Sparsamer Dreifachturbo

Speziell für die hohe Grundlast großer Chemiewerke hat Atlas Copco den ölfreien Turbokompressor ZH 350+ entwickelt. Die Maschine verfügt über Hochgeschwindigkeitsmotoren mit 350 kW installierter Leistung und eignet sich am besten für die gängigen mittleren Betriebsüberdrücke von etwa 6 bis 8 bar. Das typische Einsatzfeld des ZH 350+ ist eine Mehrkompressorenstation.

Anhand eines Air-Scan-Reports wird in Zahlen schnell deutlich, wie stark die Stromrechnung durch den Einsatz eines ZH 350+ sinken kann. Dessen sehr niedriger Energiebedarf ist insbesondere auf fünf konstruktive Details zurückzuführen. Als Erstes ist das dreistufige Verdichtungskonzept zu nennen, das auf moderne Technologie setzt und hohe thermodynamische Effizienz und geringen Stromverbrauch erreicht. Die dreistufige Konstruktion wird von Experten bei Turbokompressoren als effizienteste Lösung für die Verdichtung von Druckluft auf Betriebsüberdrücke zwischen 7 und 11 bar angesehen. Sie senkt die durchschnittlichen Lebenszykluskosten um 3 % im Vergleich zu ölfreien verdichtenden Schraubenkompressoren und um 18 % im Vergleich zu zweistufigen Turbokompressoren.

Zweitens: Der ZH 350+ verzichtet komplett auf ein Getriebe, weshalb an dieser Stelle auch keine Übertragungsverluste entstehen. Solche Verluste können die Energieeffizienz von Kompressoren in der 350-kW-Leistungsklasse um 9 % verschlechtern. Stattdessen sind die Wellen verschleißfrei magnetisch gelagert, wodurch diese Konstruktion schwingungs- und wartungsfrei arbeitet. Als weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass keinerlei Lager- und Getriebeschmierung erforderlich ist und somit komplett auf ein Ölsystem verzichtet werden kann.

Zum Dritten wurden die Turbinenlaufräder des ZH 350+ aus Titan gefertigt. Diese arbeiten nicht nur zuverlässiger, sondern erlauben es zudem, schneller zwischen Last- und Leerlaufbetrieb zu wechseln. Der Geschwindigkeitsvorteil senkt die Energieverluste in Phasen niedrigen Luftbedarfs.

Die letzten beiden konstruktiven Merkmale wirken sich auf den Druckabfall und seine Verluste aus. So bläst dieser Kompressor vor dem Nachkühler ab statt dahinter. Dadurch entstehen nur geringe Druckverluste, wenn der Luftbedarf sinkt. Ferner wurden die Kühler besser dimensioniert, wodurch der Druckverlust an diesen Komponenten spürbar sinkt. Außerdem ermöglicht diese Konstruktion eine größere Übertragungsfläche für Wärmetauscher.

Die Kombination aus geringeren Luft- und Übertragungsverlusten sowie dem minimalen Druckabfall führt dazu, dass der Turbokompressor bei gleichen Betriebsbedingungen um 4 % energieeffizienter ist als die bisher leistungsfähigsten Kompressoren aus dem Atlas-Copco-Portfolio. Weitere Energieeinsparungen sind in Verbindung mit den MD- und ND-Adsorptionstrocknern möglich. Sie arbeiten deshalb so energiesparend, weil sie die Verdichtungswärme der Kompressoren zum Regenerieren nutzen.

Besonders energiesparend arbeiten die ND-Adsorptionstrockner, die für sehr tiefe Taupunkte bis zu -40 °C entwickelt wurden. Der ND 1800 kann beispielsweise im Zusammenspiel mit den ZR-Schraubenkompressoren eingesetzt werden und spart im Vergleich zu konventionellen Adsorptionstrocknern bis zu 50 % der gesamten Lebenszykluskosten ein. Sowohl die MD- als auch die ND-Trockner benötigen im Vergleich zu herkömmlichen Adsorptionstrocknern nur etwa 5 % des Trocknungsmittels.

Atlas Copco has developed the oil-free turbo compressor ZH 350+ especially for large plants in the chemical industry. The compressor is equipped with high-speed electric motors with a power installed of 350 kW and is best-suited for the widely used medium-pressure range from about 6 to 8 bar. The typical application for the ZH 350+ is in a multi-compressor station.

An Air-Scan report clearly indicates the savings in terms of power costs that could be achieved by installing a ZH 350+, for example. The low energy consumption of the ZH 350+ is mainly due to five design features. First, the three- stage design is based on innovative technology to achieve high thermodynamic efficiency and low power consumption. A three-stage design is widely recognised by experts in the field as the most efficient design for achieving compression between 7 and 11 bar with a turbo compressor. The three-stage turbo design results in average life cycle costs which are 3 % lower than those of an oil-free screw design.

Second, the ZH 350+ completely eliminates the gearbox, avoiding the transmission losses associated with a gearbox. Transmission losses can result in an energy efficiency reduction of up to 9 % in compressors in the 350 kW range.

Furthermore, the shafts of the compressor feature wear-free magnetic bearings; as a result, vibration is prevented and maintenance is not required. In addition, no bearing or transmission lubrication is required and the oil system is therefore entirely eliminated.

Third, the ZH 350+ has titanium impellers which are not only more reliable but also permit faster load-unload cycles. The speed gain results in reduced power losses at times of low air demand.

The two final design features have an impact on pressure drop and pressure losses. This compressor blows off upstream from the aftercool-er, minimising pressure losses in the event of falling air demand. Finally, the sizing of the coolers has been optimised, significantly reduc-ing the pressure drop in these components.

The combination of low air and transmission losses makes this turbo compressor about 4 % more energy-efficient than the highest-per- formance air compressors in the Atlas Copco range at the same operating conditions. Other energy savings are possible in combination with the ND and MD dryers.

Atlas Copco adsorption dryers are so energy- efficient because they use the heat of compression of the compressors for regeneration. Adsorption dryers actively remove moisture from the compressed air using an adsorbent. As soon as this material is saturated, it can no longer adsorb moisture and must be regenerated. In conventional systems, this is achieved using a second container, or “tower“ of the dryer; in the MD dryer, a partition inside the drum is used. The ND adsorption dryers, which are designed for even lower dew points, down to -40 °C, also operate in an energy-saving way. For example, the ND 1800, in combination with ZR screw compressors saves up to 50 % of the entire life cycle costs compared with conventional adsorption dryers. MD and ND dryers only use about 5 % of the absorbent required by conventional adsorption dryers.

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