บริษัท หางโจว นั่ว เทคโนโลยี กรุ๊ป จำกัด

ผู้เขียน: ลูคัส บิจิกลี ผู้จัดการกลุ่มผลิตภัณฑ์ ระบบขับเคลื่อนเกียร์แบบบูรณาการ ฝ่ายวิจัยและพัฒนา การอัดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และปั๊มความร้อน บริษัท ซีเมนส์ เอนเนอร์จี
เป็นเวลานานหลายปีแล้วที่คอมเพรสเซอร์แบบเฟืองรวม (Integrated Gear Compressor: IGC) เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับความนิยมอย่างมากในโรงงานแยกอากาศ เนื่องจากมีประสิทธิภาพสูง ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการลดต้นทุนของออกซิเจน ไนโตรเจน และก๊าซเฉื่อย อย่างไรก็ตาม การให้ความสำคัญกับการลดการปล่อยคาร์บอนที่เพิ่มมากขึ้น ทำให้เกิดความต้องการใหม่ๆ สำหรับคอมเพรสเซอร์แบบรวม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นตามกฎระเบียบ ค่าใช้จ่ายในการลงทุนยังคงเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับผู้ประกอบการโรงงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวิสาหกิจขนาดเล็กและขนาดกลาง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา Siemens Energy ได้ริเริ่มโครงการวิจัยและพัฒนา (R&D) หลายโครงการโดยมีเป้าหมายเพื่อขยายขีดความสามารถของ IGC ให้ตรงกับความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปของตลาดการแยกอากาศ บทความนี้จะเน้นถึงการปรับปรุงการออกแบบเฉพาะบางประการที่เราได้ดำเนินการ และจะกล่าวถึงว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะช่วยให้บรรลุเป้าหมายด้านการลดต้นทุนและลดการปล่อยคาร์บอนของลูกค้าของเราได้อย่างไร
ปัจจุบัน เครื่องแยกอากาศส่วนใหญ่ติดตั้งคอมเพรสเซอร์สองตัว ได้แก่ คอมเพรสเซอร์อากาศหลัก (MAC) และคอมเพรสเซอร์อากาศเสริม (BAC) โดยทั่วไป คอมเพรสเซอร์อากาศหลักจะอัดอากาศทั้งหมดจากความดันบรรยากาศไปจนถึงประมาณ 6 บาร์ จากนั้นส่วนหนึ่งของอากาศนี้จะถูกอัดเพิ่มเติมใน BAC จนถึงความดันสูงสุดถึง 60 บาร์
ขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงาน โดยปกติคอมเพรสเซอร์จะขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำหรือมอเตอร์ไฟฟ้า เมื่อใช้กังหันไอน้ำ คอมเพรสเซอร์ทั้งสองตัวจะถูกขับเคลื่อนด้วยกังหันเดียวกันผ่านปลายเพลาคู่ ในแบบแผนดั้งเดิม จะมีการติดตั้งเกียร์กลางระหว่างกังหันไอน้ำและ HAC (รูปที่ 1)
ทั้งในระบบที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าและระบบที่ขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำ ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์เป็นตัวแปรสำคัญในการลดการปล่อยคาร์บอน เนื่องจากส่งผลโดยตรงต่อการใช้พลังงานของหน่วยผลิต เรื่องนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับโรงไฟฟ้าพลังความร้อนที่ขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำ เนื่องจากความร้อนส่วนใหญ่สำหรับการผลิตไอน้ำได้มาจากหม้อไอน้ำที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล
แม้ว่ามอเตอร์ไฟฟ้าจะเป็นทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าระบบขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำ แต่บ่อยครั้งที่ความต้องการความยืดหยุ่นในการควบคุมมีมากกว่า โรงงานแยกอากาศสมัยใหม่หลายแห่งที่กำลังสร้างอยู่ในปัจจุบันเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าและมีการใช้พลังงานหมุนเวียนในระดับสูง ตัวอย่างเช่น ในออสเตรเลีย มีแผนที่จะสร้างโรงงานผลิตแอมโมเนียสีเขียวหลายแห่งที่จะใช้หน่วยแยกอากาศ (ASU) เพื่อผลิตไนโตรเจนสำหรับการสังเคราะห์แอมโมเนีย และคาดว่าจะได้รับไฟฟ้าจากฟาร์มกังหันลมและพลังงานแสงอาทิตย์ในบริเวณใกล้เคียง ในโรงงานเหล่านี้ ความยืดหยุ่นด้านกฎระเบียบมีความสำคัญอย่างยิ่งในการชดเชยความผันผวนตามธรรมชาติในการผลิตพลังงาน
บริษัท Siemens Energy พัฒนาเครื่องอัดอากาศแบบ IGC (เดิมชื่อ VK) เครื่องแรกในปี 1948 ปัจจุบันบริษัทผลิตเครื่องอัดอากาศประเภทนี้มากกว่า 2,300 เครื่องทั่วโลก ซึ่งหลายเครื่องได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานที่มีอัตราการไหลเกิน 400,000 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง เครื่องอัดอากาศแบบ MGP รุ่นใหม่ของเรามีอัตราการไหลสูงถึง 1.2 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมงในอาคารเดียว ซึ่งรวมถึงเครื่องอัดอากาศแบบคอนโซลรุ่นไร้เกียร์ที่มีอัตราส่วนความดันสูงถึง 2.5 หรือสูงกว่าในรุ่นแบบขั้นตอนเดียว และอัตราส่วนความดันสูงถึง 6 ในรุ่นแบบอนุกรม
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นด้านประสิทธิภาพของ IGC ความยืดหยุ่นด้านกฎระเบียบ และต้นทุนด้านเงินทุน เราได้ทำการปรับปรุงการออกแบบที่สำคัญหลายประการ ซึ่งสรุปไว้ด้านล่างนี้
ประสิทธิภาพเชิงแปรผันของใบพัดหลายแบบที่ใช้กันทั่วไปในขั้นตอน MAC แรกนั้นเพิ่มขึ้นได้โดยการปรับเปลี่ยนรูปทรงของใบพัด ด้วยใบพัดแบบใหม่นี้ สามารถบรรลุประสิทธิภาพเชิงแปรผันได้สูงสุดถึง 89% เมื่อใช้ร่วมกับตัวกระจายลม LS แบบดั้งเดิม และมากกว่า 90% เมื่อใช้ร่วมกับตัวกระจายลมแบบไฮบริดรุ่นใหม่
นอกจากนี้ ใบพัดยังมีค่ามัค (Mach number) สูงกว่า 1.3 ซึ่งทำให้ขั้นแรกมีกำลังความหนาแน่นและอัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้น อีกทั้งยังช่วยลดกำลังที่เฟืองในระบบ MAC สามขั้นตอนต้องส่งผ่าน ทำให้สามารถใช้เฟืองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าและเกียร์ทดรอบแบบขับตรงในขั้นแรกได้
เมื่อเปรียบเทียบกับตัวกระจายลมแบบใบพัด LS ยาวเต็มรูปแบบแบบดั้งเดิม ตัวกระจายลมแบบไฮบริดรุ่นใหม่มีประสิทธิภาพบนเวทีเพิ่มขึ้น 2.5% และปัจจัยการควบคุมเพิ่มขึ้น 3% การเพิ่มขึ้นนี้เกิดขึ้นได้จากการผสมผสานใบพัด (กล่าวคือ ใบพัดถูกแบ่งออกเป็นส่วนความสูงเต็มและส่วนความสูงบางส่วน) ในการกำหนดค่านี้
ปริมาณการไหลระหว่างใบพัดและตัวกระจายลมจะลดลงเนื่องจากความสูงของใบพัดส่วนหนึ่งอยู่ใกล้กับใบพัดมากกว่าใบพัดของตัวกระจายลมแบบ LS ทั่วไป เช่นเดียวกับตัวกระจายลมแบบ LS ทั่วไป ขอบด้านหน้าของใบพัดตลอดความยาวจะอยู่ห่างจากใบพัดเท่ากันเพื่อหลีกเลี่ยงการชนกันระหว่างใบพัดและตัวกระจายลมที่อาจทำให้ใบพัดเสียหายได้
