شركة هانغتشو نوزو للتكنولوجيا المحدودة

المؤلف: لوكاس بيجيكلي، مدير محفظة المنتجات، محركات التروس المتكاملة، قسم البحث والتطوير لضغط ثاني أكسيد الكربون ومضخات الحرارة، شركة سيمنز للطاقة.
لطالما كانت ضواغط التروس المتكاملة (IGC) الخيار الأمثل لمحطات فصل الهواء لسنوات عديدة. ويعود ذلك أساسًا إلى كفاءتها العالية، التي تُسهم مباشرةً في خفض تكاليف الأكسجين والنيتروجين والغازات الخاملة. مع ذلك، فإن التركيز المتزايد على خفض الانبعاثات الكربونية يفرض متطلبات جديدة على ضواغط التروس المتكاملة، لا سيما فيما يتعلق بالكفاءة والمرونة التنظيمية. ولا تزال النفقات الرأسمالية عاملًا مهمًا لمشغلي المحطات، وخاصةً في الشركات الصغيرة والمتوسطة.
خلال السنوات القليلة الماضية، أطلقت شركة سيمنز للطاقة العديد من مشاريع البحث والتطوير التي تهدف إلى توسيع قدرات تقنية الفصل بين الغازات لتلبية الاحتياجات المتغيرة لسوق فصل الهواء. تسلط هذه المقالة الضوء على بعض التحسينات التصميمية المحددة التي أدخلناها، وتناقش كيف يمكن لهذه التغييرات أن تساعد عملاءنا على تحقيق أهدافهم في خفض التكاليف وانبعاثات الكربون.
تُجهّز معظم وحدات فصل الهواء اليوم بضاغطين: ضاغط هواء رئيسي (MAC) وضاغط هواء معزز (BAC). يقوم الضاغط الرئيسي عادةً بضغط تدفق الهواء بالكامل من الضغط الجوي إلى حوالي 6 بار. ثم يُضغط جزء من هذا التدفق في الضاغط المعزز (BAC) إلى ضغط يصل إلى 60 بار.
بحسب مصدر الطاقة، يُدار الضاغط عادةً بواسطة توربين بخاري أو محرك كهربائي. عند استخدام التوربين البخاري، يُدار كلا الضاغطين بواسطة التوربين نفسه عبر طرفي عمود مزدوجين. في التصميم التقليدي، تُركّب تروس وسيطة بين التوربين البخاري وضاغط الهواء (الشكل 1).
في كل من الأنظمة التي تعمل بالكهرباء وتلك التي تعمل بتوربينات البخار، تُعد كفاءة الضاغط عاملاً هاماً في خفض الانبعاثات الكربونية، إذ تؤثر بشكل مباشر على استهلاك الطاقة للوحدة. ويكتسب هذا الأمر أهمية خاصة بالنسبة لمحطات توليد الطاقة التي تعمل بتوربينات البخار، حيث يتم الحصول على معظم الحرارة اللازمة لإنتاج البخار من غلايات تعمل بالوقود الأحفوري.
على الرغم من أن المحركات الكهربائية تُعدّ بديلاً أكثر استدامةً من محركات التوربينات البخارية، إلا أن الحاجة إلى مرونة أكبر في التحكم غالباً ما تكون ملحة. فالعديد من محطات فصل الهواء الحديثة قيد الإنشاء اليوم متصلة بشبكة الكهرباء وتعتمد بشكل كبير على الطاقة المتجددة. في أستراليا، على سبيل المثال، توجد خطط لإنشاء عدة محطات لإنتاج الأمونيا الخضراء، والتي ستستخدم وحدات فصل الهواء لإنتاج النيتروجين اللازم لتصنيع الأمونيا، ومن المتوقع أن تتلقى الكهرباء من مزارع الرياح والطاقة الشمسية القريبة. في هذه المحطات، تُعدّ المرونة التنظيمية أمراً بالغ الأهمية للتعويض عن التقلبات الطبيعية في توليد الطاقة.
طورت شركة سيمنز للطاقة أول ضاغط غازي متكامل (كان يُعرف سابقًا باسم VK) عام 1948. وتنتج الشركة اليوم أكثر من 2300 وحدة حول العالم، صُمم العديد منها لتطبيقات ذات معدلات تدفق تتجاوز 400,000 متر مكعب في الساعة. تتميز ضواغط الغاز الحديثة لدينا بمعدل تدفق يصل إلى 1.2 مليون متر مكعب في الساعة في مبنى واحد. وتشمل هذه الضواغط نسخًا بدون تروس من ضواغط التحكم، بنسب ضغط تصل إلى 2.5 أو أعلى في النسخ أحادية المرحلة، ونسب ضغط تصل إلى 6 في النسخ المتسلسلة.
