Ekspander dapat menggunakan pengurangan tekanan untuk menggerakkan mesin yang 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 cairan bertekanan tinggi harus dikurangi tekanannya” [1]. Bergantung 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 cairan yang tidak dapat dimampatkan (cairan), hal ini dicapai dengan menggunakan turbin pemulihan energi hidrolik (HPRT; lihat referensi 1). Untuk cairan yang dapat dimampatkan (gas), ekspander adalah mesin yang cocok.
Ekspander merupakan teknologi yang sudah matang dengan banyak aplikasi yang berhasil seperti perengkahan katalitik fluida (FCC), pendinginan, katup gas alam kota, pemisahan udara atau emisi gas buang. Pada prinsipnya, aliran gas apa pun dengan tekanan yang dikurangi dapat digunakan untuk menggerakkan ekspander, tetapi “keluaran energi berbanding lurus dengan rasio tekanan, suhu, dan laju aliran aliran gas” [2], serta kelayakan teknis dan ekonomi. 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 expander yang paling terkenal (Gambar 1), ada jenis lain yang sesuai untuk berbagai kondisi proses. Artikel ini memperkenalkan jenis-jenis utama expander 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 expander.
Ada banyak jenis resistance band yang sangat bervariasi dalam geometri dan fungsi. Jenis-jenis utamanya ditunjukkan pada Gambar 2, dan masing-masing jenis dijelaskan secara singkat di bawah ini. Untuk informasi lebih lanjut, serta grafik yang membandingkan status pengoperasian masing-masing jenis berdasarkan diameter dan kecepatan tertentu, lihat Bantuan. 3.
Turboekspander piston. Turboekspander piston dan piston putar beroperasi seperti mesin pembakaran internal yang berputar terbalik, menyerap gas bertekanan tinggi dan mengubah energi yang tersimpan menjadi energi rotasi melalui poros engkol.
Tarik turbo expander. Brake turbin expander terdiri dari ruang aliran konsentris dengan sirip bucket yang terpasang pada pinggiran elemen yang berputar. Sirip bucket dirancang dengan cara yang sama seperti kincir air, tetapi penampang ruang konsentris meningkat dari saluran masuk ke saluran keluar, yang memungkinkan gas mengembang.
Turboekspander radial. Turboekspander aliran radial memiliki saluran masuk aksial dan saluran keluar radial, yang memungkinkan gas mengembang secara radial melalui impeller turbin. Demikian pula, turbin aliran aksial mengembang gas melalui roda turbin, tetapi arah aliran tetap sejajar dengan sumbu rotasi.
Artikel ini berfokus pada turboexpander radial dan aksial, membahas berbagai subtipe, komponen, dan ekonominya.
Turboexpander mengekstraksi 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 memampatkan fluida di bagian lain aliran proses yang memerlukan fluida terkompresi, sehingga meningkatkan efisiensi keseluruhan pabrik dengan menggunakan energi yang terbuang sia-sia. Turboexpander dengan beban generator mengubah energi menjadi listrik, yang dapat digunakan dalam proses pabrik lain 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 masukan dari roda turbin ke generator melalui rasio roda gigi. Turboexpander penggerak langsung menawarkan keuntungan dalam hal efisiensi, jejak, dan biaya perawatan. Turboexpander kotak roda gigi lebih berat dan memerlukan jejak yang lebih besar, peralatan bantu pelumasan, dan perawatan rutin.
Turboekspander aliran-melalui dapat dibuat dalam bentuk turbin radial atau aksial. Ekspander aliran radial berisi 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 bilah pemandu saluran masuk ke roda ekspander, dengan luas penampang ruang ekspansi secara bertahap meningkat untuk mempertahankan kecepatan yang konstan.
Generator turboexpander terdiri dari tiga komponen utama: roda turbin, bantalan khusus, dan generator.
