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、Siemens Energy。
長年にわたり、一体型ギアコンプレッサー（IGC）は空気分離プラントの主流技術として選ばれてきました。これは主に、その高い効率性が酸素、窒素、不活性ガスのコスト削減に直接つながるためです。しかし、脱炭素化への関心が高まるにつれ、特に効率性と規制の柔軟性という点で、一体型ギアコンプレッサー（IPC）に新たな要求が課せられています。設備投資は、特に中小企業にとって、プラント運営者にとって依然として重要な要素です。
シーメンス・エナジーはここ数年、空気分離市場のニーズの変化に対応するため、IGCの能力拡大を目指した研究開発（R&D）プロジェクトを複数開始しました。この記事では、当社が実施した具体的な設計改善点を取り上げ、これらの変更がお客様のコスト削減とCO2削減目標の達成にどのように貢献できるかについて解説します。
今日のほとんどの空気分離ユニットは、メイン空気圧縮機（MAC）とブースト空気圧縮機（BAC）の2つの圧縮機を備えています。メイン空気圧縮機は通常、空気流全体を大気圧から約6barまで圧縮します。その後、この空気流の一部はBACでさらに圧縮され、最大60barの圧力まで上がります。
エネルギー源に応じて、圧縮機は通常、蒸気タービンまたは電動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、両方の圧縮機はツインシャフトエンドを介して同じタービンによって駆動されます。従来の方式では、蒸気タービンとHACの間に中間ギアが設置されます（図1）。
電気駆動システムと蒸気タービン駆動システムのどちらにおいても、コンプレッサ効率はユニットのエネルギー消費量に直接影響を与えるため、脱炭素化に向けた強力な手段となります。これは特に、蒸気タービン駆動のMGPにおいて重要です。なぜなら、蒸気生成に必要な熱の大部分は化石燃料ボイラーから得られるからです。
電気モーターは蒸気タービン駆動装置よりも環境に優しい代替手段となりますが、制御の柔軟性が求められる場合が多くあります。現在建設中の多くの近代的な空気分離プラントは、系統接続されており、再生可能エネルギーを高度に利用しています。例えばオーストラリアでは、空気分離装置（ASU）を用いてアンモニア合成用の窒素を生産し、近隣の風力発電所や太陽光発電所から電力供給を受けるグリーンアンモニアプラントを複数建設する計画があります。これらのプラントでは、発電量の自然変動を補うために、制御の柔軟性が不可欠です。
シーメンス・エナジーは1948年に最初のIGC（旧称VK）を開発しました。現在、同社は世界中で2,300台以上のユニットを生産しており、その多くは40万立方メートル/時を超える流量の用途向けに設計されています。当社の最新のMGPは、1つの建物で最大120万立方メートル/時の流量を実現します。これらには、単段式では圧力比が最大2.5以上、直列式では圧力比が最大6のコンソールコンプレッサーのギアレスバージョンが含まれます。
近年、IGC の効率、規制の柔軟性、資本コストに対する高まる需要を満たすために、当社はいくつかの注目すべき設計上の改善を行ってきました。以下にその概要を示します。
MAC第1段で一般的に使用される複数のインペラの可変効率は、ブレード形状を変化させることで向上します。この新型インペラでは、従来のLSディフューザーとの組み合わせで最大89%、新世代のハイブリッドディフューザーとの組み合わせで90%を超える可変効率を実現できます。
さらに、インペラのマッハ数は1.3を超えており、初段の出力密度と圧縮比が向上します。これにより、3段MACシステムのギアが伝達する動力が低減され、初段に小径ギアとダイレクトドライブギアボックスを使用することができます。
従来の全長LSベーンディフューザーと比較して、次世代ハイブリッドディフューザーは、段効率が2.5%、制御係数が3%向上しています。この向上は、ブレードを混合（つまり、ブレードを全長と部分長の2つのセクションに分割）することで実現されています。この構成では、
インペラとディフューザ間の流量は、従来のLSディフューザのブレードよりもインペラに近い位置にあるブレード高さの一部によって減少します。従来のLSディフューザと同様に、全長のブレードの前縁はインペラから等距離に配置されており、インペラとディフューザの相互作用によるブレード損傷を回避します。
インペラに近い部分の羽根の高さを部分的に高くすることで、脈動域付近の流れ方向も改善されます。全長にわたる羽根部前縁の直径は従来のLSディフューザーと同じであるため、スロットルラインは影響を受けず、より幅広い用途とチューニングが可能になります。