การเพิ่มความสูงของใบพัดบางส่วนที่อยู่ใกล้กับใบพัดหลักจะช่วยปรับปรุงทิศทางการไหลใกล้กับบริเวณที่มีการเต้นของอากาศได้ดีขึ้น เนื่องจากขอบด้านหน้าของส่วนใบพัดตลอดความยาวมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับตัวกระจายอากาศ LS ทั่วไป เส้นควบคุมการไหลของอากาศจึงไม่ได้รับผลกระทบ ทำให้สามารถใช้งานและปรับแต่งได้หลากหลายมากขึ้น
การฉีดน้ำเกี่ยวข้องกับการฉีดหยดน้ำเข้าไปในกระแสอากาศในท่อดูด หยดน้ำจะระเหยและดูดซับความร้อนจากกระแสแก๊สในกระบวนการ ทำให้ลดอุณหภูมิขาเข้าของขั้นตอนการอัด ส่งผลให้ความต้องการพลังงานแบบไอเซนโทรปิกลดลงและประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นมากกว่า 1%
การชุบแข็งเพลาเกียร์ช่วยให้สามารถเพิ่มความเค้นที่ยอมรับได้ต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งส่งผลให้สามารถลดความกว้างของฟันเฟืองได้ สิ่งนี้ช่วยลดการสูญเสียทางกลในชุดเกียร์ได้มากถึง 25% ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมเพิ่มขึ้นมากถึง 0.5% นอกจากนี้ ต้นทุนของคอมเพรสเซอร์หลักยังสามารถลดลงได้มากถึง 1% เนื่องจากใช้โลหะน้อยลงในชุดเกียร์ขนาดใหญ่
ใบพัดชนิดนี้สามารถทำงานได้ด้วยค่าสัมประสิทธิ์การไหล (φ) สูงสุดถึง 0.25 และให้แรงดันมากกว่าใบพัด 65 องศาถึง 6% นอกจากนี้ เมื่อค่าสัมประสิทธิ์การไหลสูงถึง 0.25 และในการออกแบบแบบไหลสองทางของเครื่อง IGC อัตราการไหลเชิงปริมาตรจะสูงถึง 1.2 ล้าน m³/h หรือแม้กระทั่ง 2.4 ล้าน m³/h
ค่า phi ที่สูงขึ้นช่วยให้สามารถใช้ใบพัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าได้ที่ปริมาณการไหลเท่าเดิม ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนของคอมเพรสเซอร์หลักได้สูงสุดถึง 4% และเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดขั้นแรกก็สามารถลดลงได้อีก
แรงดันที่สูงขึ้นนั้นได้มาจากการใช้มุมเบี่ยงเบนของใบพัด 75° ซึ่งจะเพิ่มส่วนประกอบความเร็วตามแนวเส้นรอบวงที่ทางออก และทำให้เกิดแรงดันที่สูงขึ้นตามสมการของออยเลอร์
เมื่อเปรียบเทียบกับใบพัดความเร็วสูงและประสิทธิภาพสูง ประสิทธิภาพของใบพัดนี้จะลดลงเล็กน้อยเนื่องจากการสูญเสียที่สูงขึ้นในส่วนโค้งของใบพัด ซึ่งสามารถชดเชยได้โดยการใช้ส่วนโค้งรูปหอยทากขนาดกลาง อย่างไรก็ตาม แม้ไม่มีส่วนโค้งเหล่านี้ ประสิทธิภาพที่ปรับได้สูงถึง 87% ก็สามารถทำได้ที่ความเร็วมาค 1.0 และค่าสัมประสิทธิ์การไหล 0.24
ตัวเรือนเฟืองที่เล็กกว่าช่วยให้หลีกเลี่ยงการชนกับตัวเรือนเฟืองอื่นๆ เมื่อลดขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของเฟืองขนาดใหญ่ ผู้ใช้งานสามารถประหยัดค่าใช้จ่ายได้โดยการเปลี่ยนจากมอเตอร์ 6 ขั้วเป็นมอเตอร์ 4 ขั้วความเร็วสูงกว่า (1000 รอบต่อนาทีถึง 1500 รอบต่อนาที) โดยไม่เกินความเร็วรอบเฟืองสูงสุดที่อนุญาต นอกจากนี้ยังสามารถลดต้นทุนวัสดุสำหรับเฟืองเกลียวและเฟืองขนาดใหญ่ได้อีกด้วย
โดยรวมแล้ว คอมเพรสเซอร์หลักสามารถประหยัดต้นทุนได้ถึง 2% และเครื่องยนต์ก็สามารถประหยัดต้นทุนได้อีก 2% เช่นกัน เนื่องจากตัวเรือนคอมเพรสเซอร์แบบกะทัดรัดมีประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำกว่า การตัดสินใจว่าจะใช้หรือไม่นั้นขึ้นอยู่กับลำดับความสำคัญของลูกค้า (ต้นทุนเทียบกับประสิทธิภาพ) และต้องประเมินเป็นรายโครงการไป
เพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการควบคุม สามารถติดตั้ง IGV ไว้ด้านหน้าของหลายขั้นตอนได้ ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากโครงการ IGC ก่อนหน้านี้ ที่ใช้ IGV เฉพาะในขั้นตอนแรกเท่านั้น
ในเวอร์ชันก่อนหน้าของ IGC ค่าสัมประสิทธิ์ของกระแสน้ำวน (เช่น มุมของ IGV ตัวที่สองหารด้วยมุมของ IGV ตัวแรก) จะคงที่เสมอ ไม่ว่าการไหลจะเป็นแบบกระแสน้ำวนไปข้างหน้า (มุม > 0° ลดระดับความดัน) หรือแบบกระแสน้ำวนย้อนกลับ (มุม < 0° ความดันเพิ่มขึ้น) ซึ่งเป็นข้อเสียเพราะเครื่องหมายของมุมจะเปลี่ยนไประหว่างกระแสน้ำวนบวกและลบ
การกำหนดค่าใหม่นี้ช่วยให้สามารถใช้ค่าอัตราส่วนการหมุนวนที่แตกต่างกันสองค่าได้เมื่อเครื่องอยู่ในโหมดการหมุนวนไปข้างหน้าและย้อนกลับ ซึ่งจะเพิ่มช่วงการควบคุมขึ้น 4% ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพให้คงที่
ด้วยการใช้ตัวกระจายลม LS สำหรับใบพัดที่ใช้กันทั่วไปในคอมเพรสเซอร์แบบบูสเตอร์ (BAC) ประสิทธิภาพการทำงานแบบหลายขั้นตอนสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 89% เมื่อรวมกับการปรับปรุงประสิทธิภาพด้านอื่นๆ จะช่วยลดจำนวนขั้นตอนของคอมเพรสเซอร์แบบบูสเตอร์ลง ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพโดยรวมของระบบไว้ได้ การลดจำนวนขั้นตอนจะช่วยลดความจำเป็นในการใช้ตัวระบายความร้อนระหว่างขั้นตอน ท่อส่งก๊าซในกระบวนการ และส่วนประกอบของโรเตอร์และสเตเตอร์ ส่งผลให้ประหยัดค่าใช้จ่ายได้ 10% นอกจากนี้ ในหลายกรณี ยังสามารถรวมคอมเพรสเซอร์อากาศหลักและคอมเพรสเซอร์เสริมไว้ในเครื่องเดียวได้อีกด้วย
ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ โดยปกติแล้วจะต้องมีเกียร์ตัวกลางระหว่างกังหันไอน้ำและ VAC ด้วยการออกแบบ IGC ใหม่จาก Siemens Energy เกียร์ตัวกลางนี้สามารถรวมเข้ากับเกียร์บ็อกซ์ได้โดยการเพิ่มเพลาตัวกลางระหว่างเพลาเฟืองเล็กและเกียร์ใหญ่ (4 เกียร์) ซึ่งสามารถลดต้นทุนรวมของสายการผลิต (คอมเพรสเซอร์หลักบวกอุปกรณ์เสริม) ได้สูงสุดถึง 4%
นอกจากนี้ เฟือง 4 พินยังเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่ามอเตอร์สกรอลล์ขนาดกะทัดรัดสำหรับการเปลี่ยนจากมอเตอร์ 6 ขั้วเป็นมอเตอร์ 4 ขั้วในคอมเพรสเซอร์ลมหลักขนาดใหญ่ (หากมีโอกาสเกิดการชนกันของโวลูต หรือหากความเร็วรอบพินสูงสุดที่อนุญาตจะลดลง)
การใช้งานเทคโนโลยีนี้กำลังแพร่หลายมากขึ้นในหลายตลาดที่มีความสำคัญต่อการลดการปล่อยคาร์บอนในภาคอุตสาหกรรม รวมถึงปั๊มความร้อนและการอัดไอน้ำ ตลอดจนการอัด CO2 ในกระบวนการดักจับ การใช้ประโยชน์ และการจัดเก็บคาร์บอน (CCUS)
Siemens Energy มีประวัติอันยาวนานในการออกแบบและใช้งานเครื่อง IGC (Integrated Gas Control) ดังที่เห็นได้จากงานวิจัยและพัฒนาข้างต้น (และอื่นๆ) เรามุ่งมั่นที่จะคิดค้นนวัตกรรมใหม่ๆ อย่างต่อเนื่องเพื่อให้ตรงกับความต้องการใช้งานเฉพาะด้าน และตอบสนองความต้องการของตลาดที่กำลังเติบโตในด้านต้นทุนที่ต่ำลง ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้น และความยั่งยืนที่มากขึ้น KT2