HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Ekspander dapat menggunakan pengurangan tekanan untuk menggerakkan mesin berputar. Informasi tentang cara mengevaluasi potensi manfaat pemasangan ekspander dapat ditemukan di sini.
Umumnya dalam industri proses kimia (CPI), "sejumlah besar energi terbuang dalam katup kontrol tekanan di mana fluida bertekanan tinggi harus didekompresi" [1]. Tergantung pada berbagai faktor teknis dan ekonomi, mungkin diinginkan untuk mengubah energi ini menjadi energi mekanik berputar, yang dapat digunakan untuk menggerakkan generator atau mesin berputar lainnya. Untuk fluida tak termampatkan (cairan), hal ini dicapai menggunakan turbin pemulihan energi hidrolik (HPRT; lihat referensi 1). Untuk cairan termampatkan (gas), ekspander adalah mesin yang sesuai.
Ekspander merupakan teknologi yang telah matang dengan banyak aplikasi yang sukses seperti perengkahan katalitik fluida (FCC), refrigerasi, katup gas alam kota, pemisahan udara, atau emisi gas buang. Pada prinsipnya, aliran gas apa pun dengan tekanan rendah dapat digunakan untuk menggerakkan ekspander, tetapi "keluaran energi berbanding lurus dengan rasio tekanan, suhu, dan laju aliran gas" [2], serta kelayakan teknis dan ekonomis. Implementasi Ekspander: Prosesnya bergantung pada faktor-faktor ini dan faktor lainnya, seperti harga energi lokal dan ketersediaan peralatan yang sesuai dari produsen.
Meskipun turboexpander (berfungsi serupa dengan turbin) merupakan jenis ekspander yang paling umum (Gambar 1), terdapat jenis lain yang sesuai untuk berbagai kondisi proses. Artikel ini memperkenalkan jenis-jenis utama ekspander dan komponen-komponennya, serta merangkum bagaimana manajer operasi, konsultan, atau auditor energi di berbagai divisi CPI dapat mengevaluasi potensi manfaat ekonomi dan lingkungan dari pemasangan ekspander.
Terdapat berbagai jenis resistance band dengan geometri dan fungsi yang sangat bervariasi. Jenis-jenis utama ditunjukkan pada Gambar 2, dan masing-masing jenis dijelaskan secara singkat di bawah ini. Untuk informasi lebih lanjut, serta grafik yang membandingkan status pengoperasian setiap jenis berdasarkan diameter dan kecepatan tertentu, lihat Bantuan. 3.
Turboekspander piston. Turboekspander piston dan putar beroperasi seperti mesin pembakaran internal berputar terbalik, menyerap gas bertekanan tinggi dan mengubah energi tersimpannya menjadi energi putar melalui poros engkol.
Tarik turbo ekspander. Ekspander turbin rem terdiri dari ruang aliran konsentris dengan sirip-sirip bucket yang terpasang di sekeliling elemen yang berputar. Sirip-sirip ini dirancang serupa dengan kincir air, tetapi penampang ruang konsentrisnya bertambah dari saluran masuk ke saluran keluar, sehingga gas dapat berekspansi.
Turboekspander radial. Turboekspander aliran radial memiliki saluran masuk aksial dan saluran keluar radial, yang memungkinkan gas berekspansi secara radial melalui impeller turbin. Demikian pula, turbin aliran aksial mengekspansi gas melalui roda turbin, tetapi arah alirannya tetap sejajar dengan sumbu rotasi.
Artikel ini berfokus pada turboexpander radial dan aksial, membahas berbagai subtipe, komponen, dan ekonominya.
Turboexpander mengekstrak energi dari aliran gas bertekanan tinggi dan mengubahnya menjadi beban penggerak. Biasanya, beban tersebut berupa kompresor atau generator yang terhubung ke poros. Turboexpander dengan kompresor mengompresi fluida di bagian lain aliran proses yang membutuhkan fluida terkompresi, sehingga meningkatkan efisiensi keseluruhan pabrik dengan memanfaatkan energi yang terbuang sia-sia. Turboexpander dengan beban generator mengubah energi menjadi listrik, yang dapat digunakan dalam proses pabrik lainnya atau dikembalikan ke jaringan listrik lokal untuk dijual.
