Auteur: Lukas Bijikli, gestionnaire de portefeuille de produits, entraînements de vitesse intégrés, compression R&D CO2 et pompes à chaleur, Siemens Energy.
Pendant de nombreuses années, le compresseur intégré de vitesse (IGC) est la technologie de choix pour les usines de séparation d'air. Cela est principalement dû à leur grande efficacité, ce qui entraîne directement des coûts réduits pour l'oxygène, l'azote et le gaz inerte. Cependant, l'accent croissant sur la décarbonisation impose de nouvelles demandes sur les IPC, en particulier en termes d'efficacité et de flexibilité réglementaire. Les dépenses en capital continue d'être un facteur important pour les opérateurs d'usine, en particulier dans les petites et moyennes entreprises.
Au cours des dernières années, Siemens Energy a lancé plusieurs projets de recherche et développement (R&D) visant à étendre les capacités IGC pour répondre aux besoins changeants du marché de la séparation de l'air. Cet article met en évidence certaines améliorations de conception spécifiques que nous avons apportées et explique comment ces changements peuvent aider à atteindre les objectifs des coûts et de la réduction du carbone de nos clients.
Aujourd'hui, la plupart des unités de séparation d'air sont équipées de deux compresseurs: un compresseur d'air principal (MAC) et un compresseur d'air Boost (BAC). Le compresseur d'air principal comprime généralement l'ensemble du flux d'air de la pression atmosphérique à environ 6 bar. Une partie de ce débit est ensuite comprimée dans le BAC à une pression allant jusqu'à 60 bar.
Selon la source d'énergie, le compresseur est généralement entraîné par une turbine à vapeur ou un moteur électrique. Lors de l'utilisation d'une turbine à vapeur, les deux compresseurs sont entraînés par la même turbine à travers les extrémités de l'arbre jumeau. Dans le schéma classique, un engrenage intermédiaire est installé entre la turbine à vapeur et le HAC (Fig. 1).
Dans les systèmes électriques et entraînés par les turbines à vapeur, l'efficacité du compresseur est un levier puissant pour la décarbonisation car il affecte directement la consommation d'énergie de l'unité. Ceci est particulièrement important pour les MGPS entraînés par des turbines à vapeur, car la majeure partie de la chaleur pour la production de vapeur est obtenue dans les chaudières à combustible fossile.
Bien que les moteurs électriques fournissent une alternative plus verte aux entraînements de turbine à vapeur, il y a souvent un plus grand besoin de flexibilité de contrôle. De nombreuses usines de séparation d'air modernes construites aujourd'hui sont connectées au réseau et ont un niveau élevé de consommation d'énergie renouvelable. En Australie, par exemple, il est prévu de construire plusieurs usines d'ammoniac vert qui utiliseront des unités de séparation d'air (ASUS) pour produire de l'azote pour la synthèse d'ammoniac et devraient recevoir de l'électricité de l'éolien et des fermes solaires à proximité. Dans ces usines, la flexibilité réglementaire est essentielle pour compenser les fluctuations naturelles de la production d'électricité.
Siemens Energy a développé la première IGC (anciennement connue sous le nom de VK) en 1948. Aujourd'hui, la société produit plus de 2 300 unités dans le monde, dont beaucoup sont conçues pour des applications avec des débits supérieurs à 400 000 m3 / h. Nos MGP modernes ont un débit allant jusqu'à 1,2 million de mètres cubes par heure dans un bâtiment. Il s'agit notamment des versions sans engrenage des compresseurs de console avec des rapports de pression jusqu'à 2,5 ou plus dans des versions à un stade et des rapports de pression jusqu'à 6 dans des versions en série.
Ces dernières années, pour répondre aux demandes croissantes d'efficacité des IGC, de flexibilité réglementaire et de coûts en capital, nous avons apporté des améliorations de conception notables, qui sont résumées ci-dessous.
L'efficacité variable d'un certain nombre d'empultures généralement utilisées au premier stade MAC est augmentée en faisant varier la géométrie de la lame. Avec cette nouvelle roue, des efficacités variables allant jusqu'à 89% peuvent être obtenues en combinaison avec des diffuseurs LS conventionnels et plus de 90% en combinaison avec la nouvelle génération de diffuseurs hybrides.
De plus, la roue a un nombre de Mach supérieur à 1,3, ce qui fournit la première étape avec une densité de puissance et un rapport de compression plus élevés. Cela réduit également la puissance que les engrenages dans les systèmes MAC à trois étapes doivent transmettre, permettant l'utilisation d'engrenages de plus petit diamètre et de boîtes de vitesses d'entraînement directes dans les premières étapes.
Par rapport au diffuseur LS de la pleine longueur traditionnel, le diffuseur hybride de prochaine génération a une efficacité de stade accrue de 2,5% et un facteur de contrôle de 3%. Cette augmentation est obtenue en mélangeant les lames (c'est-à-dire que les lames sont divisées en sections à hauteur pleine et à hauteur partielle). Dans cette configuration
Le débit entre la roue et le diffuseur est réduit par une partie de la hauteur de lame située plus près de la roue que les lames d'un diffuseur LS conventionnel. Comme pour un diffuseur LS conventionnel, les bords principaux des lames pleine longueur sont équidistants de la roue pour éviter l'interaction de la roue-diffuseur qui pourrait endommager les lames.
L'augmentation partiellement de la hauteur des lames plus près de la roue améliore également la direction du débit près de la zone de pulsation. Étant donné que le bord d'attaque de la section de palette pleine longueur reste du même diamètre qu'un diffuseur LS conventionnel, la ligne de papillon n'est pas affectée, permettant une gamme plus large d'application et de réglage.
