항저우 누줘 과학기술그룹 유한회사

저자: 루카스 비지클리, 제품 포트폴리오 관리자, 통합 기어 드라이브, R&D CO2 압축 및 히트 펌프, 지멘스 에너지.
오랫동안 통합 기어 압축기(IGC)는 공기 분리 플랜트에서 선호되는 기술이었습니다. 이는 주로 높은 효율 덕분에 산소, 질소 및 불활성 가스 비용 절감으로 이어지기 때문입니다. 그러나 탈탄소화에 대한 관심이 커짐에 따라 IPC에 대한 새로운 요구, 특히 효율성과 규제 유연성에 대한 요구가 커지고 있습니다. 설비 투자는 플랜트 운영자, 특히 중소기업에게 중요한 요소입니다.
지난 몇 년간 지멘스 에너지는 변화하는 공기 분리 시장의 요구에 부응하기 위해 IGC(Industrial Gas Gas) 역량 확장을 목표로 여러 연구 개발(R&D) 프로젝트를 진행해 왔습니다. 본 기사에서는 지멘스가 수행한 몇 가지 구체적인 설계 개선 사항을 소개하고, 이러한 변화가 고객의 비용 및 탄소 감축 목표 달성에 어떻게 도움이 될 수 있는지 논의합니다.
오늘날 대부분의 공기 분리 장치에는 메인 공기 압축기(MAC)와 부스트 공기 압축기(BAC)라는 두 개의 압축기가 장착되어 있습니다. 메인 공기 압축기는 일반적으로 대기압에서 약 6bar까지 전체 공기 흐름을 압축합니다. 이 흐름의 일부는 BAC에서 최대 60bar의 압력으로 추가 압축됩니다.
에너지원에 따라 압축기는 일반적으로 증기 터빈 또는 전기 모터로 구동됩니다. 증기 터빈을 사용하는 경우, 두 압축기 모두 동일한 터빈에 의해 두 개의 축단을 통해 구동됩니다. 기존 방식에서는 증기 터빈과 HAC 사이에 중간 기어가 설치됩니다(그림 1).
전기 구동 및 증기 터빈 구동 시스템 모두에서 압축기 효율은 장치의 에너지 소비에 직접적인 영향을 미치므로 탈탄소화를 위한 강력한 수단입니다. 특히 증기 터빈으로 구동되는 MGP의 경우, 증기 생산에 필요한 열의 대부분이 화석 연료 보일러에서 얻어지기 때문에 압축기 효율은 매우 중요합니다.
전기 모터는 증기 터빈 구동 장치보다 친환경적인 대안을 제공하지만, 제어 유연성이 더 필요한 경우가 많습니다. 오늘날 건설 중인 많은 현대식 공기 분리 플랜트는 계통 연계형이며 재생 에너지 사용량이 높습니다. 예를 들어 호주에서는 공기 분리 장치(ASU)를 사용하여 암모니아 합성을 위한 질소를 생산하는 친환경 암모니아 플랜트를 여러 개 건설할 계획이며, 인근 풍력 및 태양광 발전소에서 전력을 공급받을 것으로 예상됩니다. 이러한 플랜트에서는 발전량의 자연적인 변동을 상쇄하기 위해 규제 유연성이 매우 중요합니다.
지멘스 에너지는 1948년 최초의 IGC(구 VK)를 개발했습니다. 현재 전 세계적으로 2,300대 이상의 제품을 생산하고 있으며, 그중 다수는 시간당 40만 입방미터(m³) 이상의 유량을 처리하는 분야에 적합하도록 설계되었습니다. 당사의 최신 MGP는 한 건물에서 시간당 최대 120만 입방미터(m³)의 유량을 처리합니다. 여기에는 압력비가 2.5 이상인 단단 버전과 압력비가 최대 6인 직렬 버전의 콘솔 압축기의 기어리스 버전이 포함됩니다.
