Siemens, mevcut turbo kompressör portföyünden en uygun çözümü üretebilmek için piyasanın gereksinimlerini araştırdı ve tümleşik dişli turbo kompressörlerin, CO₂'nin ekonomik bir şekilde yüksek basınçlara getirilebilmeleri için en ideal tasarıma sahip oldukları sonucuna vardı.

21. yüzyılda karşı karşıya olduğumuz en büyük zorluk, enerjiyi, güvenilir, sürdürülebilir ve çevre-dostu bir şekilde nasıl üreteceğimizdir. Önümüzdeki on yıllar boyunca fosil yakıtlar, dünyanın artan enerji talebini karşılamada önemli bir rol oynamaya devam edecektir. İnsan kökenli karbondioksit (CO₂) salınımlarının iklimimiz üzerindeki etkisi, bilimsel çevrelerce kabul edilmektedir.

Aynı zamanda, iklim düzeninin bozulması ve bunun önümüzdeki yıllarda çok büyük maliyetlere yol açma riskini göz ardı etmeden, "her zamanki senaryo gibi iş yapma alışkanlıkları", artık kabul görmemektedir. Derhal alınacak önlemlerle birlikte, düşük CO₂ salınımlı elektrik üretmenin en önemli yöntemlerinden biri de, kısa ve orta vadede uygulamaya sokulacak, CO₂ ayrıştırma ve depolama birimlerine (CCS) sahip, fosil yakıtlarla çalışan, verimli termik santrallerdir.

Günümüzde üç farklı tip CCS teknolojisi mevcuttur: Tümleşik Gazlaştırma Kombine Çevrim Santrallerinde kullanılan Ön Yakma teknolojisi , Son Yakma teknolojisi ve Oksi Yakıt teknolojisi . Siemens, bu teknolojilerden yoğun olarak Ön Yakma ve Son Yakma (CCS) teknolojilerine yatırım yapmaktadır.

Siemens tarafından Ön Yakma işlemi için geliştirilen IGCC teknolojisi kullanıma hazırdır. Son Yakma işlemi için gelişmekte olan projelerde uygulama imkanı oluşacak yeni bir Siemens teknolojisi üzerinde çalışılmaktadır.

Siemens, buna ek olarak, diğer Karbon Yakalama teknolojilerinin (ECO2-Yakalama teknolojisi) geliştirilmesi ve hayata geçirilmesi için Powerspan gibi şirketlerle işbirlikleri kurmuştur. Bu üç teknoloji için son derece önem arz eden kompresör sıkıştırma çözümlerine ihtiyaç bulunmaktadır.

Siemens, son iki yıldır, fizibilite çalışmalarından FEED aşaması desteği ve firma ihalelerine kadar çok farklı aşamalardaki yüzlerce projeyi desteklemiştir. Bu projelerin çoğu CCS ile bağlantılı olmasına rağmen Siemens, EOR (Petrol kuyusu verim artırılması) ve EGR (Doğal gaz kaynağı verim artırılması) gibi daha çok kar-odaklı projelere de katkıda bulunmuştur.

Siemens, mevcut turbo kompressör portföyünden en uygun çözümü tespit etmek için, gaz akışı, basınç, gaz bileşenleri, proses kurulumu (gaz besleme ve akışları ve gaz arıtma), kontrol esnekliği/hız, sürücü tipi v.b. faktörlere ilişkin piyasanın en önemli gereksinimlerini tespit etmistir.

Üç senaryo

Yukarıdaki şekilde gösterilen basınç entalpi diyagramında, 200 bar'lık referans basınç seviyesinde üç ana sıkıştırma senaryosu ortaya konmuştur:

• Yoğunlaşma/aşırı soğuma ve pompalama sırasında gaz halinin sıkıştırılması
• Yüksek yoğunluklu bölgede, tekrar soğuma sırasında gaz halinin sıkıştırılması ve kritik bölge üstü sıkıştırma
• Düşük yoğunluklu bölgede, gaz halinin sıkıştırılması ve kritik bölge üstü sıkıştırma

Senaryo A

Bu senaryo, CO₂ için en düşük sıkıştırma gücü ile tanımlanmakta olup, şekilde gösterilen sıkıştırma okunun yüksek eğimi ile ifade edilmektedir. Ancak bu, prosesin sadece yarısıdır. Sistemin kurulduğu bölge, ekonomik açıdan makul doğal bir soğutma imkanı sunan Kuzey Kutbu/Antarktika'ya yakın (konuyla ilgili olarak Siemens'in Hammerfest'te kurduğu tesis dikkate alınabilir) değilse, özel bir soğutma çevrimine ihtiyaç bulunmaktadır. Bu soğutma çevrimi için gerekli olan ek sıkıştırma gücü, tesisin tüm karmaşıklığına karşın sistemden elde edilecek tüm enerjiyi tüketecektir.

