हांग्जो नुझुओ प्रौद्योगिकी समूह कं, लिमिटेड।

लेखक: लुकास बिजिक्ली, उत्पाद पोर्टफोलियो प्रबंधक, एकीकृत गियर ड्राइव, आर एंड डी सीओ 2 संपीड़न और हीट पंप, सीमेंस एनर्जी।
कई वर्षों से, एकीकृत गियर कंप्रेसर (IGC) वायु पृथक्करण संयंत्रों के लिए पसंदीदा तकनीक रही है। यह मुख्यतः उनकी उच्च दक्षता के कारण है, जिससे ऑक्सीजन, नाइट्रोजन और निष्क्रिय गैसों की लागत में सीधे तौर पर कमी आती है। हालाँकि, डीकार्बोनाइजेशन पर बढ़ते ध्यान के कारण IPC पर नई माँगें आ रही हैं, खासकर दक्षता और नियामक लचीलेपन के संदर्भ में। पूँजीगत व्यय संयंत्र संचालकों, खासकर छोटे और मध्यम आकार के उद्यमों के लिए, एक महत्वपूर्ण कारक बना हुआ है।
पिछले कुछ वर्षों में, सीमेंस एनर्जी ने वायु पृथक्करण बाज़ार की बदलती ज़रूरतों को पूरा करने के लिए IGC क्षमताओं का विस्तार करने के उद्देश्य से कई अनुसंधान एवं विकास (R&D) परियोजनाएँ शुरू की हैं। यह लेख हमारे द्वारा किए गए कुछ विशिष्ट डिज़ाइन सुधारों पर प्रकाश डालता है और चर्चा करता है कि ये परिवर्तन हमारे ग्राहकों के लागत और कार्बन न्यूनीकरण लक्ष्यों को पूरा करने में कैसे मदद कर सकते हैं।
आजकल ज़्यादातर वायु पृथक्करण इकाइयाँ दो कंप्रेसरों से सुसज्जित होती हैं: एक मुख्य वायु कंप्रेसर (MAC) और एक बूस्ट वायु कंप्रेसर (BAC)। मुख्य वायु कंप्रेसर आमतौर पर वायुमंडलीय दाब से संपूर्ण वायु प्रवाह को लगभग 6 बार तक संपीड़ित करता है। इस प्रवाह के एक भाग को फिर BAC में 60 बार तक के दाब तक संपीड़ित किया जाता है।
ऊर्जा स्रोत के आधार पर, कंप्रेसर आमतौर पर स्टीम टर्बाइन या इलेक्ट्रिक मोटर द्वारा संचालित होता है। स्टीम टर्बाइन का उपयोग करते समय, दोनों कंप्रेसर एक ही टर्बाइन द्वारा ट्विन शाफ्ट सिरों के माध्यम से संचालित होते हैं। पारंपरिक योजना में, स्टीम टर्बाइन और HAC के बीच एक मध्यवर्ती गियर लगाया जाता है (चित्र 1)।
विद्युत चालित और भाप टरबाइन चालित, दोनों ही प्रणालियों में, कंप्रेसर दक्षता कार्बन-मुक्ति के लिए एक शक्तिशाली माध्यम है क्योंकि यह इकाई की ऊर्जा खपत को सीधे प्रभावित करती है। यह भाप टरबाइनों द्वारा संचालित MGP के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि भाप उत्पादन के लिए अधिकांश ऊष्मा जीवाश्म ईंधन से चलने वाले बॉयलरों में प्राप्त होती है।
हालाँकि इलेक्ट्रिक मोटरें स्टीम टर्बाइन ड्राइव का एक अधिक पर्यावरण-अनुकूल विकल्प प्रदान करती हैं, फिर भी नियंत्रण लचीलेपन की अक्सर अधिक आवश्यकता होती है। आजकल बनाए जा रहे कई आधुनिक वायु पृथक्करण संयंत्र ग्रिड से जुड़े हैं और इनमें नवीकरणीय ऊर्जा का उच्च स्तर का उपयोग होता है। उदाहरण के लिए, ऑस्ट्रेलिया में, कई हरित अमोनिया संयंत्र बनाने की योजना है जो अमोनिया संश्लेषण के लिए नाइट्रोजन का उत्पादन करने हेतु वायु पृथक्करण इकाइयों (एएसयू) का उपयोग करेंगे और आस-पास के पवन और सौर ऊर्जा संयंत्रों से बिजली प्राप्त करने की उम्मीद है। इन संयंत्रों में, बिजली उत्पादन में प्राकृतिक उतार-चढ़ाव की भरपाई के लिए नियामक लचीलापन महत्वपूर्ण है।
