Awtur: Lukas Bijikli, Maniġer tal-Portafoll tal-Prodotti, Sewqan tal-Gear Integrati, R&Ż Kompressjoni tas-CO2 u Pompi tas-Sħana, Siemens Energy.
Għal ħafna snin, il-Kompressur tal-Irkaptu Integrat (IGC) kien it-teknoloġija preferuta għall-impjanti tas-separazzjoni tal-arja. Dan huwa prinċipalment minħabba l-effiċjenza għolja tagħhom, li twassal direttament għal tnaqqis fl-ispejjeż tal-ossiġnu, in-nitroġenu u l-gass inert. Madankollu, l-enfasi dejjem tikber fuq id-dekarbonizzazzjoni tpoġġi domandi ġodda fuq l-IPCs, speċjalment f'termini ta' effiċjenza u flessibbiltà regolatorja. L-infiq kapitali jibqa' fattur importanti għall-operaturi tal-impjanti, speċjalment f'intrapriżi żgħar u ta' daqs medju.
Matul dawn l-aħħar snin, Siemens Energy bdiet diversi proġetti ta’ riċerka u żvilupp (R&Ż) bil-għan li tespandi l-kapaċitajiet tal-IGC biex tissodisfa l-ħtiġijiet li qed jinbidlu tas-suq tas-separazzjoni tal-arja. Dan l-artiklu jenfasizza xi titjib speċifiku fid-disinn li għamilna u jiddiskuti kif dawn il-bidliet jistgħu jgħinu biex jintlaħqu l-għanijiet tal-klijenti tagħna għat-tnaqqis tal-ispejjeż u tal-karbonju.
Il-biċċa l-kbira tal-unitajiet tas-separazzjoni tal-arja llum huma mgħammra b'żewġ kompressuri: kompressur tal-arja prinċipali (MAC) u kompressur tal-arja spinta (BAC). Il-kompressur tal-arja prinċipali tipikament jikkompressa l-fluss kollu tal-arja mill-pressjoni atmosferika għal madwar 6 bar. Parti minn dan il-fluss imbagħad tiġi kkompressata aktar fil-BAC għal pressjoni sa 60 bar.
Skont is-sors tal-enerġija, il-kompressur ġeneralment jitħaddem minn turbina tal-fwar jew minn mutur elettriku. Meta tintuża turbina tal-fwar, iż-żewġ kompressuri jitħaddmu mill-istess turbina permezz ta' żewġ trufijiet tax-xaft. Fl-iskema klassika, ger intermedju jiġi installat bejn it-turbina tal-fwar u l-HAC (Fig. 1).
Kemm fis-sistemi mħaddma bl-elettriku kif ukoll f'dawk imħaddma bit-turbini tal-fwar, l-effiċjenza tal-kompressur hija lieva qawwija għad-dekarbonizzazzjoni peress li tħalli impatt dirett fuq il-konsum tal-enerġija tal-unità. Dan huwa speċjalment importanti għall-MGPs imħaddma minn turbini tal-fwar, peress li l-biċċa l-kbira tas-sħana għall-produzzjoni tal-fwar tinkiseb f'bojlers li jaħdmu bil-fjuwils fossili.
Għalkemm il-muturi elettriċi jipprovdu alternattiva aktar ekoloġika għas-sewqan tat-turbini tal-fwar, ħafna drabi jkun hemm bżonn akbar ta’ flessibilità fil-kontroll. Ħafna impjanti moderni tas-separazzjoni tal-arja li qed jinbnew illum huma konnessi mal-grilja u għandhom livell għoli ta’ użu ta’ enerġija rinnovabbli. Fl-Awstralja, pereżempju, hemm pjanijiet biex jinbnew diversi impjanti tal-ammonja ekoloġiċi li se jużaw unitajiet ta’ separazzjoni tal-arja (ASUs) biex jipproduċu nitroġenu għas-sintesi tal-ammonja u huma mistennija li jirċievu l-elettriku minn irziezet tar-riħ u solari fil-qrib. F’dawn l-impjanti, il-flessibilità regolatorja hija kritika biex tikkumpensa għall-varjazzjonijiet naturali fil-ġenerazzjoni tal-enerġija.
