技术专栏：用于空气分离装置的整体齿轮式压缩机创新

多年来，整体齿轮式压缩机（IGC）一直是空气分离装置的首选技术。这主要是因为其高效率，从而直接降低了氧气、氮气和惰性气体的单位成本。然而，随着脱碳的日益普及，人们对IGC提出了新的要求，尤其是在效率和调节灵活性方面。资本支出（CAPEX）仍然是工厂运营商考虑的重要因素，尤其是在中小型应用中。

过去几年，西门子能源启动了多个研发项目，旨在提升集成气体发生器（IGC）的性能，以满足不断变化的空气分离市场需求。本文重点介绍我们所做的一些具体设计改进，并探讨这些改进如何助力客户实现降低成本和减少碳排放的目标。

空气分离压缩机应用概述

目前大多数空分装置都配备两台压缩机：一台主空气压缩机 (MAC) 和一台增压空气压缩机 (BAC)。主空气压缩机通常将全部气流从大气压压缩至约 6 巴。然后，一部分气流在增压空气压缩机中被进一步压缩至最高 60 巴的压力。

根据动力源的不同，压缩机通常由蒸汽轮机或电动机驱动。当使用蒸汽轮机时，两台压缩机通过双轴端由同一台汽轮机驱动。在传统配置中，蒸汽轮机和压缩机之间安装有中间齿轮（图 1）。

无论是电力驱动还是蒸汽轮机驱动，压缩机效率都是实现脱碳的关键因素，因为它直接影响设备的能耗。对于蒸汽轮机驱动的工业燃气轮机而言，这一点尤为重要，因为产生蒸汽所需的大部分热量都来自化石燃料锅炉。

虽然电动机是比蒸汽轮机驱动更可持续的替代方案，但通常对调节灵活性的要求更高。目前许多新建的现代化空分装置都接入了可再生能源高比例接入的外部电网。例如，在澳大利亚，正在规划建设多个绿色氨厂——这些氨厂使用空分装置（ASU）生产用于合成氨的氮气——预计将从附近的风能和太阳能发电项目中获取电力。在这些装置中，调节灵活性对于补偿电力生产的自然波动至关重要。

图 1 空气分离装置中的蒸汽轮机（双轴端）配置。

面向未来的IGC设计

西门子能源于 1948 年开发了首台 IGC（正式名称为 VK）。如今，该公司已在全球生产了 2300 多台 IGC，其中许多设备应用于流量超过 40 万立方米/小时的场合。我们现代化的 IGC 单机容量最高可达 120 万立方米/小时。这其中包括一种无齿轮悬臂式压缩机，其单级压比可达 2.5 或更高，串联式设计压比最高可达 6。

下面概述了我们近年来为满足日益增长的 IGC 效率、调节灵活性和 CAPEX 需求而进行的一些显著设计改进。

图 2 混合扩散器。

4齿小齿轮装置无需在BAC和蒸汽轮机之间设置中间齿轮。

通过改变叶片几何形状，通常用于第一级MAC的叶轮系列的多变效率得到了提升。采用这种新型叶轮，与传统LS扩散器配合使用时，多变效率可达89%；而与下一代混合扩散器配合使用时，效率则超过90%。

此外，该叶轮已通过马赫数超过1.3的认证，这使得第一级能够实现更高的功率密度和压力比。它还降低了三级MAC应用中齿轮需要传递的功率，从而可以使用更小的齿轮直径和齿轮箱，并采用直驱式第一级。

下一代混合扩散器

与传统的全高叶片式LS扩散器相比，新一代混合扩散器可实现高达2.5%的更高级效率和高达3%的更高调节比。这种提升得益于混合叶片（即叶片分为全高部分和部分高度部分）。在这种结构中，

通过叶片部分高度部分的减少，降低了叶轮和扩散器之间的流动损失，该部分叶片比传统低速扩散器的叶片更靠近叶轮。为了避免叶轮和扩散器之间的相互作用（从而防止叶片损坏），全高度叶片的前缘与叶轮的距离与传统低速扩散器相同。

叶片部分高度更靠近叶轮，也改善了喘振附近区域的流体导向。由于全高叶片部分的翼缘直径与传统LS扩散器相同，因此阻塞线不受影响，从而实现了更宽的应用/调节范围。

紧凑型蜗壳可降低材料和电机成本。

湿式压缩（即注水压缩）

注水是指将水滴注入吸入管内的气流中。水滴蒸发并吸收工艺气流的热量，从而降低压缩级的入口温度。这可降低等熵功率需求，并使效率提高1%以上。

齿轮硬化

通过对小齿轮轴进行硬化处理，可以提高单位面积的许用应力，从而减小齿轮齿宽。这使得齿轮内部的机械损耗最多可降低 25%，进而使整体效率提高最多 0.5%。此外，由于大齿轮所用金属减少，压缩机核心部件的成本也最多可降低 1%。