सीमेंस एनर्जी ने 1948 में पहला IGC (जिसे पहले VK के नाम से जाना जाता था) विकसित किया था। आज कंपनी दुनिया भर में 2,300 से ज़्यादा यूनिट्स का उत्पादन करती है, जिनमें से कई 400,000 m3/h से ज़्यादा प्रवाह दर वाले अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन की गई हैं। हमारे आधुनिक MGPs की प्रवाह दर एक ही इमारत में 1.2 मिलियन क्यूबिक मीटर प्रति घंटे तक है। इनमें कंसोल कंप्रेसर के गियरलेस संस्करण शामिल हैं, जिनका दबाव अनुपात सिंगल-स्टेज संस्करणों में 2.5 या उससे ज़्यादा और सीरियल संस्करणों में 6 तक होता है।
हाल के वर्षों में, आईजीसी दक्षता, विनियामक 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 इस्तेमाल होने वाले कई इम्पेलर्स की परिवर्तनशील दक्षता ब्लेड की ज्यामिति में बदलाव करके बढ़ाई जाती है। इस नए इम्पेलर के साथ, पारंपरिक LS डिफ्यूज़र के साथ संयोजन में 89% तक और नई पीढ़ी के हाइब्रिड डिफ्यूज़र के साथ संयोजन में 90% से अधिक परिवर्तनशील दक्षता प्राप्त की जा सकती है।
इसके अलावा, इम्पेलर की मैक संख्या 1.3 से अधिक होती है, जो पहले चरण को उच्च शक्ति घनत्व और संपीड़न अनुपात प्रदान करती है। इससे त्रि-चरणीय मैक प्रणालियों में गियर द्वारा प्रेषित शक्ति भी कम हो जाती है, जिससे पहले चरणों में छोटे व्यास वाले गियर और प्रत्यक्ष ड्राइव गियरबॉक्स का उपयोग संभव हो जाता है।
पारंपरिक पूर्ण-लंबाई वाले एलएस वेन डिफ्यूज़र की तुलना में, अगली पीढ़ी के हाइब्रिड डिफ्यूज़र में स्टेज दक्षता 2.5% और नियंत्रण कारक 3% अधिक है। यह वृद्धि ब्लेडों को मिलाकर प्राप्त की जाती है (अर्थात ब्लेड पूर्ण-ऊँचाई और आंशिक-ऊँचाई वाले खंडों में विभाजित होते हैं)। इस विन्यास में
इम्पेलर और डिफ्यूज़र के बीच प्रवाह आउटपुट ब्लेड की ऊँचाई के एक हिस्से से कम हो जाता है, जो पारंपरिक LS डिफ्यूज़र के ब्लेड की तुलना में इम्पेलर के ज़्यादा करीब स्थित होता है। पारंपरिक LS डिफ्यूज़र की तरह, पूरी लंबाई वाले ब्लेड के अग्र किनारे इम्पेलर से समान दूरी पर होते हैं ताकि इम्पेलर-डिफ्यूज़र के बीच होने वाली परस्पर क्रिया से बचा जा सके जिससे ब्लेड क्षतिग्रस्त हो सकते हैं।
इम्पेलर के पास ब्लेड की ऊँचाई को आंशिक रूप से बढ़ाने से स्पंदन क्षेत्र के पास प्रवाह की दिशा में भी सुधार होता है। चूँकि पूर्ण-लंबाई वाले वेन सेक्शन का अग्र किनारा पारंपरिक LS डिफ्यूज़र के समान व्यास का रहता है, इसलिए थ्रॉटल लाइन अप्रभावित रहती है, जिससे अनुप्रयोग और ट्यूनिंग की व्यापक रेंज संभव होती है।
