Best Practice Procescompressoren

Transcriptie

1 Best Practice Procescompressoren 1. Inleiding Procescompressoren worden toegepast om lucht of gassen te comprimeren met het doel: gas op een reactiedruk te brengen voor bepaalde processen, ammoniaksynthese e.d.; een energiebron te verkrijgen, bijvoorbeeld in de vorm van perslucht; gas of lucht vloeibaar te maken; transportweerstand te overwinnen zoals bij het aardgasnet; het koudemiddel in een koelkringloop na verdamping op condensatiedruk te brengen; het gas geschikt te maken om als flaregas of spergas te dienen. Het vermogensgebied van compressoren strekt zich uit van minder dan 1 kw bij zuigermachines tot 100 MW bij grote axiaalcompressoren, met aanzuigdebieten van 1 m³/h 1 tot 1.5 miljoen m³/h. De compressieeinddrukken kunnen oplopen tot en met 1000 bar 2, deze hoge drukken zijn bij uitzondering nodig, bijvoorbeeld bij de productie van hogedruk polyethyleen, waarbij een procesdruk tot 3500 bar vereist is. Daar de luchtcompressoren en de compressoren voor de koeltechniek reeds in de brochures over respectievelijk Persluchtsystemen en Koeltechniek besproken zijn, zullen in deze best practice alleen de overige procescompressoren aan bod komen. Naast een overzicht van typen en uitvoering van compressoren voor de procestechniek, zijn de te behandelen onderwerpen: ontwerp en specificatie van nieuwe compressoren, energiebesparende regeling van de verschillende typen compressoren, interne afdichting tussen de compressietrappen en verbetering van geïnstalleerde compressoren met het oog op energie-efficiency. 2. Vuistregels Belangrijke vuistregels bij het ontwerpen en specificeren van een procescompressor zijn: ontwerppunt; dit is het werkpunt (debiet, uitlaattemperatuur en -druk) behorende bij de normale processituatie. De energie-efficiency dient in dit ontwerppunt optimaal te zijn. Om te voorkomen dat de compressorinstallatie overgedimensioneerd wordt, is het aan te raden om het ontwerppunt niet te specificeren voor de verwachte extreme waarden van temperatuur of druk. Wel dient in de ontwerpfase onderzocht te worden of de invloed van die extreme waarden op het debiet acceptabel is; compressortype; vaak zal dit in overleg met de mogelijke leveranciers vastgelegd worden. De massastroom door verdringingsmachines wordt beïnvloed door druk- en temperatuurvariaties in de aanzuigcondities, de stromings- of impulsmachines zijn daar minder gevoelig voor. De zuigercompressor is geschikt voor lichte gassen en grote drukverhogingen; de centrifugaalcompressor is meer geschikt voor zware gassen met minder grote drukstijgingen; 1 1 m 3 = 1 m 3 droog gas bij 0 C en 1013 mbar 2 De in de tekst vermelde drukken zijn gegeven in bar(a) (absoluut). Juli 2015

2 regeling; het specificeren van het normale regelgebied en de extreme situaties is van grote invloed op de uitvoering van de compressor en het soort regeling. In hoofdstuk 4 wordt hier nader op ingegaan. Koeling; vanuit eenvoudig rekenvoorbeeld (zie hoofdstuk 5) kan worden herleid dat temperatuur van het gas flink zal stijgen bij elke compressiestap en dat door het koelen de efficiëntie van de volgende compressiestap zal verbeteren, deze warmte kan worden hergebruikt als voorverwarming in andere processen. 3. Uitvoering compressoren 3.1 Algemeen Evenals bij pompen zijn compressoren in te delen in twee hoofdgroepen: 1. verdringings- of verplaatsingscompressoren in de vorm van zuiger- en schroefmachines. In het algemeen zijn de prestaties van deze compressoren nauwelijks gevoelig voor variaties in de drukverhouding en aanzuigtemperatuur; 2. dynamische of impulscompressoren zoals centrifugaal- en axiaalmachines. Ten gevolge van hun werkingsprincipe zijn deze machines wel gevoelig voor variaties in drukverhouding en aanzuigtemperatuur. 3.2 Verdringingscompressoren Tot deze groep behoren de zuiger- en schroefcompressoren. In de volgende paragrafen worden de eigenschappen behandeld en wordt het toepassingsgebied aangegeven. Zuigercompressoren Voor het comprimeren van lichte gassen (zoals waterstof) en voor een grote compressieverhouding (per compressietrap meer dan 4) zijn zuigercompressoren zeer geschikt. Het werkgebied is zeer uitgebreid: 1 tot m³/h, bij vermogens van minder dan 1 kw tot meer dan 16 MW (6 cilinders). Het werkgebied voor de toerentallen bevindt zich tussen 300 en 1000 omw/min. Er zijn oliegeïnjecteerde en olievrije uitvoeringen verkrijgbaar. De zuigercompressor heeft in het algemeen een gunstiger specifiek energieverbruik dan de andere compressortypen. Voor de zuigercompressoren tot m³/h zijn diverse bouwvormen mogelijk: staand, liggend, boxervorm (cilinders paarsgewijs tegenover elkaar liggend) of cilinders paarsgewijs verticaal in een V-vorm en toepasbaar voor vele gassen, onder andere aardgas, zuurstof, waterstof, zwavelwaterstof, nat koolzuurgas en lucht. In de petrochemische industrie worden de grotere zuigermachines veel toegepast als waterstofcompressor in een horizontale uitvoering. Ten gevolge van de steeds strengere emissie-eisen is bij de zuigertechniek veel onderzoek verricht naar olievrije compressoren. Één van de nieuwste ontwikkelingen voor horizontale zuigermachines maakt daarbij gebruik van het procesgas om de geleidingsringen van de zuigers vrij te houden van de cilinderwanden (Free Floating Piston ), zie figuur 1. 2 van 17