Senaryo B

Bu senaryoda, kritik üstü yeniden soğutma işlemi için uygun bölgesel koşullara gereksinim vardır. Gerekli olan sıkıştırma gücü, Senaryo A'da gereksinim duyulan güçten büyük olmakla birlikte, Senaryo C'de gereksinim duyulandan küçüktür.

Genel bir bakış açısı ile değerlendirildiğinde bu sıkıştırma yöntemi en umut vaat eden yöntemdir. Ancak bu yöntemdeki zorluk, yüksek sıcaklık hassasiyetinde belirgin bir şekilde sıkılaştırılabilir nitelikteki CO₂'nin hareketliliğine dogru bir şekilde karşılık verebilmektir.

Senaryo C

Burada, düşük yoğunluklu kritik üstü bölgede gaz halinin ardışık olarak sıkıştırılması yöntemi hala araştırma safhasındadır.

Sıvı hal, tüm sıkıştırma safhası boyunca, geleneksel gaz dinamikleri ile modellenebilir. Ancak Siemens'in konsept çalışmalarında güç tüketiminin %7 civarında (senaryo B'deki güç tüketiminden daha yüksek) olduğu gözlemlenmiştir. Yine de, güç dengesi, performans öngörülebilirliği, performans güvenliği, güvenilirlik, güncel referans durumu, zaman çizelgesi v.b. dahil olmak üzere genel konsept değerlendirmesi, Siemens'in, senaryo C'nin ilk aşamasına odaklanmasını sağlamıştır.

CO₂ için tasarım konseptleri

Buradaki asıl sorun, en yüksek katma değeri yaratacak turbo makineleri tespit etmektir. Benzer bir sıkıştırma işleminde kullanılan iki konsept araştırılmıştır (aşağıdaki şekle bakınız): Önceden belirlenmiş bir basınç oranına (1,9 bar'a 160 bar) sahip, 300 t/h nemli karbondioksit.

1. Konsept A - Tek şaftlı kompresör takımı:

   Toplamda dört proses aşamasına sahip, çift kasalı ve tek şaftlı kompresör takımı, doğrudan düşük basınç kasasına takılan değişken hızlı bir tahrik sistemi ile çalıştırılmaktadır. Düşük basınçlı kasa, STC-SH (17-6-B) tipi olup, yatay olarak konumlandırılmış kasası olan, tek şaftlı bir turbo kompresördür. Yüksek basınçlı kasa ise STC-SV (10-6-B) tipi olup, dikey olarak konumlandırılmış kasası olan, tek şaftlı bir kompresördür.

   En ideal pervane şeklini ve yüksek basınçlı kasadan yüksek verim elde edebilmek için hız arttıran bir vites kutusu (oran: 1,9) yerleştirilmiştir. Hız kontrolü için gerekli önlem alınmıştır. Her iki şaft kasası, toplamda üç ara soğutma aşamasını gerçekleştirmek üzere arka arkaya düzen içinde yerleştirilmiştir.

   Bu tren benzeri yapı, sağlamlık ve yüksek düzeyde erişilebilirliğe odaklanmış gübreleme tesislerindeki petro-kimyasal kurulumlara yönelik klasik konsept olup, API 617 7. Sayısı'nın 2. Bölümü'ne uygun olarak inşa edilmektedir.

2. Konsept B - Tümleşik dişli kompresör:

   STC-GV (80-7) tipi, 7-kademeli, tümleşik dişli kompresör, merkezi dişli çark üzerindeki sabit hızlı bir sürücü ile hareket ettirilmektedir. Her pervane çiftinin hız esnekliğine bağlı olarak, her bir pervane için en yüksek verimlilikle birlikte en ideal akım katsayısı elde edilebilmektedir.