Siemens Energy żviluppat l-ewwel IGC (magħruf qabel bħala VK) fl-1948. Illum il-kumpanija tipproduċi aktar minn 2,300 unità madwar id-dinja, li ħafna minnhom huma ddisinjati għal applikazzjonijiet b'rati ta' fluss li jaqbżu l-400,000 m3/h. L-MGPs moderni tagħna għandhom rata ta' fluss sa 1.2 miljun metru kubu fis-siegħa f'bini wieħed. Dawn jinkludu verżjonijiet mingħajr gerijiet ta' kompressuri tal-console b'proporzjonijiet ta' pressjoni sa 2.5 jew ogħla f'verżjonijiet ta' stadju wieħed u proporzjonijiet ta' pressjoni sa 6 f'verżjonijiet tas-serje.
Fl-aħħar snin, biex nilħqu d-domandi dejjem akbar għall-effiċjenza tal-IGC, il-flessibbiltà regolatorja u l-ispejjeż kapitali, għamilna xi titjib notevoli fid-disinn, li huma miġbura fil-qosor hawn taħt.
L-effiċjenza varjabbli ta' numru ta' impellers tipikament użati fl-ewwel stadju MAC tiżdied billi tiġi varjata l-ġeometrija tax-xafra. B'dan l-impeller il-ġdid, jistgħu jinkisbu effiċjenzi varjabbli sa 89% flimkien ma' diffusers LS konvenzjonali u aktar minn 90% flimkien mal-ġenerazzjoni l-ġdida ta' diffusers ibridi.
Barra minn hekk, l-impeller għandu numru Mach ogħla minn 1.3, li jipprovdi lill-ewwel stadju b'densità ta' qawwa u proporzjon ta' kompressjoni ogħla. Dan inaqqas ukoll il-qawwa li l-gerijiet fis-sistemi MAC bi tliet stadji jridu jittrażmettu, u b'hekk jippermetti l-użu ta' gerijiet b'dijametru iżgħar u gearboxes b'sewqan dirett fl-ewwel stadji.
Meta mqabbel mad-diffużur tradizzjonali tal-paletti LS ta' tul sħiħ, id-diffużur ibridu tal-ġenerazzjoni li jmiss għandu effiċjenza tal-istadju miżjuda ta' 2.5% u fattur ta' kontroll ta' 3%. Din iż-żieda tinkiseb billi jitħalltu x-xfafar (jiġifieri x-xfafar huma maqsuma f'sezzjonijiet ta' għoli sħiħ u għoli parzjali). F'din il-konfigurazzjoni
Il-fluss tal-ħruġ bejn l-impeller u d-diffużur jitnaqqas b'porzjon tal-għoli tax-xafra li jinsab eqreb lejn l-impeller milli x-xfafar ta' diffużur LS konvenzjonali. Bħal fil-każ ta' diffużur LS konvenzjonali, it-truf ta' quddiem tax-xfafar sħaħ huma ekwidistanti mill-impeller biex tiġi evitata l-interazzjoni bejn l-impeller u d-diffużur li tista' tagħmel ħsara lix-xfafar.
Iż-żieda parzjali tal-għoli tax-xfafar eqreb lejn l-impeller ittejjeb ukoll id-direzzjoni tal-fluss ħdejn iż-żona tal-pulsazzjoni. Minħabba li t-tarf ta' quddiem tas-sezzjoni tal-paletti tul kollu jibqa' l-istess dijametru bħal diffużur LS konvenzjonali, il-linja tat-throttle ma tiġix affettwata, u b'hekk tippermetti firxa usa' ta' applikazzjoni u rfinar.