3 Figuur 1. Vrij bewegende zuiger. Op deze wijze wordt het gewicht van de zuiger gedragen door het procesgas en is een vrij bewegende zuiger verkregen en oliesmering overbodig geworden. De slijtage van de geleidingsringen is zeer sterk verminderd evenals het energieverlies ten gevolge van de wrijving. De gebruikelijke levensduur van de zuigerveren en asafdichtingen wordt verlengd door een betere centrering van de zuigers. Een andere, nieuwe ontwikkeling bij verticale zuigercompressoren, eveneens met het doel om de wrijving van olievrije zuigers te verminderen met behoud van een goede afdichting, is die waarbij gebruik gemaakt wordt van een labyrinth-afdichtingssysteem tussen zuiger en cilinderwand (Laby ). Bij dit systeem is de zuiger voorzien van een serie V-vormige groeven, waardoor ten opzichte van de cilinderwand een groot aantal drukverlagende punten ontstaat met daartussen kamertjes die dienen om de snelheid van het gas om te zetten in warmte en wervelenergie, zie figuur 2. Figuur 2. Zuiger met labyrinth-afdichting. Bij de standaarduitvoering wordt de gasstroom door het labyrinth inwendig teruggewonnen. Er gaat dus geen gas verloren. Vanzelfsprekend is bij deze systemen het olievrije compressiedeel door middel van een afstandsstuk gescheiden van de oliegesmeerde kruiskop met glijlager en krukas. Dit tussenstuk kan ter verhoging van de veiligheid met stikstof of een ander geschikt medium gespoeld worden. Schroefcompressoren Schroefcompressoren verenigen het verdringingsprincipe van de zuigermachine met het hogere toerental van het dynamische principe. 3 van 17

4 Vergeleken met de zuigermachines hebben schroefcompressoren niet de nadelen van de zuigercompressoren: pulserende gasmassa s (vibratie), slijtage aan zuigerveren, geleidingsringen en in- of uitlaatkleppen. Bovendien zijn bij de schroefcompressor door de veel hogere snelheden de pulsaties van de uitlaatgasstroom alleen merkbaar als een hoogfrequent geluid ( Hz). In vergelijking met de dynamische of centrifugaalcompressor heeft de schroefcompressor een steile karakteristiek, zie figuur 3. Dit houdt in dat de uitlaatdruk of het moleculair gewicht van het gas geen invloed van betekenis hebben op het uitlaatdebiet van de schroefcompressor. Figuur 3. Typische karakteristieken van zuiger- en schroefcompressoren (Pd=perszijde, Ps=zuigzijde, V =debiet, [1]. Door de kleine temperatuurstijging tijdens de compressie is de met olie geïnjecteerde schroefcompressor zeer geschikt voor reactieve gassen en voor gassen die kunnen polymeriseren. Beperkend voor de drukverhouding bij een schroefcompressor zijn mechanische effecten zoals toelaatbare doorbuiging van de rotor en belasting van het axiaallager. De maximaal toelaatbare eindtemperatuur ten gevolge van de drukverhouding heeft invloed op de rotorspeling, c.q. het rendement. Voor olievrije compressoren zijn er maximale eindtemperaturen bekend van ongeveer 250 C. Een schroefcompressor is zowel verkrijgbaar in een oliegeïnjecteerde als in een olievrije uitvoering. In het algemeen wordt voor het comprimeren van procesgassen de olievrije uitvoering gekozen. Bij gebruik van een compressor in een kringloop (bijvoorbeeld voor het koudemedium in de koeltechniek) wordt de voorkeur gegeven aan de oliegeïnjecteerde versie omdat de olie binnen de kringloop gehouden kan worden. Bij oliegeïnjecteerde compressoren dient er rekening mee gehouden te worden dat niet alleen de olie het te comprimeren gas kan vervuilen (dus is een filter of afscheider nodig), maar ook kan het gas de smeerolie vervuilen waardoor de smerende of koelende werking verslechtert en schade aan de compressor kan ontstaan. Bij olievrije schroefcompressoren wordt één van de rotoren direct aangedreven en de andere via een set tandwielen om te voorkomen dat er metallisch contact is tussen de rotoren onderling, figuur 4. Daar bij oliegeïnjecteerde compressoren de olie voor een betere afdichting zorg draagt, zijn de volumetrisch rendementen van een olievrije en een oliegeïnjecteerde schroefcompressor enigszins verschillend, respectievelijk 82 88% en 82 92%, afhankelijk van het molgewicht van het te comprimeren gas. Daar staat tegenover dat voor olievrije compressoren een hogere omtreksnelheid aangehouden kan worden tot circa 150 m/s (sterk afhankelijk van het molgewicht van het gas), maar voor oliegeïnjecteerde niet meer dan m/s. Een belangrijk voordeel van de olievrije schroefcompressor is, dat door het inspuiten van een vloeistof (niet reagerend met het gas) in de compressieruimte het gas gewassen of eventueel gekoeld kan worden. De olievrije schroefcompressor is er in drie uitvoeringen: 4 van 17

