हांग्झोऊ नुझुओ टेक्नोलॉजी ग्रुप कंपनी लिमिटेड

लेखक: लुकास बिजिक्ली, उत्पाद पोर्टफोलियो प्रबंधक, इंटीग्रेटेड गियर ड्राइव, अनुसंधान एवं विकास सीओ2 संपीड़न और हीट पंप, सीमेंस एनर्जी।
कई वर्षों से, वायु पृथक्करण संयंत्रों के लिए एकीकृत गियर कंप्रेसर (आईजीसी) पसंदीदा तकनीक रही है। इसका मुख्य कारण इनकी उच्च दक्षता है, जिससे ऑक्सीजन, नाइट्रोजन और अक्रिय गैसों की लागत में सीधे कमी आती है। हालांकि, कार्बन उत्सर्जन कम करने पर बढ़ते जोर के कारण आईपीसी पर नई मांगें पैदा हो रही हैं, खासकर दक्षता और नियामक लचीलेपन के मामले में। पूंजीगत व्यय संयंत्र संचालकों, विशेष रूप से लघु एवं मध्यम आकार के उद्यमों के लिए एक महत्वपूर्ण कारक बना हुआ है।
पिछले कुछ वर्षों में, सीमेंस एनर्जी ने वायु पृथक्करण बाजार की बदलती जरूरतों को पूरा करने के लिए आईजीसी क्षमताओं का विस्तार करने के उद्देश्य से कई अनुसंधान और विकास (आर एंड डी) परियोजनाएं शुरू की हैं। यह लेख हमारे द्वारा किए गए कुछ विशिष्ट डिजाइन सुधारों पर प्रकाश डालता है और चर्चा करता है कि ये परिवर्तन हमारे ग्राहकों के लागत और कार्बन कटौती लक्ष्यों को पूरा करने में कैसे मदद कर सकते हैं।
आजकल अधिकांश वायु पृथक्करण इकाइयों में दो कंप्रेसर लगे होते हैं: एक मुख्य वायु कंप्रेसर (MAC) और एक बूस्ट वायु कंप्रेसर (BAC)। मुख्य वायु कंप्रेसर आमतौर पर वायुमंडलीय दाब से लगभग 6 बार तक संपूर्ण वायु प्रवाह को संपीड़ित करता है। इस प्रवाह के एक भाग को फिर BAC में 60 बार तक के दाब तक और संपीड़ित किया जाता है।
ऊर्जा स्रोत के आधार पर, कंप्रेसर आमतौर पर स्टीम टरबाइन या इलेक्ट्रिक मोटर द्वारा संचालित होता है। स्टीम टरबाइन का उपयोग करते समय, दोनों कंप्रेसर एक ही टरबाइन द्वारा दोहरे शाफ्ट सिरों के माध्यम से संचालित होते हैं। पारंपरिक प्रणाली में, स्टीम टरबाइन और एचएसी (चित्र 1) के बीच एक मध्यवर्ती गियर स्थापित किया जाता है।
विद्युत चालित और स्टीम टर्बाइन चालित दोनों प्रणालियों में, कंप्रेसर की दक्षता कार्बन उत्सर्जन कम करने का एक शक्तिशाली कारक है क्योंकि यह इकाई की ऊर्जा खपत को सीधे प्रभावित करती है। स्टीम टर्बाइन द्वारा संचालित एमजीपी के लिए यह विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि भाप उत्पादन के लिए अधिकांश ऊष्मा जीवाश्म ईंधन से चलने वाले बॉयलरों से प्राप्त होती है।
हालांकि इलेक्ट्रिक मोटरें स्टीम टर्बाइन ड्राइव की तुलना में पर्यावरण के अनुकूल विकल्प प्रदान करती हैं, फिर भी नियंत्रण में लचीलेपन की अधिक आवश्यकता होती है। आज बन रहे कई आधुनिक वायु पृथक्करण संयंत्र ग्रिड से जुड़े हैं और नवीकरणीय ऊर्जा का उच्च स्तर पर उपयोग करते हैं। उदाहरण के लिए, ऑस्ट्रेलिया में कई हरित अमोनिया संयंत्र बनाने की योजना है जो अमोनिया संश्लेषण के लिए नाइट्रोजन उत्पादन हेतु वायु पृथक्करण इकाइयों (एएसयू) का उपयोग करेंगे और जिन्हें पास के पवन और सौर ऊर्जा संयंत्रों से बिजली मिलने की उम्मीद है। इन संयंत्रों में, बिजली उत्पादन में प्राकृतिक उतार-चढ़ाव की भरपाई के लिए नियामक लचीलापन अत्यंत महत्वपूर्ण है।
