항저우 누주오 테크놀로지 그룹 유한회사

저자: 루카스 비지클리, 지멘스 에너지, CO2 압축 및 열펌프 연구개발 부문 통합 기어 드라이브 제품 포트폴리오 관리자.
오랫동안 일체형 기어 압축기(IGC)는 공기 분리 설비에 가장 적합한 기술로 자리매김해 왔습니다. 이는 주로 높은 효율성 덕분이며, 이는 산소, 질소 및 불활성 가스 생산 비용 절감으로 직결됩니다. 그러나 탈탄소화에 대한 관심이 높아짐에 따라 IGC는 특히 효율성과 규제 유연성 측면에서 새로운 요구 사항을 충족해야 합니다. 자본 지출은 특히 중소기업을 포함한 설비 운영자에게 여전히 중요한 요소입니다.
지난 몇 년간 지멘스 에너지는 변화하는 공기 분리 시장의 요구에 부응하기 위해 IGC(통합 가스 크로마토그래피) 역량을 확장하는 것을 목표로 여러 연구 개발(R&D) 프로젝트를 진행해 왔습니다. 이 글에서는 지멘스 에너지가 구현한 구체적인 설계 개선 사항들을 소개하고, 이러한 변화가 고객의 비용 절감 및 탄소 배출량 감축 목표 달성에 어떻게 도움이 될 수 있는지 논의합니다.
오늘날 대부분의 공기 분리 장치는 주 공기 압축기(MAC)와 부스트 공기 압축기(BAC)라는 두 개의 압축기를 갖추고 있습니다. 주 공기 압축기는 일반적으로 전체 공기 흐름을 대기압에서 약 6bar까지 압축합니다. 그런 다음 이 흐름의 일부를 부스트 공기 압축기에서 최대 60bar의 압력까지 추가로 압축합니다.
에너지원에 따라 압축기는 일반적으로 증기 터빈 또는 전기 모터로 구동됩니다. 증기 터빈을 사용하는 경우 두 압축기는 트윈 샤프트를 통해 동일한 터빈에 의해 구동됩니다. 고전적인 방식에서는 증기 터빈과 HAC(고압축 압축기) 사이에 중간 기어가 설치됩니다(그림 1).
전기 구동 시스템과 증기 터빈 구동 시스템 모두에서 압축기 효율은 장치의 에너지 소비에 직접적인 영향을 미치기 때문에 탈탄소화를 위한 강력한 수단입니다. 이는 증기 생산에 필요한 열의 대부분이 화석 연료 보일러에서 얻어지기 때문에 증기 터빈으로 구동되는 MGP(소형 풍력 발전소)에서 특히 중요합니다.
전기 모터는 증기 터빈 구동 방식보다 친환경적인 대안이지만, 제어 유연성에 대한 요구가 더 큰 경우가 많습니다. 오늘날 건설되고 있는 많은 최신 공기 분리 설비는 전력망에 연결되어 있으며 재생 에너지 사용률이 높습니다. 예를 들어 호주에서는 암모니아 합성에 필요한 질소를 생산하기 위해 공기 분리 장치(ASU)를 사용하는 친환경 암모니아 공장을 여러 개 건설할 계획이며, 이 공장들은 인근 풍력 및 태양광 발전소에서 전력을 공급받을 예정입니다. 이러한 공장에서는 전력 생산량의 자연적인 변동을 보상하기 위해 규제 유연성이 매우 중요합니다.
지멘스 에너지는 1948년에 최초의 IGC(이전 명칭 VK)를 개발했습니다. 현재 전 세계적으로 2,300대 이상의 제품을 생산하고 있으며, 이 중 다수는 시간당 40만 m³ 이상의 유량 처리 용량을 갖도록 설계되었습니다. 최신 MGP는 단일 건물에서 시간당 최대 120만 m³의 유량을 처리할 수 있습니다. 여기에는 단일 단계 버전에서 최대 2.5 이상의 압력비, 직렬 버전에서 최대 6의 압력비를 제공하는 기어리스 콘솔 컴프레서가 포함됩니다.