5 hoge druk, met capaciteiten van 250 tot m³/h, 3-4 traps, bij een uitlaatdruk van 50 bar, drukstijging per trap van 8 tot 18 bar; midden druk, met capaciteiten van tot m³/h bij een uitlaatdruk tot 16 bar, en een drukstijging per trap van 6 tot 11 bar; lage druk, met capaciteiten van 271 tot m³/h, 1-traps in een range van 0,3 tot 1,5 bar; de schroefblower is een alternatief voor de lobbenblower met een 30% lager energiegebruik. Figuur 4. Olievrije procesgasschroefcompressor (Bron Atlas Copco [2]). Bij oliegeïnjecteerde compressoren is geen tandwieloverbrenging tussen de rotoren nodig, omdat de olie voorkomt dat er metallisch contact optreedt, figuur 5. De olie die wordt ingespoten in de compressorkamer heeft tot doel: smering van de rotorlobben, waardoor de ene rotor de andere kan aandrijven via de rotorprofielen; koeling van het medium, door het intensieve contact tussen olie en te comprimeren medium vindt er tevens een koeling plaats tijdens de compressie. Daardoor zijn per trap compressieverhoudingen mogelijk van 1 : 10 met uitlaattemperaturen onder 100 C; afdichting, door de oliefilm op de rotoren wordt de speling tussen rotoren en behuizing gedeeltelijk afgedicht, waardoor hoge rendementen bereikt worden zelfs bij lage tipsnelheden. Figuur 5. Oliegeïnjecteerde schroefcompressor (Bron Atlas Copco [2]). Oliegeïnjecteerde compressoren worden veel toegepast voor processen die niet de hoogste zuiverheid vereisen en hebben capaciteiten van 50 tot m³/h en er zijn per trap drukverhoudingen mogelijk van 1 : 15. Daarentegen is het te overwegen om bij grote drukverhoudingen in plaats van een enkele trap een tweetraps oliegeïnjecteerde compressor toe te passen. 5 van 17

6 3.3 Stromingscompressoren De stromingscompressoren, ook wel dynamische compressoren genaamd, zijn vanzelfsprekend olievrij en zijn uitgevoerd volgens het radiaal (ofwel centrifugaal) en het axiaal principe. Ten gevolge van het ontwerp en de constructie zijn ze minder geschikt voor de kleinere debieten: door de kleine waaiers die dan vereist worden, zullen de spelingen relatief groot uitvallen waardoor het polytropisch rendement afneemt. Tevens zijn de drukverliezen door de nauwe doorgangen relatief groot. Daar de stromingscompressoren voor processen geen serieproducten zijn, kunnen ze in het algemeen aan de wensen van de gebruiker aangepast worden. Zo is het ook mogelijk om tussen twee trappen gas toe te voeren of gas af te tappen. De radiale machines verwerken debieten van m³/h bij uitlaatdrukken tussen 10 en 800 bar, de axiale compressoren worden toegepast bij zeer grote debieten van m³/h en procesdrukken in het algemeen onder 10 bar Eénassige centrifugaalcompressoren, enkeltraps De éénassige enkeltrapscentrifugaalcompressoren vertonen veel overeenkomst met een centrifugaalpomp: op de as is één centrifugaalwaaier bevestigd. Door de enkele waaier is slechts een drukverhouding van maximaal 1 : 3,1 bereikbaar met capaciteiten van m³/h. Deze compressoren vinden een veelzijdige toepassing in alle chemische industrieën, bij aanzuiging onder druk is een einddruk haalbaar van 30 bar, bij speciale uitvoeringen tot 150 bar Eénassige centrifugaalcompressoren, meertraps De éénassige meertrapscentrifugaalcompressoren bestaan uit meerdere centrifugaalwaaiers op één as geplaatst, waarbij het procesgas achtereenvolgens alle waaiers passeert en op de procesdruk gebracht wordt, figuur 6. Figuur 6. Eénassige meertrapscentrifugaalcompressor (lage druk). Deze compressoren zijn in twee groepen te verdelen: lagedruk centrifugaalcompressoren: debieten van tot m³/h en een maximale uitlaatdruk van 2,5 bar. De deling van het huis is verticaal. Ze vinden vooral toepassing als luchtblowers in de waterbehandeling, voor verbrandingslucht, bij fluïdisatie en ook als gascompressor, zie figuur 7; hogedruk centrifugaalcompressoren: machines met horizontale deling van het huis (debieten tot m³/h en drukken tot 70 bar) en met verticale deling van het huis, het zogenaamde barrel type (debieten tot m³/h en drukken tot 700 bar). Het barrel type is voor hoge procesdrukken en voor gassen met een hoog waterstofgehalte, ze zijn uitgevoerd met een buitenste behuizing, de barrel, die de druk kan weerstaan en een horizontaal gedeeld binnenhuis waarin de afdichtingen en labyrinthen zijn opgenomen. De huidige ontwikkeling van de processen vereist hogere compressoruitlaatdrukken. De hogedruk éénassige centrifugaalcompressoren worden toegepast in de olie- en gasindustrie, raffinaderijen en de petrochemie. Voorbeelden zijn compressoren voor gastransport en gasvloeibaarmaking, methanol en ethyleensynthese en hydrocrackinginstallaties. 6 van 17