सीमेंस एनर्जी ने 1948 में पहला आईजीसी (जिसे पहले वीके के नाम से जाना जाता था) विकसित किया था। आज कंपनी विश्व स्तर पर 2,300 से अधिक यूनिट्स का उत्पादन करती है, जिनमें से कई 400,000 घन मीटर/घंटा से अधिक प्रवाह दर वाले अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन की गई हैं। हमारे आधुनिक एमजीपी कंप्रेसर एक ही भवन में 1.2 मिलियन घन मीटर प्रति घंटे तक की प्रवाह दर प्रदान करते हैं। इनमें सिंगल-स्टेज संस्करणों में 2.5 या उससे अधिक के दबाव अनुपात और सीरियल संस्करणों में 6 तक के दबाव अनुपात वाले कंसोल कंप्रेसर के गियरलेस संस्करण शामिल हैं।
हाल के वर्षों में, आईजीसी की दक्षता, नियामक लचीलेपन और पूंजीगत लागतों की बढ़ती मांगों को पूरा करने के लिए, हमने कुछ उल्लेखनीय डिजाइन सुधार किए हैं, जिनका सारांश नीचे दिया गया है।
पहले MAC चरण में आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले कई इम्पेलरों की परिवर्तनशील दक्षता को ब्लेड की ज्यामिति में बदलाव करके बढ़ाया जाता है। इस नए इम्पेलर के साथ, पारंपरिक LS डिफ्यूज़र के संयोजन में 89% तक और नई पीढ़ी के हाइब्रिड डिफ्यूज़र के संयोजन में 90% से अधिक परिवर्तनशील दक्षता प्राप्त की जा सकती है।
इसके अतिरिक्त, इम्पेलर का मच नंबर 1.3 से अधिक है, जो प्रथम चरण को उच्च शक्ति घनत्व और संपीड़न अनुपात प्रदान करता है। इससे तीन-चरणीय MAC प्रणालियों में गियर द्वारा संचारित की जाने वाली शक्ति भी कम हो जाती है, जिससे प्रथम चरणों में छोटे व्यास वाले गियर और डायरेक्ट ड्राइव गियरबॉक्स का उपयोग संभव हो पाता है।
परंपरागत पूर्ण-लंबाई वाले एलएस वेन डिफ्यूज़र की तुलना में, अगली पीढ़ी के हाइब्रिड डिफ्यूज़र की स्टेज दक्षता में 2.5% और नियंत्रण कारक में 3% की वृद्धि हुई है। यह वृद्धि ब्लेडों को मिलाकर (अर्थात ब्लेडों को पूर्ण-ऊंचाई और आंशिक-ऊंचाई वाले खंडों में विभाजित करके) प्राप्त की गई है। इस विन्यास में
इम्पेलर और डिफ्यूज़र के बीच प्रवाह आउटपुट ब्लेड की ऊंचाई के उस हिस्से से कम हो जाता है जो पारंपरिक LS डिफ्यूज़र के ब्लेड की तुलना में इम्पेलर के अधिक निकट स्थित होता है। पारंपरिक LS डिफ्यूज़र की तरह ही, पूर्ण लंबाई वाले ब्लेड के अग्रणी किनारे इम्पेलर से समान दूरी पर होते हैं ताकि इम्पेलर-डिफ्यूज़र के बीच परस्पर क्रिया से बचा जा सके जिससे ब्लेड को नुकसान हो सकता है।
इम्पेलर के पास ब्लेड की ऊंचाई को आंशिक रूप से बढ़ाने से पल्सेशन ज़ोन के पास प्रवाह की दिशा में भी सुधार होता है। चूंकि पूर्ण लंबाई वाले वेन सेक्शन का अग्रणी किनारा पारंपरिक LS डिफ्यूज़र के समान व्यास का रहता है, इसलिए थ्रॉटल लाइन अप्रभावित रहती है, जिससे अनुप्रयोग और ट्यूनिंग की व्यापक रेंज संभव हो पाती है।
