DE102010027244A1

DE102010027244A1 - centrifugal

Info

Publication number: DE102010027244A1
Application number: DE102010027244A
Authority: DE
Inventors: Lars Schlüter
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-07-15
Publication date: 2012-01-19
Also published as: WO2012007465A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalverdichter (CO), insbesondere zur Verdichtung von Kohlendioxid, wobei der Zentrifugalverdichter (CO) mindestens vier Stufen aufweist und derart ausgebildet ist, dass die erste Stufe ein Druckverhältnis von 3,5–4bar erzeugt. Eine Besonderheit des Zentrifugalverdichters gemäß der Erfindung ergibt sich aus den außergewöhnlichen Anforderungen, bei einem Volumenstrom von 80.000–200.000 m3/Std. ein Enddruck von mindestens 100–230 bar zu erreichen ist. Um diese ungewöhnlichen Randbedingungen zu erfüllen, schlägt die Erfindung vor, dass die erste oder die erste und zweite Stufe als Splitter-Blade-Laufrad ausgebildet ist/sind, derart, dass das Laufrad (IM)/die Laufräder (IM) eine gerade Anzahl von Schaufeln (BL) aufweist und in abwechselnder Reihenfolge in Umfangsrichtung eine Eintrittskante (EK) jeder zweiten Schaufel (BL) gegenüber der Eintrittskante (EK) der beiden benachten Schaufeln (BL) in Strömungsrichtung zurückversetzt ist und dass das das Laufrad (IM)/die Laufräder (IM) keine Deckplatte (SR) aufweist.The invention relates to a centrifugal compressor (CO), in particular for compressing carbon dioxide, wherein the centrifugal compressor (CO) has at least four stages and is designed such that the first stage generates a pressure ratio of 3.5-4 bar. A special feature of the centrifugal compressor according to the invention results from the extraordinary requirements, with a volume flow of 80,000-200,000 m3 / hour. a final pressure of at least 100–230 bar can be achieved. In order to meet these unusual boundary conditions, the invention proposes that the first or the first and second stage is / are designed as a splitter blade impeller, such that the impeller (IM) / impellers (IM) have an even number of Has blades (BL) and in alternating sequence in the circumferential direction a leading edge (EK) of every second blade (BL) is set back in the flow direction opposite the leading edge (EK) of the two blades (BL) and that the impeller (IM) / the impellers (IM) has no cover plate (SR).

Description

Die Erfindung betrifft einen Zentrifugalverdichter, insbesondere zur Verdichtung von Co2, wobei der Verdichter mindestens vier Stufen aufweist und derart ausgebildet ist, dass die erste Stufe ein Druckverhältnis von 3,5–4 bar erzeugt.The invention relates to a centrifugal compressor, in particular for compressing Co2, wherein the compressor has at least four stages and is designed such that the first stage generates a pressure ratio of 3.5-4 bar.

Die Verdichtung von Kohlendioxid findet im Wesentlichen aus zwei verschiedenen Gründen in der großtechnischen Anwendung auch zukünftig statt. Einerseits handelt es sich hierbei um eine Endlagerung des schädlichen Klimagases (Carbon Catchers Storage, CCS) und andererseits um das Verfüllen natürlicher Lagerstätten fossiler Brennstoffe mittels verdichteten Kohlendioxids zur besseren Ausbeute. Im Falle der Beseitigung der schädlichen Klimagases im Rahmen der Energieerzeugung ist davon auszugehen, dass ein besonders guter Wirkungsgrad gefordert ist, um die erzeugte Energie wettbewerbsfähig anbieten zu können. Bei dem Verfüllen von Lagerstätten fossiler Brennstoffe kann eine schlichte Verdichtung des gasförmigen Stoffes auf den Enddruck erfolgen.The compression of carbon dioxide takes place mainly for two different reasons in the industrial application in the future. On the one hand, this is a disposal of the harmful climate gas (Carbon Catchers Storage, CCS) and on the other hand, the filling of natural deposits of fossil fuels using compressed carbon dioxide for better yield. In the case of the elimination of harmful climate gases in the context of energy production, it can be assumed that a particularly good efficiency is required in order to be able to offer the generated energy competitively. When filling deposits of fossil fuels, a simple compression of the gaseous substance to the final pressure can take place.