Generator turboexpander dapat dilengkapi dengan poros penggerak langsung dari roda turbin ke generator, atau melalui kotak roda gigi yang secara efektif mengurangi kecepatan input dari roda turbin ke generator melalui rasio roda gigi. Turboexpander penggerak langsung menawarkan keunggulan dalam hal efisiensi, jejak, dan biaya perawatan. Turboexpander kotak roda gigi lebih berat dan membutuhkan jejak yang lebih besar, peralatan bantu pelumasan, dan perawatan rutin.
Turboekspander aliran-melalui dapat dibuat dalam bentuk turbin radial atau aksial. Ekspander aliran radial memiliki saluran masuk aksial dan saluran keluar radial sehingga aliran gas keluar dari turbin secara radial dari sumbu rotasi. Turbin aksial memungkinkan gas mengalir secara aksial sepanjang sumbu rotasi. Turbin aliran aksial mengekstraksi energi dari aliran gas melalui sudu-sudu pemandu saluran masuk ke roda ekspander, dengan luas penampang ruang ekspansi meningkat secara bertahap untuk mempertahankan kecepatan konstan.
Generator turboexpander terdiri dari tiga komponen utama: roda turbin, bantalan khusus, dan generator.
Roda turbin. Roda turbin seringkali dirancang khusus untuk mengoptimalkan efisiensi aerodinamis. Variabel aplikasi yang memengaruhi desain roda turbin meliputi tekanan masuk/keluar, suhu masuk/keluar, aliran volume, dan sifat fluida. Ketika rasio kompresi terlalu tinggi untuk dikurangi dalam satu tahap, turboekspander dengan beberapa roda turbin diperlukan. Baik roda turbin radial maupun aksial dapat dirancang sebagai roda turbin multi-tahap, tetapi roda turbin aksial memiliki panjang aksial yang jauh lebih pendek sehingga lebih kompak. Turbin aliran radial multi-tahap membutuhkan gas untuk mengalir dari aksial ke radial dan kembali ke aksial, sehingga menghasilkan kerugian gesekan yang lebih tinggi daripada turbin aliran aksial.
Bantalan. Desain bantalan sangat penting untuk pengoperasian turboexpander yang efisien. Jenis bantalan yang terkait dengan desain turboexpander sangat bervariasi dan dapat mencakup bantalan oli, bantalan film cair, bantalan bola tradisional, dan bantalan magnetik. Setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Banyak produsen turboexpander memilih bantalan magnetik sebagai "bantalan pilihan" mereka karena keunggulannya yang unik. Bantalan magnetik memastikan pengoperasian komponen dinamis turboexpander tanpa gesekan, sehingga secara signifikan mengurangi biaya pengoperasian dan perawatan selama masa pakai mesin. Bantalan ini juga dirancang untuk menahan berbagai beban aksial dan radial serta kondisi tegangan berlebih. Biaya awal yang lebih tinggi diimbangi oleh biaya siklus hidup yang jauh lebih rendah.
Dinamo. Generator mengambil energi putar turbin dan mengubahnya menjadi energi listrik yang berguna menggunakan generator elektromagnetik (yang dapat berupa generator induksi atau generator magnet permanen). Generator induksi memiliki kecepatan terukur yang lebih rendah, sehingga aplikasi turbin kecepatan tinggi memerlukan kotak roda gigi, tetapi dapat dirancang agar sesuai dengan frekuensi jaringan, sehingga menghilangkan kebutuhan akan penggerak frekuensi variabel (VFD) untuk memasok listrik yang dihasilkan. Di sisi lain, generator magnet permanen dapat langsung dikopel porosnya ke turbin dan mengirimkan daya ke jaringan melalui penggerak frekuensi variabel. Generator dirancang untuk menghasilkan daya maksimum berdasarkan daya poros yang tersedia dalam sistem.
Segel. Segel juga merupakan komponen penting saat merancang sistem turboexpander. Untuk mempertahankan efisiensi tinggi dan memenuhi standar lingkungan, sistem harus disegel untuk mencegah potensi kebocoran gas proses. Turboexpander dapat dilengkapi dengan segel dinamis atau statis. Segel dinamis, seperti segel labirin dan segel gas kering, menyediakan segel di sekitar poros yang berputar, biasanya di antara roda turbin, bantalan, dan bagian lain mesin tempat generator berada. Segel dinamis akan aus seiring waktu dan memerlukan perawatan serta pemeriksaan rutin untuk memastikannya berfungsi dengan baik. Ketika semua komponen turboexpander berada dalam satu rumah, segel statis dapat digunakan untuk melindungi kabel apa pun yang keluar dari rumah, termasuk ke generator, penggerak bantalan magnetik, atau sensor. Segel kedap udara ini memberikan perlindungan permanen terhadap kebocoran gas dan tidak memerlukan perawatan atau perbaikan.