जल इंजेक्शन में सक्शन ट्यूब में वायु प्रवाह में पानी की बूंदें डाली जाती हैं। ये बूंदें वाष्पीकृत होकर प्रक्रिया गैस प्रवाह से ऊष्मा अवशोषित करती हैं, जिससे संपीड़न चरण में प्रवेश तापमान कम हो जाता है। इसके परिणामस्वरूप, समरूप विद्युत आवश्यकताओं में कमी आती है और दक्षता में 1% से अधिक की वृद्धि होती है।
गियर शाफ्ट को कठोर बनाने से प्रति इकाई क्षेत्रफल पर अनुमेय तनाव को बढ़ाया जा सकता है, जिससे दांतों की चौड़ाई कम की जा सकती है। इससे गियरबॉक्स में यांत्रिक हानि 25% तक कम हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप समग्र दक्षता में 0.5% तक की वृद्धि होती है। इसके अलावा, बड़े गियरबॉक्स में कम धातु का उपयोग होने के कारण मुख्य कंप्रेसर की लागत में 1% तक की कमी की जा सकती है।
यह इम्पेलर 0.25 तक के प्रवाह गुणांक (φ) पर काम कर सकता है और 65 डिग्री इम्पेलर की तुलना में 6% अधिक हेड प्रदान करता है। इसके अलावा, प्रवाह गुणांक 0.25 तक पहुँचने पर, IGC मशीन के डबल-फ्लो डिज़ाइन में, वॉल्यूमेट्रिक प्रवाह 1.2 मिलियन m³/घंटा या यहाँ तक कि 2.4 मिलियन m³/घंटा तक पहुँच जाता है।
उच्च फाई मान समान वॉल्यूम प्रवाह पर छोटे व्यास वाले इम्पेलर के उपयोग की अनुमति देता है, जिससे मुख्य कंप्रेसर की लागत में 4% तक की कमी आती है। प्रथम चरण के इम्पेलर का व्यास और भी कम किया जा सकता है।
75° इम्पेलर विक्षेपण कोण के कारण उच्चतर दबाव प्राप्त होता है, जो आउटलेट पर परिधीय वेग घटक को बढ़ाता है और इस प्रकार यूलर के समीकरण के अनुसार उच्चतर दबाव प्रदान करता है।
उच्च गति और उच्च दक्षता वाले इंपेलरों की तुलना में, वॉल्यूट में अधिक हानि के कारण इंपेलर की दक्षता थोड़ी कम हो जाती है। इसे मध्यम आकार के स्नेल का उपयोग करके पूरा किया जा सकता है। हालांकि, इन वॉल्यूट के बिना भी, 1.0 के मैक नंबर और 0.24 के प्रवाह गुणांक पर 87% तक की परिवर्तनीय दक्षता प्राप्त की जा सकती है।
छोटे वॉल्यूट के कारण बड़े गियर का व्यास कम करने पर अन्य वॉल्यूट से टकराव से बचा जा सकता है। ऑपरेटर अधिकतम अनुमत गियर गति सीमा को पार किए बिना 6-पोल मोटर से उच्च गति वाली 4-पोल मोटर (1000 आरपीएम से 1500 आरपीएम) पर स्विच करके लागत बचा सकते हैं। इसके अलावा, यह हेलिकल और बड़े गियर के लिए सामग्री लागत को भी कम कर सकता है।
कुल मिलाकर, मुख्य कंप्रेसर से पूंजीगत लागत में 2% तक की बचत हो सकती है, साथ ही इंजन से भी पूंजीगत लागत में 2% की बचत हो सकती है। चूंकि कॉम्पैक्ट वॉल्यूट्स कुछ हद तक कम कुशल होते हैं, इसलिए इनका उपयोग करने का निर्णय काफी हद तक ग्राहक की प्राथमिकताओं (लागत बनाम दक्षता) पर निर्भर करता है और प्रत्येक परियोजना के आधार पर इसका मूल्यांकन किया जाना चाहिए।