7 Figuur 7. Centrifugale chloorcompressor. Meerassige centrifugaalcompressoren Een meerassige centrifugaalcompressor bestaat uit een aangedreven hoofdas met een groot tandwiel (zonnewiel) dat een aantal compressorassen aandrijft via planeetwielen. De compressoren verzorgen in serie de diverse compressietrappen. Eén zonnewiel kan maximaal zeven planeetwielen aandrijven. Om ook processen met meerdere compressietrappen te kunnen verzorgen, zijn er sinds er ook systemen bekend met twee zonnewielen. Deze hebben acht compressietrappen voor een uitlaatdruk van 80 bar (stikstof) tot 10 compressietrappen met een einddruk van 200 bar (kooldioxide). In de petrochemie worden voornamelijk éénassige centrifugaalcompressoren geïnstalleerd omdat de constructie daarvan voldoet aan de norm API 617 van het American Petroleum Institute, hetgeen niet zo is voor de meerasige compressoren. Maar er zijn vele industriële processen waar deze norm niet vereist is en waar vooral de meerassige machines tot hun recht kunnen komen. Voorbeelden hiervan zijn luchtsplitsing, persluchtinstallaties, synthese gas voor methanolproductie, salpeterzuurfabricage en aardgascompressie. De meerassige compressoren zijn beschikbaar met debieten tot m³/h en uitlaatdrukken (bij atmosferische aanzuiging) tot 20 bar, zie figuur 8. Figuur 8. Meerassige vier trapscompressor.. 7 van 17

8 De voordelen van dit type compressor zijn: hoog rendement door lage Machwaarden in de compressorinlaat; optimale keuze van waaierdiameter en toerental voor iedere compressietrap; door de eenvoudige constructie mogelijkheid van koeling na iedere compressietrap; compacte constructie en opstelling mogelijk; soms lagere investering dan de éénassige centrifugaal compressoren. Een nieuwe ontwikkeling vormen de meerassige centrifugaal compressoren met hogesnelheismotor. De compressor heeft 2 motoren met een 3 trapscompressie, persdruk tot 10 bar. Deze werkt op hoge snelheid en is zeer efficiënt vanwege de directe aandrijving met synchroonmotor en permanente magneten. Door het ontbreken van een tandwieloverbrenging is er minimale frictie en geen oliesmering benodigd. Axiaalcompressoren Bij een axiaalcompressor wordt het gas in axiale richting gecomprimeerd door achter elkaar gebouwde schoepenrijen. Het is tevens mogelijk om bij tussendrukken een deel van de gasstroom af te tappen of om een tussenkoeler op te nemen. De axiale compressor is zeer geschikt voor grote debieten (tot m³/h) en een relatief lage verhouding tussen inlaat en uitlaatdruk. Bij een drukverhouding groter dan 1:10 worden meestal twee tussenkoelers toegepast. Bij de moderne machines zijn de (vaste en variabele) statorschoepen niet alleen gefixeerd in de behuizing maar ook via een verstijvingsring. Hiermee wordt bereikt dat de statorschoepen niet meer vrij staan en wordt voorkomen dat de schoepen in trilling komen. Maar tevens is een perfecte afdichting op deze ring mogelijk met labyrinthstrips, waardoor de lekverliezen verminderen. Het rendement van deze machines is verder te verbeteren met circa 0,8% door een axiale aanzuiging van het gas in plaats van een radiale. Door het plaatsen van een radiale eindtrap kan op efficiënte wijze de axiale stromingsrichting van het gecomprimeerde gas omgezet worden in een radiale uittrederichting. Deze trap functioneert als een roterende diffusor. Ook wordt hierbij een groot deel van de snelheid omgezet in druk, waardoor deze radiale trap twee tot drie axiale trappen vervangt en de machine compacter kan worden, zie figuur 9. Voorbeelden van industriële toepassing zijn: luchtcompressie bij salpeterzuurproductie en het katalytisch kraken van aardolie via een fluidised bed (FCC), luchtsplitsing en vloeibaarmaken van gassen. Figuur 9. Axiale compressor met radiale eindtrap. 4. Regeling en bewaking Bij het ontwerpen van de regeling dient vooral rekening gehouden te worden met het type compressor, zoals zal blijken uit de hierna volgende paragrafen. De bewaking (of monitoring) tijdens bedrijf van compressoren zal, naast de belangrijke procesgrootheden, bij voorkeur ook de volgende waarnemingen omvatten: 8 van 17

