Santrifüjlü Kompresör Verimlilik İyileştirmeleri ve Çevresel Etikleri Bölüm-1

01 Şub 2019

Santrifüjlü Kompresör Verimlilik İyileştirmeleri ve Çevresel Etikleri Bölüm-1

Yazarlar:Juha Viholainen, Dr. Kaisa Grönman, Ahti Jaatinen-Värri, Aki Grönman, Dr. Mika Luoranen, Department of Energy, Lappeenranta University of Technology, Lappeenranta, Finlandiya.

Yardımcı Yazar: Petri Ukkonen, Sulzer Pumps Finland Oy, Kotka, Finlandiya.

Çeviren: Meriç Noyan Karataş

Enerji tüketiminin azaltılması Sulzer’in hala süregelen hedeflerinden biridir. 2018 yılında Sulzer, en yüksek verimliliği sunabilen yüksek hızlı turbo-kompresör HST™ 30’un lansmanını yaptı. Daha fazla akış debisi ve daha yüksek basıncı, atalarından çok daha yüksek verimlilik değerlerinde sağlayabilme kapasitesine sahiptir. Bu, atık su arıtma ve endüstriyel proseslerdeki düşük basınçlı hava sıkıştırma işlemini daha düşük enerji tüketim miktarları ve daha büyük tasarruf anlamına gelmektedir.

Enerji verimli bir kompresörün geliştirilmesi için sağlam bir araştırma ve yoğun bir çalışma gereklidir. Aşağıdaki çalışma Finlandiya’daki “Lappeenranta University of Technology”nin enerji departmanı ile işbirliği ile yapılmış ve Sulzer’in ürettiği HST 30 kompresörlere baz oluşturmuştur. Çalışmada ilgi çekici taraf, odağının kompresörün statik komponentlerinin enerji tasarrufu üzerine etkisi olmasıdır.

HST 30 aktif manyetik rulmanların güncellenmiş versiyonunu sunmaktadır. Ayrıca bu görev için özel olarak tasarlanmış yeni bir kalıcı manyetikli motor tasarımına sahiptir. Bu boyuttaki bir makina için sadece hava ile soğutulan bir motor eşi olmayan bir tasarıma sahiptir. Hava ile soğutulduğundan; karıştırılacak, tamamlanacak, kontrol edilecek ve değiştirilecek bir sıvı ihtiva etmemektedir. Hatta sızma, donma veya kaynama da görülemez.

Özet

Çeşitli endüstriyel ve kentsel proseslerde kullanılan santrifüjlü kompresörler enerji maliyetlerinde büyük bir paya sahip oldukları için, enerji verimliliği iyileştirmelerinde çekici bir hedef haline gelirler. Bu çalışma, bir atık su arıtma satralinde bulunan ve son kullanım prosesine hizmet eden santrifüjlü kompresörde üç farklı difüzör tipi kullanarak ulaşılabilecek enerji miktarlarını değerlendirmektedir.

Enerji verimliliği iyileştirme çalışmalarının yıllık enerji kullanımına ve çevreye etkisi, atık su havalandırma prosesinde seçilen kompresörün görevi de göz önünde bulundurularak; enerji hesaplamaları ve kullanım süresi değerlendirmeleri ile gösterilmiştir. Atık su havalandırma prosesinde ulaşılabilir enerji tasarrufuna ek olarak, bu çalışmada difüzör üretiminde kullanılan ek malzemelerin kompresörün kullanım süresi boyunca yaydığı toplam sera gazı üzerindeki etkiyi de göstermektedir. Hesaplamalara ve değerlendirmelere göre, üzerinde çalışılan difüzör tiplerinin kompresörün enerji tüketimine ve sera gazı emisyonları üzerinde gözle görülür bir etkisi bulunmaktadır. Bu vakadaki ek enerji tasarrufu oranları, iyileştirme öncesi senaryoya göre %2,5 – 4,9 arasındadır. Ayrıca difüzörün üretiminde kullanılan ekstra malzeme ve enerji miktarı, difüzör sayesinde önlenen sera gazı salınımının yanında çok küçük bir meblağ olarak kalmaktadır.