Eine Besonderheit des Zentrifugalverdichters gemäß der Erfindung ergibt sich aus den außergewöhnlichen Anforderungen, bei einem Volumenstrom von 80.000–200.000 m³/Std. ein Enddruck von mindestens 100–230 bar zu erreichen ist. Diese ungewöhnlichen Randbedingungen erfordern neue technische Lösungen, so dass es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht hat einen Zentrifugalverdichter zu schaffen, der für diese extremen Anforderungen geeignet ist.A special feature of the centrifugal compressor according to the invention results from the extraordinary requirements, with a volume flow of 80,000-200,000 m ³ / hr. a final pressure of at least 100-230 bar is reached. These unusual constraints require new technical solutions, so that the invention has set itself the task of creating a centrifugal compressor that is suitable for these extreme requirements.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Zentrifugalverdichter der eingangs genannten Art vorgeschlagen, der zusätzliche Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 aufweist.To achieve the object, a centrifugal compressor of the aforementioned type is proposed according to the invention, having additional features of the characterizing part of claim 1.

Mittels eines herkömmlichen Verdichters können die geforderten Leistungen ebenfalls erreicht werden, wobei jedoch mindestens zwei zusätzliche Verdichterstufen vorgesehen werden müssen. Die Erfindung ermöglicht durch die spezielle Art der Beschaufelung auf der ersten oder ersten und der zweiten Stufe des Verdichters, dass besonders hohe Druckverhältnisse über jeder Stufe des Verdichters erreicht werden können und auf diese Weise zwei Stufen weniger benötigt werden. Überraschend gelingt dies in Folge der erfindungsgemäßen Gestaltung der ersten Stufe ohne nennenswerte Wirkungsgradeinbuße. Weiterhin weist der erfindungsgemäße Zentrifugalverdichter während des Betriebes außerhalb des für den dauerhaften Betrieb vorgesehenen Betriebspunktes (Drehzahl, Volumenstrom, Druckverhältnis) ein besonders stabiles Verhalten auf.By means of a conventional compressor, the required performance can also be achieved, but at least two additional compressor stages must be provided. The invention enables by the special type of blading on the first or first and second stage of the compressor that particularly high pressure ratios can be achieved over each stage of the compressor and in this way two steps less needed. Surprisingly, this succeeds as a result of the inventive design of the first stage without significant loss of efficiency. Furthermore, the centrifugal compressor according to the invention has a particularly stable behavior during operation outside the intended operating point for continuous operation (speed, flow rate, pressure ratio).

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Verdichter genau vier Stufen aufweist und auf einen Enddruck von 100–120 bar bei einem Eintrittsdruck von 1–2 bar verdichtet.An advantageous development of the invention provides that the compressor has exactly four stages and compressed to a final pressure of 100-120 bar at an inlet pressure of 1-2 bar.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Enddruck zwischen 140 und 170 bar bei gleichem Eintrittsdruck liegt und die Stufenzahl genau fünf Stufen beträgt. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Enddruck zwischen 175 und 210 bar liegt bei gleichem Eintrittsdruck und bei einer Stufenzahl von sechs Stufen.Another advantageous development provides that the final pressure is between 140 and 170 bar at the same inlet pressure and the number of stages is exactly five levels. A further advantageous embodiment provides that the final pressure between 175 and 210 bar is at the same inlet pressure and at a number of stages of six stages.