9 ontdekken van interne gaslekkages, dit wordt gesignaleerd door een toename van de uitlaattemperatuur, omdat er meer interne recirculatie optreedt; waarnemen van toenemende vervuiling, ook dit verschijnsel is te detecteren via de toenemende uitlaattemperatuur omdat er meer drukverschil vereist is om de nauwer geworden doorgang te passeren; mechanische conditie, door middel van meten van de astrillingen en de axiale positie van de compressoras; trendbewaking, het waarnemen van een zich langzaam wijzigende grootheid in combinatie met afnemende capaciteit of toenemend energieverbruik, kan een middel zijn om tijdig en economisch een reparatie of onderhoud te plannen. 4.1 Zuigercompressor Bij de zuigercompressor zijn de volgende regelmethodes toe te passen: smoren van de inlaatdruk; hierbij neemt ook het opgenomen vermogen af. De methode is bruikbaar tot 50% van de capaciteit. Het opgenomen vermogen daarbij is circa 65%; recirculatie; hierbij wordt naar behoefte een deel van het uitlaatdebiet teruggevoerd naar de inlaat. Ook deze regeling bespaart geen energie, integendeel: omdat de recirculatiestroom gekoeld dient te worden, is het rendement van de compressie slechter; kleplichting; door het lichten van de zuigklep wordt in feite een cilinder uitgeschakeld. De energieefficiency van deze methode is goed, doch de regeling is stapsgewijs ( % per cilinder) en volgt de behoefte dus minder nauwkeurig. Bij een capaciteit van 50% is het opgenomen vermogen circa 55%; kleplichting gedurende een deel van de slag; dit is een sterke verbetering van de laatstgenoemde methode en past de capaciteit beter aan bij de behoefte; vergroten schadelijke ruimte; door extra (schadelijke) ruimte bij te schakelen, wordt het volumetrisch rendement verlaagd en daarmee het gecomprimeerde gasdebiet. Dit is ook een stappenregeling; variabele schadelijke ruimte; door de schadelijke ruimte met behulp van een hydraulisch bediende zuiger te variëren, kan de capaciteit traploos geregeld worden, zie figuur 10. Het is een modern en energie-efficiënt systeem dat de capaciteit nauwkeurig kan regelen met een groot regelbereik. Het opgenomen vermogen is bijna evenredig met de capaciteit over het gehele regelgebied (100 10%). De investeringskosten zijn lager dan die voor een toerenregeling; toerenregeling; dit is ook een regeling met hoge energie-efficiency (capaciteit en opgenomen vermogen zijn rechtevenredig) en nauwkeurige capaciteitsaanpassing. Met behulp van een frequentieregeling wordt het toerental van de aandrijvende machine aangepast. De mate van drukpulsaties bij de lagere toerentallen bepaalt de ondergrens van het regelbereik. In het vollastgebied neemt de frequentieregelaar circa 4% van het vollastvermogen op. Bij zuigercompressoren ligt het optimale werkpunt vaak bij lagere toerentallen (50-60% van toeren), met een toerenregeling kan hier gebruik van gemaakt worden. 9 van 17

10 Figuur 10. Hydraulisch geregelde variabele schadelijke ruimte. 4.2 Schroefcompressor De capaciteit van een oliegeïnjecteerde schroefcompressor is in de standaarduitvoering meestal niet verder terug te regelen dan 50%, omdat onder die grens de smering van de lagers en de schroeven niet meer optimaal is. De olievrije schroefcompressor is tot een capaciteit van 30% regelbaar. Door gebruik te maken van bijzondere voorzieningen in de machine of bij de aandrijving is een groter regelbereik haalbaar. De mogelijkheden om een schroefcompressor te regelen zijn: smoren van de aanzuigdruk of de uitlaatdruk; hierbij verandert het opgenomen vermogen nauwelijks. Het is een goedkope regelmethode, met een regelbereik tot 50% bij oliegeïnjecteerde en tot 30% bij olievrije schroefcompressoren, die echter niet energie-efficiënt is; recirculatie; hierbij wordt naar behoefte een deel van het uitlaatdebiet teruggevoerd naar de inlaat. Ook deze regeling bespaart geen energie, integendeel: zonder koeling van de recirculatiestroom wordt het rendement van de compressie steeds slechter; variabele volumeregeling; dit geschiedt door met behulp van een schuif het te comprimeren volume te variëren. Omdat de regelschuif gesmeerd dient te worden, is deze techniek alleen bij oliegesmeerde compressoren in gebruik. De energie-efficiency van deze regeling is goed en het regelbereik is 100 tot 10%; toerenregeling; zoals hiervoor reeds wordt aangegeven is dit de regeling met de beste energieefficiency. Het toerental is proportioneel met de capaciteit en het opgenomen vermogen, zie figuur van 17