Giriş

Global enerji tüketiminde süregelen ve çoğunlukla fosil yakıtların temelini oluşturduğu artış, atmosferdeki sera gazlarının konsantrasyonunu artırmıştır [1]. Sera gazı emisyonlarının devam etmesi Yerküre’de sıcaklığın yükselmesine sebep olmuş ve bu yüzden bu emisyonların azaltılması bir gereklilik halini almıştır [23]. Mevcuttaki enerji sistemlerinin radikal bir biçimde karbonsuz sistemlere dönmesine ek olarak, sera gazı emisyonlarını azaltmada diğer bir seçenek de hem üretimde hem de son kullanımda enerji verimliliğinin artırılmasıdır [1, 35, 22].

Endüstriyel ülkelerde elektrik enerjisi tüketiminin büyük bir bölümünden elektrik motorları sorumludur. Avrupa Birliği’nde, toplam enerji tüketiminde elektrik motorlarının payı %70 oranındadır [12]. Buna bağlı olarak, elektrik motorundan tahrik alan kompresörler Avrupa Birliği endüstrisindeki elektrik tüketiminin %18 ile 25’inden sorumludur. Bu da sıkıştırılmış hava sistemlerini enerji verimliliği iyileştirmelerinde çekici bir hedef haline getirmiştir [35, 5].

Santrifüjlü kompresörler proses endüstrisinde, petrol ve gaz endüstrilerinde, atık su arıtmasında ve soğutma endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Santrifüjlü kompresörleri eksenel kompresörler ile karşılaştırdığımızda dayanıklılık, geniş çalışma aralığı ve nispeten düşük yatırım ve bakım maliyetleri açılarından daha iyi olduklarını görebiliriz[37]. Hava sıkıştırma ekipmanlarının toplam çalışma ömrü maliyetlerini ele aldığımızda enerji maliyetlerinin uzak ara pastada en büyük payı aldığını söyleyebiliriz [36]. Saidur ve çalışma arkadaşlarına göre [36] enerji maliyetleri toplam çalışma ömrü maliyetinin %80’ine kadar pay alabilmektedir. Bir kompresörün çalışma ömrü maliyetleri Şekil 1’de gösterilmiştir.

 ceviri santrifuj kompresor sekil 1

Şekil 1. Kompresör çalışma ömrü maliyetleri. Enerji maliyetleri, toplam maliyeti domine etmektedir (Saidur ve çalışma arkadaşları, 2010)

Tüm enerji zinciri göz önüne alındığında genellikle, son proseste tüketilen enerji, gerekli olan birincil enerjinin sadece küçük bir parçasıdır [42, 41]. Bu yüzden, enerji verimliliği iyileştirme çalışmaları son prosese ne kadar yakın ise, enerji ile alakalı emisyonların azaltılmasında o kadar etkilidir. Diğer bir deyişle, son prosesteki tasarruf edilen enerji miktarı, birincil enerji gerekliliğinde çok daha büyük miktarlara denk gelebilir. Bu tip iyileştirmeler, sistem komponentlerinin verimliliği, doğru komponent seçimi ve sistem boyutlandırılması ve sistem çıktısının enerji verimliliğinin ayarlanması gibi kategorilere ayrılabilir.

Santrifüjlü kompresörlerin nihai kullanım proseslerinde yaygın olarak kullanıldığı örneklerden biri, özellikle havalandırma için basınçlı hava gereksinimi duyan biyolojik atık su arıtma sistemlerindeki aktif çamur tanklarıdır. Bu tip atık su arıtma santrallerinde, havalandırma en enerji yoğun proses aşamasıdır [3] ve tesisin enerji tüketiminin %70’i kompresörler tarafından yapılmaktadır [6]. Genellikle havalandırma prosesi süreklidir ve bunun sonucu olarak kompresörlerin yıllık duruş süresi yok denecek kadar azdır. Buna ek olarak, gerekli olan kompresör basınç oranı genellikle sabittir. Atık su havalandırılmasında, kompresör çıkış basıncını çoğunlukla borulama sistemindeki basınç kayıpları ve havalandırma tanklarındaki su seviyesi belirler. Bu karakteristikler, hem sistemin makul şekilde boyutlandırılmasının anlamını hem de kompresörün fiili çalışma aralığındaki yüksek verimliliğinin önemini net bir şekilde gözler önüne sermektedir.

Santrifüjlü bir kompresörün enerji verimliliği konusunda, santrifüjlü bir kompresör çarkının performansı oldukça yüksek bir seviyeye eriştiğinden, potansiyel iyileştirmelerin çoğu difüzörün geliştirilmesinde yattığını Kim ve Isaac ve çalışma arkadaşları belirtmişlerdir [24].