जल अंतःक्षेपण में चूषण नली में वायु धारा में जल की बूंदों को प्रक्षेपित किया जाता है। ये बूंदें वाष्पित होकर प्रक्रिया गैस धारा से ऊष्मा अवशोषित कर लेती हैं, जिससे संपीडन चरण में प्रवेश तापमान कम हो जाता है। इसके परिणामस्वरूप समएन्ट्रॉपिक ऊर्जा की आवश्यकता कम हो जाती है और दक्षता में 1% से अधिक की वृद्धि होती है।
गियर शाफ्ट को कठोर बनाने से प्रति इकाई क्षेत्र में अनुमेय प्रतिबल में वृद्धि होती है, जिससे दाँतों की चौड़ाई कम हो जाती है। इससे गियरबॉक्स में यांत्रिक क्षति 25% तक कम हो जाती है, जिससे समग्र दक्षता में 0.5% तक की वृद्धि होती है। इसके अलावा, बड़े गियरबॉक्स में कम धातु का उपयोग होने से मुख्य कंप्रेसर की लागत 1% तक कम हो सकती है।
यह इम्पेलर 0.25 तक के प्रवाह गुणांक (φ) के साथ काम कर सकता है और 65 डिग्री इम्पेलर्स की तुलना में 6% अधिक हेड प्रदान करता है। इसके अलावा, प्रवाह गुणांक 0.25 तक पहुँच जाता है, और IGC मशीन के दोहरे-प्रवाह डिज़ाइन में, आयतन प्रवाह 1.2 मिलियन m3/h या यहाँ तक कि 2.4 मिलियन m3/h तक पहुँच जाता है।
उच्च phi मान समान आयतन प्रवाह पर छोटे व्यास वाले इम्पेलर के उपयोग की अनुमति देता है, जिससे मुख्य संपीडक की लागत 4% तक कम हो जाती है। प्रथम चरण के इम्पेलर का व्यास और भी कम किया जा सकता है।
उच्च हेड 75° प्ररितक विक्षेपण कोण द्वारा प्राप्त किया जाता है, जो आउटलेट पर परिधीय वेग घटक को बढ़ाता है और इस प्रकार यूलर के समीकरण के अनुसार उच्च हेड प्रदान करता है।
उच्च गति और उच्च दक्षता वाले इम्पेलर्स की तुलना में, वॉल्यूट में अधिक हानि के कारण इम्पेलर की दक्षता थोड़ी कम हो जाती है। मध्यम आकार के स्नेल का उपयोग करके इसकी भरपाई की जा सकती है। हालाँकि, इन वॉल्यूट्स के बिना भी, 1.0 की मैक संख्या और 0.24 के प्रवाह गुणांक पर 87% तक की परिवर्तनशील दक्षता प्राप्त की जा सकती है।
बड़े गियर का व्यास कम होने पर छोटा वोल्यूट आपको अन्य वोल्यूट से टकराव से बचाता है। ऑपरेटर अधिकतम स्वीकार्य गियर गति से अधिक गति 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 अतिरिक्त, यह हेलिकल और बड़े गियर के लिए सामग्री की लागत को भी कम कर सकता है।
कुल मिलाकर, मुख्य कंप्रेसर पूंजीगत लागत में 2% तक की बचत कर सकता है, साथ ही इंजन भी पूंजीगत लागत में 2% की बचत कर सकता है। चूँकि कॉम्पैक्ट वोल्यूट कुछ हद तक कम कुशल होते हैं, इसलिए उनके उपयोग का निर्णय काफी हद तक ग्राहक की प्राथमिकताओं (लागत बनाम दक्षता) पर निर्भर करता है और इसका मूल्यांकन परियोजना-दर-परियोजना आधार पर किया जाना चाहिए।
