บริษัท หางโจว นูจั่ว เทคโนโลยี กรุ๊ป จำกัด

ผู้เขียน: Lukas Bijikli ผู้จัดการกลุ่มผลิตภัณฑ์ ระบบขับเคลื่อนแบบเกียร์แบบบูรณาการ การวิจัยและพัฒนา การบีบอัด CO2 และปั๊มความร้อน Siemens Energy
เป็นเวลาหลายปีแล้วที่เทคโนโลยีคอมเพรสเซอร์เกียร์แบบบูรณาการ (IGC) เป็นเทคโนโลยีที่โรงงานแยกอากาศเลือกใช้ สาเหตุหลักมาจากประสิทธิภาพสูง ซึ่งนำไปสู่การลดต้นทุนของออกซิเจน ไนโตรเจน และก๊าซเฉื่อยโดยตรง อย่างไรก็ตาม การมุ่งเน้นที่การลดคาร์บอนที่เพิ่มมากขึ้นได้ก่อให้เกิดความต้องการใหม่ๆ ต่อ IPC โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านประสิทธิภาพและความยืดหยุ่นด้านกฎระเบียบ ค่าใช้จ่ายด้านทุนยังคงเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับผู้ปฏิบัติงานโรงงาน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวิสาหกิจขนาดกลางและขนาดย่อม
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ซีเมนส์ เอ็นเนอร์จี ได้ริเริ่มโครงการวิจัยและพัฒนา (R&D) หลายโครงการ โดยมีจุดมุ่งหมายเพื่อขยายขีดความสามารถของ IGC เพื่อตอบสนองความต้องการที่เปลี่ยนแปลงไปของตลาดการแยกอากาศ บทความนี้จะเน้นย้ำถึงการปรับปรุงการออกแบบเฉพาะบางส่วนที่เราได้ดำเนินการ และจะอธิบายว่าการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะช่วยให้บรรลุเป้าหมายด้านต้นทุนและการลดคาร์บอนของลูกค้าได้อย่างไร
หน่วยแยกอากาศส่วนใหญ่ในปัจจุบันมีคอมเพรสเซอร์สองตัว ได้แก่ คอมเพรสเซอร์อากาศหลัก (MAC) และเครื่องอัดอากาศเพิ่มแรงดัน (BAC) โดยทั่วไปแล้ว คอมเพรสเซอร์อากาศหลักจะอัดอากาศทั้งหมดจากความดันบรรยากาศให้เหลือประมาณ 6 บาร์ จากนั้นอากาศส่วนหนึ่งจะถูกอัดเพิ่มใน BAC จนมีความดันสูงสุดถึง 60 บาร์
โดยทั่วไปแล้วคอมเพรสเซอร์จะขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำหรือมอเตอร์ไฟฟ้า ขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงาน เมื่อใช้กังหันไอน้ำ คอมเพรสเซอร์ทั้งสองตัวจะขับเคลื่อนด้วยกังหันเดียวกันผ่านปลายเพลาคู่ ในรูปแบบคลาสสิก จะมีการติดตั้งเฟืองกลางระหว่างกังหันไอน้ำและ HAC (รูปที่ 1)
ทั้งในระบบไฟฟ้าและระบบขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำ ประสิทธิภาพของคอมเพรสเซอร์เป็นปัจจัยสำคัญในการลดคาร์บอน เนื่องจากส่งผลกระทบโดยตรงต่อการใช้พลังงานของเครื่อง สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับ MGP ที่ขับเคลื่อนด้วยกังหันไอน้ำ เนื่องจากความร้อนส่วนใหญ่สำหรับการผลิตไอน้ำมาจากหม้อไอน้ำที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิล
แม้ว่ามอเตอร์ไฟฟ้าจะเป็นทางเลือกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากกว่าระบบขับเคลื่อนกังหันไอน้ำ แต่บ่อยครั้งที่ความต้องการความยืดหยุ่นในการควบคุมกลับมีมากขึ้น โรงแยกอากาศสมัยใหม่หลายแห่งที่กำลังก่อสร้างในปัจจุบันเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าและมีการใช้พลังงานหมุนเวียนในระดับสูง ตัวอย่างเช่น ในออสเตรเลีย มีแผนที่จะสร้างโรงแยกอากาศสีเขียวหลายแห่ง ซึ่งจะใช้หน่วยแยกอากาศ (ASU) เพื่อผลิตไนโตรเจนสำหรับการสังเคราะห์แอมโมเนีย และคาดว่าจะได้รับไฟฟ้าจากฟาร์มพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ที่อยู่ใกล้เคียง ความยืดหยุ่นด้านกฎระเบียบของโรงแยกอากาศเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งยวดในการชดเชยความผันผวนตามธรรมชาติในการผลิตไฟฟ้า
ซีเมนส์ เอ็นเนอร์จี พัฒนา IGC เครื่องแรก (เดิมชื่อ VK) ในปี พ.ศ. 2491 ปัจจุบัน บริษัทผลิตเครื่องอัดอากาศแบบตั้งโต๊ะ (IGC) มากกว่า 2,300 เครื่องทั่วโลก ซึ่งหลายเครื่องได้รับการออกแบบสำหรับการใช้งานที่มีอัตราการไหลเกิน 400,000 ลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง เครื่องอัดอากาศแบบตั้งโต๊ะ (MGP) ที่ทันสมัยของเรามีอัตราการไหลสูงถึง 1.2 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมงในอาคารเดียว ซึ่งรวมถึงเครื่องอัดอากาศแบบตั้งโต๊ะรุ่นไร้เกียร์ที่มีอัตราส่วนความดันสูงสุด 2.5 หรือสูงกว่าในรุ่นขั้นตอนเดียว และอัตราส่วนความดันสูงสุด 6 ในรุ่นต่อเนื่อง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เพื่อตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับประสิทธิภาพ IGC ความยืดหยุ่นด้านกฎระเบียบ และต้นทุนเงินทุน เราได้ทำการปรับปรุงการออกแบบที่สำคัญบางประการ ซึ่งสรุปไว้ด้านล่าง
ประสิทธิภาพที่แปรผันของใบพัดหลายตัวที่มักใช้ในขั้นตอน MAC แรกจะเพิ่มขึ้นด้วยการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของใบพัด ใบพัดรุ่นใหม่นี้ช่วยให้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพได้สูงสุดถึง 89% เมื่อใช้ร่วมกับตัวกระจายลม LS ทั่วไป และมากกว่า 90% เมื่อใช้ร่วมกับตัวกระจายลมไฮบริดรุ่นใหม่
นอกจากนี้ ใบพัดยังมีเลขมัคสูงกว่า 1.3 ซึ่งทำให้ขั้นตอนแรกมีความหนาแน่นกำลังและอัตราส่วนแรงอัดที่สูงขึ้น นอกจากนี้ยังช่วยลดกำลังที่เฟืองในระบบ MAC สามขั้นตอนต้องส่งผ่าน ทำให้สามารถใช้เฟืองที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงและกระปุกเกียร์ขับเคลื่อนตรงในขั้นตอนแรกได้
เมื่อเปรียบเทียบกับตัวกระจายลมแบบ LS vane แบบเต็มความยาวแบบดั้งเดิม ตัวกระจายลมแบบไฮบริดรุ่นใหม่นี้มีประสิทธิภาพการทำงานเพิ่มขึ้น 2.5% และค่าควบคุม 3% การเพิ่มประสิทธิภาพนี้ทำได้โดยการผสมใบพัด (กล่าวคือ ใบพัดถูกแบ่งออกเป็นส่วนสูงเต็มความสูงและส่วนสูงบางส่วน) ในการกำหนดค่านี้
ปริมาณการไหลออกระหว่างใบพัดและตัวกระจายจะลดลงตามความสูงของใบพัดบางส่วนที่อยู่ใกล้กับใบพัดมากกว่าใบพัดของตัวกระจาย LS ทั่วไป เช่นเดียวกับตัวกระจาย LS ทั่วไป ขอบนำของใบพัดที่มีความยาวเต็มจะอยู่ห่างจากใบพัดเท่ากัน เพื่อหลีกเลี่ยงปฏิสัมพันธ์ระหว่างใบพัดและตัวกระจาย ซึ่งอาจทำให้ใบพัดเสียหายได้
