Auslegung und Design industrieller Prozessgasverdichter5 Mio. m ³/h (53.000.000 cft/h) Max. Austrittsdruck bis zu 25 bar (363 psi) Fluid Catalytic Cracking (FCC) ... Motor Pipeline

1 < > MAN Diesel & Turbo Dr. Ch. Jakiel Auslegung und Design industrieller Prozessverdichter 06.04.2017

Auslegung und Design

industrieller Prozessverdichter

Gastvortrag

im Rahmen der Vorlesung

“Pumpen und Verdichter”

TU Graz

Handout

06.04.2017

Dr. Christoph Jakiel


Agenda

1 Einführung MAN Diesel & Turbo SE

2 Kompressortypen und Bauformen

3 Auslegung von Prozessverdichtern

4 Design und Fertigung moderner Prozessverdichter

5 Anwendungsbeispiele

6 Design moderner Kompressoren

7 Aspekte des Kompressorbetriebs

8 Chapter 8

9 Chapter 9


Agenda








8 Chapter 8

9 Chapter 9


Volkswagen Gruppe 12 Marken


Umsatz‘16:

€ 0,5 Mrd

Power Engineering Geschäfts-

bereiche

Divisionen

Commercial Vehicles

MAN

Truck & Bus

Umsatz ‘16: € 9,2 Mrd

MAN

Latin America

Umsatz ‘16: € 0,7 Mrd

Die MAN Gruppe in 2016: €13,6 Mrd Umsatz, 53.824 Mitarbeiter

Beteiligungen Sinotruk (25,0 % +1 Aktie), Scania (17,4 %*)

* Stimmrechte

MAN

Diesel & Turbo

Umsatz‘16: € 3,1 Mrd

Renk (76 %)

MAN Group Kennzahlen 2016

MAN SE


MAN Diesel & Turbo Kennzahlen 2016

2016 2015

in Mio €

Auftragseingang 2.808 2.949

Umsatz1 3.113 3.305

Operatives Ergebnis -29 216

in %

Operative Rendite -0,9 6,5

Belegschaft2 14.603 14.953

1) Inklusive Konsolidierung zwischen den Geschäftsbereichen Engines & Marine Systems, Power Plants und Turbomachinery.

2) Anzahl am 31.12.


MAN Diesel & Turbo Erstklassiges Produktportfolio

Power Plants Turbomachinery Engines & Marine Systems

Zweitakt- und

Viertakt-Motoren

für Marine-

Anwendungen

Propeller und

komplette

Antriebs-

systeme incl.

Gasversorgungs-

systeme

Turbolader

Kompressoren,

Gas- und

Dampfturbinen,

Expander

Komplexe

Turbo-

maschinen-

stränge

Chemische

Reaktoren

Service: MAN PrimeServ

Weltweites

Service-

Netzwerk,

24/7 OEM

Service

Zweitakt- und

Viertakt-

Motoren für

stationäre

Anwendungen

Diesel- und

Gaskraftwerke


MAN Diesel & Turbo Umfassende Anwendungen in vielfältigen Industrien


Entwicklungs- und Produktionsnetzwerk MAN Diesel & Turbo-Werke in Europa und Asien

Augsburg Saint Nazaire

Frederikshavn

Copenhagen

Velká Bíteš

Aurangabad

Berlin

Oberhausen

Hamburg

Deggendorf

Zürich

Changzhou

Turbo Werk

Diesel Werk

Diesel & Turbo Werk

Holeby

Bangalore


Internationales Arbeitsumfeld MAN Diesel & Turbo als Arbeitgeber

14,900 Mitarbeiter an mehr als 120 Standorten,

vor allem in Deutschland, Dänemark, Frankreich,

der Schweiz, Tschechien, Indien und China

Mehr als 600 Auszubildende in mehr als 20

Berufen

Top Arbeitgeber für Ingenieure


Mitarbeiter (31.12.2015) : 4.171

Turbolader Viertakt-Dual

Fuel und

Gasmotoren

Viertakt-

Dieselmotoren

Produkte

PrimeServ After

Sales Service

Entwicklungs- und Produktionsnetzwerk Zentrale Augsburg, Deutschland


Mitarbeiter (31.12.2015) : 1.973

Radial-

kompressoren

Gasturbinen Axial-

kompressoren

Dampfturbinen

Produkte

Prozess-Gas

Schrauben-

kompressoren

PrimeServ After

Sales Service

Entwicklungs- und Produktionsnetzwerk Oberhausen, Deutschland


Kompressoren, Expander, Gas- und

Dampfturbinen für die Öl- und Gas-

und die Prozessindustrie sowie zur

Energieerzeugung

Schlüsselfertige Maschinenstränge

inklusive Kompressor, Antrieb und

Expander

Reaktoren für die chemische und

petrochemische Industrie,

Spezialapparate für Wissenschaft und

Forschung

Turbomachinery Breites Produktportfolio für vielfältige industrielle Anwendungen


Turbomachinery Anwendungen Vom Öl- und Gasmarkt bis zur Prozessindustrie

Upstream (Produktion) Midstream (Transport) Downstream (Verarbeitung)

Industrielle Produkte Industriegase Industrielle Energieerzeugung

Produkte: Kompressoren, Expander,

Gasturbinen

Produkte: Kompressoren, Gasturbinen Produkte: Kompressoren, Expander,

Dampfturbinen, Gasturbinen, Reaktoren

Produkte: Kompressoren, Vakuumgebläse,

Reaktoren

Produkte: Kompressoren, Dampfturbinen,

Reaktoren

Produkte: Dampfturbinen, Gasturbinen


Das größte solarthermische Kraftwerk 100 MW Kraftwerk Shams 1 mit MAN-Dampfturbine

Shams 1 erstreckt sich über eine Fläche von 2.5 km², oder 285 Fußballfelder. Pro Jahr wird Shams 1

etwa 175.000 Tonnen CO2 einsparen


Erzeugung synthetischer Kraftstoffe AR-MAX 1 für chinesische Luftzerlegungsanlage

Der chemische Prozess der Produktion synthetischer Kraftstoffe erfordert große Mengen Sauerstoff. Die

Turbomaschinen in einer Luftzerlegungsanlage erzeugen täglich 40.000 Tonnen Sauerstoff


1873: Börsengang der

Gutehoffnungshütte

(GHH)

1758: St. Antony

Eisenwerke,

Oberhausen

1840: Sandersche

Masch.fabrik

Augsburg

1841: Eisengießerei u.

Masch. fabrik Klett &

Comp., Nürnberg

1908: M.A.N. Masch.fabrik

Augsburg-Nürnberg

1921: GHH erwirbt

Mehrheit an M.A.N.

1986: M.A.N. fusioniert mit GHH, Umbenennung MAN AG

2010: Verbindung von MAN Diesel SE und MAN Turbo AG zur MAN Diesel & Turbo SE

2007: Volkswagen AG wird Hauptaktionär der MAN AG

2011: MAN wird Teil des Volkswagen Konzerns

Die Geschichte von MAN Diesel & Turbo MAN hat zwei Wurzeln


Die Geschichte von MAN Diesel & Turbo Kontinuierliche Entwicklung der Marken und Geschäftsbereiche

MAN Diesel SE MAN Turbo AG


Agenda








8 Chapter 8

9 Chapter 9


Turbomachinery Breites Produktportfolio für vielfältige industrielle Anwendungen

Überblick Kompressoren

Axialkompressoren

Radialkompressoren

Getriebekompressoren

Isothermkompressoren

Pipelinekompressoren

Prozessgas-

Schraubenkompressoren

Vakuumgebläse

MOPICO / HOFIM


Kompressoren Axialkompressoren (AG, AR, A, AV)

Ansaugvolumenströme bis zu

1,5 Mio. m³/h (53.000.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck

bis zu 25 bar (363 psi)

Fluid Catalytic Cracking (FCC)

GTL/ CTL

Hochofen-Anwendungen

Luftzerlegung

Salpetersäureproduktion


Kompressoren Radialkompressoren - Horizontal geteilt (RH)


708.000 m3/h (25.000.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck

bis zu 80 bar (1.150 psi)

Äthylen

Ammoniakproduktion

Luftzerlegung

Sauerstoff

Raffinerien


Kältekreisläufe


Kompressoren Radialkompressoren - Vertikal geteilt (RB)


320.000 m3/h (11.300.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck

bis zu 1.000 bar (14.504 psi)

Gasförderung und

-speicherung

Luftzerlegungsanlagen

Raffinerien

Petrochemie

Methanol- und

Ammoniakproduktion


Kompressoren Radialkompressoren - Pipelinekompressoren (RV)


30.000 m3/h (1.059.300 cft/h)

Max. Austrittsdruck


Gastransport


Kompressoren Radialkompressoren - Isothermkompressoren (RIK/T)


800.000 m3/h (28.250.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck


Luftzerlegung


Sauerstoff

Terephthalsäureproduktion (PTA)


Kompressoren Radialkompressoren - Getriebekompressoren (RG)


660.000 m3/h (23.300.000 cft)

Max. Austrittsdruck


Brenngas

CO2 - Kompression

Luftzerlegungsanlagen


Terephthalsäureproduktion (PTA)


Kompressoren Motor Pipeline Compressor (MOPICO)

Antriebsleistung bis 18 MW

Max. Austrittsdruck


Gastransport


Kompressoren High Speed Oil Free Integrated Motor Compressor (HOFIM)


230.000 m3/h (8.121.300 cft/h)

Max. Austrittsdruck


Gastransport

Gasspeicherung

Unterseeanwendungen

Für Prozesse mit giftigen

und / oder gefährlichen Gasen


Kompressoren Prozessgas-Schraubenkompressoren (SKUEL, CP, CPO)


100.000 m3/h (3.531.000 cft/h)

Max. Austrittsdruck


Bergbau

Chemie

Eisen & Stahl

Öl & Gas

Petrochemie


Kompressoren TURBAIR® Vakuumgebläse

Ansaugvolumen bis zu

200.000 m3/h (7.062.933 cft/h)

Entwickelt für die Stoffentwäs-

serung (Papiermaschinen)

Papierindustrie


Kompressoren Übersicht Technische Daten

Turbo-

Kompressoren

Axialkompressoren

Einwellen-Radialkompressoren,

horizontal geteilt

Hochdruckkompressoren,

Topfbauart

Getriebekompressoren

Isothermkompressoren

TURBAIR® Vakuumgebläse

Pipelinekompressoren/ MOPICO

Verdrängungs-

kompressoren

Schraubenkompressoren

HOFIM

Max. Ansaug-

volumen (m³/h)

1.500.000

708.000

320.000

660.000

800.000

200.000

Max. Ansaug-

volumen (m³/h)

100.000

230.000

Max. Austritts-

druck (bar)

25

80

1.000

250

20

Atmosphäre

130

Max. Austritts-

druck (bar)

50

300

Max. Ansaug-

volumen (cft/h)

53.000.000

25.000.000

11.300.000

23.300.000

28.250.000

7.062.933

Max. Ansaug-

volumen (cft/h)

3.531.000

8.121.300

Max. Austritts-

druck (psi)

363

1.150

14.504

3.600

290

Atmosphäre

1.886

Max. Austritts-

druck (psi)

725

4.352


Axialkompressorstufe Schnittbild

Axial Compressor

Rotor Stator


Axialkompressorstufe Geschwindigkeitsdreiecke

Rotor

Stator

Normal flow

Stator

c1 w1

u1

w2 c2

u2 w2

Low flow

c1

c2 u2

u1 w1


Radialkompressorstufe Schnittbild

Laufrad

(Rotor)

Diffuser

(Stator)

Rückführkanal

(Stator) Eintritts-

leitgitter

Radial Compressor


Radialkompressorstufe Geschwindigkeitsdreiecke

direction

of rotation impeller

inlet plane

Impeller Inlet

c1

1 '1

u1 w1

u2

c2

2

'2 cs

Impeller Exit

w2

direction of

rotation


Schraubenkompressor


Schraubenkompressor Querschnitt eines Rotors mit 4/6-Profil


Schraubenkompressor Arbeitsprinzip

Screw compressors are positive displacement machines with purely rotary

motion.

Working process

During compression phase the working chamber is closed.

The working chamber changes it‘s size cyclically between zero and maximum

size.

Compression

Discharge

Suction


Schraubenkompressor Arbeitsprinzip


Schraubenkompressor p-V-Diagramm

Idealized Pressure-Volume Diagram for well suited Built-In Volume Ratio

Built-in volume ratio vi = 2.0


Stufengruppen und ihre Anordnung Definition und Beispiele

Quasi-adiabate Verdichtungseinheit

zwischen zwei Stutzen

Sicht Kompressorhersteller:

Gruppe einzelner Turbo-Stufen

Stufengruppe

stage group, section

Sicht Anlagenplanung/Prozess:

Verdichtungsstufe

(process) stage, section

Inline Double-flow Side-streams Analog: Extractions

Inline 2 compression stages

Back-to-back 2 compression stages

1

1

2

2


Agenda








8 Chapter 8

9 Chapter 9


Agenda


3.1 Einführung

3.2 Dimensionslose Kennzahlen

3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel

3.5 Kennfeld und Regelung

3.6 Weitere Randbedingungen


Eulergleichung Zusammenfassung

u1 w1

u2

c2

w2

cm1

cu1

cm2 cu2

c1

Power

( ) r2cu2 – r1 cu1 m P = Tw = w &

= w(r2cu2 – r1cu1) = u2cu2 – u1cu1 m / P Dh = &

Euler Turbine Equation


Eulergleichung Zusammenfassung

Enthalpy rise:

D h u

2 u

2 2 1

2

w 2

w 2

1 2

2

c 2

c 2

2 1

2

Euler equation:

D h u 2 c u 2 u 1 c u 1

Radial stage : ~ 50% ~ 20% ~ 30%

Velocity triangles:

( ) 2 2

2 2

2 2 2 u 2 w u c

1 c u

( ) 2 1

2 1

2 1 1 u 1 w u c

2

1 c u

2

centrifugal

effect

diffusion

rotor

diffusion

stator*)

*) in case of repeating

condition, i.e. c1 c3

Axial stage : ~ 0% ~ 60% ~ 40%


Auslegung von Kompressoren Ziele

Erfüllung aller spezifizierten Betriebspunkte

großer Betriebsbereich

Einhaltung von Zwischendrücken (Intercooler, Einspeisungen etc) und

Temperaturgrenzen

Geringe Antriebsleistung

Kostengünstige und kompakte Lösung

geringe Baugröße, insbesondere Laufraddurchmesser

Anzahl Stufen und ggf. Gehäuse

Auswahl kostengünstiger Bauformen (Laufräder etc)

Voraussetzung für kostengünstige Werkstoffe und Fertigungsverfahren

Voraussetzung für einen robusten und sicheren Betrieb

Rotordynamisches Verhalten, mechanische Integrität, Dichtigkeit


Prozessdaten und Kundenanforderungen Mindestanforderungen

Folgende Daten und Anforderungen aus dem Prozess müssen mindestens

bekannt sein:

Vom Prozess benötigter Durchsatz (netto)

Vollständige Gaszusammensetzung, auch Spuren von Schadstoffen

Ansaugbedingungen

Enddruck

Falls eine Zwischenkühlung erforderlich ist, müssen Kühlwassertemperatur

und ggf. die maximal zulässige Temperaturerhöhung spezifiziert sein.

Weitere Prozess- und Betriebsbedingungen (Teillast, Anfahren, etc)

Anforderungen an das Design des Kompressors, wie z.B. Werkstoffe von

Laufrädern und Schaufeln, Machzahlgrenzen, Drehzahl der

Antriebsmaschine.


Realgasverhalten

General

All kind of gases and mixture of gases

have to be compressed

These can show significantly real gas

behavior

Influence of the gas properties on:

Thermodynamics (enthalpy, density,...)

Aerodynamics of the compressor

(transonic flows, flow separation)

Especially for gases with higher

molecular weight (e.g. propane: 44,10 kg/kmol, vs. air:

28,95 kg/kmol):

Calculation

Gas matrix / interpolation

Equation of state eg by

Lee-Kessler-Plöcker (LKP)

Redlich-Kwong-Soave (RKS)

Benedict-Webb-Rubin-Starling

(BWRS)

Example: Propane

Considering real gas behavior is essential in the design phase

Source: Lüdtke, „Process Centrifugal Compressors“

(C3H8, calculated by LKP)


Agenda


3.1 Einführung


3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel




Volumenstromzahl Definition Radialkompressor

Die Volumenstromzahl (Durchfluss-

Kennzahl) beschreibt den

erreichbaren Volumendurchsatz eines

Laufrades bei gegebenem

Laufraddurchmesser und

Umfangsgeschwindigkeit.

Typische Werte:

0,01 - 0,18

2

2

2

)(1

)(1

4

uD

V t

t

&

D2

)(1 tV&


Verluste in Radialkompressorstufen Abhängigkeit von der Volumenstromzahl

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Lo

sses a

nd

Eff

icie

ncy

0.0 0.05 0.10 0.20

Radial Flow Coefficient

Efficiency

disc friction loss

0.15

aerodynamic loss

leakage loss


Druckziffer Definition

Die Druckziffer ist eine Kennzahl für

die Energieumsetzung einer Stufe (y),

isentrop oder polytrop, bzw. der im

Laufrad umgesetzten Arbeit (Dht ).

Typische Werte pol:

0,8 - 1,1

2;

22

2

2

2 u

y

u

hy

th

D

En

thalp

y h

Entropy s

2

p1

1

p2

dh/vdp = const.

p

y vdp

h2

h1

Dht


Umfangsmachzahl Definition Radialkompressor

Für die (theoretische)

Umfangsmachzahl Mau wird die

Umfangsgeschwindigkeit am

Laufradaustritt auf die Schall-

geschwindigkeit am Laufradeintritt

(statisch oder total) bezogen.

Insbesondere das Druckverhältnis

hängt von Mau ab. Aber auch die

Form der Kennlinien wird signifikant

beeinflusst.

Typische Werte:

0,2 - 1,25

D2

11

2

TRZ

uMau


Umfangsmachzahl Einfluss auf das Stufendruckverhältnis

Beispielhafte Kalkulation

Quelle: Lüdtke, „Process Centrifugal Compressors“

Erhöhung von Mau:

Druckverhältnis steigt

signifikant

11

2

TRZ

uMau


Umfangsmachzahl Einfluss auf das Kennfeld

Vergleich: 2-stufiger (Mau = 1,2) & 5-stufiger (Mau = 0,81) Kompressor

Quelle: Lüdtke, „Process Centrifugal Compressors“

Erhöhung von Mau:

Kennfeldbreite sinkt

Wirkungsgrad sinkt

11

2

TRZ

uMau


Agenda


3.1 Einführung


3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel




Stufenbaukasten Warum?

Die Neuauslegung aller Stufen und ihrer Geometrien (Kanalformen und -

abmessungen, Schaufelgeometrien von Laufrädern, Diffusoren, etc.) ist für

Angebote und Auftragsabwicklung nicht praktikabel:

Hohe Unsicherheiten bei der Vorhersage von Performance und

Betriebspunktdaten

Zu großer Aufwand, und damit auch zu lange Antwortzeiten

Verwendung eines systematischen Stufenbaukastens

Standardisierten Stufenfamilien

Regeln zur Stufen- und Maschinenauslegung (Auslegungsphilosophie)


Stufenbaukasten Eigenschaften

Einheitliche Randbedingungen an

Ein- und Austritt der Stufen

System an vordefinierte Stufen

und Laufrädern (Familien)

(Teilweise) standardisierte Geometrien

Insbesondere der Laufradschaufeln, und

damit konstante Eintritts- und Austrittswinkel

Feste, gestaffelte Kanalformen oder definierte

Anpassungsregeln für den Schaufelkanal,

insbesondere zur Anpassung an den

spezifischen Volumenstrom (Flowcut) und die

Gaseigenschaften (insbesondere Kompressibilität)

Auch Kombinationen von Laufräder- und Stator-Geometrien

Regeln für die Skalierung, und ihre Bewertung hinsichtlich Performance

Hinterlegte Performance-Daten und Kennlinien

Zumeist beschrieben durch dimensionslose Kennzahlen

Experimentell bestätigt

(Modellversuche, Prototypen, Auswertung von Kundenmaschinen)


Stufenbaukasten Überführung von Messergebnissen in

dimensionslose Kennzahlen

Volumenstrom

Wirkungsgra

d

0.8

0.6 0,4

1.0

En

dd

ruck b

zw

.

Dru

ckve

rhä

ltn

is

Volumenstromzahl φ

Wir

ku

ng

sgra

d

En

tha

lpie

& D

ruck-

Ke

nn

za

hl ψh

ψy


Stufenbaukasten Auslegungsphilosophie Laufradkanal

Voraussetzung: Konstante Schaufelgeometrie

1. Philosophie der konstanten

Geschwindigkeitsdreiecke

Einzelne und inkrementelle Anpassung der Eintritts-

und Austrittsbreiten zur Sicherstellung ähnlicher

Geschwindigkeitsdreiecke konstante Strömungswinkel, nur mit der

Umfangsgeschwindigkeit skalierte Geschwindigkeitsdreiecke

Regeln zur Beschreibung des Kanals zwischen

Eintritt und Austritt

2. Philosophie der festen Kanalgeometrie

Feste definierte Kanalgeometrien zur Anpassung an

Änderungen von Volumenstrom (Eintritt) und/oder

Gaseigenschaften.

Moderate Abweichungen Geschwindigkeitsdreiecke

zugelassen und bewertet

Neue

Kanal-

konturen

Höhere Mau

Geringerer

spez.

Volumen-

strom


Stufenbaukasten 2D und 3D-Laufräder

2D-Stufen Schaufel prismatisch

kleinere Volumenstromzahlen

3D-Stufen Schaufel 3-dimensional

verwunden

größere Volumenstromzahlen

0,01 > φ > 0,06

0,06 > φ > 0,18 Quelle: Lüdtke, „Process Centrifugal Compressors“


Anpassung des Volumenstroms

In Einwellen-Radialkompressorn treten Stufen mit verschiedenen

Volumenstromzahlen φ auf

Stufenbaukasten Stufen-Stacking

abhängig von:

1. Wahl der ersten Stufe

2. Kompression/Verdichtung in

den hinteren Stufen


Agenda


3.1 Einführung


3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel




Beispiel:

Auslegung/Auswahl eines Radialkompressor

Ziel

Bestimmung der Baugröße (Durchmesser der Laufräder)

Bestimmung der Anzahl der Stufen

Ermittlung der Antriebsleistung und Drehzahl


Beispiel:


Mass flow dry:

Suction pressure:

Suction temperature:

Relative humidity:

Discharge pressure:

barap 0.11

CT 251

%70

barap 0.52

s

kg V m normal normal

dry 94 . 17 3600

r

. .


Beispiel:


Gas constant dry:

Isentropic exponent :

Absolute humidity:

Gas constant wet:

Compressibility factor:

kg

JRdry 1.287

4.1

015.0x

0.11 z

kg

J

x

RxRR

Waterdry

wet 7.2891


Beispiel:


Mass flow wet:

Density at

suction conditions:

Actual suction volume flow:

3

11

11 159.1

m

kg

TRz

p

r

( ) s

kg x m m dry wet 21 . 18 1

. .

s

m m V wet

3

1

1 71 . 15 r

. .


Beispiel:


Flow coefficient:

Tip speed:

Tip diameter of 1st stage:

D2 rounded:

)(14.01 selected

)(3202 selecteds

mu

mD 67.02

m

u

VD 668.0

421

12

&


Beispiel:


Polytropic efficiency:

Polytropic head rise:

Polytropic head coefficient:

Number of stages:

Effective number of stages:

Effective tip speed:

kg

kJTRzY pol

wet

pol

pol 707.18511

1

11

49.32

2

2

u

Yz

y

pol

st

4stz

)(83.0 selectedpol

)(04.1 selectedy

s

m

z

Yu

yst

pol8.298

22


Beispiel:


Piston leakage mass flow:

Internal power:

Compressor speed:

rpmD

uN

eff517'8

60

2

2

s

kg m piston 2 . 0 .

( ) kW Y

m m P pol

pol

Piston wet i 119 ' 4

. .


Agenda


3.1 Einführung


3.3 Stufenbaukasten

3.4 Beispiel




Grenzen des Betriebsbereichs Beispiel Radialkompressor

onset of full surge

onset of any axi-symmetric

periodic flow perturbation

E

A

p

p

Sto

ne

wall

l Surge line

l Instability line

l Choke

l Stonewall

Pre

ssure

ratio

Inlet flow rate

Lines of

constant

efficiency

Lines of constant

speed n

V E .

Sonic speed in last stage

Sonic speed in first stage

Multi-Stage Compressor


Regelung eines Turbokompressors Aufgaben und Ziele

Regelungsbedarfe (Beispiele)

Anpassung der Produktionsmenge

in industriellen Prozessen mit

näherungsweise konstanten

Prozessdrücken

Mengenanpassung in Anlagen mit

signifikanten Strömungsverlusten

(→ veränderliche Gegendrücke),

z.B. Pipelines für Erdgas

Anpassung an veränderte bzw.

schwankende Gegendrücke,

z. B. Gasspeicher

Ziele

Sicherstellen des geforderten

Betriebspunktes

Erweiterter Betriebsbereich

Hoher Wirkungsgrad

Vermeidung unzulässiger bzw.

unerwünschter Betriebszustände

Strömungsinstabilitäten

Überschallströmung

Üb

ers

ch

all

(Sto

ne

wa

ll)


Regelung eines Turbokompressors Überblick Regelverfahren

Drehzahlregelung

Vordrallregelung:

Verstellbare Eintrittsleitschaufeln

Verstellbare Leitschaufeln (Diffusor)

Verstellbare Laufschaufeln

Drosselung am Austritt

Saugdrosselung

Bypass:

Umblase- / Abblasebetrieb

Zu-/Abschaltung,

Parallel-/Reihenschaltung

Kombinationen

Anpassung der Verdichterkennlinie

Anpassung der Anlagenkennlinie

Kombination von Verdichterstufen

und -gehäusen


Regelung eines Turbokompressors Drehzahlregelung

0

Ypol

A B

V

pol

C

Strömungsmaschinen-Hauptgleichung:

YSch

= ( u2 c

u2 – u

1 c

u1 )

C Ähnliche Geschwindigkeitsdreiecke

polA

~ polC

u1, u

2 V

u2, c

u2 Y

Sch

B Anlage: Konstanter Gegendruck

u2 , c

u2 Y

Sch


Regelung eines Turbokompressors Verstellbare Leitgitter (Vordrallregelung)

0

Ypol

V

Strömungsmaschinen-Hauptgleichung:

YSch

= ( u2 c

u2 – u

1 c

u1 )

C Ähnliche Strömungsverhältnisse im Laufrad

polA

~ polC

a1 V

cu1

, cu2

YSch

↓

B Anlage: Konstanter Gegendruck

cu1

↓ , cu2

YSch

A B

C


Regelung eines Turbokompressors Drosselung am Austritt

p1 AVV &&1

pA

pC

pA

Dp = Throttled Pressure

Difference

A

0

p

V

Dp

p1

C pC

AV&1V&

B

Highly inefficient

control method

1 V .

A V .

A V V 1 . .


Regelung eines Turbokompressors Saug-Drosselung

p

pA A

V 0

p1

B V .

VC / VB = p1 / px

Jet theorem:

pC / p1 = pA / px

Dp = Throttled Pressure

Difference

Dp px

B

pC C

C V .

pA

. px

p1

C V

V B .


Regelung eines Turbokompressors Umblase-/Abblasebetrieb

p1

pA

Dm = Recycled mass flow

A

0

Dm

p1

pA

C pC

B

Highly inefficient control method

Allows flows lower than surge capacity

2

Any compressor has either a recycle loop or blow off line (surge protection)


Agenda








8 Chapter 8

9 Chapter 9


Axial Compressors Axial-Radial Compressor (Type AR-MAX1)


Axial Compressors Axial Compressor Components (Example AR-MAX1)

Exit Flange

Axial Section

Journal Bearing

Axial Blading

Volute Axial

Section

Guide Wall Upper Casing

Balance Piston

Thrust Bearing

Journal Bearing

Exit Flange

Radial Section

Casing axial inlet

Lower Casing

Inlet Flange

Radial Section

Shaft

Vane Carrier

Inlet Radial

Section

Radial Impeller


Axial Compressors Axial Compressor Blading Manufacturing


Single-Shaft Centrifugal Compressors Casing Variants

Horizontal split Barrel type

Example: Air compressor for ammonia plant


Single-Shaft Centrifugal Compressors Impeller and Rotor Manufacturing

Milling

Welding

Brazing

Milled hub disc,

ready for

brazing

Heat shrinking

of impeller


Casings Manufacturing (I)

Casting

Example:

Cast casing (upper half) for an

axial-radial compressor

Forging

Example:

Forged casings for Pipeline compressors

(with cast nozzles welded on)


Casings Design - Stiffness and Tightness

Stiffness Tightness

Evaluation criteria: Remaining pressure at split flange

three times of test pressure


Casings Design - Optimization of Split Line Design

Area of

potential

leakages

Basic design:

Insufficient tightness

of split line

Modified design:

Improved tightness of

split line


Sealing Labyrinth Seals

Design features

Mechanical, non-contact seal

Sealing effect by small clearance

and high flow resistance

(long and complex flow path, turbulence)

Repeated arrangement

Caulked replaceable or

turned (non-replacable) strips

Strips rotating and/or stationary

Straight

“Full” labyrinth


Sealing Labyrinth Seals at Shaft Ends

Application: Nitric Acid plant

Compression: Nitrous gas

1. Balance piston line

2. Buffer air

3. To flare/atmosphere


Sealing Dry Gas Seals (I)

Application

Toxic, flammable, explosive etc gases

(Nearly) zero leakage allowed

Product side

Bearing side

(atmosphere)

(Clean(ed) process gas or separate seal gas)


Sealing Dry Gas Seals (II)

Features

Very low gas leakage rates

Low power consumption

Low seal / buffergas consumption

No seal oil system

No oil contamination of process gas

Requirements

Reliable supply of clean seal gas, buffer

gas and separation gas

Process pressure levels to be kept as

specified

To prevent damages by

Process gas (particles, condensate,

acid, corrosive gas) reaching the seal

“Backpressure” contact of seal rings

Bearing side

(atmosphere)

DGS cartridge


Agenda








8 Chapter 8

9 Chapter 9


Large Air Separation Unit Train Layout

Main Air

Compressor (MAC):

AR105/06M 0.88 5.8 bar

Veff max. = 612,000 m³/h

Steam Turbine:

DK80/190R P = 53 MW

Booster Air

Compressor (BAC):

Train for 3000 t/d oxygen (2012) Intermediate

blow-off

butterfly valve

RG45-6 5.6 85 bar,

Veff = 28,000 m³/h


Referenzen Luftzerlegung:

LINGWURA 1-6, NINGDORA 7-11

für Shenhua Ningmei, China

Shenhua Ningmei, China: Eine der größten CTL-Anlagen

(Grundfläche 1.5 x 2.5 km)

11 identische AIRMAX M-Stränge:

Max. Kapazität je MAX1: 713.000 m³/h

O2-Kapazität gesamt: 2 x 3.600 = 43.000 t/d O2

Max. Antriebsleitung ges.: 12 x 75 MW = 900 MW

AIRMAX M Luftverdichterstränge

AR115-MAX1

Mit Shenhua Ningmei hält MDT aktuell die bedeutendste LZA Referenz.

CTL – Coal To Liquid:

Umwandlung von Kohle in hochreine Kraftstoffe

mit Hilfe des Fischer-Tropsch-Prozesses

Hierzu wird reiner Sauerstoff benötigt

Luftzerlegungs-

einheiten


Purified Terephthalic Acid (PTA) Process and Typical Train Layout

Air Compressor:

Steam Turbine: Expander:

Lube oil

system

Motor-

generator

Cooling

water pipes

Application key facts

Purified terephtalic acid (PTA) is a

chemical inter-mediate to produce:

Synthetic fibers

PET (e.g. beverage bottles)

Main Feedstock: Paraxylene


Purified Terephthalic Acid (PTA) Turbomachinery


Purified Terephthalic Acid (PTA) View Inside a Machine House (China, 2014)


Nitric Acid (HNO3) Process and Typical Train Layout


HNO3 is a chemical intermediate

to produce:

Fertilizers

Explosives

MDI/TDI (plastics)

…

Feedstock: Ammonia (NH3)

Expander:

Steam Turbine:

NO Compressor:

3.9 12 bar,

Veff = 70,000 m³/h

Air Compressor:

1 4.3 bar,

Veff = 294,000 m³/h

Train for 1520 t/d HNO3

Lube oil

system

Water

injection


Nitric Acid (HNO3) Turbomachinery

Turbomachinery train for a nitric acid plant in China


Ethylene Application and Train Example


Ethylene plants convert naphta or gas to ethylene and propylene as

pre-product for polymers (plastics) and other chemicals.

Steam cracker plants typically include three trains:

Raw gas

Propylene Refrigeration

Ethylene Refrigeration

Raw gas

compressor train

Steam Turbine:

MP Compressor

LP Compressor

HP

Compr.


Fluid Catalytic Cracking (FCC) Application and Comrpessor


The Fluid Catalytic Cracking (FCC) process

converts various heavy hydrocarbons to lighter

more valuable products via high-temperature

catalytic cracking.

The growing demand for light hydrocarbons

such as gasoline, diesel or propylene is driven

by the increasing levels of motorization

worldwide and the growing need for plastic or

synthetic fibres.

FCC plants typically include:

Main Air Compressor (Axial)

Wetgas Compressor (Centrifugal)

Expander for power recovery, if specified

Wetgas compressor


Gas Transport Pipeline Compressor Station


Ressourcen in der Tiefsee erschließen Subsea-Kompressoren für das Åsgard-Feld

MAN hat den ersten Unterwasserkompressor entwickelt, der direkt auf dem Meeresboden installiert wird


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This data serves informational purposes only and is especially

not guaranteed in any way. Depending on the subsequent

specific individual projects, the relevant data may be subject

to changes and will be assessed and determined individually

for each project. This will depend on the particular

characteristics of each individual project, especially specific

site and operational conditions.

Disclaimer


Dr. Christoph Jakiel

Product Manager

MAN Diesel & Turbo SE

SBU Turbomachinery

Product Management (ETX)

Steinbrinkstr. 1

46145 Oberhausen, Germany

Phone +49 208 692-2430

Fax +49 208 692-2702

Mobile +49 151 15000127

[email protected]

www.mandieselturbo.com

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