저자 : Lukas Bijikli, 제품 포트폴리오 관리자, 통합 기어 드라이브, R & D CO2 압축 및 히트 펌프, Siemens Energy.
수년 동안 IGC (Integrated Gear Compressor)는 공기 분리 플랜트를위한 선택의 기술이었습니다. 이는 주로 높은 효율로 인해 산소, 질소 및 불활성 가스의 비용이 직접적으로 이어집니다. 그러나, 탈탄화에 대한 초점이 커지면 특히 효율성 및 규제 유연성 측면에서 IPC에 대한 새로운 요구가 있습니다. 자본 지출은 플랜트 운영자, 특히 중소 기업에서 계속 중요한 요소입니다.
지난 몇 년 동안 Siemens Energy는 공기 분리 시장의 변화하는 요구를 충족시키기 위해 IGC 기능을 확장하기위한 여러 연구 개발 (R & D) 프로젝트를 시작했습니다. 이 기사는 우리가 만든 특정 설계 개선을 강조하고 이러한 변화가 고객의 비용 및 탄소 감소 목표를 달성하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 논의합니다.
오늘날 대부분의 공기 분리 장치에는 주요 공기 압축기 (MAC)와 BAC (Boost Air Compressor)의 두 가지 압축기가 장착되어 있습니다. 주 공기 압축기는 일반적으로 대기압에서 약 6 bar까지의 전체 공기 흐름을 압축합니다. 이 흐름의 일부는 BAC에서 최대 60 bar의 압력으로 추가로 압축된다.
에너지 원에 따라 압축기는 일반적으로 증기 터빈 또는 전기 모터에 의해 구동됩니다. 증기 터빈을 사용할 때, 두 압축기는 트윈 샤프트 끝을 통해 동일한 터빈에 의해 구동됩니다. 전형적인 체계에서, 중간 기어는 증기 터빈과 HAC 사이에 설치됩니다 (그림 1).
전기 구동 및 증기 터빈 구동 시스템 모두에서 압축기 효율은 장치의 에너지 소비에 직접적인 영향을 미치기 때문에 탈탄화를위한 강력한 레버입니다. 증기 터빈에 의해 구동되는 MGP에 특히 중요합니다. 증기 생산을위한 대부분의 열은 화석 연료 발전 보일러에서 얻어지기 때문입니다.
전기 모터는 증기 터빈 드라이브에 대한 친환경적 대안을 제공하지만 종종 제어 유연성이 더 크게 필요합니다. 오늘날 많은 현대식 공기 분리 공장은 그리드에 연결되어 있으며 높은 수준의 재생 가능 에너지 사용을 가지고 있습니다. 예를 들어 호주에는 공기 분리 장치 (ASUS)를 사용하여 암모니아 합성을위한 질소를 생산하고 인근의 바람과 태양 광 농장으로부터 전기를받을 것으로 예상되는 여러 녹색 암모니아 식물을 건설 할 계획이 있습니다. 이 식물에서는 발전의 자연 변동을 보상하기 위해서는 규제 유연성이 중요합니다.
Siemens Energy는 1948 년에 최초의 IGC (이전 VK)를 개발했습니다. 오늘날이 회사는 전 세계적으로 2,300 개 이상의 유닛을 생산하며, 그 중 다수는 400,000m3/h를 초과하는 유량을 갖는 응용 프로그램을 위해 설계되었습니다. 우리의 현대 MGP는 한 건물에서 시간당 최대 120 만 입방 미터의 유량이 있습니다. 여기에는 단일 단계 버전에서 최대 2.5 이상의 압력 비율과 직렬 버전에서 최대 6의 압력 비율을 갖는 기어리스 버전의 콘솔 압축기가 포함됩니다.
최근 몇 년 동안 IGC 효율성, 규제 유연성 및 자본 비용에 대한 수요가 증가함에 따라 우리는 몇 가지 눈에 띄는 설계 개선을 만들었으며, 이는 아래에 요약되어 있습니다.
