บริษัท หางโจว นูจั่ว เทคโนโลยี กรุ๊ป จำกัด

ผู้เขียน: Lukas Bijikli ผู้จัดการกลุ่มผลิตภัณฑ์ ระบบขับเคลื่อนแบบเกียร์แบบบูรณาการ การวิจัยและพัฒนา การบีบอัด CO2 และปั๊มความร้อน Siemens Energy
เป็นเวลาหลายปีแล้วที่ Integrated Gear Compressor (IGC) เป็นเทคโนโลยีที่โรงงานแยกอากาศเลือกใช้ สาเหตุหลักคือประสิทธิภาพสูง ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนออกซิเจน ไนโตรเจน และก๊าซเฉื่อยลดลงโดยตรง อย่างไรก็ตาม การมุ่งเน้นที่การลดคาร์บอนมากขึ้นทำให้ IPC มีความต้องการใหม่ๆ โดยเฉพาะในแง่ของประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นในการควบคุม การใช้จ่ายด้านทุนยังคงเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับผู้ดำเนินการโรงงาน โดยเฉพาะในวิสาหกิจขนาดกลางและขนาดย่อม
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา Siemens Energy ได้ริเริ่มโครงการวิจัยและพัฒนา (R&D) หลายโครงการเพื่อขยายขีดความสามารถของ IGC เพื่อตอบสนองความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปของตลาดการแยกอากาศ บทความนี้เน้นถึงการปรับปรุงการออกแบบเฉพาะบางส่วนที่เราได้ทำ และหารือถึงวิธีที่การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถช่วยบรรลุเป้าหมายด้านต้นทุนและการลดคาร์บอนของลูกค้าของเราได้อย่างไร
ปัจจุบันเครื่องแยกอากาศส่วนใหญ่มีคอมเพรสเซอร์สองตัว ได้แก่ คอมเพรสเซอร์อากาศหลัก (MAC) และเครื่องอัดอากาศเพิ่มแรงดัน (BAC) โดยทั่วไปแล้ว คอมเพรสเซอร์อากาศหลักจะอัดอากาศทั้งหมดจากแรงดันบรรยากาศให้เหลือประมาณ 6 บาร์ จากนั้นส่วนหนึ่งของอากาศจะถูกอัดเพิ่มเติมใน BAC จนมีแรงดันสูงถึง 60 บาร์
โดยทั่วไปคอมเพรสเซอร์จะขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำหรือมอเตอร์ไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงาน เมื่อใช้กังหันไอน้ำ คอมเพรสเซอร์ทั้งสองตัวจะขับเคลื่อนด้วยกังหันตัวเดียวกันผ่านปลายเพลาคู่ ในรูปแบบคลาสสิก จะมีการติดตั้งเฟืองกลางระหว่างกังหันไอน้ำและ HAC (รูปที่ 1)
ในระบบที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและกังหันไอน้ำ ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์เป็นปัจจัยสำคัญในการลดคาร์บอน เนื่องจากส่งผลโดยตรงต่อการใช้พลังงานของอุปกรณ์ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ MGP ที่ขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำ เนื่องจากความร้อนส่วนใหญ่สำหรับการผลิตไอน้ำมาจากหม้อไอน้ำที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล
แม้ว่ามอเตอร์ไฟฟ้าจะเป็นทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าระบบขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ แต่บ่อยครั้งที่จำเป็นต้องมีการควบคุมที่ยืดหยุ่นมากขึ้น โรงแยกอากาศสมัยใหม่หลายแห่งที่กำลังก่อสร้างในปัจจุบันเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าและใช้พลังงานหมุนเวียนในระดับสูง ตัวอย่างเช่น ในออสเตรเลีย มีแผนที่จะสร้างโรงแยกอากาศสีเขียวหลายแห่งที่จะใช้หน่วยแยกอากาศ (ASU) เพื่อผลิตไนโตรเจนสำหรับการสังเคราะห์แอมโมเนีย และคาดว่าจะได้รับไฟฟ้าจากฟาร์มลมและพลังงานแสงอาทิตย์ในบริเวณใกล้เคียง ความยืดหยุ่นของกฎระเบียบในโรงแยกอากาศเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการชดเชยความผันผวนตามธรรมชาติในการผลิตไฟฟ้า
Siemens Energy ได้พัฒนา IGC ตัวแรก (เดิมเรียกว่า VK) ในปีพ.ศ. 2491 ปัจจุบัน บริษัทผลิตเครื่องมากกว่า 2,300 เครื่องทั่วโลก โดยหลายเครื่องได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานที่มีอัตราการไหลเกิน 400,000 ม3/ชม. MGP ที่ทันสมัยของเรามีอัตราการไหลสูงถึง 1.2 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมงในอาคารเดียว ซึ่งรวมถึงรุ่นไม่มีเกียร์ของคอมเพรสเซอร์คอนโซลที่มีอัตราส่วนความดันสูงถึง 2.5 หรือสูงกว่าในรุ่นขั้นตอนเดียว และอัตราส่วนความดันสูงถึง 6 ในรุ่นต่อเนื่อง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เพื่อตอบสนองต่อความต้องการที่เพิ่มมากขึ้นในด้านประสิทธิภาพ IGC ความยืดหยุ่นด้านกฎระเบียบ และต้นทุนเงินทุน เราได้ทำการปรับปรุงการออกแบบที่สำคัญบางประการ ซึ่งสรุปไว้ด้านล่าง
ประสิทธิภาพที่แปรผันของใบพัดจำนวนหนึ่งที่ใช้โดยทั่วไปในขั้นตอน MAC แรกจะเพิ่มขึ้นโดยการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของใบพัด ด้วยใบพัดใหม่นี้ ประสิทธิภาพที่แปรผันได้สูงถึง 89% สามารถทำได้เมื่อใช้ร่วมกับตัวกระจาย LS ทั่วไป และมากกว่า 90% เมื่อใช้ร่วมกับตัวกระจายไฮบริดรุ่นใหม่
นอกจากนี้ใบพัดยังมีหมายเลข Mach ที่สูงกว่า 1.3 ซึ่งทำให้ขั้นตอนแรกมีความหนาแน่นของกำลังและอัตราส่วนการบีบอัดที่สูงขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยลดกำลังที่เฟืองในระบบ MAC สามขั้นตอนต้องส่งผ่าน ทำให้สามารถใช้เฟืองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าและกล่องเกียร์ขับเคลื่อนตรงในขั้นตอนแรกได้
เมื่อเปรียบเทียบกับตัวกระจายลมแบบ LS เต็มความยาวแบบดั้งเดิม ตัวกระจายลมไฮบริดรุ่นใหม่จะมีประสิทธิภาพขั้นตอนที่เพิ่มขึ้น 2.5% และปัจจัยควบคุม 3% การเพิ่มประสิทธิภาพนี้ทำได้โดยผสมใบพัด (กล่าวคือ ใบพัดถูกแบ่งออกเป็นส่วนสูงเต็มความสูงและความสูงบางส่วน) ในการกำหนดค่านี้
ปริมาณการไหลออกระหว่างใบพัดและตัวกระจายจะลดลงตามความสูงของใบพัดที่อยู่ใกล้กับใบพัดมากกว่าใบพัดของตัวกระจาย LS ทั่วไป เช่นเดียวกับตัวกระจาย LS ทั่วไป ขอบนำของใบพัดเต็มความยาวจะอยู่ห่างจากใบพัดเท่ากันเพื่อหลีกเลี่ยงการโต้ตอบระหว่างใบพัดกับตัวกระจายซึ่งอาจทำให้ใบพัดเสียหายได้
การเพิ่มความสูงของใบพัดให้ใกล้กับใบพัดมากขึ้นบางส่วนยังช่วยปรับปรุงทิศทางการไหลใกล้กับโซนการเต้นของชีพจรอีกด้วย เนื่องจากส่วนนำของส่วนใบพัดตลอดความยาวยังคงมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับตัวกระจาย LS ทั่วไป จึงไม่ส่งผลกระทบต่อท่อคันเร่ง ทำให้สามารถใช้งานได้หลากหลายขึ้นและสามารถปรับแต่งได้