Genellikle üç ana tip difüzör tasarımı vardır : kanatsız difüzör (VaNeLess Diffuser - VNLD), düşük sertlikli kanatlı difüzörler (Low Solidity Diffuser - LSD) ve kanatlı difüzörler (VaNed Diffuser - VND). Her birinin toplam kompresör performansına ve çalışma aralığına farklı etkileri vardır.

Bu makalede, üç difüzör tipi enerji dönüşümü ve yaşam döngüsü bakış açısından çalışılmıştır. Çalışmanın asıl amacı, hem her bir difüzör tipinin enerji verimliliğine faydasını göstermek hem de kompresör prosesindeki bu verimlilik iyileştirmelerinin çevresel etiklerini gözler önüne sermektir. Bu yüzden bu çalışmada farklı difüzör tasarımları bir atık su arıtma tesisindeki havalandırma prosesinde kullanılan bir santrifüjlü kompresörde kullanılarak etkileri incelenmiştir. Farklı difüzör tasarımlarının çevresel etkilerinin değerlendirilebilmesi için Ömür Çevrimi Değerlendirilmesi (LCA) çalışması yapılmıştır. Bu çalışmadaki amaç; (1) farklı difüzör tasarımlarının kompresörde kullanılmasının enerji verimliliğine ne kadar katkıda bulunduğunun ve sera gazı salınımlarını ne kadar azalttığının analizi. (2) Difüzör üretiminde gerekli olan ek malzemenin toplam sera gazı emisyonu üzerinde etkisi olup olmadığının belirlenmesi. Dolayısı ile ikinci araştırma sorusu şu şekilde formüle edilebilir: Kompresörün enerji verimliliğinin artırılması, bu amaç için kompresör üretiminde daha fazla malzeme kullanılsa dahi mantıklı mıdır?

Bu makale komponent tasarımındaki enerji verimlilik iyileştirmelerine odaklansa da, atık su arıtma prosesinin veya havalandırma aşamasının enerji verimliliği değerlendirilirken kompresörün enerji dönüşümü sadece kendi başına bir gösterge olamaz. Toplam enerji verimliliği, örneğin kompresör sisteminin boyutlandırılmasından, hava kanallarındaki kaçaklardan, havayı tanka taşırken dağıtım kayıplarından ve havalandırmanın kendisinin verimliliğinden de etkilenir. Ek olarak, kompresörler tarafından üretilen basınçlı hava genellikle prosesin diğer aşamalarında da kullanılır.

Bu çalışma enerji tüketimi ve kompresör difüzör tasarımlarının Ömür Çevrim Değerlendirmesi (LCA) incelemesi olduğundan, havalandırma verimliliğini etkileyen diğer faktörler çalışmaya dahil edilmemiştir. Makale şu şekilde düzenlenmiştir: ilk olarak farklı difüzör tasarımlarına ait enerji verimliliği iyileştirme senaryoları tartışılmıştır. Takibindeki bölümde bir atık su arıtma santralinin son kullanım prosesinde kompresörün görevleri gösterilmektedir. Bu bölümde ayrıca her bir difüzör senaryosu ile elde edilen enerji tasarrufu ve potansiyel tasarruf noktaları anlatılmaktadır. LCA çalışması bu enerji hesaplamaları baz alınarak yapılır. Son bölümde ise bu çalışmanın sonuçları anlatılmıştır.

Santrifüjlü kompresörler için üzerinde çalışılan verimlilik artırma senaryoları

Daha önce de belirtildiği gibi, santrifüjlü kompresör performansı kullanılan üç ana difüzör tipinden etkilenebilir: VNLD, LSD, VND. Ek olarak kanatsız difüzörler performans artırımı için modifiye edilebilirler. Bu modifikasyon difüzör yüksekliğinin, pervane kanat yüksekliğinden daha dar hale getirilmesi (kısılması) ile yapılır. Şekil 2’de farklı difüzör tasarımlarının şematik gösterimleri verilmiştir.

ceviri santrifuj kompresor sekil 2 

Şekil 2. Farklı difüzör tasarımlarının şematik gösterimi (a) VND, (b) düz plak kanatlı LSD (c) kısılmamış VNLD, (d) kısılmış VNLD

Yukarıda sıralanan difüzör tasarımları verimlilik iyileştirmesi ve üretildikleri malzemenin kaynak gereksinimleri açısından incelenebilir. Bu çalışmada her bir senaryoda difüzör malzemesi alüminyum olarak alınmıştır (AlMg3). Difüzör senaryoları kısılmış difüzör (PiNched Diffuser - PND, Senaryo 1), LSD (Senaryo 2) ve VND (Senaryo 3) olarak sınıflandırılabilir. Bu üç difüzör senaryosu, kanatsız tasarımın kullanıldığı ve referans olarak seçilen Senaryo 0 ile karşılaştırılmıştır.

