GRUPO DE TECNOLOGÍA HANGZHOU NUZHUO CO.,LTD.

Autor: Lukas Bijikli, Gerente de cartera de productos, Transmisiones de engranajes integradas, I+D de compresión de CO2 y bombas de calor, Siemens Energy.
Durante muchos años, el compresor de engranajes integrado (IGC) ha sido la tecnología preferida para las plantas de separación de aire. Esto se debe principalmente a su alta eficiencia, que se traduce directamente en una reducción de los costos de oxígeno, nitrógeno y gas inerte. Sin embargo, el creciente enfoque en la descarbonización impone nuevas exigencias a los IPC, especialmente en términos de eficiencia y flexibilidad regulatoria. La inversión de capital sigue siendo un factor importante para los operadores de plantas, especialmente en las pequeñas y medianas empresas.
En los últimos años, Siemens Energy ha iniciado varios proyectos de investigación y desarrollo (I+D) con el objetivo de ampliar las capacidades de los sistemas IGC para satisfacer las cambiantes necesidades del mercado de separación de aire. Este artículo destaca algunas mejoras de diseño específicas que hemos implementado y analiza cómo estos cambios pueden contribuir a los objetivos de reducción de costes y emisiones de carbono de nuestros clientes.
La mayoría de las unidades de separación de aire actuales están equipadas con dos compresores: un compresor de aire principal (MAC) y un compresor de aire de refuerzo (BAC). El compresor de aire principal suele comprimir todo el flujo de aire desde la presión atmosférica hasta aproximadamente 6 bar. Una parte de este flujo se comprime aún más en el BAC hasta una presión de hasta 60 bar.
Dependiendo de la fuente de energía, el compresor suele ser accionado por una turbina de vapor o un motor eléctrico. En el caso de una turbina de vapor, ambos compresores son accionados por la misma turbina a través de dos ejes. En el esquema clásico, se instala un engranaje intermedio entre la turbina de vapor y el HAC (Fig. 1).
Tanto en sistemas eléctricos como en sistemas accionados por turbinas de vapor, la eficiencia del compresor es un factor clave para la descarbonización, ya que influye directamente en el consumo energético de la unidad. Esto es especialmente importante para las MGP accionadas por turbinas de vapor, ya que la mayor parte del calor para la producción de vapor se obtiene en calderas alimentadas con combustibles fósiles.
Si bien los motores eléctricos ofrecen una alternativa más ecológica a las turbinas de vapor, a menudo existe una mayor necesidad de flexibilidad en el control. Muchas plantas modernas de separación de aire que se construyen actualmente están conectadas a la red eléctrica y tienen un alto nivel de uso de energías renovables. En Australia, por ejemplo, existen planes para construir varias plantas de amoníaco ecológicas que utilizarán unidades de separación de aire (ASU) para producir nitrógeno para la síntesis de amoníaco y se espera que reciban electricidad de parques eólicos y solares cercanos. En estas plantas, la flexibilidad regulatoria es crucial para compensar las fluctuaciones naturales en la generación de energía.
Siemens Energy desarrolló el primer IGC (anteriormente conocido como VK) en 1948. Actualmente, la compañía produce más de 2300 unidades en todo el mundo, muchas de las cuales están diseñadas para aplicaciones con caudales superiores a 400 000 m³/h. Nuestros modernos compresores de gas de mesa (MGP) alcanzan un caudal de hasta 1,2 millones de metros cúbicos por hora en un solo edificio. Estos incluyen versiones sin engranajes de compresores de consola con relaciones de presión de hasta 2,5 o superiores en versiones de una etapa y relaciones de presión de hasta 6 en versiones de serie.
En los últimos años, para satisfacer las crecientes demandas de eficiencia del IGC, flexibilidad regulatoria y costos de capital, hemos realizado algunas mejoras de diseño notables, que se resumen a continuación.
La eficiencia variable de varios impulsores, típicamente utilizados en la primera etapa MAC, se incrementa al variar la geometría de las palas. Con este nuevo impulsor, se pueden lograr eficiencias variables de hasta el 89 % en combinación con difusores LS convencionales y superiores al 90 % en combinación con la nueva generación de difusores híbridos.
Además, el impulsor tiene un número de Mach superior a 1,3, lo que proporciona a la primera etapa una mayor densidad de potencia y relación de compresión. Esto también reduce la potencia que deben transmitir los engranajes en sistemas MAC de tres etapas, lo que permite el uso de engranajes de menor diámetro y cajas de engranajes de transmisión directa en las primeras etapas.
En comparación con el difusor de paletas LS de longitud completa tradicional, el difusor híbrido de nueva generación presenta una mayor eficiencia de etapa del 2,5 % y un factor de control del 3 %. Este aumento se logra mediante la combinación de las paletas (es decir, las paletas se dividen en secciones de altura completa y de altura parcial). En esta configuración
El caudal entre el impulsor y el difusor se reduce en una parte de la altura de las aspas, que se encuentra más cerca del impulsor que las aspas de un difusor LS convencional. Al igual que en un difusor LS convencional, los bordes de ataque de las aspas en toda su longitud son equidistantes del impulsor para evitar la interacción entre ambos, que podría dañarlas.
Aumentar parcialmente la altura de los álabes más cerca del impulsor también mejora la dirección del flujo cerca de la zona de pulsación. Dado que el borde de ataque de la sección de álabes a lo largo de toda la longitud conserva el mismo diámetro que un difusor LS convencional, la línea de aceleración no se ve afectada, lo que permite una mayor variedad de aplicaciones y ajustes.