في السنوات الأخيرة، ولتلبية الطلبات المتزايدة على كفاءة IGC والمرونة التنظيمية وتكاليف رأس المال، قمنا بإجراء بعض التحسينات الملحوظة في التصميم، والتي تم تلخيصها أدناه.
يتم تحسين الكفاءة المتغيرة لعدد من المراوح المستخدمة عادةً في المرحلة الأولى من نظام MAC عن طريق تغيير هندسة الشفرات. وباستخدام هذه المروحة الجديدة، يمكن تحقيق كفاءات متغيرة تصل إلى 89% عند استخدامها مع موزعات LS التقليدية، وأكثر من 90% عند استخدامها مع الجيل الجديد من الموزعات الهجينة.
بالإضافة إلى ذلك، يتميز المروحة برقم ماخ أعلى من 1.3، مما يوفر للمرحلة الأولى كثافة طاقة ونسبة ضغط أعلى. كما يقلل ذلك من الطاقة التي يجب أن تنقلها التروس في أنظمة MAC ثلاثية المراحل، مما يسمح باستخدام تروس ذات قطر أصغر وعلب تروس ذات دفع مباشر في المراحل الأولى.
بالمقارنة مع موزع الضوء التقليدي ذي الشفرات الطويلة، يتميز موزع الضوء الهجين من الجيل التالي بكفاءة مرحلة أعلى بنسبة 2.5% ومعامل تحكم بنسبة 3%. وتتحقق هذه الزيادة من خلال مزج الشفرات (أي تقسيم الشفرات إلى أقسام كاملة الارتفاع وأخرى جزئية الارتفاع). في هذا التكوين
يتم تقليل تدفق الهواء بين المروحة والموزع بجزء من ارتفاع الشفرات أقرب إلى المروحة مقارنةً بشفرات موزع LS التقليدي. وكما هو الحال في موزع LS التقليدي، تكون الحواف الأمامية للشفرات كاملة الطول متساوية البعد عن المروحة لتجنب أي احتكاك بينهما قد يُلحق الضرر بالشفرات.
يؤدي رفع ارتفاع الشفرات جزئيًا بالقرب من المروحة إلى تحسين اتجاه التدفق قرب منطقة النبض. ولأن الحافة الأمامية لقسم الريشة كامل الطول تظل بنفس قطر ناشر LS التقليدي، فإن خط الخانق لا يتأثر، مما يسمح بنطاق أوسع من التطبيقات والضبط.
تتضمن عملية حقن الماء ضخ قطرات من الماء في تيار الهواء داخل أنبوب السحب. تتبخر هذه القطرات وتمتص الحرارة من تيار غاز العملية، مما يقلل درجة حرارة المدخل إلى مرحلة الضغط. ينتج عن ذلك انخفاض في متطلبات الطاقة المتساوية الإنتروبيا وزيادة في الكفاءة بأكثر من 1%.
يُتيح تقوية عمود التروس زيادة الإجهاد المسموح به لكل وحدة مساحة، مما يسمح بتقليل عرض السن. ويؤدي ذلك إلى خفض الفاقد الميكانيكي في علبة التروس بنسبة تصل إلى 25%، مما ينتج عنه زيادة في الكفاءة الإجمالية تصل إلى 0.5%. إضافةً إلى ذلك، يمكن خفض تكاليف الضاغط الرئيسي بنسبة تصل إلى 1% نظرًا لاستخدام كمية أقل من المعدن في علبة التروس الكبيرة.
يمكن لهذا المروحة أن تعمل بمعامل تدفق (φ) يصل إلى 0.25، وتوفر ضغطًا أعلى بنسبة 6% من المراوح ذات زاوية 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.
تتيح قيمة فاي الأعلى استخدام دافعة ذات قطر أصغر عند نفس معدل التدفق الحجمي، مما يقلل تكلفة الضاغط الرئيسي بنسبة تصل إلى 4%. ويمكن تقليل قطر دافعة المرحلة الأولى بشكل أكبر.
يتم تحقيق الارتفاع الأعلى من خلال زاوية انحراف المروحة البالغة 75 درجة، مما يزيد من مكون السرعة المحيطية عند المخرج وبالتالي يوفر ارتفاعًا أعلى وفقًا لمعادلة أويلر.
بالمقارنة مع المراوح عالية السرعة والكفاءة، تنخفض كفاءة هذه المروحة قليلاً بسبب زيادة الفاقد في غلافها الحلزوني. ويمكن تعويض ذلك باستخدام غلاف حلزوني متوسط ​​الحجم. مع ذلك، حتى بدون هذه الأغلفة الحلزونية، يمكن تحقيق كفاءة متغيرة تصل إلى 87% عند عدد ماخ 1.0 ومعامل تدفق 0.24.
