Auteur : Lukas Bijikli, responsable du portefeuille de produits, entraînements par engrenages intégrés, R&D sur la compression du CO2 et les pompes à chaleur, Siemens Energy.
Depuis de nombreuses années, le compresseur à engrenages intégré (IGC) est la technologie de choix pour les installations de séparation d'air. Cela s'explique principalement par son rendement élevé, qui se traduit directement par une réduction des coûts d'oxygène, d'azote et de gaz inerte. Cependant, l'accent croissant mis sur la décarbonation impose de nouvelles exigences aux IPC, notamment en termes d'efficacité et de flexibilité réglementaire. Les dépenses d'investissement restent un facteur important pour les exploitants d'installations, notamment dans les PME.
Ces dernières années, Siemens Energy a lancé plusieurs projets de recherche et développement (R&D) visant à étendre les capacités des IGC afin de répondre aux besoins changeants du marché de la séparation de l'air. Cet article met en lumière certaines améliorations de conception spécifiques que nous avons apportées et explique comment ces changements peuvent contribuer à atteindre les objectifs de réduction des coûts et des émissions de carbone de nos clients.
La plupart des unités de séparation d'air actuelles sont équipées de deux compresseurs : un compresseur d'air principal (MAC) et un compresseur d'air de suralimentation (BAC). Le compresseur d'air principal comprime généralement la totalité du débit d'air, de la pression atmosphérique à environ 6 bars. Une partie de ce débit est ensuite comprimée dans le BAC jusqu'à une pression pouvant atteindre 60 bars.
Selon la source d'énergie, le compresseur est généralement entraîné par une turbine à vapeur ou un moteur électrique. Dans le cas d'une turbine à vapeur, les deux compresseurs sont entraînés par la même turbine via deux extrémités d'arbre. Dans le schéma classique, un engrenage intermédiaire est installé entre la turbine à vapeur et le compresseur (Fig. 1).
Dans les systèmes à entraînement électrique comme dans les systèmes à turbine à vapeur, l'efficacité des compresseurs est un puissant levier de décarbonation, car elle a un impact direct sur la consommation énergétique de l'unité. Ceci est particulièrement important pour les centrales à vapeur alimentées par turbine à vapeur, car la majeure partie de la chaleur nécessaire à la production de vapeur est obtenue dans des chaudières à combustible fossile.
Bien que les moteurs électriques offrent une alternative plus écologique aux turbines à vapeur, la flexibilité de contrôle est souvent plus importante. De nombreuses usines modernes de séparation des gaz de l'air en construction sont raccordées au réseau et utilisent une forte proportion d'énergies renouvelables. En Australie, par exemple, il est prévu de construire plusieurs usines d'ammoniac vertes qui utiliseront des unités de séparation des gaz de l'air (USA) pour produire de l'azote destiné à la synthèse d'ammoniac et devraient être alimentées en électricité par des parcs éoliens et solaires voisins. Dans ces usines, la flexibilité réglementaire est essentielle pour compenser les fluctuations naturelles de la production d'électricité.
Siemens Energy a développé le premier compresseur IGC (anciennement VK) en 1948. Aujourd'hui, l'entreprise 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 compresseurs MGP modernes peuvent traiter jusqu'à 1,2 million de mètres cubes par heure dans un seul bâtiment. Ils comprennent des versions sans réducteur de vitesse de compresseurs à console avec des rapports de pression allant jusqu'à 2,5 ou plus pour les versions mono-étagées et jusqu'à 6 pour les versions de série.
Ces dernières années, pour répondre aux demandes croissantes en matière d’efficacité des IGC, de flexibilité réglementaire et de coûts d’investissement, nous avons apporté quelques améliorations de conception notables, qui sont résumées ci-dessous.
Le rendement variable des turbines généralement utilisées dans le premier étage MAC est augmenté par la variation de la géométrie des pales. Grâce à cette nouvelle turbine, des rendements variables allant jusqu'à 89 % peuvent être obtenus avec les diffuseurs LS conventionnels et plus de 90 % avec la nouvelle génération de diffuseurs hybrides.
De plus, la turbine présente un nombre de Mach supérieur à 1,3, ce qui confère au premier étage une densité de puissance et un taux de compression plus élevés. Cela réduit également la puissance transmise par les engrenages des systèmes MAC à trois étages, permettant l'utilisation d'engrenages de plus petit diamètre et de réducteurs à prise directe dans les premiers étages.
Comparé au diffuseur traditionnel à ailettes LS pleine longueur, le diffuseur hybride nouvelle génération présente un rendement d'étage accru de 2,5 % et un facteur de contrôle de 3 %. Cette amélioration est obtenue grâce au mélange des ailettes (les ailettes sont divisées en sections pleine hauteur et partielle). Dans cette configuration
Le débit entre la turbine et le diffuseur est réduit d'une partie de la hauteur des pales située plus près de la turbine que celles d'un diffuseur LS classique. Comme pour un diffuseur LS classique, les bords d'attaque des pales sur toute la longueur sont équidistants de la turbine afin d'éviter toute interaction turbine-diffuseur susceptible d'endommager les pales.
L'augmentation partielle de la hauteur des aubes au plus près de la roue améliore également la direction de l'écoulement à proximité de la zone de pulsation. Le bord d'attaque de la section d'aubes pleine longueur conservant le même diamètre qu'un diffuseur LS classique, la ligne d'étranglement reste inchangée, ce qui permet une plus large plage d'applications et de réglages.