최근 몇 년 동안 IGC 효율성, 규제 유연성, 자본 비용에 대한 요구가 증가함에 따라 우리는 아래에 요약된 몇 가지 주목할 만한 설계 개선을 이루었습니다.
1차 MAC 단계에 일반적으로 사용되는 여러 임펠러의 가변 효율은 블레이드 형상을 변경함으로써 향상됩니다. 이 새로운 임펠러를 사용하면 기존 LS 디퓨저와 함께 사용하면 최대 89%의 가변 효율을 달성할 수 있으며, 차세대 하이브리드 디퓨저와 함께 사용하면 90% 이상의 가변 효율을 달성할 수 있습니다.
또한, 임펠러의 마하수가 1.3보다 높아 1단의 출력 밀도와 압축비가 향상됩니다. 또한, 3단 MAC 시스템의 기어가 전달해야 하는 출력이 감소하여 1단에 더 작은 직경의 기어와 직접 구동 기어박스를 사용할 수 있습니다.
기존의 전장 LS 베인 디퓨저와 비교했을 때, 차세대 하이브리드 디퓨저는 스테이지 효율이 2.5%, 제어 계수가 3% 향상되었습니다. 이러한 향상은 블레이드를 혼합하여 달성됩니다(즉, 블레이드가 전장과 부분 전장 섹션으로 나뉩니다). 이 구성에서는
임펠러와 디퓨저 사이의 유량 출력은 기존 LS 디퓨저의 블레이드보다 임펠러에 더 가까이 위치한 블레이드 높이의 일부만큼 감소합니다. 기존 LS 디퓨저와 마찬가지로, 전체 길이의 블레이드의 선단은 임펠러와 등거리에 위치하여 블레이드 손상을 유발할 수 있는 임펠러-디퓨저 상호 작용을 방지합니다.
임펠러에 가까운 블레이드 높이를 부분적으로 높이면 맥동 영역 근처의 흐름 방향도 개선됩니다. 전체 길이의 베인 섹션의 선단이 기존 LS 디퓨저와 동일한 직경을 유지하므로 스로틀 라인에 영향을 미치지 않아 더 넓은 범위의 적용 및 튜닝이 가능합니다.
물 주입은 흡입관 내 공기 흐름에 물방울을 주입하는 것을 포함합니다. 물방울은 증발하면서 공정 가스 흐름에서 열을 흡수하여 압축단 입구 온도를 낮춥니다. 이는 등엔트로피 전력 요구량을 감소시키고 효율을 1% 이상 증가시킵니다.
기어 샤프트를 경화하면 단위 면적당 허용 응력을 증가시켜 기어 폭을 줄일 수 있습니다. 이를 통해 기어박스의 기계적 손실을 최대 25%까지 줄여 전체 효율을 최대 0.5%까지 높일 수 있습니다. 또한, 대형 기어박스에 사용되는 금속이 줄어들어 메인 컴프레서 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 계수는 0.25에 달하며, IGC 장치의 이중 흐름 설계에서는 체적 유량이 120만 m³/h 또는 최대 240만 m³/h에 달합니다.
파이 값이 높을수록 동일한 유량에서 더 작은 직경의 임펠러를 사용할 수 있어 주 압축기 비용을 최대 4%까지 절감할 수 있습니다. 1단 임펠러의 직경은 더욱 줄일 수 있습니다.
더 높은 헤드는 75° 임펠러 편향 각도에 의해 달성되며, 이는 출구에서 원주 속도 성분을 증가시키고, 따라서 오일러 방정식에 따르면 더 높은 헤드를 제공합니다.
고속 및 고효율 임펠러에 비해 볼류트 손실이 더 크기 때문에 임펠러 효율이 약간 감소합니다. 이는 중간 크기의 스네일을 사용하여 보상할 수 있습니다. 그러나 이러한 볼류트 없이도 마하수 1.0, 유량 계수 0.24에서 최대 87%의 가변 효율을 달성할 수 있습니다.
작은 볼류트는 큰 기어의 직경을 줄일 때 다른 볼류트와의 충돌을 방지할 수 있습니다. 작업자는 최대 허용 기어 속도를 초과하지 않고도 6극 모터에서 더 빠른 속도의 4극 모터(1000rpm~1500rpm)로 전환하여 비용을 절감할 수 있습니다. 또한, 헬리컬 기어 및 대형 기어의 자재 비용도 절감할 수 있습니다.
전반적으로 메인 압축기는 자본 비용을 최대 2% 절감할 수 있으며, 엔진 또한 자본 비용을 2% 절감할 수 있습니다. 컴팩트 볼류트는 효율이 다소 낮기 때문에, 컴팩트 볼류트 사용 여부는 고객의 우선순위(비용 대 효율)에 따라 크게 달라지며, 프로젝트별로 평가해야 합니다.
제어 능력을 높이기 위해 IGV를 여러 단계 앞에 설치할 수 있습니다. 이는 1단계까지만 IGV를 사용했던 이전 IGC 프로젝트와는 극명한 대조를 이룹니다.
IGC의 이전 버전에서는 와류 계수(즉, 두 번째 IGV의 각도를 첫 번째 IGV1의 각도로 나눈 값)가 흐름이 정방향(각도 > 0°, 감소 헤드)이든 역방향 와류(각도 < 0°)이든 관계없이 일정하게 유지되었습니다. 이는 각도의 부호가 양의 와류와 음의 와류 사이에서 바뀌기 때문에 불리합니다.
새로운 구성은 기계가 정방향 및 역방향 와류 모드에 있을 때 두 가지 다른 와류 비율을 사용할 수 있게 하여 일정한 효율성을 유지하면서 제어 범위를 4% 늘릴 수 있습니다.
BAC에 일반적으로 사용되는 임펠러에 LS 디퓨저를 통합하면 다단 효율을 89%까지 높일 수 있습니다. 이는 다른 효율 개선 사항과 결합되어 BAC 단 수를 줄이는 동시에 전체 열차 효율을 유지합니다. 단 수를 줄이면 인터쿨러, 관련 공정 가스 배관, 로터 및 스테이터 부품이 필요 없어져 비용을 10% 절감할 수 있습니다. 또한, 많은 경우 주 공기 압축기와 부스터 압축기를 하나의 기계에 통합할 수 있습니다.
앞서 언급했듯이 증기 터빈과 VAC 사이에는 일반적으로 중간 기어가 필요합니다. 지멘스 에너지의 새로운 IGC 설계를 사용하면 피니언 축과 빅 기어(4단 기어) 사이에 아이들러 샤프트를 추가하여 이 아이들러 기어를 기어박스에 통합할 수 있습니다. 이를 통해 총 라인 비용(주 압축기 및 보조 장비)을 최대 4%까지 절감할 수 있습니다.
또한, 4피니언 기어는 대형 메인 공기 압축기에서 6극 모터에서 4극 모터로 전환할 때 컴팩트 스크롤 모터보다 더 효율적인 대안입니다(볼류트 충돌 가능성이 있거나 최대 허용 피니언 속도가 감소하는 경우).
또한, 열 펌프와 증기 압축을 비롯하여 탄소 포집, 활용 및 저장(CCUS) 개발에 있어서 CO2 압축을 포함하여 산업적 탈탄소화에 중요한 몇몇 시장에서도 이러한 기술이 점점 더 일반화되고 있습니다.
지멘스 에너지는 IGC 설계 및 운영에 있어 오랜 역사를 가지고 있습니다. 위에서 언급한 연구 개발 노력을 비롯한 다양한 연구 개발 노력을 통해, 당사는 고유한 적용 분야 요구 사항을 충족하고 비용 절감, 효율성 향상, 그리고 지속가능성 향상에 대한 시장의 증가하는 수요를 충족하기 위해 이러한 장비를 지속적으로 혁신하고 있습니다. KT2