   Akım, her sıkıştırma adımından sonra çıkacağı için izotermik bir sıkıştırma, toplam beş ara soğutucuda gerçekleştirilebilir. Gazın gerçek güçlü tepkimesine bağlı olarak CO₂'nin Z/T türevindeki değişim, kritik noktaya yakın olup son iki sıkıştırma kademesi soğutulmaz.

   Tümleşik dişli kompresör konseptinin kökeni, yüksek verimli çözümler ve yüksek düzeyde erişilebilirliğe odaklanmış endüstriyel gaz üretiminde kullanilan havada bulunan gazlarin ayrıştırılması esasına dayanmaktadır. Siemens, günümüze dek 1.000 adet entegre dişli turbo kompresörün kurulumunu gerçekleştirmiştir.

   Seçilen entegre dişli kompresör de, API 617 7. Sayısı'nın 3. Bölümü'nde detaylı bir şekilde açıklanmıştır.

SONUÇLAR

Her iki makine konsepti de, yüksek kalitede ve yüksek teknolojili petro-kimyasal hizmet sunumu için gerekli makinelerin seçimine ilişkin bir protokol olan API 617 7. Sayısı'nda açıklanmıştır.

Güç tüketimi anahtar unsurdur

Güç tüketimi, iki konsept arasındaki temel farklılıktır. "Tanımlı" olarak bilinen ana işletim noktası için kurulu güç kapasitesinden 4,890 kW'lık (%13,9) tasarruf sağlanabilir. Ayrıca, "Normal" olarak bilinen kısmı yük durumunda, 3,937 kW'lık (%13,4) güç tasarrufu sağlanabilir. Bu kısmi yük avantajı, giriş kılavuz vanası kontrol sistemli Konsept B'nin, Konsept A'nın hız kontrol sistemine kıyasla daha büyük olan performans haritası yük atma oranı ile desteklenmektedir.

Pervane verimliliği

Tümleşik dişli kompresörün, tek şaftlı kompresöre karşı sahip olduğu bu avantajın altında yatan asıl neden, yüksek yük katsayıları ve en ideal akım katsayısı elde etmek için hızı ayarlama esnekliği ile desteklenen, eksensel akım girişli pervanelerden elde edilen verimliliğin daha yüksek olmasıdır.

Ayrıca, ilk beş kademe boyunca her bir pervaneden sonraki ara soğutma işlemiyle, izotermik sıkıştırma konseptinden faydalanılabilir. Altıncı pervane kademesindeki aşağı akım, CO₂'nin düşük Z değeri nedeniyle dikkate alınmayabilir. Bu özellik, Siemens'in ilk kademelerde yüksek basınç oranları elde etmesini ve böylece artan mekanik yüklemeler sayesinde son kademelerdeki basınç oranını bir miktar düşürmesini sağlar.

Siemens, böylece, 200 bar'a kadar olan sıkıştırma basınçları için toplam kademe adedini, 7 veya 8'e indirebilmektedir.

Buna karşılık, tek şaftlı makineler, sadece çapı ve tekli şaft üzerine kurulu pervane adedini ayarlama olanağı sunmakta ve ancak iki farklı hızda çalışabilmektedir. İlk işlem kademesi (3 pervaneden oluşur) için %82'den yüksek olan politropik verimlilikte, son kademede %70'e kadar inen güçlü bir düşüş söz konusudur.

Bunun asıl nedeni, sıkıştırma zinciri boyunca meydana gelen güçlü hacim düşüşü olup bu da, son kademelerde 2-boyutlu vana konfigürasyonunu gerekli kılmakta ve pervane performansını düşürmektedir.

Ayrıca, tek-şaftlı makinelerde toplam pervane adedi 12 olup, bu sayı tümleşik dişli kompresörlerde sadece 7'dir. Bunun da nedeni, yine tek-şaftlı pervanelerdeki düşük yük katsayısıdır.