Dari sudut pandang proses, persyaratan utama pemasangan ekspander adalah memasok gas bertekanan tinggi yang dapat dikompresi (tidak dapat dikondensasi) ke sistem bertekanan rendah dengan laju aliran, penurunan tekanan, dan pemanfaatan yang memadai untuk mempertahankan operasi normal peralatan. Parameter operasi dijaga pada tingkat yang aman dan efisien.
Dalam hal fungsi pengurang tekanan, ekspander dapat digunakan untuk menggantikan katup Joule-Thomson (JT), yang juga dikenal sebagai katup gas. Karena katup JT bergerak dalam lintasan isentropik dan ekspander bergerak dalam lintasan yang hampir isentropik, ekspander mengurangi entalpi gas dan mengubah perbedaan entalpi menjadi daya poros, sehingga menghasilkan suhu keluaran yang lebih rendah daripada katup JT. Hal ini berguna dalam proses kriogenik yang bertujuan untuk menurunkan suhu gas.
Jika terdapat batas bawah suhu gas keluar (misalnya, di stasiun dekompresi yang mengharuskan suhu gas dijaga di atas titik beku, hidrasi, atau suhu desain material minimum), setidaknya satu pemanas harus ditambahkan. Pemanas ini mengontrol suhu gas. Ketika preheater ditempatkan di hulu ekspander, sebagian energi dari gas umpan juga dipulihkan di dalam ekspander, sehingga meningkatkan daya keluarannya. Dalam beberapa konfigurasi yang memerlukan kontrol suhu keluar, reheater kedua dapat dipasang setelah ekspander untuk memberikan kontrol yang lebih cepat.
Pada Gambar 3 menunjukkan diagram sederhana dari diagram alir umum generator ekspander dengan pemanas awal yang digunakan untuk mengganti katup JT.
Dalam konfigurasi proses lainnya, energi yang dipulihkan dalam ekspander dapat ditransfer langsung ke kompresor. Mesin ini, terkadang disebut "commander", biasanya memiliki tahap ekspansi dan kompresi yang dihubungkan oleh satu atau lebih poros, yang mungkin juga dilengkapi kotak roda gigi untuk mengatur perbedaan kecepatan antara kedua tahap tersebut. Mesin ini juga dapat dilengkapi motor tambahan untuk memberikan daya lebih besar ke tahap kompresi.
Berikut ini adalah beberapa komponen terpenting yang memastikan pengoperasian dan stabilitas sistem berjalan dengan baik.
Katup bypass atau katup pengurang tekanan. Katup bypass memungkinkan pengoperasian berlanjut saat turboexpander tidak beroperasi (misalnya, untuk pemeliharaan atau keadaan darurat), sementara katup pengurang tekanan digunakan untuk pengoperasian berkelanjutan guna memasok gas berlebih saat aliran total melebihi kapasitas desain ekspander.
Katup pemutus darurat (ESD). Katup ESD digunakan untuk memblokir aliran gas ke dalam ekspander dalam keadaan darurat guna menghindari kerusakan mekanis.
Instrumen dan kontrol. Variabel penting yang perlu dipantau meliputi tekanan masuk dan keluar, laju aliran, kecepatan putaran, dan daya keluaran.
Mengemudi dengan kecepatan tinggi. Perangkat ini memutus aliran ke turbin, menyebabkan rotor turbin melambat, sehingga melindungi peralatan dari kecepatan tinggi akibat kondisi proses tak terduga yang dapat merusak peralatan.
Katup Pengaman Tekanan (PSV). PSV sering dipasang setelah turboexpander untuk melindungi pipa dan peralatan bertekanan rendah. PSV harus dirancang untuk menahan kontinjensi terberat, yang biasanya mencakup kegagalan katup bypass untuk terbuka. Jika ekspander ditambahkan ke stasiun pengurangan tekanan yang sudah ada, tim desain proses harus menentukan apakah PSV yang ada memberikan perlindungan yang memadai.