최근 몇 년 동안 IGC 효율성, 규제 유연성 및 자본 비용에 대한 증가하는 요구를 충족하기 위해 몇 가지 주목할 만한 설계 개선을 진행했으며, 그 내용은 아래에 요약되어 있습니다.
MAC 1단계에 일반적으로 사용되는 여러 임펠러의 가변 효율은 블레이드 형상을 변경함으로써 향상됩니다. 이 새로운 임펠러를 사용하면 기존 LS 디퓨저와 조합 시 최대 89%의 가변 효율을, 차세대 하이브리드 디퓨저와 조합 시 90% 이상의 가변 효율을 달성할 수 있습니다.
또한, 임펠러의 마하수는 1.3보다 높아 1단에 더 높은 출력 밀도와 압축비를 제공합니다. 이는 3단 MAC 시스템에서 기어가 전달해야 하는 동력을 줄여주므로, 1단에 더 작은 직경의 기어와 직결식 기어박스를 사용할 수 있게 해줍니다.
기존의 전체 길이 LS 베인 디퓨저와 비교하여 차세대 하이브리드 디퓨저는 단계 효율이 2.5% 향상되고 제어 계수가 3% 향상되었습니다. 이러한 향상은 블레이드를 혼합(즉, 블레이드를 전체 높이 부분과 부분 높이 부분으로 나눔)함으로써 달성됩니다. 이러한 구성에서
임펠러와 디퓨저 사이의 유량은 기존 LS 디퓨저의 블레이드보다 임펠러에 더 가까운 위치에 있는 블레이드 높이의 일부만큼 감소합니다. 기존 LS 디퓨저와 마찬가지로, 블레이드 손상을 유발할 수 있는 임펠러와 디퓨저의 상호 작용을 방지하기 위해 전체 길이 블레이드의 앞쪽 가장자리는 임펠러로부터 등거리에 위치합니다.
임펠러에 가까운 블레이드의 높이를 부분적으로 높이면 맥동 영역 근처의 유동 방향도 개선됩니다. 전체 길이 베인 섹션의 앞쪽 가장자리는 기존 LS 디퓨저와 동일한 직경을 유지하므로 스로틀 라인에 영향을 미치지 않아 더 넓은 적용 범위와 튜닝이 가능합니다.
물 주입은 흡입관 내 공기 흐름에 물방울을 주입하는 방식입니다. 물방울이 증발하면서 공정 가스 흐름으로부터 열을 흡수하여 압축단 입구 온도를 낮춥니다. 그 결과 등엔트로피 동력 요구량이 감소하고 효율이 1% 이상 향상됩니다.
기어축을 경화 처리하면 단위 면적당 허용 응력을 높일 수 있어 톱니 폭을 줄일 수 있습니다. 이를 통해 기어박스의 기계적 손실을 최대 25%까지 줄일 수 있으며, 결과적으로 전체 효율을 최대 0.5%까지 향상시킬 수 있습니다. 또한, 대형 기어박스에 사용되는 금속량이 줄어들기 때문에 주 압축기 비용을 최대 1%까지 절감할 수 있습니다.
이 임펠러는 최대 0.25의 유량 계수(φ)로 작동할 수 있으며 65도 임펠러보다 6% 더 높은 양정을 제공합니다. 또한, 유량 계수가 0.25에 도달하면 IGC 기계의 이중 유동 설계에서 체적 유량은 120만 m³/h 또는 240만 m³/h에 이를 수 있습니다.
파이(phi) 값이 높을수록 동일한 유량에서 더 작은 직경의 임펠러를 사용할 수 있으므로 주 압축기 비용을 최대 4%까지 절감할 수 있습니다. 1단 임펠러의 직경은 더욱 줄일 수도 있습니다.
더 높은 양정은 임펠러 편향각 75°를 통해 얻어지는데, 이는 출구에서의 원주 방향 속도 성분을 증가시켜 오일러 방정식에 따라 더 높은 양정을 제공합니다.
고속 고효율 임펠러와 비교했을 때, 이 임펠러는 볼류트에서의 손실이 더 크기 때문에 효율이 약간 떨어집니다. 이는 중간 크기의 스네일을 사용하여 보완할 수 있습니다. 하지만 볼류트가 없더라도 마하수 1.0, 유량계수 0.24에서 최대 87%의 가변 효율을 달성할 수 있습니다.