Mit Vorteil liegt die Umfangsgeschwindigkeit – also die Geschwindigkeit des radialen äußersten Punktes des Rotors – bei 400–550 m/s, so dass in Kombination mit der erfindungsgemäßen Gestaltung der Laufräder die zuvor erläuterten Anforderungen erreicht werden können.Advantageously, the peripheral speed - ie the speed of the radial outermost point of the rotor - at 400-550 m / s, so that in combination with the design of the wheels according to the invention, the requirements explained above can be achieved.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Zeichnungen erläutert. Für den Fachmann ergeben sich neben diesem speziellen Ausführungsbeispiel insbesondere aus der Kombination der abhängigen Ansprüche weitere Möglichkeiten, die Erfindung umzusetzen. Es zeigen:In the following, the invention is explained with reference to a specific embodiment with reference to drawings. For those skilled in addition to this particular embodiment, in particular from the combination of the dependent claims further possibilities to implement the invention. Show it:

1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zentrifugalverdichter in schematischer Darstellung, 1 a longitudinal section through a centrifugal compressor according to the invention in a schematic representation,

2 eine Draufsicht in axialer Richtung auf ein Laufrad der ersten Stufe des Zentrifugalverdichters aus 1 und 2 a plan view in the axial direction of a first-stage impeller of the centrifugal compressor 1 and

3 ein mit Meridionalschnitt durch die Beschaufelung des Laufrades der 2. 3 one with meridional section through the blading of the impeller 2 ,

1 zeigt eine schematische Darstellung einen axialen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäße Zentrifugalverdichter CO. Eine Welle SH erstreckt sich entlang einer Maschinenachse AX und ist Trägerin von sechs Laufrädern IM, so dass sich eine sechsstufige Verdichtung ergibt. Das Laufrad der ersten Stufe ist in der Zeichnung IM1 bezeichnet und nachfolgende mutatis mutandis. Die Welle SH wird von einem Antrieb D angetrieben und mittels zweier Radiallager RB1, RB2 unterstützt, wobei das dem Antrieb D zugewendete Radiallager RB2 gleichzeitig eine axiale Lagerung vorsieht. Zwischen den Laufrädern IM1–IM6 und den Radiallagern RB1, RB2 ist jeweils eine in einem Gehäuse C eingebettete Wellendichtung SHS1, SHS2 vorgesehen. Der Zentrifugalverdichter CO verdichtet ein durch einen Einlass IN eintretendes Prozessfluid PF von einem Eintrittsdruck PO von 1 bar auf einen Enddruck PE von 205 bar anliegend an einem gegenüber dem Einlass IN in Umfangsrichtung versetzten Auslass EX. Bei dem Prozessfluid PF handelt es sich um Kohlendioxid. 1 shows a schematic representation of an axial longitudinal section through a centrifugal compressor CO according to the invention. A shaft SH extends along a machine axis AX and carries six impellers IM, resulting in a six-stage compaction. The impeller of the first stage is designated in the drawing IM1 and subsequent mutatis mutandis. The shaft SH is driven by a drive D and supported by means of two radial bearings RB1, RB2, wherein the drive D facing radial bearing RB2 simultaneously provides an axial bearing. Between the impellers IM1-IM6 and the radial bearings RB1, RB2 each embedded in a housing C shaft seal SHS1, SHS2 is provided. The centrifugal compressor CO compresses a process fluid PF entering through an inlet IN from an inlet pressure PO of 1 bar to a final pressure PE of 205 bar adjacent to an outlet EX offset in the circumferential direction from the inlet IN. The process fluid PF is carbon dioxide.

Die Laufräder IM1 und IM2 der ersten beiden Stufen sind als Splitter-Blade-Laufräder ausgebildet und weisen keine Deckplatte auf. Die übrigen Laufräder IM3–IM6 weisen eine herkömmliche Beschaufelung auf und sind mit einer Deckplatte SR versehen. Der radial äußerste Punkt der rotierenden Laufräder IM1–IM6 erreicht eine Umfangsgeschwindigkeit von bis zu 550 m/s. Im Nennbetrieb liegt eine Umfangsgeschwindigkeit an dieser Stelle von 500 m/s vor.The wheels IM1 and IM2 of the first two stages are formed as splitter blade wheels and have no cover plate. The remaining impellers IM3-IM6 have a conventional blading and are provided with a cover plate SR. The radially outermost point of the rotating impellers IM1-IM6 reaches a peripheral speed of up to 550 m / s. In rated operation, there is a peripheral speed at this point of 500 m / s.