Pemanas. Pemanas mengkompensasi penurunan suhu yang disebabkan oleh gas yang melewati turbin, sehingga gas harus dipanaskan terlebih dahulu. Fungsi utamanya adalah untuk meningkatkan suhu aliran gas yang naik agar suhu gas yang keluar dari ekspander tetap di atas nilai minimum. Manfaat lain dari peningkatan suhu adalah untuk meningkatkan daya keluaran serta mencegah korosi, kondensasi, atau hidrat yang dapat berdampak buruk pada nozel peralatan. Dalam sistem yang mengandung penukar kalor (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3), suhu gas biasanya dikontrol dengan mengatur aliran cairan panas ke dalam preheater. Dalam beberapa desain, pemanas api atau pemanas listrik dapat digunakan sebagai pengganti penukar kalor. Pemanas mungkin sudah ada di stasiun katup JT yang ada, dan menambahkan ekspander mungkin tidak memerlukan pemasangan pemanas tambahan, melainkan meningkatkan aliran fluida panas.
Sistem oli pelumas dan gas seal. Sebagaimana disebutkan sebelumnya, ekspander dapat menggunakan desain seal yang berbeda, yang mungkin memerlukan pelumas dan gas seal. Jika memungkinkan, oli pelumas harus mempertahankan kualitas dan kemurnian tinggi saat bersentuhan dengan gas proses, dan tingkat viskositas oli harus tetap berada dalam rentang operasi yang dipersyaratkan untuk bantalan yang dilumasi. Sistem gas seal biasanya dilengkapi dengan perangkat pelumasan oli untuk mencegah oli dari kotak bantalan masuk ke kotak ekspansi. Untuk aplikasi khusus kompander yang digunakan dalam industri hidrokarbon, sistem oli pelumas dan gas seal biasanya dirancang sesuai spesifikasi API 617 [5] Bagian 4.
Penggerak frekuensi variabel (VFD). Ketika generator bersifat induksi, VFD biasanya dihidupkan untuk menyesuaikan sinyal arus bolak-balik (AC) agar sesuai dengan frekuensi utilitas. Umumnya, desain berbasis penggerak frekuensi variabel memiliki efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi daripada desain yang menggunakan kotak roda gigi atau komponen mekanis lainnya. Sistem berbasis VFD juga dapat mengakomodasi rentang perubahan proses yang lebih luas yang dapat mengakibatkan perubahan kecepatan poros ekspander.
Transmisi. Beberapa desain ekspander menggunakan kotak roda gigi untuk mengurangi kecepatan ekspander ke kecepatan nominal generator. Biaya penggunaan kotak roda gigi adalah efisiensi keseluruhan yang lebih rendah dan oleh karena itu, daya keluaran yang lebih rendah.
Saat menyiapkan permintaan penawaran (RFQ) untuk ekspander, insinyur proses harus terlebih dahulu menentukan kondisi operasi, termasuk informasi berikut:
Insinyur mekanik sering kali melengkapi spesifikasi dan spesifikasi generator ekspander menggunakan data dari disiplin ilmu teknik lainnya. Masukan ini dapat mencakup hal-hal berikut:
Spesifikasi juga harus mencakup daftar dokumen dan gambar yang disediakan oleh produsen sebagai bagian dari proses tender dan ruang lingkup pasokan, serta prosedur pengujian yang berlaku sebagaimana dipersyaratkan oleh proyek.
Informasi teknis yang diberikan oleh produsen sebagai bagian dari proses tender pada umumnya harus mencakup elemen-elemen berikut:
Jika ada aspek proposal yang berbeda dari spesifikasi asli, produsen juga harus memberikan daftar penyimpangan dan alasan penyimpangan tersebut.
Setelah proposal diterima, tim pengembangan proyek harus meninjau permintaan kepatuhan dan menentukan apakah varians dibenarkan secara teknis.
Pertimbangan teknis lain yang perlu dipertimbangkan saat mengevaluasi proposal meliputi:
Terakhir, analisis ekonomi perlu dilakukan. Karena opsi yang berbeda dapat menghasilkan biaya awal yang berbeda pula, disarankan untuk melakukan analisis arus kas atau biaya siklus hidup untuk membandingkan nilai ekonomi jangka panjang dan laba atas investasi proyek. Misalnya, investasi awal yang lebih tinggi dapat diimbangi dalam jangka panjang dengan peningkatan produktivitas atau pengurangan kebutuhan pemeliharaan. Lihat "Referensi" untuk petunjuk tentang jenis analisis ini. 4.