Senaryo 1, orta derecede birPND’yi temsil etmektedir. Bu durumda difüzör kanal yüksekliği, nominal yüksekliğine göre daraltılmıştır. PND’ler santrifüjlü kompresörlerin verimliliğini iyileştirirken neredeyse bir kanatsız difüzör olarak aynı çalışma aralığını sağlayabildikleri bilinmektedir [25].  

Senaryo 2, kısa kanatların sayısının az olması sebebiyle iki kanat arasında herhangi bir geometrik boğazın oluşmadığı LSD tasarımını değerlendirmeye almıştır. LSD ayrıca kanatsız difüzörlerden daha yüksek verimlilik değerlerine ulaşabilmekte ve çalışma aralığını oldukça iyi bir şekilde koruyabilmektedir [16].

Farklı difüzör tasarımları arasında en yüksek performans iyileştirme Senaryo 3’teki kanatlı difüzörler ile sağlanıyor olsa da, çalışma aralığı diğer tasarımlara göre daha dardır.

Çalışma aralığının dar olmasının genellikle iki sebebi vardır: difüzör kanatları değişen etki alanına hassastır ve kanatlar maksimum kütlesel akışı sınırlayan aerodinamik bir boğaz oluştururlar. Etki alanı LSD’deki kanatları etkiler, buna karşın kanatlar akışı yaymak yerine daha çok yönlendirme görevi görürler fakat bunu daha az hassas bir şekilde yaparlar.

Ek olarak, LSD’de kanatlar aerodinamik bir boğaz oluşturmazlar; bu yüzden kanatsız difüzörde olduğu gibi maksimum akış pervane tarafından kontrol edilir. Şekil 3 kompresör nominal hızındaki farklı difüzör tasarımlarındaki verimlilik iyileştirmelerini kanatsız difüzördeki ile karşılaştırarak göstermektedir [19, 21, 2, 29, 9, 34, 27, 26]. Şekilden de anlaşılacağı üzere PND kullanıldığındaki ortalama verimlilik tahmini, kanatsız difüzöre göre 1,03 kat daha fazladır. LSD ve VND’de bu değer sırası ile 1,04 ve 1,05’tir.

ceviri santrifuj kompresor sekil 3

Şekil 3. Nominal hızda difüzör tipinin pik verimlilikteki etkisi. PND, LSD ve VND; kanatsız difüzör ile karşılaştırılmıştır.

Makalenin önceki bölümlerinde de belirtildiği üzere, bir kompresörün üzerinde bugüne kadar en çok çalışma yapılmış parçası pervanesi olduğundan; verimlilik iyileştirmeleri için en büyük potansiyel kompresörün hareketsiz parçalarındadır. Bu çalışmanın odağı difüzör tasarımı olsa da bazı iyileştirme çözümlerine örnek olarak pervane kanat uç boşluğu verilebilir. Kompresör pervanesinin kanat uç boşluğunun artırılması, kademe verimliliği ve kompresörün basınç oranı üzerinde negatif etkisi vardır [30, 8, 31]. Yine de, pervane kanadı uç boşluğunun artırılmasının kompresör verimliliğine etkisi, kompresör karakteristiklerine bağlı olarak değişim gösterebilir [43].

Tasarım bakış açısıyla, rotor dinamiği analizinde, rulman tasarımlarında ve kontrol sistemlerindeki teknolojik gelişmeler daha dar kanat ucu boşluklarının uygulanabilmesine imkan verebilir. Buna ek olarak, salyangozun da kompresör kademe performansında etkisi vardır [18], ve farklı salyangoz tasarımları ile daha yüksek verimlilik ve daha geniş çalışma aralığı değerlerine ulaşılabilir [4]. Bazı salyangoz tasarımı çeşitleri, kompresör verimliliğinden ödün vermeden komponent boyutlarında veya teslim sürelerinde tasarruflar sağlayabilir [40, 15]. Kanat uç boşluğu ve salyangoz tasarımının yanı sıra, kompresör giriş borulama sisteminin aerodinamik kurallara uygun tasarlayarak (özellikle yeni tasarım girişler ile) ve pervanenin arkasındaki boğumlu salmastralardaki akış kaçaklarına odaklanarak küçük verimlilik iyileştirmeleri yapılabilir.