Roda turbin. Roda turbin sering kali 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. Bila rasio kompresi terlalu tinggi untuk dikurangi dalam satu tahap, diperlukan turboexpander dengan beberapa roda turbin. Baik roda turbin radial maupun aksial dapat dirancang sebagai roda turbin multitahap, tetapi roda turbin aksial memiliki panjang aksial yang jauh lebih pendek dan karenanya lebih kompak. Turbin aliran radial multitahap memerlukan 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 dengan 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 disambungkan 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 aus seiring waktu dan memerlukan perawatan dan pemeriksaan rutin untuk memastikannya berfungsi dengan baik. Ketika semua komponen turboexpander termuat dalam satu rumah, segel statis dapat digunakan untuk melindungi kabel apa pun yang keluar dari rumah, termasuk ke generator, penggerak bantalan magnetis, atau sensor. Segel kedap udara ini memberikan perlindungan permanen terhadap kebocoran gas dan tidak memerlukan perawatan atau perbaikan.
Dari sudut pandang proses, persyaratan utama untuk memasang ekspander adalah memasok gas bertekanan tinggi yang dapat dikompresi (tidak dapat dikondensasi) ke sistem bertekanan rendah dengan aliran, penurunan tekanan, dan pemanfaatan yang cukup untuk mempertahankan pengoperasian peralatan secara normal. Parameter pengoperasian dipertahankan pada tingkat yang aman dan efisien.
Dalam hal fungsi pengurangan tekanan, ekspander dapat digunakan untuk mengganti katup Joule-Thomson (JT), yang juga dikenal sebagai katup gas. Karena katup JT bergerak sepanjang jalur isentropik dan ekspander bergerak sepanjang jalur yang hampir isentropik, maka 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 mengurangi suhu gas.
Jika ada batas bawah pada suhu gas keluar (misalnya, di stasiun dekompresi tempat suhu gas harus dipertahankan di atas titik beku, hidrasi, atau suhu desain material minimum), setidaknya satu pemanas harus ditambahkan. mengontrol suhu gas. Ketika pemanas awal terletak di hulu ekspander, sebagian energi dari gas umpan juga dipulihkan dalam ekspander, sehingga meningkatkan daya keluarannya. Dalam beberapa konfigurasi tempat kontrol suhu keluar diperlukan, pemanas ulang 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 diperoleh kembali dalam ekspander dapat ditransfer langsung ke kompresor. Mesin ini, yang terkadang disebut "commander", biasanya memiliki tahap ekspansi dan kompresi yang dihubungkan oleh satu atau lebih poros, yang mungkin juga mencakup kotak roda gigi untuk mengatur perbedaan kecepatan antara kedua tahap. Mesin ini juga dapat mencakup motor tambahan untuk menyediakan lebih banyak daya ke tahap kompresi.
Berikut ini adalah beberapa komponen terpenting yang memastikan pengoperasian dan kestabilan sistem dengan baik.
Katup bypass atau katup pengurang tekanan. Katup bypass memungkinkan pengoperasian terus berlanjut saat turboexpander tidak beroperasi (misalnya, untuk perawatan 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, yang menyebabkan rotor turbin melambat, sehingga melindungi peralatan dari kecepatan tinggi akibat kondisi proses yang tidak terduga yang dapat merusak peralatan.
Katup Pengaman Tekanan (PSV). PSV sering dipasang setelah turboexpander untuk melindungi jaringan pipa dan peralatan bertekanan rendah. PSV harus dirancang untuk menahan kemungkinan terburuk, yang biasanya mencakup kegagalan katup pintas untuk terbuka. Jika ekspander ditambahkan ke stasiun pengurangan tekanan yang ada, tim desain proses harus menentukan apakah PSV yang ada memberikan perlindungan yang memadai.
Pemanas. Pemanas mengompensasi 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 guna mempertahankan suhu gas yang meninggalkan ekspander 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 nosel peralatan. Dalam sistem yang berisi penukar panas (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3), suhu gas biasanya dikontrol dengan mengatur aliran cairan yang dipanaskan ke dalam preheater. Dalam beberapa desain, pemanas api atau pemanas listrik dapat digunakan sebagai pengganti penukar panas. Pemanas mungkin sudah ada di stasiun katup JT yang ada, dan menambahkan ekspander mungkin tidak memerlukan pemasangan pemanas tambahan, tetapi justru meningkatkan aliran cairan yang dipanaskan.