첫 번째 MAC 단계에서 일반적으로 사용되는 다수의 임펠러의 가변 효율은 블레이드 형상을 변화시켜 증가합니다. 이 새로운 임펠러를 사용하면 기존 LS 확산기와 함께 최대 89%의 가변 효율을 달성하고 새로운 세대 하이브리드 디퓨저와 함께 90% 이상을 달성 할 수 있습니다.
또한 임펠러는 1.3보다 높은 Mach 수를 가지며, 이는 첫 번째 단계에 더 높은 전력 밀도 및 압축 비율을 제공합니다. 또한 3 단계 MAC 시스템의 기어가 전송 해야하는 전력을 감소시켜 첫 번째 단계에서 더 작은 직경 기어와 직접 드라이브 기어 박스를 사용할 수 있습니다.
전통적인 전장 LS Vane Diffuser와 비교하여 차세대 하이브리드 디퓨저는 2.5%의 스테이지 효율이 증가하고 3%의 제어 계수가 증가합니다. 이 증가는 블레이드를 혼합하여 달성됩니다 (즉, 블레이드는 전체 높이 및 부분 높이 섹션으로 나뉩니다). 이 구성에서
임펠러와 디퓨저 사이의 흐름 출력은 기존 LS 디퓨저의 블레이드보다 임펠러에 더 가깝게 위치한 블레이드 높이의 일부에 의해 감소된다. 기존의 LS 디퓨저와 마찬가지로, 전장 블레이드의 주요 가장자리는 임펠러와 동일하게 유지되므로 블레이드를 손상시킬 수있는 임펠러-디 퍼스 상호 작용을 피할 수 있습니다.
펠러에 더 가깝게 블레이드의 높이를 부분적으로 증가 시키면 맥동 영역 근처의 흐름 방향이 향상됩니다. 전장 베인 섹션의 최첨단은 기존 LS 디퓨저와 동일한 직경으로 유지되므로 스로틀 라인은 영향을받지 않아 더 넓은 범위의 응용 프로그램 및 튜닝을 허용합니다.
물 주입은 흡입 튜브의 공기 흐름에 물방울을 주입하는 것을 포함합니다. 액 적은 공정 가스 스트림으로부터 증발하고 열을 흡수하여 입구 온도를 압축 단계로 줄입니다. 이로 인해 등방성 전력 요구 사항이 감소하고 효율이 1%이상 증가합니다.
기어 샤프트를 강화하면 단위 면적당 허용 된 응력을 증가시켜 치아 폭을 줄일 수 있습니다. 이는 기어 박스의 기계적 손실을 최대 25%감소시켜 전체 효율이 최대 0.5%증가합니다. 또한 대형 기어 박스에서 금속이 적을수록 메인 압축기 비용을 최대 1%까지 줄일 수 있습니다.
이 임펠러는 최대 0.25의 흐름 계수 (φ)로 작동 할 수 있으며 65도 임펠러보다 6% 더 많은 헤드를 제공 할 수 있습니다. 또한, 흐름 계수는 0.25에 도달하고 IGC 기계의 이중 흐름 설계에서 볼륨 흐름은 120 만 M3/h 또는 240 만 M3/h에 도달합니다.
PHI 값이 높을수록 동일한 부피 흐름에서 더 작은 직경 임펠러를 사용하여 주 압축기의 비용을 최대 4%까지 줄입니다. 제 1 단계 임펠러의 직경을 더욱 줄일 수 있습니다.
더 높은 헤드는 75 ° 임펠러 편향 각에 의해 달성되며, 이는 배출구의 원주 속도 성분을 증가시켜 Euler의 방정식에 따라 더 높은 헤드를 제공합니다.
고속 및 고효율 임펠러와 비교하여, 임펠러의 효율은 볼 루트의 손실이 높아서 약간 감소합니다. 이것은 중간 크기의 달팽이를 사용하여 보상 할 수 있습니다. 그러나, 이들 볼륨이 없어도, 1.0의 마하 수에서 최대 87%의 가변 효율을 달성하고 5.24의 흐름 계수를 달성 할 수있다.
