى 4%. ويمكن تقليل قطر مروحة المرحلة الأولى بشكل أكبر.
يتم تحقيق الرأس الأعلى من خلال زاوية انحراف المكره بمقدار 75 درجة، مما يزيد من مكون السرعة المحيطية عند المخرج وبالتالي يوفر رأسًا أعلى وفقًا لمعادلة أويلر.
بالمقارنة مع المراوح عالية السرعة والكفاءة، تنخفض كفاءة المراوح بشكل طفيف بسبب ارتفاع الخسائر في الحلزون. يمكن تعويض ذلك باستخدام حلزون متوسط ​​الحجم. مع ذلك، حتى بدون هذه الحلزونات، يمكن تحقيق كفاءة متغيرة تصل إلى 87% عند سرعة ماخ 1.0 ومعامل تدفق 0.24.
يسمح الحلزون الأصغر بتجنب الاصطدامات مع الحلزونات الأخرى عند تقليل قطر الترس الكبير. يمكن للمشغلين توفير التكاليف بالتبديل من محرك سداسي الأقطاب إلى محرك رباعي الأقطاب عالي السرعة (من 1000 إلى 1500 دورة في الدقيقة) دون تجاوز الحد الأقصى المسموح به لسرعة الترس. بالإضافة إلى ذلك، يُقلل هذا من تكاليف المواد اللازمة للتروس الحلزونية والكبيرة.
بشكل عام، يمكن للضاغط الرئيسي توفير ما يصل إلى 2% من تكاليف رأس المال، كما يمكن للمحرك توفير 2% منها أيضًا. ولأنّ المراوح الحلزونية المدمجة أقل كفاءةً إلى حد ما، فإنّ قرار استخدامها يعتمد بشكل كبير على أولويات العميل (التكلفة مقابل الكفاءة)، ويجب تقييمه على أساس كل مشروع على حدة.
لزيادة قدرات التحكم، يُمكن تركيب المركبة المُدارة داخليًا أمام عدة مراحل. وهذا يُخالف تمامًا مشاريع IGC السابقة، التي اقتصرت على المركبات المُدارة داخليًا حتى المرحلة الأولى فقط.
في التكرارات السابقة لـ IGC، ظل معامل الدوامة (أي زاوية IGV الثانية مقسومة على زاوية IGV1 الأولى) ثابتًا بغض النظر عما إذا كان التدفق للأمام (زاوية > 0°، رأس مخفض) أو دوامة عكسية (زاوية < 0°، يزداد الضغط). وهذا أمر غير مفيد لأن إشارة الزاوية تتغير بين الدوامات الموجبة والسالبة.
يتيح التكوين الجديد استخدام نسبتين مختلفتين للدوامة عندما تكون الماكينة في وضع الدوامة الأمامية والخلفية، وبالتالي زيادة نطاق التحكم بنسبة 4% مع الحفاظ على الكفاءة الثابتة.
من خلال دمج ناشر هواء LS للمروحة المستخدمة عادةً في وحدات التحكم في المضخة (BACs)، يمكن زيادة كفاءة المراحل المتعددة إلى 89%. هذا، بالإضافة إلى تحسينات أخرى في الكفاءة، يقلل عدد مراحل BAC مع الحفاظ على الكفاءة الكلية للقطار. يُلغي تقليل عدد المراحل الحاجة إلى مبرد داخلي، وأنابيب غاز العملية المصاحبة، ومكونات الدوار والثابت، مما يُحقق توفيرًا في التكلفة بنسبة 10%. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن في كثير من الحالات دمج ضاغط الهواء الرئيسي وضاغط التعزيز في آلة واحدة.
كما ذكرنا سابقًا، عادةً ما يلزم وجود ترس وسيط بين التوربين البخاري ووحدة التحكم في الضاغط (VAC). مع تصميم IGC الجديد من شركة سيمنز للطاقة، يُمكن دمج هذا الترس الوسيط في علبة التروس بإضافة عمود وسيط بين عمود الترس الصغير والترس الكبير (أربعة تروس). يُقلل هذا من التكلفة الإجمالية للخط (الضاغط الرئيسي بالإضافة إلى المعدات المساعدة) بنسبة تصل إلى 4%.
بالإضافة إلى ذلك، تعد التروس ذات الأربعة تروس بديلاً أكثر كفاءة لمحركات التمرير المدمجة للتبديل من محركات ذات ستة أقطاب إلى محركات ذات أربعة أقطاب في ضواغط الهواء الرئيسية الكبيرة (إذا كان هناك احتمال لتصادم حلزوني أو إذا تم تقليل الحد الأقصى لسرعة الترس المسموح بها). ) الماضي.
كما أصبح استخدامها أكثر شيوعًا في العديد من الأسواق المهمة لإزالة الكربون الصناعي، بما في ذلك مضخات الحرارة وضغط البخار، فضلاً عن ضغط ثاني أكسيد الكربون في تطورات التقاط الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS).
تتمتع شركة سيمنز للطاقة بتاريخ طويل في تصميم وتشغيل وحدات الغاز المتكاملة (IGCs). وكما يتضح من جهود البحث والتطوير المذكورة أعلاه (وغيرها)، فإننا ملتزمون بالاستمرار في تطوير هذه الآلات لتلبية احتياجات التطبيقات الفريدة وتلبية متطلبات السوق المتزايدة لخفض التكاليف وزيادة الكفاءة والاستدامة. KT2