L-injezzjoni tal-ilma tinvolvi l-injezzjoni ta' qtar ta' ilma fil-fluss tal-arja fit-tubu tal-ġbid. Il-qtar jevapora u jassorbi s-sħana mill-fluss tal-gass tal-proċess, u b'hekk inaqqas it-temperatura tad-dħul għall-istadju tal-kompressjoni. Dan jirriżulta fi tnaqqis fir-rekwiżiti tal-enerġija iżentropika u żieda fl-effiċjenza ta' aktar minn 1%.
It-tisħiħ tax-xaft tal-gerijiet jippermettilek iżżid l-istress permissibbli għal kull unità ta' erja, li jippermettilek tnaqqas il-wisa' tas-snien. Dan inaqqas it-telf mekkaniku fil-gearbox sa 25%, li jirriżulta f'żieda fl-effiċjenza ġenerali sa 0.5%. Barra minn hekk, l-ispejjeż tal-kompressur prinċipali jistgħu jitnaqqsu sa 1% għaliex jintuża inqas metall fil-gearbox il-kbira.
Dan l-impeller jista' jopera b'koeffiċjent tal-fluss (φ) sa 0.25 u jipprovdi 6% aktar ras minn impellers ta' 65 grad. Barra minn hekk, il-koeffiċjent tal-fluss jilħaq 0.25, u fid-disinn ta' fluss doppju tal-magna IGC, il-fluss volumetriku jilħaq 1.2 miljun m3/h jew saħansitra 2.4 miljun m3/h.
Valur phi ogħla jippermetti l-użu ta' impeller b'dijametru iżgħar bl-istess fluss ta' volum, u b'hekk inaqqas l-ispiża tal-kompressur prinċipali sa 4%. Id-dijametru tal-impeller tal-ewwel stadju jista' jitnaqqas saħansitra aktar.
L-ogħla head tinkiseb permezz tal-angolu ta' deflessjoni tal-impeller ta' 75°, li jżid il-komponent tal-veloċità ċirkoferenzjali fil-ħruġ u b'hekk jipprovdi head ogħla skont l-ekwazzjoni ta' Euler.
Meta mqabbel ma' impellers b'veloċità għolja u effiċjenza għolja, l-effiċjenza tal-impeller hija xi ftit imnaqqsa minħabba telf ogħla fil-volute. Dan jista' jiġi kkumpensat bl-użu ta' bebbuxu ta' daqs medju. Madankollu, anke mingħajr dawn il-volutes, tista' tinkiseb effiċjenza varjabbli sa 87% b'numru Mach ta' 1.0 u koeffiċjent tal-fluss ta' 0.24.
Il-voluta iżgħar tippermettilek tevita ħabtiet ma' voluti oħra meta d-dijametru tal-ger kbir jitnaqqas. L-operaturi jistgħu jiffrankaw l-ispejjeż billi jaqilbu minn mutur b'6 poli għal mutur b'4 poli b'veloċità ogħla (1000 rpm sa 1500 rpm) mingħajr ma jaqbżu l-veloċità massima permessa tal-ger. Barra minn hekk, jista' jnaqqas l-ispejjeż tal-materjal għal gerijiet spirali u kbar.
B'mod ġenerali, il-kompressur prinċipali jista' jiffranka sa 2% fl-ispejjeż kapitali, flimkien mal-magna li tista' wkoll tiffranka 2% fl-ispejjeż kapitali. Minħabba li l-voluti kompatti huma kemmxejn inqas effiċjenti, id-deċiżjoni li jintużaw tiddependi ħafna fuq il-prijoritajiet tal-klijent (spiża vs. effiċjenza) u trid tiġi vvalutata fuq bażi ta' proġett b'proġett.