L'injection d'eau consiste à injecter des gouttelettes d'eau dans le flux d'air du tube d'aspiration. Les gouttelettes s'évaporent et absorbent la chaleur du flux de gaz de procédé, réduisant ainsi la température d'entrée de l'étage de compression. Il en résulte une réduction des besoins en puissance isentropique et une augmentation du rendement de plus de 1 %.
Le durcissement de l'arbre du réducteur permet d'augmenter la contrainte admissible par unité de surface, ce qui permet de réduire la largeur des dents. Cela réduit les pertes mécaniques dans le réducteur jusqu'à 25 %, ce qui se traduit par une augmentation du rendement global pouvant atteindre 0,5 %. De plus, les coûts du compresseur principal peuvent être réduits jusqu'à 1 % grâce à la réduction de la quantité de métal utilisée dans le grand réducteur.
Cette turbine peut fonctionner avec un coefficient de débit (φ) allant jusqu'à 0,25 et offre une hauteur manométrique supérieure de 6 % à celle des turbines à 65 degrés. De plus, ce coefficient atteint 0,25 et, dans la conception à double flux de la machine IGC, le débit volumétrique atteint 1,2 million de m³/h, voire 2,4 millions de m³/h.
Une valeur phi plus élevée permet d'utiliser une roue de plus petit diamètre à débit volumique égal, réduisant ainsi le coût du compresseur principal jusqu'à 4 %. Le diamètre de la roue du premier étage peut être encore réduit.
La hauteur manométrique plus élevée est obtenue grâce à l'angle de déviation de la roue de 75°, qui augmente la composante de vitesse circonférentielle à la sortie et fournit ainsi une hauteur manométrique plus élevée selon l'équation d'Euler.
Comparé aux turbines à grande vitesse et à haut rendement, le rendement de la turbine est légèrement réduit en raison de pertes plus importantes dans la volute. Ceci peut être compensé par l'utilisation d'un escargot de taille moyenne. Cependant, même sans ces volutes, un rendement variable allant jusqu'à 87 % peut être atteint avec un nombre de Mach de 1,0 et un coefficient de débit de 0,24.
La volute plus petite permet d'éviter les collisions avec d'autres volutes lorsque le diamètre du grand engrenage est réduit. Les opérateurs peuvent réaliser des économies en passant d'un moteur 6 pôles à un moteur 4 pôles à vitesse plus élevée (1 000 à 1 500 tr/min) sans dépasser la vitesse maximale autorisée. De plus, cela permet de réduire les coûts de matériaux pour les engrenages hélicoïdaux et les grands engrenages.
Globalement, le compresseur principal permet d'économiser jusqu'à 2 % des coûts d'investissement, tout comme le moteur. Les volutes compactes étant légèrement moins efficaces, leur utilisation dépend largement des priorités du client (coût/efficacité) et doit être évaluée au cas par cas.
Pour accroître les capacités de contrôle, l'IGV peut être installé devant plusieurs étages. Ceci contraste fortement avec les précédents projets IGC, qui n'incluaient des IGV que jusqu'à la première phase.
Dans les versions précédentes de l'IGC, le coefficient de vortex (c'est-à-dire l'angle du deuxième IGV divisé par l'angle du premier IGV1) restait constant, que l'écoulement soit direct (angle > 0°, réduisant la hauteur manométrique) ou inverse (angle < 0°). °, la pression augmente). Ceci est désavantageux car le signe de l'angle change entre les vortex positifs et négatifs.
La nouvelle configuration permet d'utiliser deux rapports de vortex différents lorsque la machine est en mode vortex avant et arrière, augmentant ainsi la plage de contrôle de 4 % tout en maintenant une efficacité constante.
L'intégration d'un diffuseur LS à la turbine, couramment utilisée dans les compresseurs d'air comprimé, permet d'augmenter le rendement multi-étages à 89 %. Associé à d'autres améliorations, ce dispositif réduit le nombre d'étages du compresseur d'air comprimé tout en préservant le rendement global du train. La réduction du nombre d'étages élimine le besoin d'un refroidisseur intermédiaire, des tuyauteries de gaz de procédé associées, ainsi que des composants rotor et stator, ce qui se traduit par une économie de 10 %. De plus, il est souvent possible de combiner le compresseur d'air principal et le compresseur de surpression dans une seule machine.
Comme mentionné précédemment, un engrenage intermédiaire est généralement nécessaire entre la turbine à vapeur et le compresseur. Grâce à la nouvelle conception IGC de Siemens Energy, ce pignon intermédiaire peut être intégré au réducteur en ajoutant un arbre intermédiaire entre l'arbre du pignon et le grand engrenage (4 engrenages). Cela permet de réduire le coût total de la ligne (compresseur principal et équipements auxiliaires) jusqu'à 4 %.
De plus, les engrenages à 4 pignons constituent une alternative plus efficace aux moteurs à spirale compacts pour passer des moteurs à 6 pôles aux moteurs à 4 pôles dans les grands compresseurs d'air principaux (s'il existe un risque de collision de la volute ou si la vitesse maximale autorisée du pignon sera réduite). ) passé.
Leur utilisation devient également 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 du carbone (CCUS).
Siemens Energy possède une longue expérience dans la conception et l'exploitation de générateurs de vapeur à condensats. Comme en témoignent les efforts de recherche et développement mentionnés ci-dessus (et d'autres), nous nous engageons à innover continuellement sur ces machines afin de répondre aux besoins spécifiques des applications et aux exigences croissantes du marché en matière de réduction des coûts, d'efficacité accrue et de durabilité accrue. KT2
Date de publication : 28 avril 2024