Autor: Lukas Bijikli, gerente de cartera de productos, unidades de engranajes integrados, compresión de CO2 y bombas de calor, Siemens Energy.
Durante muchos años, el compresor de engranaje integrado (IGC) ha sido la tecnología de elección para las plantas de separación de aire. Esto se debe principalmente a su alta eficiencia, lo que conduce directamente a costos reducidos de oxígeno, nitrógeno y gas inerte. Sin embargo, el creciente enfoque en la descarbonización impone nuevas demandas a los IPC, especialmente en términos de eficiencia y flexibilidad regulatoria. El gasto de capital sigue siendo un factor importante para los operadores de plantas, especialmente en pequeñas y medianas empresas.
En los últimos años, Siemens Energy ha iniciado varios proyectos de investigación y desarrollo (I + D) destinado a expandir las capacidades de IGC para satisfacer las necesidades cambiantes del mercado de separación de aire. Este artículo destaca algunas mejoras de diseño específicas que hemos realizado y analiza cómo estos cambios pueden ayudar a cumplir con los objetivos de costo y reducción de carbono de nuestros clientes.
La mayoría de las unidades de separación de aire de hoy están equipadas con dos compresores: un compresor de aire principal (MAC) y un compresor de aire de refuerzo (BAC). El compresor de aire principal generalmente comprime todo el flujo de aire de la presión atmosférica a aproximadamente 6 bar. Una parte de este flujo se comprime aún más en el BAC a una presión de hasta 60 bar.
Dependiendo de la fuente de energía, el compresor generalmente es impulsado por una turbina de vapor o un motor eléctrico. Al usar una turbina de vapor, ambos compresores son impulsados por la misma turbina a través de extremos de eje gemelo. En el esquema clásico, se instala una marcha intermedia entre la turbina de vapor y el HAC (Fig. 1).
Tanto en los sistemas impulsados eléctricamente como con la turbina de vapor, la eficiencia del compresor es una palanca poderosa para la descarbonización, ya que afecta directamente el consumo de energía de la unidad. Esto es especialmente importante para las MGP impulsadas por las turbinas de vapor, ya que la mayor parte del calor para la producción de vapor se obtiene en calderas de combustibles fósiles.
Aunque los motores eléctricos proporcionan una alternativa más verde a las unidades de turbina de vapor, a menudo existe una mayor necesidad de flexibilidad de control. Muchas plantas modernas de separación de aire que se construyen hoy están conectadas a la red y tienen un alto nivel de uso de energía renovable. En Australia, por ejemplo, hay planes para construir varias plantas de amoníaco verdes que usarán unidades de separación de aire (ASUS) para producir nitrógeno para la síntesis de amoníaco y se espera que reciban electricidad de las granjas eólicas y solares cercanas. En estas plantas, la flexibilidad regulatoria es crítica para compensar las fluctuaciones naturales en la generación de energía.
Siemens Energy desarrolló el primer IGC (anteriormente conocido como VK) en 1948. Hoy la compañía produce más de 2,300 unidades en todo el mundo, muchas de las cuales están diseñadas para aplicaciones con tasas de flujo superiores a 400,000 m3/h. Nuestros MGP modernos tienen un caudal de hasta 1,2 millones de metros cúbicos por hora en un edificio. Estos incluyen versiones sin engranaje de compresores de consola con relaciones de presión de hasta 2.5 o más en versiones de una sola etapa y relaciones de presión de hasta 6 en versiones en serie.
En los últimos años, para satisfacer las crecientes demandas de eficiencia de IGC, flexibilidad regulatoria y costos de capital, hemos realizado algunas mejoras de diseño notables, que se resumen a continuación.
La eficiencia variable de una serie de impulsores típicamente utilizados en la primera etapa MAC se incrementa al variar la geometría de la cuchilla. Con este nuevo impulsor, se pueden lograr eficiencias variables de hasta el 89% en combinación con difusores LS convencionales y más del 90% en combinación con la nueva generación de difusores híbridos.
Además, el impulsor tiene un número de MAC superior a 1.3, que proporciona la primera etapa con una mayor densidad de potencia y una relación de compresión. Esto también reduce la potencia que los engranajes en los sistemas MAC de tres etapas deben transmitir, lo que permite el uso de engranajes de diámetro más pequeño y cajas de cambios de accionamiento directo en las primeras etapas.
En comparación con el difusor LS Vane tradicional de longitud completa, el difusor híbrido de próxima generación tiene una mayor eficiencia de etapa del 2.5% y el factor de control del 3%. Este aumento se logra mezclando las cuchillas (es decir, las cuchillas se dividen en secciones de altura completa y de altura parcial). En esta configuración
La salida de flujo entre el impulsor y el difusor se reduce mediante una porción de la altura de la cuchilla que se encuentra más cerca del impulsor que las cuchillas de un difusor LS convencional. Al igual que con un difusor LS convencional, los bordes principales de las cuchillas de longitud completa son equidistantes del impulsor para evitar la interacción del impulsor-difusor que podría dañar las cuchillas.