水噴射は、吸気管内の空気流に水滴を噴射する技術です。水滴は蒸発してプロセスガス流から熱を吸収し、圧縮段への入口温度を低下させます。これにより、等エントロピー動力の所要量が削減され、効率が1%以上向上します。
ギアシャフトを硬化処理することで、単位面積あたりの許容応力が増加し、歯幅を狭めることができます。これにより、ギアボックス内の機械損失が最大25%削減され、全体の効率が最大0.5%向上します。さらに、大型ギアボックスで使用される金属量が減少するため、メインコンプレッサーのコストも最大1%削減できます。
このインペラは、最大流量係数（φ）0.25で運転でき、65度インペラよりも6%高い揚程を実現します。さらに、流量係数は0.25に達し、IGC機のダブルフロー設計では、体積流量は120万m³/h、さらには240万m³/hに達します。
ファイ値が高いほど、同じ体積流量でより小さな直径のインペラを使用できるため、主圧縮機のコストを最大4%削減できます。第一段インペラの直径はさらに小さくすることも可能です。
より高いヘッドは、75°のインペラ偏向角によって実現され、出口での円周方向の速度成分が増加し、オイラーの式に従ってより高いヘッドを提供します。
高速・高効率インペラと比較すると、渦形部での損失が大きいため、インペラ効率はわずかに低下します。これは中型のスネイルを使用することで補うことができます。しかし、これらの渦形部がない場合でも、マッハ数1.0、流量係数0.24で最大87%の可変効率を達成できます。
ボリュートが小さいため、大歯車の直径を小さくした際に他のボリュートとの衝突を回避できます。6極モーターから高速4極モーター（1000rpm～1500rpm）に変更することで、最大許容ギア回転数を超えることなくコストを削減できます。さらに、ヘリカルギアや大歯車の材料費も削減できます。
全体として、メインコンプレッサーは最大2%の資本コストを削減でき、エンジンも同じく2%の資本コストを削減できます。コンパクトボリュートは効率がやや低いため、その採用はクライアントの優先順位（コスト vs. 効率）に大きく左右され、プロジェクトごとに評価する必要があります。
制御能力を高めるため、IGVは複数のステージの前段に設置できます。これは、第1フェーズまでしかIGVが設置されていなかった以前のIGCプロジェクトとは大きく異なります。
IGCの初期の反復では、渦係数（つまり、2番目のIGVの角度を1番目のIGV1の角度で割ったもの）は、流れが順方向（角度> 0°、ヘッド減少）か逆方向渦（角度< 0°）かに関係なく一定でした。角度が0°を超えると、圧力が増加します。これは、角度の符号が正の渦と負の渦の間で変わるため不利です。
新しい構成により、マシンが順方向渦流モードと逆方向渦流モードのときに 2 つの異なる渦流比を使用できるようになり、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ているインペラにLSディフューザーを組み込むことで、多段効率を89%まで向上させることができます。これにより、他の効率改善と相まって、トレイン全体の効率を維持しながらBACの段数を削減できます。段数の削減により、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部品が不要になり、10%のコスト削減につながります。さらに、多くの場合、メイン空気圧縮機とブースター圧縮機を1台の機械に統合することも可能です。
前述の通り、蒸気タービンとVACの間には通常、中間ギアが必要です。シーメンス・エナジーの新しいIGC設計では、ピニオンシャフトと大ギア（4つのギア）の間にアイドラーシャフトを追加することで、このアイドラーギアをギアボックスに統合できます。これにより、ライン全体のコスト（メインコンプレッサと補機）を最大4%削減できます。
さらに、4 ピニオン ギアは、大型のメイン空気圧縮機で 6 極モーターから 4 極モーターに切り替える場合 (渦巻き衝突の可能性がある場合や、最大許容ピニオン速度が低下する場合)、コンパクト スクロール モーターのより効率的な代替手段です。
また、ヒートポンプや蒸気圧縮、炭素回収・利用・貯留（CCUS）開発におけるCO2圧縮など、産業の脱炭素化に重要ないくつかの市場でも、その使用が一般的になりつつあります。
シーメンス・エナジーは、IGCの設計と運用において長年の実績を誇ります。上記（およびその他の）研究開発活動からもわかるように、当社はこれらの機器の継続的な革新に尽力し、独自のアプリケーションニーズに対応し、コスト削減、効率性向上、持続可能性向上といった高まる市場ニーズにも応えていきます。KT2
投稿日時: 2024年4月28日