Kompakt tasarım sayesinde enerji tasarrufu

Özetlemek gerekirse, tümleşik dişli kompresör çözümünü kullanmak suretiyle, 2,5 €/W'lık nispeten düşük enerji masrafı ile toplamda 12 milyar 225 milyon €'luk bir katma değer sağlanabilir. İşletme maliyetlerinde elde edilen avantajlara ek olarak tümleşik dişli kompresör yatırımının miktarı, tek-şaftlı kompresör yatırımına oranla %20-30 daha düşüktür.

Bu avantajların ana nedeni, daha az pervaneli ve pervane çapı düşük tümleşik dişli kompresörün kompakt tasarımıdır. Her iki kompresör konsepti, NACE tarafından belirlenen asitli gaz ortamlarında dahi nemli karbondioksit koşullarına uygundur.

Sonuçta, tümleşik dişli kompresörün kısa bakım süresi dahil olmak üzere dikkat çekici bir hizmet ömrü avantajı bulunmaktadır.

Kompakt tasarımı sayesinde kompresörün ağırlığı oldukça düşük olup, kurulum için gerekli alan da son derece küçüktür. Bu durum, yer, beton işleri ve inşaat mühendisliği gibi maliyetleri düşürmektedir.

Ayrıca, soğutucuların çelik yapılar içine yerleştirilmesi ve gerekli yağ kontrol supapları dahil olmak üzere tüm boruların komple bir şekilde birleştirilmesi suretiyle, makine tamamen montaja hazır hale getirilebilmektedir. Bu durum, tek liftli birimlerin kurulum süresini kısaltmakta ve ihtiyaç duyulan boru adedini azaltmaktadır.

Makinenin sağlamlığı söz konusu ise tek şaftlı kompresörler üzerindeki NEMA standartlarına göre kabul edilebilir başlık adedi, tümleşik dişli kompresörler üzerindeki başlık adedinden en az birkaç kat daha fazladır.

Tümleşik dişli kompresörlerdeki izin verilebilir kuvvet ve momentlere daha yakından bakmak gereklidir. Bu kuvvet ve momentler, her bir tekli kompresörde ayrı ayrı hesaplanmaktadır. Aşırı yükü karşılayabilmek için gerekirse, arabirimler üzerinden emme ve tahliye borularına kompensatörler takılmaktadır.

Ayrıca, yatağı asılı biçimde olan tümleşik dişli kompresör, gaz halinde kirlenme veya parçacık yüklemesi potansiyeli yüksek olan uygulamalarda daha hassastır. Ancak bu durum, CO₂ sıkıştırma işlemlerinde söz konusu değildir.

Esneklik

Tümleşik dişli kompresörün en büyük avantajlarından biri, basınç/sıcaklık veya akım üzerinde her an kontrol sağlama esnekliğidir. Bu özellik, tek bir kompresör içinde, tüm sıkıştırma zinciri boyunca farklı koşulların kontrol edilmesine olanak sağlamakta olup, özellikle gaz besleme, çıkan gaz akımı veya dehidrasyon gibi proses gazı uygulamalarında faydalı olabilir. Tek-şaftlı kompresörler, genelde hız ayarlı olup, tek bir noktada serbestlik sağlamaktadır.

Her iki tip kompresörün piyasada bulunabilirliği %99 düzeyinde olup bu iki tip kompresör, en önemli sıkıştırma uygulamalarında kullanılmaktadır. Bu durum, yüksek kalite ve uzmanlık ile birlikte müşterinin bu teknolojiye olan güveninin ne kadar önemli olduğunu göstermektedir.

Özet

Siemens, CO₂ sıkıştırması için en tercih edilen ve en verimli çözümün tümleşik dişli kompresör olduğu sonucuna varmıştır. Bu kompresör tipi, özellikle sıkıştırma gücünün "parazitik" olduğu uygulamalarda en yüksek katma değeri yaratabilmektedir.

Siemens, tümleşik dişli kompresör üretimi alanında 60 yıldan uzun bir deneyime sahiptir. Bu ürünün sürekli olarak geliştirilmesi, ürünü, sıkıştırma prosesi piyasasında büyük bir üne kavuşmasını sağlamıştır. Yine de, yüksek basınçlı CO₂ sıkıştırma işlemi, CO₂ gazının tepkisel özelliklerine uygun daha ileri düzey ürün geliştirme çalışmalarının yapılmasını zorunlu kılmaktadır.

Siemens, tümleşik dişli kompresörleri başarılı bir şekilde tasarlamak, yapmak ve test etmek için gerekli deneyime sahiptir. Söz konusu deneyimler şu şekilde sıralanabilir:

• Basınç/sıcaklık aralıklarında gaz verilerini doğru tahmin etme: Patentli BWRS denklemini kullanan Siemens'in gaz ölçüm programı, piyasada satılan araçlar ve IUPAC tablo verileri ile karşılaştırılmıştır. Bu ölçüm programı, sıkıştırılabilirlik ve sıcaklık arasındaki güçlü değişimi de dikkate alarak CO₂ gazı verilerini kesin olarak tahmin edebilmektedir.
• Sıcaklık, basınç veya net frekans değişimlerine karşı hassasiyet doğrulaması: Performans haritası içinde yeterli emniyet marjlarını belirlemek amacıyla bu kontroller, her bir faktör için yapılmaktadır. Gerekli görüldüğünde, sıcaklık kontrolü, frekans dönüştürme ve benzeri uygun önlemler alınabilmelidir.
• Nemli CO₂ nedeniyle korozyona karşı uygun materyal seçimi: Kompresör boyunca, nemli CO₂ ile birlikte doygun gaz durumu söz konusu olabilir. Belirli bir nispi nem düzeyinin üzerinde paslanmaz çelik kullanımı kaçınılmaz olacaktır. Ek soy gaz boşaltımı ihtiyacı ile birlikte durgun haller için özen gösterilmelidir. Ayrıca, NACE standartlarına göre asitli gaz gibi daha fazla aşındırmaya yol açacak durumlar da dikkate alınmalıdır.
• Dinamik sızdırmazlık kuvvetinin doğru tespiti: Bu nitelik, düşük rotor ağırlığının yüksek yoğunluk ve çıkış kuvvetleriyle birlikte etkili olduğu son kademeler için önemlidir. Siemens tarafından geliştirilmiş dahili test donanımıyla, temas etmeyen gaz sızdırmaz contaların sağlamlığı, basınç düşürme özelliği ve atalet hali ölçümlenmiştir. Bu ölçümler, dinamik sızdırmazlık kuvvetinin doğru tespit edilebilmesi için orijinal çalışma koşulları simülasyonu altında gerçekleştirilmiştir.
• Yeterli kontrol esnekliği ve hızı: Siemens kompresörlerin kontrol hızı, anma hızına kıyasla %1,25/sn aralığındadır. Bu durum, %/dakika aralığında çalışan elektrik santrallerinin esneklik gereksinimlerinin kolayca yerine getirilmesini sağlar.
• Joule Thompson etkisinin dikkate alınması: Kompresör ile kompresörün yardımcı sistemleri, özellikle AS vanası, karbon sızdırmazlık contaları v.b. parçalar dahil olmak üzere, uygun basınç referans noktaları veya sıcaklık seviyelerini ayarlamak için kontrol edilecektir. Siemens, böylece, su/buz çökelmesinin, CO₂'nin 2-aşamalı bölgeye yayılmasının ve düşük sıcaklıklar için ekstra materyal kullanım ihtiyacının önüne geçebilecektir.

Sonuç

Fosil yakıtlardan elde edilen enerji, öngörülebilir gelecekte enerji üretiminde mihenk taşı olmaya devam edecektir. Buradaki görev, artan enerji talebini karşılarken aynı zamanda çevremizi koruyabilmektir. Bu nedenle, iklim değişikliğiyle mücadele edebilmek için CO₂ salınımının azaltılması gerekmektedir.

Sürdürülebilirlik ve ekonomik açıdan makul koşullar arasında bir denge kurabilmek için CCS (Karbon Sıkıştırma ve Ayırma) açısından verimli konseptlere ve turbo makinelere gereksinim vardır. Sermaye ve işletme giderleri dikkate alınarak ve mevcut ve gelecekteki CO₂ proje gereksinimlerine uygun olarak gerçekleştirilen yoğun araştırma ve geliştirme faaliyetlerinin bir sonucu olarak ortaya çıkan tümleşik dişli turbo kompresörler, ekonomik CO₂ sıkıştırması için en ideal tasarım konseptine sahip hale getirilmişlerdir.