Semua aplikasi generator turboekspander memerlukan perhitungan daya potensial total awal untuk menentukan jumlah total energi yang tersedia yang dapat dipulihkan dalam aplikasi tertentu. Untuk generator turboekspander, potensial daya dihitung sebagai proses isentropik (entropi konstan). Ini adalah situasi termodinamika ideal untuk mempertimbangkan proses adiabatik reversibel tanpa gesekan, tetapi ini juga merupakan proses yang tepat untuk memperkirakan potensi energi aktual.
Energi potensial isentropik (IPP) dihitung dengan mengalikan selisih entalpi spesifik pada saluran masuk dan keluar turboekspander dan mengalikan hasilnya dengan laju aliran massa. Energi potensial ini akan dinyatakan sebagai besaran isentropik (Persamaan (1)):
IPP = ( hinlet – h(i,e)) × ṁ x ŋ (1)
di mana h(i,e) adalah entalpi spesifik dengan memperhitungkan suhu keluaran isentropik dan ṁ adalah laju aliran massa.
Meskipun energi potensial isentropik dapat digunakan untuk memperkirakan energi potensial, semua sistem nyata melibatkan gesekan, panas, dan kehilangan energi tambahan lainnya. Oleh karena itu, ketika menghitung potensial daya aktual, data masukan tambahan berikut harus diperhitungkan:
Pada sebagian besar aplikasi turboexpander, suhu dibatasi seminimal mungkin untuk mencegah masalah yang tidak diinginkan seperti pembekuan pipa yang telah disebutkan sebelumnya. Hidrat hampir selalu terdapat pada aliran gas alam, yang berarti pipa di hilir turboexpander atau katup gas akan membeku secara internal dan eksternal jika suhu outlet turun di bawah 0°C. Pembentukan es dapat mengakibatkan pembatasan aliran dan pada akhirnya mematikan sistem untuk pencairan. Dengan demikian, suhu outlet yang "diinginkan" digunakan untuk menghitung skenario daya potensial yang lebih realistis. Namun, untuk gas seperti hidrogen, batas suhu jauh lebih rendah karena hidrogen tidak berubah dari gas menjadi cair hingga mencapai suhu kriogenik (-253°C). Gunakan suhu outlet yang diinginkan ini untuk menghitung entalpi spesifik.
Efisiensi sistem turboexpander juga perlu dipertimbangkan. Tergantung pada teknologi yang digunakan, efisiensi sistem dapat sangat bervariasi. Misalnya, turboexpander yang menggunakan roda gigi reduksi untuk mentransfer energi putar dari turbin ke generator akan mengalami kerugian gesekan yang lebih besar daripada sistem yang menggunakan penggerak langsung dari turbin ke generator. Efisiensi keseluruhan sistem turboexpander dinyatakan dalam persentase dan diperhitungkan saat menilai potensi daya aktual turboexpander. Potensi daya aktual (PP) dihitung sebagai berikut:
PP = (hinlet – hexit) × ṁ x ṅ (2)
Mari kita lihat penerapan pelepas tekanan gas alam. ABC mengoperasikan dan memelihara stasiun pengurangan tekanan yang mengangkut gas alam dari pipa utama dan mendistribusikannya ke kota-kota setempat. Di stasiun ini, tekanan masuk gas adalah 40 bar dan tekanan keluar adalah 8 bar. Suhu gas masuk yang telah dipanaskan sebelumnya adalah 35°C, yang memanaskan gas terlebih dahulu untuk mencegah pembekuan pipa. Oleh karena itu, suhu gas keluar harus dikontrol agar tidak turun di bawah 0°C. Dalam contoh ini, kita akan menggunakan 5°C sebagai suhu keluar minimum untuk meningkatkan faktor keamanan. Laju aliran gas volumetrik yang dinormalisasi adalah 50.000 Nm3/jam. Untuk menghitung potensi daya, kita akan mengasumsikan bahwa semua gas mengalir melalui turbo ekspander dan menghitung daya keluaran maksimum. Perkirakan potensi daya keluaran total menggunakan perhitungan berikut: