Autor: Lukas Bijikli, gerente de portfólio de produtos, acionamentos de engrenagens integrados, P&D de compressão de CO2 e bombas de calor, Siemens Energy.
Há muitos anos, o Compressor de Engrenagens Integrado (CGI) tem sido a tecnologia preferida para plantas de separação de ar. Isso se deve principalmente à sua alta eficiência, que leva diretamente à redução dos custos com oxigênio, nitrogênio e gás inerte. No entanto, o crescente foco na descarbonização impõe novas demandas às CGI, especialmente em termos de eficiência e flexibilidade regulatória. O investimento de capital continua sendo um fator importante para os operadores de plantas, especialmente em pequenas e médias empresas.
Nos últimos anos, a Siemens Energy iniciou diversos projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) com o objetivo de expandir as capacidades de IGC para atender às necessidades em constante mudança do mercado de separação de ar. Este artigo destaca algumas melhorias específicas de projeto que implementamos e discute como essas mudanças podem ajudar a atingir as metas de redução de custos e carbono de nossos clientes.
A maioria das unidades de separação de ar hoje em dia é equipada com dois compressores: um compressor de ar principal (MAC) e um compressor de ar auxiliar (BAC). O compressor de ar principal normalmente comprime todo o fluxo de ar da pressão atmosférica para aproximadamente 6 bar. Uma parte desse fluxo é então comprimida no BAC para uma pressão de até 60 bar.
Dependendo da fonte de energia, o compressor geralmente é acionado por uma turbina a vapor ou um motor elétrico. Ao utilizar uma turbina a vapor, ambos os compressores são acionados pela mesma turbina através de eixos duplos. No esquema clássico, uma engrenagem intermediária é instalada entre a turbina a vapor e o HAC (Fig. 1).
Tanto em sistemas elétricos quanto em sistemas acionados por turbinas a vapor, a eficiência do compressor é uma alavanca poderosa para a descarbonização, pois impacta diretamente o consumo de energia da unidade. Isso é especialmente importante para MGPs acionados por turbinas a vapor, visto que a maior parte do calor para a produção de vapor é obtida em caldeiras alimentadas por combustíveis fósseis.
Embora os motores elétricos ofereçam uma alternativa mais ecológica aos acionamentos de turbinas a vapor, muitas vezes há uma necessidade maior de flexibilidade de controle. Muitas usinas modernas de separação de ar em construção atualmente são conectadas à rede e têm um alto nível de uso de energia renovável. Na Austrália, por exemplo, há planos para construir diversas usinas de amônia verde que utilizarão unidades de separação de ar (ASUs) para produzir nitrogênio para síntese de amônia e deverão receber eletricidade de parques eólicos e solares próximos. Nessas usinas, a flexibilidade regulatória é fundamental para compensar as flutuações naturais na geração de energia.
A Siemens Energy desenvolveu o primeiro IGC (anteriormente conhecido como VK) em 1948. Hoje, a empresa produz mais de 2.300 unidades em todo o mundo, muitas das quais projetadas para aplicações com vazões superiores a 400.000 m³/h. Nossos modernos MGPs têm uma vazão de até 1,2 milhão de metros cúbicos por hora em um único edifício. Isso inclui versões sem engrenagens de compressores de console com relações de pressão de até 2,5 ou mais nas versões de estágio único e relações de pressão de até 6 nas versões em série.
Nos últimos anos, para atender às crescentes demandas por eficiência do IGC, flexibilidade regulatória e custos de capital, fizemos algumas melhorias notáveis no projeto, que estão resumidas abaixo.
A eficiência variável de diversos impulsores tipicamente utilizados no primeiro estágio MAC é aumentada pela variação da geometria das pás. Com este novo impulsor, é possível alcançar eficiências variáveis de até 89% em combinação com difusores LS convencionais e mais de 90% em combinação com a nova geração de difusores híbridos.
Além disso, o impulsor possui um número de Mach superior a 1,3, o que proporciona ao primeiro estágio maior densidade de potência e taxa de compressão. Isso também reduz a potência que as engrenagens em sistemas MAC de três estágios devem transmitir, permitindo o uso de engrenagens de menor diâmetro e caixas de engrenagens de acionamento direto nos primeiros estágios.
Comparado ao difusor de palhetas LS tradicional de comprimento total, o difusor híbrido de última geração apresenta uma eficiência de estágio aumentada em 2,5% e um fator de controle de 3%. Esse aumento é obtido pela mistura das palhetas (ou seja, as palhetas são divididas em seções de altura total e altura parcial). Nesta configuração
A vazão entre o impulsor e o difusor é reduzida em uma parte da altura da pá, que fica mais próxima do impulsor do que as pás de um difusor LS convencional. Assim como em um difusor LS convencional, as bordas de ataque das pás em todo o seu comprimento são equidistantes do impulsor para evitar a interação entre o impulsor e o difusor, o que poderia danificar as pás.
Aumentar parcialmente a altura das pás mais próximas do impulsor também melhora a direção do fluxo próximo à zona de pulsação. Como a borda de ataque da seção de palhetas em todo o comprimento permanece com o mesmo diâmetro de um difusor LS convencional, a linha de aceleração não é afetada, permitindo uma gama mais ampla de aplicações e ajustes.