高流量/高扬程叶轮

该叶轮可处理高达 0.25 的流量系数 (ϕ)，并且比 65 度叶轮高出 6% 的扬程。此外，高达 0.25 的流量系数允许单台 IGC 设备在双流配置下实现高达 120 万立方米/小时甚至 240 万立方米/小时的体积流量。

较高的φ值使得在相同流量下可以使用更小的叶轮直径，从而使核心压缩机的成本降低高达4%。第一级叶轮直径可以进一步减小。

低于5%。

通过叶轮偏转角为 75° 来实现更高的扬程，这增加了出口速度的周向分量，根据欧拉方程，从而导致更高的扬程。

与高速/高效率叶轮相比，由于蜗壳损失较大，该叶轮的效率略有降低。这可以通过采用中等尺寸的蜗壳来弥补。然而，即使没有这些蜗壳，在马赫数为1.0、流量系数为0.24的条件下，也能实现高达87%的多变效率。

前

图 4 之后，调幅能力得到了提升。

紧凑的涡卷

较小的蜗壳可以避免在减小大齿轮直径的情况下与其他蜗壳发生碰撞。这使得操作人员能够在不超出大齿轮最大允许齿尖速度的情况下，将6极电机更换为频率更高的4极电机（从1000转/分到1500转/分），从而节省成本。此外，它还能降低蜗壳和大齿轮的材料成本。

总体而言，核心压缩机的资本支出最多可节省 2%，再加上电机方面的节省。由于紧凑型蜗壳的效率略有降低，是否采用这种蜗壳很大程度上取决于客户的优先事项（成本与效率），应根据具体项目进行评估。

多个可移动的进气导叶（IGV）

为了提高功率调节能力，可以在多级火箭前端安装导叶。这与以往的IGC设计不同，以往的IGC设计仅在第一级火箭前端安装导叶。

在早期的IGC设计中，旋流因子（即第二IGV角度与第一IGV1角度的比值）保持不变，无论流体受到正旋流（角度>0°，水头降低）还是反旋流（角度<0°，水头升高）。这不利于旋流设计，因为正旋流和反旋流时角度的符号会发生变化。

新的配置允许机器在正旋流模式和逆旋流模式下使用两种不同的旋流系数，从而在保持效率不变的情况下，实现 4% 更高的调节比。

4齿小齿轮装置无需在BAC和蒸汽轮机之间设置中间齿轮。

减少 BAC 各阶段数量，并将 MAC 和 BAC 合并到一台机器中

通过在空气压缩机（BAC）中常用的叶轮上采用低速扩散器，多变级效率可提升至高达 89%。结合其他效率提升措施，可在保持整套系统效率不变的情况下，减少空气压缩机的级数。级数的减少可使空气压缩机的成本降低 10%，因为它省去了中间冷却器、相应的工艺气体管道以及转子和定子部件。此外，在某些情况下，还可以将主空气压缩机和增压压缩机集成在一台机器中。

4齿轮

如前所述，蒸汽轮机和压缩机之间通常需要一个中间齿轮。西门子能源的新型IGC设计通过在小齿轮轴和大齿轮之间增加一根中间轴（四齿轮），可以将该中间齿轮集成到齿轮箱中。这样做可以将整套机组的总成本（核心压缩机加辅助设备）降低高达4%。

此外，如果大型主空气压缩机中的 6 极电机和 4 极电机发生碰撞或超过允许的最大大齿轮尖端速度，则 4 小齿轮是比紧凑型蜗壳更高效的替代方案，用于将电机从 6 极电机切换到 4 极电机。

结论

在空分装置应用中，IGC 逐渐成为在线压缩机的有效替代方案。

它们在几个对工业脱碳至关重要的市场中也越来越普遍，包括热泵和蒸汽压缩，以及碳捕获、利用和储存 (CCUS) 开发中的二氧化碳压缩。

西门子能源在集成燃气轮机的设计和运营方面拥有悠久的历史。正如上文（及其他）所述的研发工作所证明的那样，我们致力于不断创新这些设备，以满足独特的应用需求，并满足市场对更低成本、更高效率和更强可持续性的日益增长的需求。CT2