Biex jiżdiedu l-kapaċitajiet ta' kontroll, l-IGV jista' jiġi installat quddiem diversi stadji. Dan huwa f'kuntrast qawwi ma' proġetti preċedenti tal-IGC, li inkludew IGVs biss sal-ewwel fażi.
F'iterazzjonijiet preċedenti tal-IGC, il-koeffiċjent tal-vortiċi (jiġifieri, l-angolu tat-tieni IGV diviż bl-angolu tal-ewwel IGV1) baqa' kostanti irrispettivament minn jekk il-fluss kienx 'il quddiem (angolu > 0°, tnaqqis tal-għoli) jew vortiċi invers (angolu < 0°). Meta l-fluss jiżdied meta l-pressjoni tiżdied meta l-fluss jiżdied meta l-pressjoni tiżdied, dan huwa żvantaġġuż għaliex is-sinjal tal-angolu jinbidel bejn vortiċi pożittivi u negattivi.
Il-konfigurazzjoni l-ġdida tippermetti li jintużaw żewġ proporzjonijiet differenti ta' vortiċi meta l-magna tkun fil-modalità vortiċi 'l quddiem u lura, u b'hekk iżżid il-firxa ta' kontroll b'4% filwaqt li żżomm effiċjenza kostanti.
Billi jiġi inkorporat diffużur LS għall-impeller li jintuża komunement fil-BACs, l-effiċjenza f'diversi stadji tista' tiżdied għal 89%. Dan, flimkien ma' titjib ieħor fl-effiċjenza, inaqqas l-għadd ta' stadji tal-BAC filwaqt li jżomm l-effiċjenza ġenerali tal-ferrovija. It-tnaqqis tal-għadd ta' stadji jelimina l-ħtieġa għal intercooler, pajpijiet tal-gass tal-proċess assoċjati, u komponenti tar-rotor u tal-stator, li jirriżulta fi ffrankar ta' 10%. Barra minn hekk, f'ħafna każijiet huwa possibbli li l-kompressur prinċipali tal-arja u l-kompressur booster jiġu kkombinati f'magna waħda.
Kif imsemmi qabel, ġeneralment ikun meħtieġ ger intermedju bejn it-turbina tal-fwar u l-VAC. Bid-disinn il-ġdid tal-IGC minn Siemens Energy, dan il-ger idler jista' jiġi integrat fil-gearbox billi jiżdied xaft idler bejn ix-xaft tal-pinion u l-ger il-kbir (4 gerijiet). Dan jista' jnaqqas l-ispiża totali tal-linja (kompressur prinċipali flimkien mat-tagħmir awżiljarju) sa 4%.
Barra minn hekk, l-irkaptu b'4 pinnijiet huwa alternattiva aktar effiċjenti għall-muturi kompatti tal-iscroll biex jaqilbu minn muturi b'6 poli għal muturi b'4 poli f'kompressuri ewlenin tal-arja kbar (jekk ikun hemm possibbiltà ta' ħabta tal-voluta jew jekk il-veloċità massima permessa tal-pinnijiet titnaqqas).
L-użu tagħhom qed isir ukoll aktar komuni f'diversi swieq importanti għad-dekarbonizzazzjoni industrijali, inklużi pompi tas-sħana u kompressjoni tal-fwar, kif ukoll kompressjoni tas-CO2 fl-iżviluppi tal-qbid, l-użu u l-ħażna tal-karbonju (CCUS).
Siemens Energy għandha storja twila fid-disinn u t-tħaddim tal-IGCs. Kif jidher mill-isforzi ta’ riċerka u żvilupp imsemmija hawn fuq (u oħrajn), aħna impenjati li ninnovaw kontinwament dawn il-magni biex nilħqu l-ħtiġijiet uniċi tal-applikazzjoni u nilħqu d-domandi dejjem jikbru tas-suq għal spejjeż aktar baxxi, effiċjenza akbar u sostenibbiltà akbar. KT2
Ħin tal-posta: 28 ta' April 2024