A injeção de água envolve a injeção de gotículas de água no fluxo de ar no tubo de sucção. As gotículas evaporam e absorvem calor do fluxo de gás do processo, reduzindo assim a temperatura de entrada no estágio de compressão. Isso resulta em uma redução nos requisitos de potência isentrópica e um aumento na eficiência de mais de 1%.
O endurecimento do eixo da engrenagem permite aumentar a tensão admissível por unidade de área, o que permite reduzir a largura dos dentes. Isso reduz as perdas mecânicas na caixa de engrenagens em até 25%, resultando em um aumento na eficiência geral de até 0,5%. Além disso, os custos do compressor principal podem ser reduzidos em até 1%, pois menos metal é utilizado na caixa de engrenagens grande.
Este impulsor pode operar com um coeficiente de vazão (φ) de até 0,25 e fornece 6% a mais de altura manométrica do que impulsores de 65 graus. Além disso, o coeficiente de vazão chega a 0,25 e, no projeto de fluxo duplo da máquina IGC, a vazão volumétrica atinge 1,2 milhão de m³/h ou até 2,4 milhões de m³/h.
Um valor phi mais alto permite o uso de um impulsor de menor diâmetro com a mesma vazão volumétrica, reduzindo assim o custo do compressor principal em até 4%. O diâmetro do impulsor do primeiro estágio pode ser reduzido ainda mais.
A maior altura manométrica é alcançada pelo ângulo de deflexão do impulsor de 75°, o que aumenta o componente de velocidade circunferencial na saída e, portanto, proporciona uma altura manométrica maior de acordo com a equação de Euler.
Em comparação com impulsores de alta velocidade e alta eficiência, a eficiência do impulsor é ligeiramente reduzida devido a perdas maiores na voluta. Isso pode ser compensado com o uso de um caracol de tamanho médio. No entanto, mesmo sem essas volutas, é possível atingir uma eficiência variável de até 87% com um número de Mach de 1,0 e um coeficiente de vazão de 0,24.
A voluta menor permite evitar colisões com outras volutas quando o diâmetro da engrenagem maior é reduzido. Os operadores podem economizar custos trocando um motor de 6 polos por um motor de 4 polos de velocidade mais alta (1000 rpm a 1500 rpm) sem exceder a velocidade máxima permitida da engrenagem. Além disso, pode reduzir os custos de material para engrenagens helicoidais e grandes.
No geral, o compressor principal pode economizar até 2% em custos de capital, e o motor também pode economizar 2%. Como as volutas compactas são um pouco menos eficientes, a decisão de usá-las depende em grande parte das prioridades do cliente (custo vs. eficiência) e deve ser avaliada projeto a projeto.
Para aumentar a capacidade de controle, o IGV pode ser instalado na frente de vários estágios. Isso contrasta fortemente com projetos IGC anteriores, que incluíam apenas IGVs até a primeira fase.
Em iterações anteriores do IGC, o coeficiente de vórtice (ou seja, o ângulo do segundo IGV dividido pelo ângulo do primeiro IGV1) permaneceu constante, independentemente de o fluxo ser direto (ângulo > 0°, reduzindo a altura manométrica) ou reverso (ângulo < 0°, a pressão aumenta). Isso é desvantajoso, pois o sinal do ângulo muda entre vórtices positivos e negativos.
A nova configuração permite o uso de duas relações de vórtice diferentes quando a máquina está no modo de vórtice direto e reverso, aumentando assim a faixa de controle em 4% e mantendo a eficiência constante.
Ao incorporar um difusor LS no impulsor comumente utilizado em BACs, a eficiência multiestágio pode ser aumentada para 89%. Isso, combinado com outras melhorias de eficiência, reduz o número de estágios do BAC, mantendo a eficiência geral do conjunto. A redução do número de estágios elimina a necessidade de um intercooler, tubulação de gás de processo associada e componentes de rotor e estator, resultando em uma economia de custos de 10%. Além disso, em muitos casos, é possível combinar o compressor de ar principal e o compressor auxiliar em uma única máquina.
Como mencionado anteriormente, geralmente é necessária uma engrenagem intermediária entre a turbina a vapor e o VAC. Com o novo projeto do IGC da Siemens Energy, essa engrenagem intermediária pode ser integrada à caixa de engrenagens adicionando um eixo intermediário entre o eixo do pinhão e a engrenagem principal (4 engrenagens). Isso pode reduzir o custo total da linha (compressor principal mais equipamentos auxiliares) em até 4%.
Além disso, engrenagens de 4 pinhões são uma alternativa mais eficiente aos motores scroll compactos para alternar entre motores de 6 polos e 4 polos em grandes compressores de ar principais (se houver possibilidade de colisão de voluta ou se a velocidade máxima permitida do pinhão for reduzida). ) passado.
Seu uso também está se tornando mais comum em vários mercados importantes para a descarbonização industrial, incluindo bombas de calor e compressão de vapor, bem como compressão de CO2 em desenvolvimentos de captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS).
A Siemens Energy possui um longo histórico de projeto e operação de IGCs. Como evidenciado pelos esforços de pesquisa e desenvolvimento mencionados (e outros), estamos comprometidos em inovar continuamente essas máquinas para atender às necessidades únicas de aplicação e às crescentes demandas do mercado por custos mais baixos, maior eficiência e maior sustentabilidade. KT2
Horário da publicação: 28/04/2024