L'injection d'eau implique l'injection de gouttelettes d'eau dans le flux d'air dans le tube d'aspiration. Les gouttelettes évaporent et absorbent la chaleur du flux de gaz de procédé, réduisant ainsi la température d'entrée au stade de compression. Il en résulte une réduction des besoins en puissance isentropique et une augmentation de l'efficacité de plus de 1%.
Le durcissement de l'arbre d'engrenage vous permet d'augmenter la contrainte autorisée par unité de zone, ce qui vous permet de réduire la largeur des dents. Cela réduit les pertes mécaniques dans la boîte de vitesses jusqu'à 25%, entraînant une augmentation de l'efficacité globale pouvant atteindre 0,5%. De plus, les coûts principaux du compresseur peuvent être réduits jusqu'à 1% car moins de métal est utilisé dans la grande boîte de vitesses.
Cette roue peut fonctionner avec un coefficient d'écoulement (φ) jusqu'à 0,25 et fournit 6% de tête de plus que des traits de 65 degrés. De plus, le coefficient d'écoulement atteint 0,25 et dans la conception à double débit de la machine IGC, le débit volumétrique atteint 1,2 million de m3 / h ou même 2,4 millions de m3 / h.
Une valeur PHI plus élevée permet d'utiliser une roue de plus petit diamètre au même flux de volume, réduisant ainsi le coût du compresseur principal jusqu'à 4%. Le diamètre de la roue de première étape peut être encore réduit.
La tête plus élevée est obtenue par l'angle de déviation de la roue à 75 °, qui augmente le composant de vitesse circonférentiel à la sortie et fournit ainsi une tête plus élevée selon l'équation d'Euler.
Par rapport aux traits à grande vitesse et à haute efficacité, l'efficacité de la roue est légèrement réduite en raison de pertes plus élevées dans le volute. Cela peut être compensé en utilisant un escargot de taille moyenne. Cependant, même sans ces
Le plus petit volute vous permet d'éviter les collisions avec d'autres volutes lorsque le diamètre du grand engrenage est réduit. Les opérateurs peuvent économiser les coûts en passant d'un moteur à 6 pôles à un moteur à 4 pôles à plus haute vitesse (1000 tr / min à 1500 tr / min) sans dépasser la vitesse de vitesse maximale admissible. De plus, il peut réduire les coûts des matériaux pour les engrenages hélicoïdaux et importants.
Dans l'ensemble, le compresseur principal peut économiser jusqu'à 2% des coûts en capital, plus le moteur peut également économiser 2% des coûts en capital. Étant donné que les
Pour augmenter les capacités de contrôle, l'IGV peut être installé devant plusieurs étapes. Ceci contraste fortement avec les projets IGC précédents, qui n'incluaient que les IGV jusqu'à la première phase.
Dans les itérations antérieures de l'IGC, le coefficient de vortex (c'est-à-dire, l'angle du deuxième IGV divisé par l'angle du premier IGV1) est resté constant, que l'écoulement soit en avant (angle> 0 °, réduisant la tête) ou le vortex inverse (angle <0). °, la pression augmente). Ceci est désavantageux car le signe de l'angle change entre les tourbillons positifs et négatifs.
La nouvelle configuration permet d'utiliser deux rapports vortex différents lorsque la machine est en mode Vortex vers l'avant et inversé, augmentant ainsi la plage de contrôle de 4% tout en maintenant une efficacité constante.
En incorporant un diffuseur LS pour la roue couramment utilisée dans les BAC, l'efficacité en plusieurs étapes peut être augmentée à 89%. Ceci, combiné à d'autres améliorations de l'efficacité, réduit le nombre d'étapes de BAC tout en maintenant l'efficacité globale du train. La réduction du nombre d'étapes élimine le besoin d'un refroidisseur intermédiaire, de la tuyauterie de gaz de procédé associée et des composants du rotor et du stator, entraînant des économies de coûts de 10%. De plus, dans de nombreux cas, il est possible de combiner le compresseur d'air principal et le compresseur de booster dans une seule machine.
Comme mentionné précédemment, un engrenage intermédiaire est généralement requis entre la turbine à vapeur et le VAC. Avec la nouvelle conception IGC de Siemens Energy, cet engrenage indulgent peut être intégré dans la boîte de vitesses en ajoutant un arbre de folie entre l'arbre de pignon et le grand engrenage (4 engrenages). Cela peut réduire le coût total de la ligne (compresseur principal plus équipement auxiliaire) jusqu'à 4%.
De plus, les engrenages à 4 pinion sont une alternative plus efficace aux moteurs de défilement compacts pour passer des moteurs à 6 pôles à 4 pôles dans les grands compresseurs d'air principaux (s'il existe une possibilité de collision volute ou si la vitesse maximale de pignon autorisée sera réduite). ) passé.
Leur utilisation devient également de plus en plus courante sur plusieurs marchés importants pour la décarbonisation industrielle, notamment les pompes à chaleur et la compression de vapeur, ainsi que la compression du CO2 dans les développements de capture, d'utilisation et de stockage (CCU) du carbone.
Siemens Energy a une longue histoire de conception et d'exploitation des IGC. Comme en témoignent les efforts de recherche et de développement ci-dessus (et d'autres), nous nous engageons à innover continuellement ces machines pour répondre aux besoins d'application uniques et à répondre aux demandes croissantes du marché pour des coûts plus faibles, une efficacité accrue et une durabilité accrue. Kt2
Heure du poste: avr-28-2024