작은 볼류트를 사용하면 대형 기어의 직경을 줄일 때 다른 볼류트와의 충돌을 방지할 수 있습니다. 작업자는 최대 허용 기어 속도를 초과하지 않고 6극 모터에서 고속 4극 모터(1000rpm~1500rpm)로 교체하여 비용을 절감할 수 있습니다. 또한 헬리컬 기어 및 대형 기어의 재료비도 절감할 수 있습니다.
전반적으로, 메인 컴프레서는 초기 투자 비용을 최대 2%까지 절감할 수 있으며, 엔진 또한 초기 투자 비용을 2% 절감할 수 있습니다. 컴팩트 볼류트는 효율이 다소 떨어지기 때문에 사용 여부는 고객의 우선순위(비용 대비 효율)에 따라 결정되며, 프로젝트별로 평가해야 합니다.
제어 기능을 향상시키기 위해 IGV는 여러 단계의 전면에 설치될 수 있습니다. 이는 첫 번째 단계까지만 IGV를 사용했던 기존 IGC 프로젝트와는 확연히 다른 점입니다.
초기 IGC 모델에서는 와류 계수(즉, 두 번째 IGV의 각도를 첫 번째 IGV1의 각도로 나눈 값)가 유동이 순방향 와류(각도 > 0°, 수두 감소)인지 역방향 와류(각도 < 0°, 압력 증가)인지에 관계없이 일정하게 유지되었습니다. 이는 양의 와류와 음의 와류 사이에서 각도의 부호가 바뀌기 때문에 불리한 점입니다.
새로운 구성은 기계가 정방향 및 역방향 와류 모드일 때 서로 다른 두 가지 와류 비율을 사용할 수 있도록 하여 일정한 효율을 유지하면서 제어 범위를 4% 증가시킵니다.
BAC에 일반적으로 사용되는 임펠러에 LS 디퓨저를 통합함으로써 다단 효율을 89%까지 향상시킬 수 있습니다. 이는 다른 효율 개선 사항과 결합하여 전체 트레인 효율을 유지하면서 BAC 단수를 줄일 수 있습니다. 단수 감소는 중간 냉각기, 관련 공정 가스 배관, 로터 및 스테이터 부품의 필요성을 없애 10%의 비용 절감 효과를 가져옵니다. 또한, 많은 경우 주 공기 압축기와 부스터 압축기를 하나의 장비로 통합할 수 있습니다.
앞서 언급했듯이, 증기 터빈과 VAC 사이에는 일반적으로 중간 기어가 필요합니다. 지멘스 에너지의 새로운 IGC 설계에서는 피니언 샤프트와 대형 기어(4단 기어) 사이에 아이들러 샤프트를 추가하여 이 아이들러 기어를 기어박스에 통합할 수 있습니다. 이를 통해 전체 라인 비용(주 압축기 및 보조 장비 포함)을 최대 4%까지 절감할 수 있습니다.
또한, 4피니언 기어는 대형 주 공기 압축기에서 6극 모터에서 4극 모터로 전환할 때 소형 스크롤 모터보다 더 효율적인 대안입니다(볼류트 충돌 가능성이 있거나 최대 허용 피니언 속도가 감소될 경우).
이러한 기술은 열 펌프 및 증기 압축을 비롯하여 탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS) 개발에서의 CO2 압축 등 산업 탈탄소화에 중요한 여러 시장에서 점점 더 보편화되고 있습니다.
지멘스 에너지는 IGC(통합 가스 발전기) 설계 및 운영 분야에서 오랜 역사를 자랑합니다. 위에서 언급한 (그리고 기타) 연구 개발 노력에서 알 수 있듯이, 당사는 고유한 응용 분야 요구 사항을 충족하고 비용 절감, 효율성 향상 및 지속 가능성 증대에 대한 시장의 증가하는 수요를 충족하기 위해 이러한 장비를 지속적으로 혁신하는 데 전념하고 있습니다. KT2