La inyección de agua consiste en inyectar gotas de agua en la corriente de aire del tubo de succión. Estas gotas se evaporan y absorben el calor de la corriente de gas de proceso, reduciendo así la temperatura de entrada a la etapa de compresión. Esto se traduce en una reducción de los requisitos de potencia isentrópica y un aumento de la eficiencia de más del 1 %.
El endurecimiento del eje del engranaje permite aumentar la tensión admisible por unidad de área, lo que permite reducir el ancho del diente. Esto reduce las pérdidas mecánicas en la caja de engranajes hasta en un 25%, lo que resulta en un aumento de la eficiencia general de hasta un 0,5%. Además, los costos del compresor principal pueden reducirse hasta en un 1% gracias al menor uso de metal en la caja de engranajes de gran tamaño.
Este impulsor puede operar con un coeficiente de flujo (φ) de hasta 0,25 y proporciona un 6 % más de altura que los impulsores de 65 grados. Además, el coeficiente de flujo alcanza 0,25, y en el diseño de doble flujo de la máquina IGC, el caudal volumétrico alcanza 1,2 millones de m³/h o incluso 2,4 millones de m³/h.
Un valor phi más alto permite utilizar un impulsor de menor diámetro con el mismo caudal, lo que reduce el coste del compresor principal hasta en un 4 %. El diámetro del impulsor de la primera etapa puede reducirse aún más.
La mayor altura se consigue mediante un ángulo de deflexión del impulsor de 75°, que aumenta el componente de velocidad circunferencial en la salida y, por lo tanto, proporciona una mayor altura según la ecuación de Euler.
En comparación con los impulsores de alta velocidad y alta eficiencia, la eficiencia del impulsor se reduce ligeramente debido a mayores pérdidas en la voluta. Esto se puede compensar utilizando un caracol de tamaño mediano. Sin embargo, incluso sin estas volutas, se puede alcanzar una eficiencia variable de hasta el 87 % con un número de Mach de 1,0 y un coeficiente de flujo de 0,24.
La voluta más pequeña evita colisiones con otras volutas al reducir el diámetro del engranaje grande. Los operadores pueden ahorrar costos al cambiar de un motor de 6 polos a uno de 4 polos de mayor velocidad (de 1000 a 1500 rpm) sin exceder la velocidad máxima permitida del engranaje. Además, puede reducir los costos de material para engranajes helicoidales y de gran tamaño.
En general, el compresor principal puede ahorrar hasta un 2 % en costos de capital, y el motor también puede ahorrar un 2 %. Dado que las volutas compactas son algo menos eficientes, la decisión de usarlas depende en gran medida de las prioridades del cliente (costo vs. eficiencia) y debe evaluarse individualmente para cada proyecto.
Para aumentar las capacidades de control, el IGV puede instalarse delante de varias etapas. Esto contrasta marcadamente con proyectos IGC anteriores, que solo incluyeron IGV hasta la primera fase.
En iteraciones anteriores del IGC, el coeficiente de vórtice (es decir, el ángulo del segundo IGV dividido entre el ángulo del primer IGV1) se mantenía constante independientemente de si el flujo era directo (ángulo > 0°, lo que reduce la carga) o inverso (ángulo < 0°). Esto presenta una desventaja, ya que el signo del ángulo cambia entre vórtices positivos y negativos.
La nueva configuración permite utilizar dos relaciones de vórtice diferentes cuando la máquina está en modo de vórtice directo e inverso, aumentando así el rango de control en un 4% y manteniendo una eficiencia constante.
Al incorporar un difusor LS en el impulsor, comúnmente utilizado en los BAC, la eficiencia multietapa puede aumentarse hasta un 89 %. Esto, junto con otras mejoras de eficiencia, reduce el número de etapas del BAC, manteniendo al mismo tiempo la eficiencia general del tren de rodaje. La reducción del número de etapas elimina la necesidad de un intercooler, las tuberías de gas de proceso asociadas y los componentes del rotor y el estator, lo que se traduce en un ahorro de costos del 10 %. Además, en muchos casos es posible combinar el compresor de aire principal y el compresor booster en una sola máquina.
Como se mencionó anteriormente, generalmente se requiere un engranaje intermedio entre la turbina de vapor y el sistema de ventilación con aire acondicionado (VAC). Con el nuevo diseño de IGC de Siemens Energy, este engranaje intermedio puede integrarse en la caja de engranajes añadiendo un eje intermedio entre el eje del piñón y el engranaje principal (4 engranajes). Esto puede reducir el costo total de la línea (compresor principal más equipos auxiliares) hasta en un 4%.
Además, los engranajes de 4 piñones son una alternativa más eficiente a los motores de desplazamiento compactos para cambiar de motores de 6 polos a motores de 4 polos en compresores de aire principales grandes (si existe la posibilidad de colisión de la voluta o si se reducirá la velocidad máxima permitida del piñón). ) pasado.
Su uso también se está volviendo más común en varios mercados importantes para la descarbonización industrial, incluidas las bombas de calor y la compresión de vapor, así como la compresión de CO2 en los desarrollos de captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS).
Siemens Energy cuenta con una larga trayectoria en el diseño y la operación de IGC. Como lo demuestran las iniciativas de investigación y desarrollo mencionadas (y otras), nos comprometemos a innovar continuamente estas máquinas para satisfacer las necesidades específicas de cada aplicación y las crecientes demandas del mercado de menores costos, mayor eficiencia y mayor sostenibilidad. KT2