Sistem minyak pelumas dan gas seal. Seperti disebutkan di atas, ekspander dapat menggunakan desain seal yang berbeda, yang mungkin memerlukan pelumas dan gas seal. Jika berlaku, minyak pelumas harus mempertahankan kualitas dan kemurnian tinggi saat bersentuhan dengan gas proses, dan tingkat viskositas minyak harus tetap berada dalam kisaran operasi yang diperlukan dari bantalan yang dilumasi. Sistem gas seal biasanya dilengkapi dengan perangkat pelumasan minyak untuk mencegah minyak dari kotak bantalan memasuki kotak ekspansi. Untuk aplikasi khusus kompander yang digunakan dalam industri hidrokarbon, sistem minyak pelumas dan gas seal biasanya dirancang sesuai spesifikasi API 617 [5] Bagian 4.
Penggerak frekuensi variabel (VFD). Saat generator bersifat induksi, VFD biasanya dihidupkan untuk menyesuaikan sinyal arus bolak-balik (AC) agar sesuai dengan frekuensi utilitas. Biasanya, desain yang didasarkan pada 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 berbagai perubahan proses yang dapat mengakibatkan perubahan kecepatan poros ekspander.
Transmisi. Beberapa desain ekspander menggunakan kotak roda gigi untuk mengurangi kecepatan ekspander ke kecepatan generator yang ditetapkan. Biaya penggunaan kotak roda gigi adalah efisiensi keseluruhan yang lebih rendah dan karenanya 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 melengkapi spesifikasi generator ekspander dan spesifikasi menggunakan data dari disiplin ilmu teknik lainnya. Masukan ini dapat mencakup 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 disyaratkan 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 dapat 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, sebaiknya analisis arus kas atau biaya siklus hidup dilakukan untuk membandingkan ekonomi jangka panjang proyek dan laba atas investasi. Misalnya, investasi awal yang lebih tinggi dapat diimbangi dalam jangka panjang dengan peningkatan produktivitas atau pengurangan persyaratan pemeliharaan. Lihat "Referensi" untuk petunjuk tentang jenis analisis ini. 4.
Semua aplikasi generator turboexpander memerlukan perhitungan daya potensial total awal untuk menentukan jumlah total energi yang tersedia yang dapat dipulihkan dalam aplikasi tertentu. Untuk generator turboexpander, potensi daya dihitung sebagai proses isentropik (entropi konstan). Ini adalah situasi termodinamika yang ideal untuk mempertimbangkan proses adiabatik reversibel tanpa gesekan, tetapi ini adalah proses yang tepat untuk memperkirakan potensi energi aktual.
Energi potensial isentropik (IPP) dihitung dengan mengalikan perbedaan entalpi spesifik pada saluran masuk dan keluar turboexpander dan mengalikan hasilnya dengan laju aliran massa. Energi potensial ini akan dinyatakan sebagai kuantitas 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. Jadi, saat menghitung potensi 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 disebutkan sebelumnya. Di tempat gas alam mengalir, hidrat hampir selalu ada, yang berarti bahwa pipa hilir turboexpander atau katup gas akan membeku secara internal dan eksternal jika suhu saluran keluar turun di bawah 0°C. Pembentukan es dapat mengakibatkan pembatasan aliran dan akhirnya mematikan sistem untuk mencairkan es. Dengan demikian, suhu saluran keluar 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 saluran keluar yang diinginkan ini untuk menghitung entalpi spesifik.
Efisiensi sistem turboexpander juga harus dipertimbangkan. Bergantung pada teknologi yang digunakan, efisiensi sistem dapat sangat bervariasi. Misalnya, turboexpander yang menggunakan roda gigi reduksi untuk mentransfer energi rotasi 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 sebagai 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 jaringan pipa utama dan mendistribusikannya ke kotamadya setempat. Di stasiun ini, tekanan gas masuk adalah 40 bar dan tekanan keluar adalah 8 bar. Suhu gas masuk yang dipanaskan terlebih dahulu adalah 35°C, yang memanaskan gas terlebih dahulu untuk mencegah pembekuan jaringan 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 dinormalkan adalah 50.000 Nm3/jam. Untuk menghitung potensi daya, kita akan mengasumsikan bahwa semua gas mengalir melalui turbo expander dan menghitung daya keluaran maksimum. Perkirakan total potensi daya keluaran menggunakan perhitungan berikut:
Waktu posting: 25-Mei-2024