नियंत्रण क्षमताओं को बढ़ाने के लिए, IGV को कई चरणों के सामने स्थापित किया जा सकता है। यह पिछली IGC परियोजनाओं के बिल्कुल विपरीत है, जिनमें केवल पहले चरण तक ही IGV शामिल थे।
आईजीसी के पहले के पुनरावृत्तियों में, भंवर गुणांक (यानी, पहले आईजीवी1 के कोण से विभाजित दूसरे आईजीवी का कोण) स्थिर रहा, भले ही प्रवाह आगे हो (कोण > 0°, कम करने वाला सिर) या रिवर्स भंवर (कोण < 0°, दबाव बढ़ता है)। यह नुकसानदेह है क्योंकि कोण का संकेत सकारात्मक और नकारात्मक भंवरों के बीच बदलता है।
नया विन्यास मशीन के फॉरवर्ड और रिवर्स वोर्टेक्स मोड में होने पर दो अलग-अलग वोर्टेक्स अनुपातों का उपयोग करने की अनुमति देता 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 एक एलएस डिफ्यूज़र लगाकर, बहु-चरणीय दक्षता को 89% तक बढ़ाया जा सकता है। यह, अन्य दक्षता सुधारों के साथ मिलकर, समग्र ट्रेन दक्षता को बनाए रखते हुए बीएसी चरणों की संख्या को कम करता है। चरणों की संख्या कम करने से इंटरकूलर, एसोसिएटेड प्रोसेस गैस पाइपिंग, और रोटर व स्टेटर घटकों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है, जिससे लागत में 10% की बचत होती है। इसके अतिरिक्त, कई मामलों में मुख्य वायु संपीड़क और बूस्टर संपीड़क को एक ही मशीन में संयोजित करना संभव है।
जैसा कि पहले बताया गया है, स्टीम टर्बाइन और VAC के बीच आमतौर पर एक मध्यवर्ती गियर की आवश्यकता होती है। सीमेंस एनर्जी के नए IGC डिज़ाइन के साथ, इस आइडलर गियर को पिनियन शाफ्ट और बड़े गियर (4 गियर) के बीच एक आइडलर शाफ्ट जोड़कर गियरबॉक्स में एकीकृत किया जा सकता है। इससे कुल लाइन लागत (मुख्य कंप्रेसर और सहायक उपकरण) 4% तक कम हो सकती है।
इसके अतिरिक्त, 4-पिनियन गियर बड़े मुख्य वायु कम्प्रेसरों में 6-पोल से 4-पोल मोटर्स पर स्विच करने के लिए कॉम्पैक्ट स्क्रॉल मोटर्स के लिए एक अधिक कुशल विकल्प हैं (यदि वॉल्यूट टकराव की संभावना है या यदि अधिकतम स्वीकार्य पिनियन गति कम हो जाएगी)। ) अतीत।
औद्योगिक डीकार्बोनाइजेशन के लिए महत्वपूर्ण कई बाजारों में भी उनका उपयोग आम होता जा रहा है, जिसमें हीट पंप और स्टीम कम्प्रेशन, साथ ही कार्बन कैप्चर, उपयोग और भंडारण (सीसीयूएस) विकास में सीओ2 कम्प्रेशन शामिल हैं।
सीमेंस एनर्जी का IGCs के डिज़ाइन और संचालन का एक लंबा इतिहास रहा है। जैसा कि ऊपर (और अन्य) अनुसंधान एवं विकास प्रयासों से स्पष्ट है, हम विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं को पूरा करने और कम लागत, बढ़ी हुई दक्षता और बढ़ी हुई स्थिरता के लिए बढ़ती बाज़ार माँगों को पूरा करने के लिए इन मशीनों में निरंतर नवाचार करने के लिए प्रतिबद्ध हैं। KT2