GRUPO TECNOLÓGICO HANGZHOU NUZHUO CO.,LTD.

Autor: Lukas Bijikli, Gerente de Portfólio de Produtos, Acionamentos de Engrenagens Integrados, P&D de Compressão de CO2 e Bombas de Calor, Siemens Energy.
Durante muitos anos, o compressor de engrenagem integrado (IGC) tem sido a tecnologia de escolha para plantas de separação de ar. Isso se deve principalmente à sua alta eficiência, que leva diretamente à redução de custos com oxigênio, nitrogênio e gases inertes. No entanto, o crescente foco na descarbonização impõe novas exigências aos IPCs, especialmente em termos de eficiência e flexibilidade regulatória. O investimento inicial continua sendo um fator importante para os operadores de plantas, principalmente 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 (Integrated Gas Control - Controle Integrado de Gases) 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 nossos clientes a atingir suas metas de redução de custos e emissões de carbono.
A maioria das unidades de separação de ar atuais está 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 porção desse fluxo é então comprimida ainda mais no BAC até 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. Quando se utiliza 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 compressor de alta velocidade (Figura 1).
Tanto em sistemas acionados por eletricidade quanto em sistemas acionados por turbinas a vapor, a eficiência do compressor é um fator crucial para a descarbonização, pois impacta diretamente o consumo de energia da unidade. Isso é especialmente importante para usinas geotérmicas acionadas por turbinas a vapor, visto que a maior parte do calor para a produção de vapor é obtida em caldeiras a combustíveis fósseis.
Embora os motores elétricos ofereçam uma alternativa mais ecológica às turbinas a vapor, muitas vezes há uma necessidade maior de flexibilidade de controle. Muitas usinas modernas de separação de ar em construção atualmente estão conectadas à rede elétrica e utilizam grandes quantidades de energia renovável. Na Austrália, por exemplo, existem planos para a construção de diversas usinas de amônia verde que utilizarão unidades de separação de ar (ASUs) para produzir nitrogênio para a síntese de amônia e que 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 (Geradores de Pressão de Manufatura) 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 taxas de compressão de até 2,5 ou superiores em versões de estágio único e taxas de compressão de até 6 em versões em série.
Nos últimos anos, para atender às crescentes demandas por eficiência em IGC (Integrated Capital Group), flexibilidade regulatória e custos de capital, implementamos algumas melhorias de projeto notáveis, que são resumidas abaixo.
A eficiência variável de diversos impulsores normalmente usados ​​no primeiro estágio MAC é aumentada pela variação da geometria das pás. Com esse novo impulsor, é possível atingir eficiências variáveis ​​de até 89% em combinação com difusores LS convencionais e acima 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 uma maior densidade de potência e taxa de compressão. Isso também reduz a potência que as engrenagens em sistemas MAC de três estágios precisam transmitir, permitindo o uso de engrenagens de menor diâmetro e caixas de engrenagens de acionamento direto nos primeiros estágios.
Em comparação com o difusor de pás LS tradicional de comprimento total, o difusor híbrido de próxima geração apresenta um aumento de 2,5% na eficiência de estágio e de 3% no fator de controle. Esse aumento é obtido pela combinação das pás (ou seja, as pás são divididas em seções de altura total e de altura parcial). Nessa configuração
A vazão entre o impulsor e o difusor é reduzida por uma porção da altura da pá que está localizada 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 de comprimento total são equidistantes do impulsor para evitar a interação entre impulsor e difusor que poderia danificar as pás.
O aumento parcial da altura das pás próximas ao impulsor também melhora a direção do fluxo perto da zona de pulsação. Como a borda de ataque da seção de pás de comprimento total permanece com o mesmo diâmetro de um difusor LS convencional, a linha do acelerador não é afetada, permitindo uma gama mais ampla de aplicações e ajustes.
A injeção de água consiste na injeção de gotículas de água na corrente de ar dentro do 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 na demanda de potência isentrópica e um aumento na eficiência superior a 1%.
O endurecimento do eixo da engrenagem permite aumentar a tensão admissível por unidade de área, o que possibilita reduzir a largura do dente. 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 utiliza-se menos metal na caixa de engrenagens de grande porte.
Este impulsor pode operar com um coeficiente de vazão (φ) de até 0,25 e proporciona 6% mais altura manométrica do que impulsores de 65 graus. Além disso, o coeficiente de vazão atinge 0,25 e, no projeto de fluxo duplo da máquina IGC, a vazão volumétrica chega a 1,2 milhão de m³/h ou até mesmo 2,4 milhões de m³/h.
Um valor de phi mais elevado permite a utilização 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 ainda mais reduzido.
A maior altura manométrica é alcançada pelo ângulo de deflexão do impulsor de 75°, o que aumenta a componente da velocidade circunferencial na saída e, portanto, proporciona uma maior altura manométrica 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 às maiores perdas na voluta. Isso pode ser compensado com o uso de uma espiral 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 ao trocar um motor de 6 polos por um motor de 4 polos de maior velocidade (1000 rpm a 1500 rpm) sem exceder a velocidade máxima permitida da engrenagem. Além disso, isso pode reduzir os custos de material para engrenagens helicoidais e de grande porte.
De forma geral, o compressor principal pode gerar uma economia de até 2% nos custos de capital, e o motor também pode representar uma economia de 2% nos custos de capital. Como as volutas compactas são um pouco menos eficientes, a decisão de utilizá-las depende em grande parte das prioridades do cliente (custo versus eficiência) e deve ser avaliada caso a caso.
Para aumentar as capacidades de controle, o IGV pode ser instalado em frente a vários estágios. Isso representa um contraste marcante com os projetos anteriores da IGC, que incluíam IGVs apenas até a primeira fase.
Nas versões anteriores do IGC, o coeficiente de vórtice (ou seja, o ângulo do segundo IGV dividido pelo ângulo do primeiro IGV) permanecia constante, independentemente de o fluxo ser direto (ângulo > 0°, reduzindo a altura manométrica) ou reverso (ângulo < 0°, aumentando a pressão). Isso é desvantajoso porque o sinal do ângulo se inverte entre vórtices positivos e negativos.
A nova configuração permite a utilização de duas relações de vórtice diferentes quando a máquina está nos modos de vórtice direto e reverso, aumentando assim a faixa de controle em 4%, mantendo a eficiência constante.
Ao incorporar um difusor LS para o impulsor comumente usado em compressores de ar de reforço (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 resfriador intermediário, tubulações de gás de processo associadas 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 de reforço 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 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, as engrenagens de 4 pinhões são uma alternativa mais eficiente aos motores scroll compactos para a conversão de motores de 6 polos para motores de 4 polos em grandes compressores de ar principais (caso haja possibilidade de colisão da voluta ou se a velocidade máxima permitida do pinhão for reduzida).
Seu uso também está se tornando mais comum em diversos mercados importantes para a descarbonização industrial, incluindo bombas de calor e compressão de vapor, bem como compressão de CO2 em projetos de captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS).
A Siemens Energy possui uma longa história no projeto e operação de IGCs (Centros de Geração Integrada). Como evidenciado pelos esforços de pesquisa e desenvolvimento acima (e outros), estamos comprometidos com a inovação contínua dessas máquinas para atender às necessidades específicas de cada aplicação e às crescentes demandas do mercado por custos mais baixos, maior eficiência e maior sustentabilidade. KT2