Referanslar:

[1] Abdelaziz EA, Saidur R, Mekhilef S. A review on energy saving strategies in industrial sector. Renew Sustain Energy Rev 2011;15:150–68.
[2] Amineni NK, Engeda A, Hohlweg WC, Direnzi GL. Performance of low solidity and conventional diffuser systems for centrifugal compressors. 96-GT-155. In: Proceedings of
ASME international gas turbine and aeroengine congress and exhibition, June 10–13. UK: Birmingham; 1996.
[3] Chew K-J, Kang J. Estimating the energy independence of a municipal wastewater treatment plant incorporating green energy resources. Energy Convers Manage 2013;75:664–72.
[4] Dai Y, Engeda A, Cave M, Di Liberti J-L. Numerical study and experimental validation of the performance of two different volutes with the same compressor impeller. Proc IMechE, Part A: J Power Energy 2009;223:157–66.
[5] de Almeida AT, Fonseca P, Falkner H, Bertoldi P. Market transformation of energy-efficient motor technologies in the EU. Energy Policy 2003;31(6):563–75.
[6] Descoins N et al. Energy efficiency in waste water treatments plants: optimization of activated sludge process coupled with anaerobic digestion. Energy 2012;41:153–64.
[7] EAA. Greenhouse gas emission trends and projections in Europe 2012. Tracking progress towards Kyoto and 2020 targets; 2012 [s.l.:s.n.].
[8] Eishenlohr G, Chadlek H. Thermal tip clearance control for centrifugal compressor of an APU engine. J Turbomach 1994;116:629–34.
[9] Engeda A. The design and performance results of simple flat plate low solidity vaned diffusers. Proc IMechE, Part A: J Power Energy 2001;215:109–18.
[10] EUROSTAT. Environmental statistics and accounts in Europe. Luxembourg: Publications Office of the European Union; 2010.
[11] FAO. AQUASTAT database. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO); 2014 [accessed 31.10.14].
[12] Ferreira FJTE, Fong C, de Almeida T. Eco-analysis of variable-speed drives for flow regulation in pumping systems. IEEE Trans Industr Electron 2011;58(6).
[13] Frijns J, Hofman J, Nederlof M. The potential of (waste)water as energy carrier. Energy Convers Manage 2013;65:357–63.
[14] GaBi. PE international: GaBi 6 software-system and databases. In: s.l.:s.n.; 2012.
[15] Giachi M, Ramalingam V, Belardini E, De Bellis F, Reddy F. Parametric performance of a class of standard discharge scrolls for industrial centrifugal compressors. GT2014-26831. In: Proceedings of ASME Turbo, June 16–20. Germany: Düsseldorf; 2014.
[16] Grönman A, Dietmann F, Casey M, Backman J. Review and collection of preliminary design rules for low solidity diffusers. In: Proceedings of 10th european conference on turbomachinery, April 15–19. Finland: Lappeenranta University of Technology; 2013.
[17] Guinée JB et al. Handbook on life cycle assessment. Operational guide to the ISO standards. I:LCA in perspective. IIa: Guide. IIb:     Operational annex. III: Scientific background. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers; 2002.
[18] Hagelstein D, Hillewaert K, Van den Braembussche R, Engeda A, Keiper R, Rautenberg M. Experimental and numerical investigation of the flow in a centrifugal compressor volute. J Turbomach 2000;122:22–31.
[19] Hayami H, Senoo Y, Utsunomiya K. Application of low-solidity cascade diffuser to transonic centrifugal compressor. J Turbomach 1990;112:25–9.
[20] Hernández-Sancho F, Molinos-Senante M, Sala-Garrido R. Energy efficiency in Spanish wastewater treatment plants: a non-radial DEA approach. Sci Total Environ 2011;409:2693–9.
[21] Hohlweg C, Direnzi GL, Aungier RH. Comparison of conventional and low solidity vaned diffusers. 93-GT-098. In: Proceedings of ASME international gas turbine and aeroengine congress and exhibition, May 24–27. USA: Cincinnati; 1993.
[22] IEA. World energy outlook 2012. Paris (France): IEA Publications; 2012.
[23] IPCC. Climate change 2007: synthesis report. Geneva (Switzerland): Intergovernmental Panel of Climatic Change; 2007.

Kaynak: Sulzer White Paper 5/2018