การฉีดน้ำเกี่ยวข้องกับการฉีดหยดน้ำเข้าไปในกระแสอากาศในท่อดูด หยดน้ำจะระเหยและดูดซับความร้อนจากกระแสก๊าซในกระบวนการ ส่งผลให้อุณหภูมิทางเข้าลดลงจนถึงขั้นตอนการบีบอัด ส่งผลให้ความต้องการพลังงานไอเซนโทรปิกลดลงและประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นมากกว่า 1%
การชุบแข็งเพลาเฟืองช่วยให้คุณเพิ่มความเครียดที่อนุญาตต่อหน่วยพื้นที่ได้ ซึ่งช่วยให้คุณลดความกว้างของฟันเฟืองได้ ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียทางกลในกระปุกเกียร์ได้มากถึง 25% ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมเพิ่มขึ้นถึง 0.5% นอกจากนี้ ยังลดต้นทุนคอมเพรสเซอร์หลักได้มากถึง 1% เนื่องจากใช้โลหะน้อยลงในกระปุกเกียร์ขนาดใหญ่
ใบพัดนี้สามารถทำงานได้โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การไหล (φ) สูงถึง 0.25 และให้หัวมากกว่าใบพัด 65 องศาถึง 6% นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การไหลยังสูงถึง 0.25 และด้วยการออกแบบการไหลแบบคู่ของเครื่อง IGC อัตราการไหลเชิงปริมาตรจะสูงถึง 1.2 ล้าน m3/ชม. หรืออาจถึง 2.4 ล้าน m3/ชม. เลยทีเดียว
ค่าฟีที่สูงขึ้นทำให้สามารถใช้ใบพัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงที่อัตราการไหลปริมาตรเท่ากันได้ จึงลดต้นทุนของคอมเพรสเซอร์หลักได้มากถึง 4% เส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดขั้นที่หนึ่งสามารถลดลงได้อีก
ส่วนหัวที่สูงขึ้นจะทำได้โดยมุมเบี่ยงเบนใบพัดที่ 75° ซึ่งจะเพิ่มองค์ประกอบของความเร็วรอบที่ทางออก และทำให้ได้ส่วนหัวที่สูงขึ้นตามสมการของออยเลอร์
เมื่อเทียบกับใบพัดความเร็วสูงและประสิทธิภาพสูง ประสิทธิภาพของใบพัดจะลดลงเล็กน้อยเนื่องจากการสูญเสียในเกลียวที่มากขึ้น ซึ่งสามารถชดเชยได้ด้วยการใช้หอยโข่งขนาดกลาง อย่างไรก็ตาม แม้จะไม่มีเกลียวเหล่านี้ ประสิทธิภาพที่แปรผันได้สูงถึง 87% สามารถทำได้ที่หมายเลขมัค 1.0 และค่าสัมประสิทธิ์การไหล 0.24
เกลียวขนาดเล็กช่วยให้คุณหลีกเลี่ยงการชนกับเกลียวอื่นๆ ได้เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเฟืองขนาดใหญ่ลดลง ผู้ปฏิบัติงานสามารถประหยัดต้นทุนได้โดยการเปลี่ยนจากมอเตอร์ 6 ขั้วเป็นมอเตอร์ 4 ขั้วที่มีความเร็วสูงกว่า (1,000 รอบต่อนาทีถึง 1,500 รอบต่อนาที) โดยไม่เกินความเร็วของเฟืองสูงสุดที่อนุญาต นอกจากนี้ ยังช่วยลดต้นทุนวัสดุสำหรับเฟืองเกลียวและเฟืองขนาดใหญ่ได้อีกด้วย
โดยรวมแล้ว คอมเพรสเซอร์หลักสามารถประหยัดต้นทุนการลงทุนได้ถึง 2% นอกจากนี้ เครื่องยนต์ยังประหยัดต้นทุนการลงทุนได้ 2% อีกด้วย เนื่องจากคอมเพรสเซอร์แบบคอมแพกต์โวลูทมีประสิทธิภาพน้อยกว่าเล็กน้อย การตัดสินใจใช้คอมเพรสเซอร์แบบคอมแพกต์โวลูทจึงขึ้นอยู่กับลำดับความสำคัญของลูกค้าเป็นส่วนใหญ่ (ต้นทุนเทียบกับประสิทธิภาพ) และต้องประเมินตามโครงการเป็นรายโครงการ