การเพิ่มความสูงของใบพัดให้ชิดกับใบพัดมากขึ้นบางส่วนยังช่วยปรับปรุงทิศทางการไหลใกล้บริเวณพัลเซชั่นอีกด้วย เนื่องจากขอบนำของส่วนใบพัดตลอดความยาวยังคงมีเส้นผ่านศูนย์กลางเท่ากับตัวกระจาย LS ทั่วไป จึงไม่มีผลกระทบต่อคันเร่ง ทำให้ใช้งานได้หลากหลายและปรับแต่งได้หลากหลายยิ่งขึ้น
การฉีดน้ำเกี่ยวข้องกับการฉีดละอองน้ำเข้าไปในกระแสอากาศในท่อดูด ละอองน้ำจะระเหยและดูดซับความร้อนจากกระแสก๊าซในกระบวนการ ส่งผลให้อุณหภูมิทางเข้าลดลงจนถึงขั้นตอนการบีบอัด ส่งผลให้ความต้องการพลังงานไอเซนโทรปิกลดลงและประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นมากกว่า 1%
การชุบแข็งเพลาเฟืองช่วยให้คุณเพิ่มแรงเค้นที่ยอมรับได้ต่อหน่วยพื้นที่ ซึ่งช่วยลดความกว้างของฟันเฟืองได้ วิธีนี้ช่วยลดการสูญเสียทางกลในกระปุกเกียร์ได้มากถึง 25% ส่งผลให้ประสิทธิภาพโดยรวมเพิ่มขึ้นถึง 0.5% นอกจากนี้ ยังช่วยลดต้นทุนคอมเพรสเซอร์หลักได้ถึง 1% เนื่องจากใช้โลหะน้อยลงในกระปุกเกียร์ขนาดใหญ่
ใบพัดนี้สามารถทำงานได้โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การไหล (φ) สูงสุด 0.25 และให้หัวใบพัดมากกว่าใบพัด 65 องศาถึง 6% นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์การไหลยังสูงถึง 0.25 และด้วยการออกแบบการไหลแบบคู่ของเครื่อง IGC อัตราการไหลเชิงปริมาตรจะสูงถึง 1.2 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง หรืออาจสูงถึง 2.4 ล้านลูกบาศก์เมตรต่อชั่วโมง
ค่าฟีที่สูงขึ้นทำให้สามารถใช้ใบพัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กลงที่อัตราการไหลปริมาตรเท่ากันได้ จึงช่วยลดต้นทุนของคอมเพรสเซอร์หลักได้มากถึง 4% เส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดขั้นแรกยังสามารถลดลงได้อีก
ส่วนหัวที่สูงขึ้นนั้นทำได้โดยมุมเบี่ยงเบนใบพัด 75° ซึ่งจะเพิ่มความเร็วรอบที่ทางออก และทำให้ส่วนหัวสูงขึ้นตามสมการของออยเลอร์
เมื่อเทียบกับใบพัดความเร็วสูงและประสิทธิภาพสูง ประสิทธิภาพของใบพัดจะลดลงเล็กน้อยเนื่องจากการสูญเสียที่มากขึ้นในส่วนก้นหอย ซึ่งสามารถชดเชยได้ด้วยการใช้หอยขนาดกลาง อย่างไรก็ตาม แม้ไม่มีส่วนก้นหอยเหล่านี้ ประสิทธิภาพการทำงานที่แปรผันได้สูงถึง 87% สามารถทำได้ที่เลขมัค 1.0 และค่าสัมประสิทธิ์การไหล 0.24
ขดลวดเกลียวขนาดเล็กช่วยให้คุณหลีกเลี่ยงการชนกับขดลวดเกลียวอื่นๆ เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเฟืองขนาดใหญ่ลดลง ผู้ปฏิบัติงานสามารถประหยัดต้นทุนได้โดยการเปลี่ยนจากมอเตอร์ 6 ขั้วเป็นมอเตอร์ 4 ขั้วความเร็วสูง (1,000 รอบต่อนาที ถึง 1,500 รอบต่อนาที) โดยไม่เกินความเร็วรอบสูงสุดของเฟืองที่อนุญาต นอกจากนี้ ยังช่วยลดต้นทุนวัสดุสำหรับเฟืองเกลียวและเฟืองขนาดใหญ่
โดยรวมแล้ว คอมเพรสเซอร์หลักสามารถประหยัดต้นทุนการลงทุนได้ถึง 2% และเครื่องยนต์ยังสามารถประหยัดต้นทุนการลงทุนได้ 2% อีกด้วย เนื่องจากคอมเพรสเซอร์แบบคอมแพ็ควอลูทมีประสิทธิภาพต่ำกว่าเล็กน้อย การตัดสินใจเลือกใช้คอมเพรสเซอร์แบบคอมแพ็ควอลูทจึงขึ้นอยู่กับลำดับความสำคัญของลูกค้าเป็นส่วนใหญ่ (ต้นทุนเทียบกับประสิทธิภาพ) และต้องประเมินเป็นรายโครงการ
เพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการควบคุม IGV สามารถติดตั้งไว้หน้าเวทีได้หลายเวที ซึ่งแตกต่างอย่างสิ้นเชิงกับโครงการ IGC ก่อนหน้านี้ที่รวม IGV ไว้จนถึงเฟสแรกเท่านั้น
ในการทดสอบ IGC เวอร์ชันก่อนหน้า ค่าสัมประสิทธิ์ของกระแสน้ำวน (คือ มุมของ IGV ตัวที่สองหารด้วยมุมของ IGV1 ตัวแรก) จะคงที่ไม่ว่ากระแสน้ำวนจะไหลไปข้างหน้า (มุม > 0°, เฮดลดลง) หรือไหลย้อนกลับ (มุม < 0°) ก็ตาม ในทางกลับกัน แรงดันจะเพิ่มขึ้น) วิธีนี้ถือเป็นข้อเสียเปรียบเนื่องจากเครื่องหมายของมุมจะเปลี่ยนแปลงระหว่างกระแสน้ำวนบวกและลบ
การกำหนดค่าใหม่นี้ช่วยให้สามารถใช้ค่าอัตราส่วนกระแสน้ำวนสองค่าที่แตกต่างกันได้เมื่อเครื่องจักรอยู่ในโหมดกระแสน้ำวนเดินหน้าและถอยหลัง จึงเพิ่มช่วงการควบคุมได้ 4% ในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพคงที่
การติดตั้งตัวกระจายลม LS เข้ากับใบพัดที่ใช้กันทั่วไปใน BAC สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานแบบหลายขั้นตอนได้ถึง 89% เมื่อรวมกับการปรับปรุงประสิทธิภาพอื่นๆ จะช่วยลดจำนวนขั้นตอนของ BAC ลง ในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพโดยรวมของชุดขับเคลื่อน การลดจำนวนขั้นตอนนี้ช่วยลดความจำเป็นในการใช้อินเตอร์คูลเลอร์ ท่อก๊าซสำหรับกระบวนการที่เกี่ยวข้อง และส่วนประกอบของโรเตอร์และสเตเตอร์ ทำให้ประหยัดต้นทุนได้ 10% นอกจากนี้ ในหลายกรณี ยังสามารถรวมเครื่องอัดอากาศหลักและเครื่องอัดอากาศบูสเตอร์ไว้ในเครื่องเดียวได้
ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว โดยปกติแล้ว เฟืองกลางมักจำเป็นต้องใช้ระหว่างกังหันไอน้ำและ VAC ด้วยการออกแบบ IGC ใหม่จาก Siemens Energy เฟืองไอเดลอร์นี้สามารถรวมเข้ากับกระปุกเกียร์ได้โดยการเพิ่มเพลาไอเดลอร์ระหว่างเพลาเฟืองท้ายและเฟืองใหญ่ (4 เฟือง) วิธีนี้จะช่วยลดต้นทุนรวมของสายการผลิต (คอมเพรสเซอร์หลักและอุปกรณ์เสริม) ได้ถึง 4%
นอกจากนี้ เฟือง 4 ขั้วยังเป็นทางเลือกที่มีประสิทธิภาพมากกว่ามอเตอร์สโครลแบบกะทัดรัดสำหรับการสลับจากมอเตอร์ 6 ขั้วเป็นแบบ 4 ขั้วในคอมเพรสเซอร์อากาศหลักขนาดใหญ่ (หากมีความเป็นไปได้ที่จะเกิดการชนกันของขดลวดหรือหากความเร็วเฟืองสูงสุดที่อนุญาตจะลดลง) ) ในอดีต
การใช้งานดังกล่าวยังแพร่หลายมากขึ้นในหลายตลาดที่มีความสำคัญต่อการลดคาร์บอนในอุตสาหกรรม รวมถึงปั๊มความร้อนและการอัดไอน้ำ รวมไปถึงการอัด CO2 ในการพัฒนาระบบดักจับ ใช้ประโยชน์ และกักเก็บคาร์บอน (CCUS)
ซีเมนส์ เอ็นเนอร์จี มีประวัติอันยาวนานในการออกแบบและการใช้งาน IGC ดังจะเห็นได้จากความพยายามในการวิจัยและพัฒนาข้างต้น (และความพยายามอื่นๆ) เรามุ่งมั่นที่จะพัฒนานวัตกรรมเครื่องจักรเหล่านี้อย่างต่อเนื่อง เพื่อตอบสนองความต้องการการใช้งานเฉพาะด้าน และตอบสนองความต้องการของตลาดที่กำลังเติบโตในด้านต้นทุนที่ต่ำลง ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น และความยั่งยืนที่เพิ่มขึ้น KT2