2 zeigt ein Laufrad IM der ersten Stufe des Zentrifugalverdichters CO. Exemplarisches Laufrad mit acht Schaufeln BL versehen, die an einem Grundkörper BB im Bereich eines Übergangsradius RT befestigt sind. Naturgemäß sind die Schaufeln BL symmetrisch um die Maschinenachse AX angeordnet. Die Eintrittskante EK jeder zweiten Schaufel BB ist gegenüber ihren benachbarten Schaufeln radial zurückversetzt, so dass sich vier Schaufeln mit zurückversetzten Eintrittskanten und vier Schaufeln mit weiter vorstehenden Eintrittskanten hinsichtlich der Strömungsrichtung in jeweils abwechselnder Anordnung ergeben. Die Schaufel mit zurückversetzter Eintrittskante EK sind im Wesentlichen so ausgebildet, wie die weiter vorstehenden Schaufeln BL, wobei der Versatz in Strömungsrichtung nach hinten sich schlicht durch das Fortlassen des in Strömungsrichtung vorne liegenden Teiles dieser Schaufeln BL ergibt. Die Eintrittskante EK der zurückversetzten Schaufeln BL liegt gegenüber dem benachbarten Schaufeln BL um etwa ein Viertel bis der Hälfte der Erstreckung in Strömungsrichtung zurück. Der Meridionalschnitt der 3 zeigt diese Anordnung in schematischer Weise, wobei die in Strömungsrichtung weiter vorne mit ihrer Eintrittskante EK beginnenden Schaufel BL und die mit ihrer Eintrittskante zurückversetzten Schaufeln mit SBL bezeichnet sind. 2 shows an impeller IM of the first stage of the centrifugal compressor CO. Exemplary impeller provided with eight blades BL, which are fixed to a base BB in the region of a transition radius RT. Naturally, the blades BL are arranged symmetrically about the machine axis AX. The leading edge EK of each second blade BB is set back radially relative to its neighboring blades, so that four blades with recessed entry edges and four blades with more projecting leading edges with respect to the flow direction in each alternate arrangement result. The blade with recessed leading edge EK are formed substantially the same as the further projecting blades BL, wherein the offset in the flow direction to the rear simply results from the omission of the upstream part of these blades BL. The leading edge EK of the recessed blades BL is opposite to the adjacent blades BL by about a quarter to half of the extension in the flow direction back. The meridional section of the 3 shows this arrangement in a schematic manner, wherein in the flow direction farther forward with its leading edge EK starting blade BL and the recessed with their leading edge blades are designated SBL.

Claims

Centrifugal compressor (CO), in particular for the compression of carbon dioxide, wherein the centrifugal compressor (CO) has at least four stages and is designed such that the first stage generates a pressure ratio of 3.5-4 bar, characterized in that the first or the first and second stage is formed as a splitter blade impeller, such that the impeller (IM) / the impellers (IM) has an even number of blades (BL) and in alternating order in the circumferential direction an entry edge (EK) of each second Blade (BL) relative to the leading edge (EK) of the two adjacent blades (BL) is set back in the flow direction and that the impeller (IM) / the wheels (IM) has no cover plate (SR).

Centrifugal compressor (CO) according to claim 1, wherein the centrifugal compressor (CO) is designed such that it compresses in normal operation to a final pressure of 100-120 bar and has four stages.

Centrifugal compressor (CO) according to claim 1, wherein the centrifugal compressor (CO) is designed such that it compresses in normal operation to a final pressure of 140-170 bar and has five stages.

Centrifugal compressor (CO) according to claim 1, wherein the centrifugal compressor (CO) is designed such that it condenses in normal operation to a final pressure of 175-230 bar and six stages.

Centrifugal compressor (CO) according to one of the preceding claims wherein the centrifugal compressor (CO) is designed such that it has a peripheral speed of 450-550 m / s in normal operation.

Centrifugal compressor (CO) according to any one of the preceding claims wherein the steps, which are not formed as a splitter blade impeller in which the leading edges of the blades are at the same axial and radial position, have a cover plate, so that the on a Base arranged blades include each other in the circumferential direction extending spaces bounded by the blades, the base body and the cover plate that results in each case a blade channel with an inlet and an outlet.