Autor: Lukas Bijikli, gerente de portfólio de produtos, unidades de equipamentos integrados, compressão de R&D CO2 e bombas de calor, energia da Siemens.
Por muitos anos, o IGC (Integrated Gear Compressor) tem sido a tecnologia de escolha para plantas de separação de ar. Isso se deve principalmente à sua alta eficiência, o que leva diretamente a custos reduzidos para oxigênio, nitrogênio e gás inerte. No entanto, o foco crescente na descarbonização coloca novas demandas nos IPCs, especialmente em termos de eficiência e flexibilidade regulatória. As despesas de capital continuam sendo um fator importante para os operadores de plantas, especialmente em pequenas e médias empresas.
Nos últimos anos, a Siemens Energy iniciou vários projetos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) destinados a expandir os recursos do IGC para atender às mudanças nas necessidades do mercado de separação de ar. Este artigo destaca algumas melhorias específicas do projeto que fizemos e discute como essas mudanças podem ajudar a atingir as metas de custo e redução de carbono de nossos clientes.
Hoje, a maioria das unidades de separação de ar estão equipadas com dois compressores: um compressor de ar principal (MAC) e um compressor de ar de impulso (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 mais compactada 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 usar uma turbina a vapor, ambos os compressores são acionados pela mesma turbina através das extremidades do eixo duplo. No esquema clássico, uma engrenagem intermediária é instalada entre a turbina a vapor e o HAC (Fig. 1).
Nos sistemas acionados eletricamente e acionados por turbinas a vapor, a eficiência do compressor é uma alavanca poderosa para a descarbonização, pois afeta diretamente o consumo de energia da unidade. Isso é especialmente importante para os MGPs acionados por turbinas a vapor, uma vez que a maior parte do calor para a produção de vapor é obtida em caldeiras a combustível fóssil.
Embora os motores elétricos forneçam uma alternativa mais verde às unidades de turbinas a vapor, muitas vezes há uma maior necessidade de flexibilidade de controle. Muitas plantas modernas de separação de ar que estão sendo construídas hoje estão conectadas à grade e têm um alto nível de uso de energia renovável. Na Austrália, por exemplo, há planos de construir várias plantas de amônia verde que usarão unidades de separação de ar (ASUS) para produzir nitrogênio para síntese de amônia e espera -se que recebam eletricidade de fazendas solares e solares próximas. Nessas plantas, 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 são projetadas para aplicações com taxas de fluxo acima de 400.000 m3/h. Nossos MGPs modernos têm uma taxa de fluxo de até 1,2 milhão de metros cúbicos por hora em um edifício. Isso inclui versões sem engrenagens de compressores de console com taxas de pressão até 2,5 ou mais em versões de estágio único e taxas de pressão até 6 nas versões seriais.
Nos últimos anos, para atender às crescentes demandas por eficiência do IGC, flexibilidade regulatória e custos de capital, fizemos algumas melhorias notáveis de projeto, resumidas abaixo.
A eficiência variável de vários impelidores normalmente usados no primeiro estágio do MAC é aumentado variando a geometria da lâmina. Com este novo impulsor, eficiências variáveis de até 89% podem ser alcançadas em combinação com difusores de LS convencionais e mais de 90% em combinação com a nova geração de difusores híbridos.
Além disso, o impulsor possui um número Mach superior a 1,3, que fornece o primeiro estágio com uma maior taxa de densidade de potência e taxa de compressão. Isso também reduz a energia que os engrenagens em sistemas de Mac em três estágios devem transmitir, permitindo o uso de engrenagens de diâmetro menor e caixas de câmbio direto nos primeiros estágios.
Comparado ao difusor tradicional de vanos LS de comprimento total, o difusor híbrido da próxima geração tem uma eficiência de estágio aumentada de 2,5% e fator de controle de 3%. Esse aumento é alcançado misturando as lâminas (ou seja, as lâminas são divididas em seções de altura total e parcial). Nesta configuração
A saída de fluxo entre o impulsor e o difusor é reduzida por uma porção da altura da lâmina localizada mais próxima do impulsor do que as pás de um difusor de LS convencional. Como em um difusor de LS convencional, as bordas principais das lâminas de comprimento total são equidistantes do impulsor para evitar a interação impulsor-difusor que pode danificar as lâminas.
Aumentar parcialmente a altura das lâminas mais perto do impulsor também melhora a direção do fluxo perto da zona de pulsação. Como a borda principal da seção de palhetas de comprimento total permanece o mesmo diâmetro que um difusor de LS convencional, a linha do acelerador não é afetada, permitindo uma ampla gama de aplicação e ajuste.
A injeção de água envolve a injeção de gotículas de água na corrente de ar no tubo de sucção. As gotículas evaporam e absorvem o calor da corrente de gás do processo, reduzindo assim a temperatura de entrada para o estágio de compressão. Isso resulta em uma redução nos requisitos de energia isentrópica e um aumento na eficiência de mais de 1%.