11 Figuur 11. Prestaties van een schroefcompressor met schuifregeling of toerenregeling (Bron: Tebodin [1]). Het is aan te raden om bij schroefcompressoren voortdurend trillingen te meten en te registreren. Het geeft veel informatie over de ontwikkeling van slijtage en vermindering van het rendement. Omdat van nature het dynamisch gedrag van een schroefcompressor dusdanig is dat trillingen van 4 mm/sec (tengevolge van de uitlaatfrequentie) niet ongewoon zijn, behoeft geen kostbare astrillingsapparatuur met key phasors geïnstalleerd te worden. Het is in de meeste gevallen voldoende om een brede-band trillingsbewakingssysteem in te bouwen dat alleen in actie komt bij sterke trillingen die langer dan één seconde aanhouden. Indien bij schroefcompressoren één van de lagers defect raakt, zullen bij een minimale verplaatsing van de as beide rotoren reeds contact maken en zal er schade ontstaan. Het preventief meten van de aspositie is echter niet altijd zinvol, omdat de toelaatbare verplaatsingen veel kleiner zijn dan de meetnauwkeurigheid van de verplaatsingsopnemers. Bij compressorinstallaties die volgens de normen van het American Petroleum Institute worden gebouwd, kunnen bepaalde methoden ter bewaking van trillingen en aspositie echter voorgeschreven zijn. 4.3 Centrifugaalcompressor Capaciteitsregeling Het regelen van de capaciteit van een centrifugaalcompressor geschiedt in het algemeen op één van de volgende wijzen: smoren van de uitlaatdruk, dit is een relatief eenvoudige regeling die echter nauwelijks leidt tot energiebesparing en daarom bij moderne machines niet meer wordt toegepast; regelen van de inlaatdruk, dit wordt gerealiseerd met een zogenaamde inlet guide vane (IGV). In de compressorinlaat, vlak voor de waaier, wordt de capaciteit geregeld met behulp van een meervoudige klep zodat de gesmoorde gasstroom met een aangepaste invalshoek aangezogen wordt, zie figuur 12. Bij de regeling met IGV s neemt het compressierendement enigszins af, vooral bij een lage deellast. 11 van 17

12 Figuur 12. Centrifugaal compressor met IGV. Bij een meerassige centrifugaalmachine is het mogelijk om een zeer groot regelbereik te behalen met een IGV in elke compressortrap. Figuur 13. Compressor met inlaat- vs. statorschoepen regeling (stand N van 0 tot 3, waarbij 0 volledig open ; H=opvoerhoogte, V =debiet, V N =nominaal debiet, (Bron: Tebodin [1]). diffusorschoepenregeling, door het verdraaien van deze schoepen zal er een lagere capaciteit geleverd worden met een beperkte impact voor de opvoerhoogte H, zie figuur 13. Het rendement in deellast blijft hoger dan bij IGV regeling, de constructie is echter ingewikkelder en duurder. toerenregeling, zoals ook bij andere toepassingen heeft het regelen van het toerental de beste energie-efficiency. Het rendement van de machine blijft over het gehele regelbereik vrijwel constant. Surge of pompgrens Bij stromingsmachines moet rekening worden gehouden met een minimale stroming waarbij de compressor nog stabiel kan worden bedreven: de zogenaamde pompgrens, alhoewel dit verschijnsel beter bekend staat als surge. Wanneer de capaciteit van de compressor beneden dit minimale debiet komt, zullen in de compressor turbulenties optreden waardoor de compressor niet meer in staat is de gevraagde druk te leveren. In zo n geval kan er terugstroming van pers- naar zuigzijde optreden hetgeen pompen of surge genoemd wordt. 12 van 17

13 Surge kan ernstige schade aan een compressor of het bijbehorende leidingsysteem tot gevolg hebben en daarom wordt iedere stromingscompressor uitgevoerd met een minimum flowbeveiliging welke afhankelijk van de gevoeligheid van het systeem wordt ontworpen. Deze beveiliging bestaat uit een gestuurd backflowsysteem dat er voor zorgt dat er altijd voldoende gas door de compressor kan stromen. Afhankelijk van de snelheid waarmee de minimum flowbeveiliging in staat is te reageren op een procesverstoring die het werkpunt van de compressor naar de pompgrens laat verschuiven, kan het setpunt van de omloopregeling dichter bij de pompgrens worden gekozen. Moderne pompgrensbeveiligingen zijn in staat de compressor tot op 5% van de pompgrens terug te regelen zonder dat daarbij de omloop opengestuurd wordt. Voor minder geavanceerde regelingen is een marge van tenminste 10% gebruikelijk. De huidige monitoringsystemen voor deze compressoren kunnen binnen 1 milliseconde een volledige controlecyclus doorlopen. 4.4 Axiaalcompressor Capaciteitsregeling De regelmethoden voor de capaciteit van een axiaalcompressor zijn: variabele statorschoepen, bij een constant toerental van de compressor kan de capaciteit geregeld worden door circa 40% van de statorschoepen aan de inlaatzijde via een roterende mantel te verdraaien. Het geheel bevindt zich binnen de drukvaste behuizing. Het effect op het regelbereik is weergegeven in figuur 14; toerenregeling, bij vaste statorschoepen kan de capaciteit zeer energie-efficiënt aangepast worden door toerenregeling, figuur 14. De aandrijving is meestal via een elektromotor of een stoomturbine en in enkele gevallen door een gasturbine. Bij toerenregeling zijn ook de minste aanpassingen en voorzieningen aan de compressor vereist. Afhankelijk van de te verwachten deelbelasting van de compressor dient gekozen worden voor regeling van de statorschoepen of het toerental. Eventueel kan een combinatie van beide gekozen worden. Figuur 14. compressor met toerenschoepen regeling (N=nominaal toerental, (Bron: Tebodin, [1]) Surge of pompgrens Zoals reeds beschreven bij de centrifugale compressoren is ook bij axiale compressoren een identieke pompgrensbewaking vereist uit het oogpunt van veiligheid en onderhoud. 13 van 17

