著者：Lukas Bijikli、製品ポートフォリオマネージャー、統合ギアドライブ、R＆D CO2圧縮およびヒートポンプ、シーメンスエネルギー。
長年にわたり、統合ギアコンプレッサー（IGC）は、空気分離プラントに最適な技術となっています。これは主に高効率が原因で、酸素、窒素、不活性ガスのコストが削減されます。ただし、脱炭素化に焦点を当てているため、特に効率と規制の柔軟性の観点から、IPCに新しい需要があります。資本支出は、特に中小企業では、植物オペレーターにとって引き続き重要な要素です。
過去数年にわたり、Siemens Energyは、空気分離市場の変化するニーズを満たすためにIGC機能を拡大することを目的としたいくつかの研究開発（R＆D）プロジェクトを開始しました。この記事では、私たちが行ったいくつかの特定の設計の改善を強調し、これらの変更がお客様のコストと炭素削減の目標を達成するのにどのように役立つかについて説明します。
今日のほとんどの空気分離ユニットには、メインエアコンプレッサー（MAC）とブーストエアコンプレッサー（BAC）の2つのコンプレッサーが装備されています。メインエアコンプレッサーは通常、大気圧から約6 barに空気の流れ全体を圧縮します。このフローの一部は、BACでさらに圧縮され、最大60バーの圧力になります。
エネルギー源に応じて、コンプレッサーは通常、蒸気タービンまたは電気モーターによって駆動されます。蒸気タービンを使用する場合、両方のコンプレッサーはツインシャフトの端を介して同じタービンによって駆動されます。古典的なスキームでは、蒸気タービンとHACの間に中間ギアが設置されています（図1）。
電気駆動型および蒸気タービン駆動型システムの両方で、コンプレッサー効率はユニットのエネルギー消費に直接影響を与えるため、脱炭素化の強力なレバーです。これは、蒸気タービンによって駆動されるMGPにとって特に重要です。これは、化石燃料燃料ボイラーで蒸気生産の熱が得られるためです。
電気モーターは、蒸気タービンドライブに代わるより環境に優しい代替品を提供しますが、制御の柔軟性がより必要な必要性が大きくなることがよくあります。今日建設されている多くの近代的な空気分離プラントはグリッド接続されており、高レベルの再生可能エネルギー使用があります。たとえば、オーストラリアでは、空気分離ユニット（ASUS）を使用してアンモニア合成のために窒素を生成するいくつかの緑色のアンモニア植物を建設する計画があり、近くの風力と太陽の農場から電力を受け取ることが期待されています。これらの植物では、発電の自然の変動を補うために調節柔軟性が重要です。
Siemens Energyは、1948年に最初のIGC（以前はVKとして知られていました）を開発しました。今日、同社は世界中で2,300台以上を生産しています。私たちの最新のMGPは、1つの建物で時速120万立方メートルの流量を持っています。これらには、シングルステージバージョンで最大2.5以上の圧力比を持つコンソールコンプレッサーのギアレスバージョン、シリアルバージョンでは最大6の圧力比が含まれます。
近年、IGCの効率、規制の柔軟性、資本コストに対する需要の増加を満たすために、以下に要約されている顕著な設計改善を行いました。
通常、最初のMAC段階で使用される多くのインペラの可変効率は、ブレードジオメトリを変化させることで増加します。この新しいインペラを使用すると、最大89％の可変効率を、従来のLSディフューザーと組み合わせて、90％以上のハイブリッドディフューザーと組み合わせて達成できます。
さらに、インペラの数は1.3を超えるマッハ数を持ち、最初の段階に電力密度と圧縮比が高いことを提供します。これにより、3段階のMACシステムのギアが送信する必要がある電力も減少し、最初の段階でより小さな直径ギアとダイレクトドライブギアボックスを使用できます。
従来のフルレングスLSベーンディフューザーと比較して、次世代のハイブリッドディフューザーの段階効率が2.5％、コントロール因子は3％です。この増加は、ブレードを混合することによって達成されます（つまり、ブレードはフルハイトと部分的な高さのセクションに分割されます）。この構成で
インペラとディフューザーの間の流れの出力は、従来のLSディフューザーのブレードよりもインペラの近くにあるブレードの高さの一部によって減少します。従来のLSディフューザーと同様に、ブレードを損傷する可能性のあるインペラーディフューザーの相互作用を避けるために、フルレングスブレードの先行エッジはインペラーから等距離です。
インペラに近いブレードの高さを部分的に上げると、脈動ゾーンの近くの流れ方向も改善されます。フルレングスのベーンセクションの最先端は、従来のLSディフューザーと同じ直径のままであるため、スロットルラインは影響を受けず、より広範なアプリケーションとチューニングを可能にします。