नियंत्रण क्षमताओं को बढ़ाने के लिए, आईजीवी को कई चरणों के सामने स्थापित किया जा सकता है। यह पिछले आईजीसी परियोजनाओं के बिल्कुल विपरीत है, जिनमें आईजीवी को केवल पहले चरण तक ही शामिल किया गया था।
आईजीसी के पूर्ववर्तियों में, भंवर गुणांक (अर्थात, दूसरे आईजीवी का कोण पहले आईजीवी1 के कोण से विभाजित) स्थिर रहता था, चाहे प्रवाह अग्रगामी (कोण > 0°, शीर्ष कम होना) हो या विपरीत भंवर (कोण < 0°, दाब बढ़ना)। यह एक कमी है क्योंकि धनात्मक और ऋणात्मक भंवरों के बीच कोण का चिह्न बदल जाता है।
नई कॉन्फ़िगरेशन मशीन के फॉरवर्ड और रिवर्स वर्टेक्स मोड में होने पर दो अलग-अलग वर्टेक्स अनुपात का उपयोग करने की अनुमति देती है, जिससे निरंतर दक्षता बनाए रखते हुए नियंत्रण सीमा में 4% की वृद्धि होती है।
बीएसी में आमतौर पर इस्तेमाल होने वाले इम्पेलर के लिए एलएस डिफ्यूज़र को शामिल करके, मल्टी-स्टेज दक्षता को 89% तक बढ़ाया जा सकता है। अन्य दक्षता सुधारों के साथ, यह बीएसी चरणों की संख्या को कम करता है जबकि समग्र ट्रेन दक्षता को बनाए रखता है। चरणों की संख्या कम करने से इंटरकूलर, संबंधित प्रोसेस गैस पाइपिंग और रोटर और स्टेटर घटकों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप 10% की लागत बचत होती है। इसके अतिरिक्त, कई मामलों में मुख्य एयर कंप्रेसर और बूस्टर कंप्रेसर को एक ही मशीन में संयोजित करना संभव है।
जैसा कि पहले बताया गया है, स्टीम टरबाइन और वीएसी के बीच आमतौर पर एक इंटरमीडिएट गियर की आवश्यकता होती है। सीमेंस एनर्जी के नए आईजीसी डिज़ाइन के साथ, पिनियन शाफ्ट और बड़े गियर (4 गियर) के बीच एक आइडलर शाफ्ट जोड़कर इस आइडलर गियर को गियरबॉक्स में एकीकृत किया जा सकता है। इससे कुल लाइन लागत (मुख्य कंप्रेसर और सहायक उपकरण) में 4% तक की कमी आ सकती है।
इसके अतिरिक्त, बड़े मुख्य वायु संपीडनों में 6-ध्रुवीय से 4-ध्रुवीय मोटरों में स्विच करने के लिए कॉम्पैक्ट स्क्रॉल मोटरों की तुलना में 4-पिनियन गियर अधिक कुशल विकल्प हैं (यदि वोल्यूट टकराव की संभावना हो या अधिकतम अनुमेय पिनियन गति कम हो जाएगी)।
औद्योगिक डीकार्बोनाइजेशन के लिए महत्वपूर्ण कई बाजारों में भी इनका उपयोग अधिक आम होता जा रहा है, जिनमें हीट पंप और स्टीम कंप्रेशन के साथ-साथ कार्बन कैप्चर, यूटिलाइजेशन और स्टोरेज (सीसीयूएस) विकास में सीओ2 कंप्रेशन शामिल हैं।
सीमेंस एनर्जी के पास आईजीसी (इंटरनल गवर्नेंस कंट्रोल) के डिजाइन और संचालन का लंबा इतिहास है। जैसा कि ऊपर (और अन्य) अनुसंधान और विकास प्रयासों से स्पष्ट है, हम अद्वितीय अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा करने और कम लागत, बढ़ी हुई दक्षता और बढ़ी हुई स्थिरता के लिए बढ़ती बाजार मांगों को पूरा करने के लिए इन मशीनों में निरंतर नवाचार करने के लिए प्रतिबद्ध हैं। KT2