يُتيح الغلاف الحلزوني الأصغر تجنب الاصطدامات مع أغلفة حلزونية أخرى عند تقليل قطر الترس الكبير. ويمكن للمشغلين توفير التكاليف عن طريق التحويل من محرك سداسي الأقطاب إلى محرك رباعي الأقطاب ذي سرعة أعلى (من 1000 إلى 1500 دورة في الدقيقة) دون تجاوز الحد الأقصى المسموح به لسرعة الترس. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن أن يُقلل ذلك من تكاليف المواد اللازمة للتروس الحلزونية والكبيرة.
بشكل عام، يمكن للضاغط الرئيسي توفير ما يصل إلى 2% من التكاليف الرأسمالية، بالإضافة إلى توفير المحرك نفسه بنسبة 2%. ونظرًا لأن الضاغطات الحلزونية المدمجة أقل كفاءة نوعًا ما، فإن قرار استخدامها يعتمد بشكل كبير على أولويات العميل (التكلفة مقابل الكفاءة)، ويجب تقييمه على أساس كل مشروع على حدة.
لزيادة قدرات التحكم، يمكن تركيب نظام التوجيه المتكامل (IGV) أمام مراحل متعددة. وهذا يختلف اختلافاً جذرياً عن مشاريع التحكم المتكاملة السابقة، التي اقتصرت على تركيب أنظمة التوجيه المتكامل حتى المرحلة الأولى فقط.
في الإصدارات السابقة من نموذج IGC، ظل معامل الدوامة (أي زاوية الدوامة الثانية مقسومة على زاوية الدوامة الأولى) ثابتًا بغض النظر عما إذا كان التدفق أماميًا (زاوية > 0°، مما يقلل الضغط) أو عكسيًا (زاوية < 0°، مما يزيد الضغط). وهذا يُعد عيبًا لأن إشارة الزاوية تتغير بين الدوامات الموجبة والسالبة.
يسمح التكوين الجديد باستخدام نسبتين مختلفتين للدوامة عندما تكون الآلة في وضع الدوامة الأمامية والعكسية، مما يزيد من نطاق التحكم بنسبة 4٪ مع الحفاظ على كفاءة ثابتة.
من خلال دمج موزع هواء منخفض السعة للمروحة المستخدمة عادةً في وحدات ضغط الهواء المضغوط، يمكن رفع كفاءة المراحل المتعددة إلى 89%. هذا، بالإضافة إلى تحسينات الكفاءة الأخرى، يقلل عدد مراحل وحدة ضغط الهواء المضغوط مع الحفاظ على الكفاءة الإجمالية للوحدة. ويؤدي تقليل عدد المراحل إلى الاستغناء عن المبرد البيني، وأنابيب غاز العملية، ومكونات الدوار والثابت، مما يوفر 10% من التكاليف. علاوة على ذلك، في كثير من الحالات، يمكن دمج ضاغط الهواء الرئيسي وضاغط التعزيز في جهاز واحد.
كما ذكرنا سابقًا، عادةً ما يلزم وجود ترس وسيط بين التوربين البخاري ووحدة التكييف الفراغي. مع تصميم IGC الجديد من سيمنز للطاقة، يمكن دمج هذا الترس الوسيط في علبة التروس بإضافة عمود وسيط بين عمود الترس الصغير والترس الكبير (4 تروس). هذا من شأنه أن يقلل التكلفة الإجمالية للخط (الضاغط الرئيسي بالإضافة إلى المعدات المساعدة) بنسبة تصل إلى 4%.
بالإضافة إلى ذلك، تُعدّ التروس ذات الأربع تروس بديلاً أكثر كفاءة لمحركات اللولب المدمجة عند التحويل من محركات ذات 6 أقطاب إلى محركات ذات 4 أقطاب في ضواغط الهواء الرئيسية الكبيرة (في حال وجود احتمال لتصادم حلزوني أو في حال انخفاض الحد الأقصى المسموح به لسرعة التروس).
كما أصبح استخدامها أكثر شيوعًا في العديد من الأسواق المهمة لإزالة الكربون الصناعي، بما في ذلك المضخات الحرارية وضغط البخار، بالإضافة إلى ضغط ثاني أكسيد الكربون في تطويرات احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه (CCUS).
تتمتع شركة سيمنز للطاقة بتاريخ طويل في تصميم وتشغيل محطات توليد الطاقة المتكاملة. وكما يتضح من جهود البحث والتطوير المذكورة أعلاه (وغيرها)، فإننا ملتزمون بالابتكار المستمر لهذه الآلات لتلبية احتياجات التطبيقات الفريدة ومواكبة متطلبات السوق المتزايدة لخفض التكاليف وزيادة الكفاءة وتعزيز الاستدامة. KT2