14 Chokecontrol De capaciteit van een axiale compressor wordt beperkt door het maximale debiet dat de laatste trap kan verwerken. Indien de compressor grote volumina moet leveren bij een lage tegendruk wordt de doorstroming van de laatste trap beperkt door de geluidssnelheid van het gas in de nauwste doorgang van die trap (choking). In die situatie blijven de overige trappen druk opbouwen en ontstaan drukschommelingen en hoge wisselende spanningen in de eindschoepen. De eerder genoemde radiale eindtrap kan dit verschijnsel voorkomen. Bij een axiale compressor met vrijstaande schoepen en zonder radiale eindtrap dient een chokecontrol het optreden van dit probleem te verhinderen. Hiertoe zal in de uitlaatleiding een smoorklep sluiten bij het detecteren van de zogenaamde chokelimiet. Deze oplossing veroorzaakt echter een permanent energieverlies in de uitlaatleiding. 4.5 Afdichtingen De afdichtingen bij compressoren dienen enerzijds om de diverse compressietrappen onderling gescheiden te houden en anderzijds om een barrière te vormen tussen het procesgas in de compressor en de omgeving. Lekverliezen tussen de compressietrappen leiden direct tot oververhitting en energieverlies. Lekkage naar de omgeving is in de regel ontoelaatbaar. Bij verdringingscompressoren zijn vooral de afdichtingen naar de omgeving van belang. De interne afdichting bij een zuigermachine bestaat uit zuigerveren en bij een schroefcompressor uit een oliefilm of nauwe toleranties tussen schroeven en behuizing. Dynamische compressoren met meerdere trappen hebben echter, naast de asafdichting naar de omgeving, ook interne afdichtingen tussen de trappen onderling nodig om lekverliezen te voorkomen. Op de interne afdichtingen en de afdichting tussen procesgas en omgeving wordt nader ingegaan. Interne afdichting Bij een roterende meertrapscompressor wordt veelal een interne afdichting toegepast tussen de trappen. Door middel van meslabyrinthen wordt een scheiding aangebracht tussen de opeenvolgende druktrappen in de machine. De metalen meslabyrinthen sluiten met een zeer kleine speling aan op de as, waardoor de lekkage naar een trap met lagere druk minimaal is. Deze meslabyrinthen kunnen echter gemakkelijk beschadigd worden, met als gevolg meer lekkage. De moderne uitvoeringen zijn: abradable seals, dit zijn labyrinthafdichtingen waarbij de roterende meskanten in een relatief zacht materiaal zijn gedrongen dat in het compressorhuis is bevestigd. Dit type is zeer effectief; polymer seals, dit type afdichting bestaat uit een meebuigend materiaal, dat tijdens het draaien van de rotor in de juiste vorm geslepen wordt. Beide typen labyrinthafdichting resulteren in minimale spelingen en verminderen de gebruikelijke speling van een meslabyrinth met 50%, resulterend in een overeenkomstige vermindering van de lekverliezen. As afdichting Vaak zijn de te comprimeren gassen brandbaar, explosief, giftig of schadelijk voor de omgeving en dienen daarom binnen de compressorbehuizing gehouden te worden. De eisen die gesteld worden aan een asafdichtingssysteem zijn afhankelijk van het soort gas, de procesdruk en de bijzondere procescondities (zoals start- en stopcondities). De nu gebruikelijke asafdichtingen zijn: drooglopende gasafdichting, hierbij is geen aparte olieafdichting nodig. Meestal toegepast als tandemafdichting met labyrinthen; oliegesmeerde zwevende ringafdichting, in het bijzonder geschikt voor zeer hoge drukken (tot 320 bar). Omdat deze afdichting niet onderhevig is aan slijtage zijn grote onderhoudsintervallen mogelijk. Deze hydrodynamische afdichting vertoont minimale lekkages aan de gaszijde en is betrekkelijk ongevoelig voor drukfluctuaties. Ingeval van een gebrek aan olie en bij stilstand van de machine dient de compressor geïsoleerd te worden van het proces en drukloos gemaakt te worden; oliegesmeerde mechanical seals, deze zijn zeer geschikt bij gevaarlijke en giftige gassen en om lekkages te voorkomen tijdens stilstand. Ze vertonen een zeer kleine lekkage; 14 van 17