Aumentar parcialmente la altura de las cuchillas más cercanas al impulsor también mejora la dirección del flujo cerca de la zona de pulsación. Debido a que el borde de ataque de la sección de paletas de longitud completa sigue siendo el mismo diámetro que un difusor LS convencional, la línea del acelerador no se ve afectada, lo que permite una gama más amplia de aplicaciones y ajuste.
La inyección de agua implica inyectar gotas de agua en la corriente de aire en el tubo de succión. Las gotas evaporan y absorben el calor de la corriente de gas de proceso, reduciendo así la temperatura de entrada a la etapa de compresión. Esto da como resultado una reducción en los requisitos de energía isentrópica y un aumento en la eficiencia de más del 1%.
Endurecer el eje de engranaje le permite aumentar el estrés permitido por unidad de área, lo que le permite reducir el ancho del diente. Esto reduce las pérdidas mecánicas en la caja de cambios hasta en un 25%, lo que resulta en un aumento en la eficiencia general de hasta 0.5%. Además, los costos principales del compresor se pueden reducir hasta un 1% porque se usa menos metal en la caja de cambios grande.
Este impulsor puede funcionar con un coeficiente de flujo (φ) de hasta 0.25 y proporciona un 6% más de cabeza 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 flujo volumétrico alcanza 1.2 millones de m3/h o incluso 2.4 millones de m3/h.
Un valor PHI más alto permite el uso de un impulsor de menor diámetro al mismo flujo de volumen, reduciendo así el costo del compresor principal en hasta un 4%. El diámetro del impulsor de la primera etapa puede reducirse aún más.
La cabeza superior se logra mediante el ángulo de deflexión del impulsor de 75 °, que aumenta el componente de velocidad circunferencial en la salida y, por lo tanto, proporciona una cabeza más alta de acuerdo con 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 mediante el uso de un caracol de tamaño mediano. Sin embargo, incluso sin estas volutas, se puede lograr una eficiencia variable de hasta el 87% en un número de Mach de 1.0 y un coeficiente de flujo de 0.24.
La voluta más pequeña le permite evitar colisiones con otras volutas cuando se reduce el diámetro de la marcha grande. Los operadores pueden ahorrar costos cambiando de un motor de 6 polos a un motor de 4 polos de mayor velocidad (1000 rpm a 1500 rpm) sin exceder la velocidad máxima permitida. Además, puede reducir los costos de materiales para engranajes helicoidales y grandes.
En general, el compresor principal puede ahorrar hasta un 2% en costos de capital, además del motor también puede ahorrar un 2% en costos de capital. Debido a que las volutas compactas son algo menos eficientes, la decisión de usarlas depende en gran medida de las prioridades del cliente (costo frente a la eficiencia) y debe evaluarse sobre un proyecto por proyecto.
Para aumentar las capacidades de control, el IGV se puede instalar frente a múltiples etapas. Esto está en marcado contraste con proyectos IGC anteriores, que solo incluían IGV hasta la primera fase.
En iteraciones anteriores del IGC, el coeficiente de vórtice (es decir, el ángulo del segundo IGV dividido por el ángulo del primer IGV1) permaneció constante independientemente de si el flujo era hacia adelante (ángulo> 0 °, la cabeza reductora) o el vórtice inverso (ángulo <0). °, la presión aumenta). Esto es desventajoso porque el signo del ángulo cambia entre vórtices positivos y negativos.
La nueva configuración permite que se utilicen dos relaciones de vórtice diferentes cuando la máquina está en modo de vórtice de avance e inversa, aumentando así el rango de control en un 4% mientras mantiene una eficiencia constante.
Al incorporar un difusor LS para el impulsor comúnmente utilizado en BAC, la eficiencia de varias etapas se puede aumentar al 89%. Esto, combinado con otras mejoras de eficiencia, reduce el número de etapas de BAC mientras se mantiene la eficiencia general del tren. La reducción del número de etapas elimina la necesidad de un intercooler, tuberías de gas de proceso asociadas y componentes de rotor y estator, lo que resulta en un ahorro de costos del 10%. Además, en muchos casos es posible combinar el compresor de aire principal y el compresor de refuerzo en una máquina.
Como se mencionó anteriormente, generalmente se requiere un engranaje intermedio entre la turbina de vapor y el VAC. Con el nuevo diseño de IGC de Siemens Energy, este engranaje ideador se puede integrar en la caja de cambios agregando un eje inactivado entre el eje del piñón y el engranaje grande (4 engranajes). Esto puede reducir el costo total de la línea (compresor principal más el equipo auxiliar) 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 4 polos en compresores de aire principales grandes (si existe la posibilidad de una colisión 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 la captura de carbono, la utilización y el almacenamiento (CCUS).
Siemens Energy tiene una larga historia de diseño y operación de IGC. Como lo demuestran los esfuerzos de investigación y desarrollo anteriores (y otros), estamos comprometidos a innovar continuamente estas máquinas para satisfacer las necesidades de aplicación únicas y satisfacer las crecientes demandas del mercado de costos más bajos, mayor eficiencia y mayor sostenibilidad. KT2
Tiempo de publicación: abril-28-2024