水注入には、吸引チューブの空気流に水滴を注入することが含まれます。液滴は、プロセスガスストリームから熱を蒸発させて吸収し、それにより入口温度を圧縮段階に低下させます。これにより、等エントロピーの電力要件が減少し、効率が1％以上増加します。
ギアシャフトを硬化させると、単位面積あたりの許容応力を増加させることができます。これにより、歯の幅を減らすことができます。これにより、ギアボックスの機械的損失が最大25％減少し、全体的な効率が最大0.5％増加します。さらに、大きなギアボックスで使用される金属が少ないため、メインコンプレッサーのコストを最大1％削減できます。
このインペラーは、最大0.25のフロー係数（φ）で動作し、65度のインペラよりも6％多くのヘッドを提供できます。さらに、流れ係数は0.25に達し、IGCマシンのダブルフロー設計では、体積流量は120万m3/hまたは240万m3/hに達します。
PHI値が高いと、同じボリュームフローで直径が小さいインペラーを使用することで、メインコンプレッサーのコストが最大4％削減されます。第一段階のインペラの直径をさらに減らすことができます。
より高い頭は、75°インペラーのたわみ角度によって達成され、これにより、出口の円周速度成分が増加し、したがって、オイラーの方程式に応じてより高い頭が得られます。
高速および高効率のインピーラーと比較して、voluteの損失が高いため、インペラーの効率はわずかに低下します。これは、中型のカタツムリを使用することで補償できます。ただし、これらのボルートがなくても、最大87％の可変効率は、マッハ数1.0と0.24のフロー係数で達成できます。
より小さなボルートを使用すると、大きなギアの直径が縮小されたときに、他のボルートとの衝突を避けることができます。オペレーターは、最大許容ギア速度を超えることなく、6極モーターから高速4極モーター（1000 rpmから1500 rpm）に切り替えることでコストを節約できます。さらに、ヘリカルおよび大きなギアの材料コストを削減できます。
全体として、メインコンプレッサーは資本コストを最大2％節約できます。また、エンジンは資本コストを2％節約できます。コンパクトなボルートはやや効率が低いため、使用するという決定は、クライアントの優先順位（コスト対効率）に大きく依存し、プロジェクトごとに評価する必要があります。
制御機能を高めるために、IGVは複数の段階の前にインストールできます。これは、最初のフェーズまでのIGVのみを含む以前のIGCプロジェクトとはまったく対照的です。
IGCの以前の反復では、渦係数（つまり、2番目のIGVの角度を最初のIGV1の角度で割る）は、流れが前方（角> 0°、頭の減少）または逆渦（角度<0）であるかどうかに関係なく一定のままでした。 °、圧力が増加します）。これは、角度の兆候が正と負の渦の間に変化するため、不利です。
新しい構成により、マシンが前方渦モードであるときに2つの異なる渦比を使用することができ、それにより、一定の効率を維持しながら、制御範囲が4％増加します。
BACで一般的に使用されるインペラ用のLSディフューザーを組み込むことにより、マルチステージの効率を89％に増やすことができます。これは、他の効率の改善と相まって、全体的な列車の効率を維持しながら、BACステージの数を減らします。ステージ数を減らすと、インタークーラー、関連するプロセスガス配管、ローターおよびステーターコンポーネントの必要性がなくなり、コスト削減が10％になります。さらに、多くの場合、メインエアコンプレッサーとブースターコンプレッサーを1つのマシンに組み合わせることができます。
前述のように、通常、蒸気タービンとVACの間に中間ギアが必要です。 Siemens Energyの新しいIGCデザインにより、このアイドラーギアは、ピニオンシャフトとビッグギア（4ギア）の間にアイドラーシャフトを追加することにより、ギアボックスに統合できます。これにより、合計ラインコスト（メインコンプレッサーと補助装置）を最大4％削減できます。
さらに、4ピニオンギアは、大きなメインエアコンプレッサーの6極モーターから4極モーターに切り替えるためのコンパクトなスクロールモーターのより効率的な代替品です（ボルート衝突の可能性がある場合、または最大許容ピニオン速度が低下する場合）。 ） 過去。
それらの使用は、ヒートポンプや蒸気圧縮など、産業脱炭素化にとって重要ないくつかの市場でも、炭素捕獲、利用、貯蔵（CCUS）開発におけるCO2圧縮でも一般的になりつつあります。
Siemens Energyには、IGCの設計と運用の長い歴史があります。上記の（およびその他の）研究開発の取り組みで証明されているように、私たちはこれらのマシンを継続的に革新して、独自のアプリケーションニーズを満たし、コストの削減、効率の向上、持続可能性の向上に対する成長する市場の需要を満たすことに取り組んでいます。 KT2
投稿時間：APR-28-2024