15 abradable seals, evenals bij de interne afdichting ook toepasbaar bij de asafdichting, in het bijzonder voor chloorcompressie; labyrinthafdichtingen, deze worden niet meer toegepast in de petrochemie en gasindustrie vanwege de relatief grote lekkage. 5. Aandachtspunten bij nieuwe installaties of renovaties De prestaties en rendementen van compressoren zijn in de laatste decennia sterk verbeterd door de toepassing van betere materialen, nauwkeuriger bewerkingen en gebruik van voor het proces geoptimaliseerde waaiers en schoepen. Vroeger hadden de fabrikanten gestandaardiseerde waaiers en schroeven voor hun compressoren. Voor bestaande compressoren is het dus in bepaalde situaties zinvol om de mogelijke verbeteringen, die aan de machine of de regeling aangebracht kunnen worden, te beoordelen op hun rentabiliteit. Die situaties zijn bijvoorbeeld verhoging van de productiecapaciteit, of verzwaring van de procescondities. 5.1 Energiebesparende maatregelen Enkele besparende maatregelen en ontwerpregels zijn in Hoofstuk 2 aan bod gekomen. De warmterecuperatie wordt hier aan de hand van rekenvoorbeeld verder uitgediept. Rekenvoorbeeld - koeling bij enkele compressiestap κ 1 κη ( T 2 ) = ( P 2 ) T 1 P 1 T Zuiggastemperatuur in K 1 =298 K (25 C) T Persgastemperatuur in K 2 te berekenen P Zuigdruk in bara 1 =1,013 bara P Persdruk in bara 2 =3,5 bara κ Isentropische exponent = C p C v =1,4 (voor lucht) Η Polytroop rendement =85% (afhankelijk van type compressor) Uitkomst T 2 = 298 ( 3,5 1,013 ) 0,4 1,4 0,85 =452 K (179 C) Discussie Vanuit bovenstaande relaties is waarneembaar dat temperaturen bij een enkele compressiestap flink kunnen oplopen. Dit is direct herleidbaar vanuit de 1 e hoofdwet van de thermodynamica waaruit volgt dat voor een dergelijk proces de compressie-arbeid (W) gelijk is aan de temperatuurverhoging (c p (T 2 -T 1 )). Warmterecuperatie is bij dergelijke temperaturen zeer interessant. Uitvoeringen zijn ruimteverwarming met lucht en water als medium en voorwarming van andere processen. 5.2 Verbeteringen aan de regeling De mogelijkheden voor de regeling zijn: voor zuigercompressoren kan bij bepaalde machines de hydraulisch bediende variabele schadelijke ruimte ingebouwd worden, waardoor een traploze capaciteitsregeling mogelijk wordt; een variabele diffusor kan het regelgebied uitbreiden tot een deellast van 45%; door het inbouwen van moderne opnemers en regelconcepten is het mogelijk om spelingen te minimaliseren en de bedrijfswijze te optimaliseren; 15 van 17

16 het vervangen van de aandrijving door een aandrijving met toerenregeling. 5.3 Modificaties aan machine Modificaties die aan de machine kunnen worden aangebracht zijn: bij grote zuigercompressoren kunnen de vrij bewegende zuigers als retrofit geïnstalleerd worden waardoor de wrijving en slijtage van horizontale zuigers drastisch afnemen; de behuizing van oudere centrifugaal en axiaalcompressoren kan tijdens een grote onderhoudsbeurt voorzien worden van moderne rotoren, schoepenwielen, waaiers en afdichtingen, waardoor de capaciteit (bij toerentalverhoging) en het rendement toenemen; als de procescondities gewijzigd dienen te worden, is het niet altijd nodig om een nieuwe compressor te installeren als de bestaande nog verbeterd en aangepast kan worden. In dergelijk situaties kan het bijkomend voordeel zijn dat door de moderne technologie die dan wordt toegepast tevens een verbetering van het rendement bereikt kan worden. 6. Referenties Dit is een publicatie van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl). In de periode heeft de VNCI een reeks brochures uitgebracht onder de verzamelnaam Leidraad voor energie-efficiency. In de reeks worden dertig verschillende bestaande praktische toepassingen beschreven van energiebeheer in chemische bedrijven. Deze publicatie, Best Practice Procescompressoren is een actualisering van het document Leidraad voor energie efficiency, Procescompressoren, ee22. De huidige actualisering van de Best Practice is tot stand gekomen in het kader van meerjarenafspraken energie-efficiëntie MJA3 en MEE. Als onderdeel van de samenwerking met de VNCI is besloten het merendeel van deze Best Practices geactualiseerd opnieuw te publiceren. Deze Best Practice Procescompressoren is geactualiseerd met medewerking van Tebodin ( De meerjarenafspraken energie-efficiëntie MJA3 en MEE zijn overeenkomsten tussen de overheid en bedrijven, instellingen en gemeenten. Het ministerie van Economische Zaken (EZ) het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koningsrijkrelaties (BZK) en het ministerie van Infrastructuur en Milieu (I&M) stimuleren met deze afspraken het effectiever en efficiënter inzetten van energie. De Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl) is verantwoordelijk voor de uitvoering van de meerjarenafspraken. Waar geen bronvermelding is aangegeven bij de figuren is gebruik gemaakt van het oorspronkelijke document (zie hierboven). Voor deze brochure is naast het oorspronkelijke document gebruik gemaakt van de volgende bronnen: van fabrikanten en leveranciers van procescompressoren; 1. Tebodin, 2015, 2. Atlas Copco, 3. MAN, 5. Elliott, 16 van 17

17 Colofon Dit is een publicatie van: Rijksdienst voor Ondernemend Nederland Prinses Beatrixlaan AL Den Haag Postbus AC Den Haag T +31 (0) F +31 (0) E info@rvo.nl Deze publicatie is tot stand gekomen in opdracht van het ministerie van Economische Zaken (EZ) het ministerie van Binnenlandse Zaken en Koningsrijkrelaties (BZK) en het ministerie van Infrastructuur en Milieu (I&M) Rijksdienst voor Ondernemend Nederland juli 2015 Publicatienummer: RVO /RP-DUZA De Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO.nl) stimuleert duurzaam, agrarisch, innovatief en internationaal ondernemen. Met subsidies, het vinden van zakenpartners, kennis en het voldoen aan wet- en regelgeving. RVO.nl werkt in opdracht van ministeries en de Europese Unie. RVO.nl is een onderdeel van het ministerie van Economische Zaken. Hoewel deze publicatie met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan RVO.nl geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten. 17 van 17