작은 volute를 사용하면 큰 기어의 직경이 줄어들 때 다른 볼 루트와의 충돌을 피할 수 있습니다. 연산자는 최대 허용 기어 속도를 초과하지 않고 6 극 모터에서 고속 4 극 모터 (1000 rpm ~ 1500 rpm)로 전환하여 비용을 절약 할 수 있습니다. 또한 나선형 및 대형 기어의 재료 비용을 줄일 수 있습니다.
전반적으로 주요 압축기는 자본 비용이 최대 2% 절약 될 수 있으며 엔진은 자본 비용의 2%를 절약 할 수 있습니다. 소형 볼트는 다소 덜 효율적이기 때문에이를 사용하기로 한 결정은 크게 고객의 우선 순위 (비용 대 효율성)에 달려 있으며 프로젝트별로 평가해야합니다.
제어 기능을 높이려면 여러 단계 앞에 IGV를 설치할 수 있습니다. 이는 이전 IGC 프로젝트와는 대조적이며, 첫 번째 단계까지 IGV 만 포함되었습니다.
IGC의 초기 반복에서, 소용돌이 계수 (즉, 제 2 IGV의 각도를 제 1 IGV1의 각도로 나눈 값)는 흐름이 전방 (각도> 0 °, 헤드 감소 헤드) 또는 역 용물 (각도 <0)에 관계없이 일정하게 유지되었다. °, 압력이 증가). 각도의 징후가 양성과 음성 소용돌이 사이의 변이되기 때문에 이것은 불리합니다.
새로운 구성을 통해 기계가 정방향 및 역 소용돌이 모드에있을 때 두 가지 다른 와류 비율을 사용할 수 있으므로 일정한 효율을 유지하면서 제어 범위를 4% 증가시킵니다.
BAC에 일반적으로 사용되는 임펠러에 대한 LS 디퓨저를 통합함으로써, 다단계 효율은 89%로 증가 할 수있다. 이는 다른 효율성 개선과 결합하여 전반적인 열차 효율을 유지하면서 BAC 단계의 수를 줄입니다. 단계 수를 줄이면 인터쿨러, 관련 공정 가스 배관, 로터 및 고정자 구성 요소가 필요하지 않아 비용이 10%로 절약됩니다. 또한 많은 경우 메인 에어 압축기와 부스터 압축기를 하나의 기계에 결합 할 수 있습니다.
앞에서 언급했듯이, 중간 기어는 일반적으로 증기 터빈과 VAC 사이에 필요합니다. Siemens Energy의 새로운 IGC 설계를 통해이 클라임 기어는 피니언 샤프트와 큰 기어 (4 기어) 사이에 아이들러 샤프트를 추가하여 기어 박스에 통합 할 수 있습니다. 이렇게하면 총 라인 비용 (주 압축기 + 보조 장비)을 최대 4%까지 줄일 수 있습니다.
또한 4- 핀온 기어는 대형 주요 공기 압축기에서 6 폴에서 4 극으로 전환하기위한 소형 스크롤 모터를위한보다 효율적인 대안입니다 (Volute 충돌 가능성이 있거나 최대 허용 피니언 속도가 감소하는 경우). ) 과거.
열 펌프 및 증기 압축을 포함한 산업 탈탄산에 중요한 여러 시장에서는 탄소 포획, 활용 및 저장 (CCU) 개발의 CO2 압축에서도 그들의 사용이 더욱 흔해지고 있습니다.
Siemens Energy는 IGC를 설계하고 작동하는 오랜 역사를 가지고 있습니다. 위의 (및 기타) 연구 및 개발 노력에 의해 입증 된 바와 같이, 우리는 고유 한 응용 프로그램 요구를 충족시키기 위해 이러한 기계를 지속적으로 혁신하고 비용 절감, 효율성 향상 및 지속 가능성 향상에 대한 시장 요구가 증가하고 있습니다. KT2
후 시간 : 4 월 28-2024 년