เพื่อเพิ่มความสามารถในการควบคุม สามารถติดตั้ง IGV ไว้หน้าเวทีหลายเวที ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับโครงการ IGC ก่อนหน้านี้ที่รวม IGV ไว้จนถึงเฟสแรกเท่านั้น
ในการทำซ้ำครั้งก่อนๆ ของ IGC ค่าสัมประสิทธิ์ของกระแสน้ำวน (กล่าวคือ มุมของ IGV ที่สองหารด้วยมุมของ IGV1 แรก) ยังคงเท่าเดิมไม่ว่าการไหลจะไปข้างหน้า (มุม > 0°, หัวลดลง) หรือกระแสน้ำวนย้อนกลับ (มุม < 0) °, แรงดันจะเพิ่มขึ้น) ซึ่งเป็นข้อเสียเปรียบเนื่องจากเครื่องหมายของมุมจะเปลี่ยนแปลงระหว่างกระแสน้ำวนบวกและลบ
การกำหนดค่าใหม่นี้ช่วยให้สามารถใช้อัตราส่วนกระแสน้ำวนสองแบบที่แตกต่างกันได้เมื่อเครื่องอยู่ในโหมดกระแสน้ำวนเดินหน้าและถอยหลัง ส่งผลให้เพิ่มช่วงการควบคุมได้ 4% ในขณะที่ยังรักษาประสิทธิภาพคงที่ไว้ได้
การติดตั้งตัวกระจาย LS สำหรับใบพัดที่ใช้กันทั่วไปใน BAC สามารถเพิ่มประสิทธิภาพหลายขั้นตอนได้ถึง 89% เมื่อรวมกับการปรับปรุงประสิทธิภาพอื่นๆ จะช่วยลดจำนวนขั้นตอน BAC ในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพโดยรวมของชุดขับเคลื่อน การลดจำนวนขั้นตอนทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้อินเตอร์คูลเลอร์ ท่อก๊าซกระบวนการที่เกี่ยวข้อง และส่วนประกอบของโรเตอร์และสเตเตอร์ ส่งผลให้ประหยัดต้นทุนได้ 10% นอกจากนี้ ในหลายกรณี ยังสามารถรวมคอมเพรสเซอร์อากาศหลักและคอมเพรสเซอร์บูสเตอร์ไว้ในเครื่องเดียวได้
ตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ เกียร์กลางมักจำเป็นต้องใช้ระหว่างกังหันไอน้ำและ VAC ด้วยการออกแบบ IGC ใหม่จาก Siemens Energy เกียร์อิสระนี้สามารถรวมเข้ากับกล่องเกียร์ได้โดยการเพิ่มเพลาอิสระระหว่างเพลาเฟืองท้ายและเกียร์ขนาดใหญ่ (4 เกียร์) วิธีนี้จะช่วยลดต้นทุนสายการผลิตทั้งหมด (คอมเพรสเซอร์หลักและอุปกรณ์เสริม) ได้ถึง 4%
นอกจากนี้ เฟือง 4 ขั้วยังเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่ามอเตอร์สโครลขนาดกะทัดรัดสำหรับการสลับจากมอเตอร์ 6 ขั้วเป็นแบบ 4 ขั้วในคอมเพรสเซอร์อากาศหลักขนาดใหญ่ (หากมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดการชนกันแบบเกลียวหรือหากความเร็วเฟืองสูงสุดที่อนุญาตจะลดลง) ) ในอดีต
การใช้งานดังกล่าวยังแพร่หลายมากขึ้นในหลายตลาดที่มีความสำคัญต่อการลดคาร์บอนในอุตสาหกรรม รวมถึงปั๊มความร้อนและการอัดไอน้ำ ตลอดจนการอัด CO2 ในการพัฒนากระบวนการดักจับ ใช้ และกักเก็บคาร์บอน (CCUS)
Siemens Energy มีประวัติอันยาวนานในการออกแบบและใช้งาน IGC ดังที่เห็นได้จากความพยายามในการวิจัยและพัฒนาข้างต้น (และอื่นๆ) เรามุ่งมั่นที่จะพัฒนานวัตกรรมเครื่องจักรเหล่านี้อย่างต่อเนื่องเพื่อตอบสนองความต้องการการใช้งานเฉพาะและตอบสนองความต้องการของตลาดที่เติบโตขึ้นสำหรับต้นทุนที่ต่ำลง ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น และความยั่งยืนที่เพิ่มขึ้น KT2