O endurecimento do eixo da engrenagem permite aumentar a tensão permitida por unidade de área, o que permite reduzir a largura do dente. Isso reduz as perdas mecânicas na caixa de câmbio em até 25%, resultando em um aumento na eficiência geral de até 0,5%. Além disso, os principais custos do compressor podem ser reduzidos em até 1%, porque menos metal é usado na caixa de engrenagens grande.
Este impulsor pode operar com um coeficiente de fluxo (φ) de até 0,25 e fornece 6% a mais de cabeça de 65 graus. Além disso, o coeficiente de fluxo atinge 0,25 e, no projeto de fluxo duplo da máquina IGC, o fluxo volumétrico atinge 1,2 milhão de m3/h ou até 2,4 milhões de m3/h.
Um valor mais alto de PHI permite o uso de um impulsor de menor diâmetro no mesmo fluxo de volume, reduzindo assim o custo do compressor principal em até 4%. O diâmetro do impulsor do primeiro estágio pode ser reduzido ainda mais.
A cabeça mais alta é alcançada pelo ângulo de deflexão do impulsor de 75 °, o que aumenta o componente de velocidade circunferencial na saída e, portanto, fornece uma cabeça mais alta de acordo com a equação de Euler.
Comparado aos impulsores de alta e alta eficiência, a eficiência do impulsor é ligeiramente reduzida devido a perdas mais altas na voluta. Isso pode ser compensado usando um caracol de tamanho médio. No entanto, mesmo sem essas volutas, a eficiência variável de até 87% pode ser alcançada em um número Mach de 1,0 e um coeficiente de fluxo de 0,24.
A voluta menor permite evitar colisões com outras volutas quando o diâmetro da engrenagem grande for reduzido. Os operadores podem economizar custos, mudando de um motor de 6 polos para um motor de 4 polos de alta velocidade (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 principal compressor pode economizar até 2% nos custos de capital, mais o motor também pode economizar 2% nos custos de capital. Como as volutas compactas são um pouco menos eficientes, a decisão de usá-las depende em grande parte das prioridades do cliente (custo versus eficiência) e deve ser avaliada de forma projetada por projeto.
Para aumentar os recursos de controle, o IGV pode ser instalado na frente de vários estágios. Isso contrasta fortemente com os projetos anteriores do IGC, que incluíram apenas IGVs até a primeira fase.
Nas 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 estar à frente (ângulo> 0 °, reduzir a cabeça) ou vórtice reverso (ângulo <0). °, a pressão aumenta). Isso é desvantajoso porque o sinal do ângulo muda entre vórtices positivos e negativos.
A nova configuração permite que duas taxas de vórtice diferentes sejam usadas quando a máquina está no modo de vórtice direto e reverso, aumentando assim a faixa de controle em 4%, mantendo a eficiência constante.
Ao incorporar um difusor de LS para o impulsor comumente usado em BACs, a eficiência de vários estágios pode ser aumentada para 89%. Isso, combinado com outras melhorias de eficiência, reduz o número de estágios de BAC, mantendo a eficiência geral do trem. A redução do número de estágios elimina a necessidade de um intercooler, tubulação de gases de processo associada e componentes do rotor e do estator, resultando em 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 máquina.
Como mencionado anteriormente, geralmente é necessária uma engrenagem intermediária entre a turbina a vapor e o VAC. Com o novo design do IGC da Siemens Energy, essa engrenagem ininterrupta pode ser integrada à caixa de engrenagens adicionando um eixo de marcha intermediária entre o eixo do pinhão e a engrenagem grande (4 engrenagens). Isso pode reduzir o custo total da linha (compressor principal mais equipamento auxiliar) em até 4%.
Além disso, as engrenagens de 4 pinos são uma alternativa mais eficiente para compactar motores de rolagem para trocar de motores de 6 polos para 4 polos em grandes compressores de ar principal (se houver uma possibilidade de colisão de voluta ou se a velocidade máxima permitida de pinhão será reduzida). ) passado.
Seu uso também está se tornando mais comum em vários mercados importantes para a descarbonização industrial, incluindo bombas de calor e compressão a vapor, bem como compressão de CO2 nos desenvolvimentos de captura de carbono, utilização e armazenamento (CCUS).
A Siemens Energy tem uma longa história de design e operação de IGCs. Como evidenciado pelos esforços de pesquisa e desenvolvimento acima (e outros), estamos comprometidos em inovar continuamente essas máquinas para atender às necessidades únicas de aplicação e atender às crescentes demandas do mercado por custos mais baixos, maior eficiência e aumento da sustentabilidade. KT2
Tempo de postagem: 28-2024 de abril