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.
Biasanya dalam industri proses kimia (CPI), “sejumlah besar energi terbuang dalam katup pengontrol tekanan di mana fluida bertekanan tinggi harus diturunkan tekanannya” [1]. Tergantung pada berbagai faktor teknis dan ekonomi, mungkin diinginkan untuk mengubah energi ini menjadi energi mekanik putar, yang dapat digunakan untuk menggerakkan generator atau mesin putar lainnya. Untuk fluida yang tidak dapat dikompresi (cairan), hal ini dicapai dengan menggunakan turbin pemulihan energi hidrolik (HPRT; lihat referensi 1). Untuk cairan yang dapat dikompresi (gas), ekspander adalah mesin yang sesuai.
Ekspander merupakan teknologi yang sudah mapan dengan banyak aplikasi yang sukses seperti fluid catalytic cracking (FCC), pendinginan, 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 ekonomi. Implementasi Ekspander: Proses ini bergantung pada faktor-faktor tersebut dan faktor lainnya, seperti harga energi lokal dan ketersediaan peralatan yang sesuai dari pabrikan.
Meskipun turboexpander (yang berfungsi mirip dengan turbin) adalah jenis expander yang paling dikenal (Gambar 1), terdapat jenis lain yang sesuai untuk kondisi proses yang berbeda. Artikel ini memperkenalkan jenis-jenis expander utama dan komponen-komponennya, serta merangkum bagaimana manajer operasional, konsultan, atau auditor energi di berbagai divisi CPI dapat mengevaluasi potensi manfaat ekonomi dan lingkungan dari pemasangan expander.
Terdapat banyak jenis resistance band yang sangat bervariasi dalam geometri dan fungsinya. Jenis-jenis utamanya ditunjukkan pada Gambar 2, dan setiap 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.
Turboexpander piston. Turboexpander piston dan piston putar beroperasi seperti mesin pembakaran internal berputar terbalik, menyerap gas bertekanan tinggi dan mengubah energi yang tersimpan menjadi energi rotasi melalui poros engkol.
Seretlah ekspander turbo. Ekspander turbin rem terdiri dari ruang aliran konsentris dengan sirip ember yang terpasang di sekeliling elemen yang berputar. Desainnya sama seperti kincir air, tetapi penampang ruang konsentrisnya meningkat dari saluran masuk ke saluran keluar, memungkinkan gas untuk mengembang.
Turboexpander radial. Turboexpander aliran radial memiliki saluran masuk aksial dan saluran keluar radial, memungkinkan gas untuk mengembang secara radial melalui impeler 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 aspek 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 mengompres fluida di bagian lain dari aliran proses yang membutuhkan fluida terkompresi, sehingga meningkatkan efisiensi keseluruhan pabrik dengan menggunakan energi yang seharusnya terbuang. Turboexpander dengan beban generator mengubah energi tersebut 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 gearbox yang secara efektif mengurangi kecepatan input dari roda turbin ke generator melalui rasio gigi. Turboexpander penggerak langsung menawarkan keunggulan dalam efisiensi, ukuran, dan biaya perawatan. Turboexpander gearbox lebih berat dan membutuhkan ruang yang lebih besar, peralatan bantu pelumasan, dan perawatan rutin.
Turboexpander aliran kontinu 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 mengekstrak energi dari aliran gas melalui sudu pemandu masuk ke roda ekspander, dengan luas penampang ruang ekspansi secara bertahap meningkat untuk mempertahankan kecepatan konstan.
Generator turboexpander terdiri dari tiga komponen utama: roda turbin, bantalan khusus, dan generator.
Roda turbin. Roda turbin sering dirancang khusus untuk mengoptimalkan efisiensi aerodinamis. Variabel aplikasi yang memengaruhi desain roda turbin meliputi tekanan masuk/keluar, suhu masuk/keluar, laju aliran volume, dan sifat fluida. Ketika rasio kompresi terlalu tinggi untuk dikurangi dalam satu tahap, diperlukan turboexpander dengan beberapa roda turbin. Baik roda turbin radial maupun aksial dapat dirancang sebagai turbin multi-tahap, tetapi roda turbin aksial memiliki panjang aksial yang jauh lebih pendek dan karenanya lebih kompak. Turbin aliran radial multi-tahap membutuhkan aliran gas dari aksial ke radial dan kembali ke aksial, sehingga menciptakan kehilangan 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 beragam dan dapat mencakup bantalan oli, bantalan film cair, bantalan bola tradisional, dan bantalan magnetik. Setiap metode memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1.
Banyak produsen turboexpander memilih bantalan magnetik sebagai "bantalan pilihan" mereka karena keunggulan uniknya. 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 rotasi turbin dan mengubahnya menjadi energi listrik yang berguna menggunakan generator elektromagnetik (yang dapat berupa generator induksi atau generator magnet permanen). Generator induksi memiliki kecepatan nominal yang lebih rendah, sehingga aplikasi turbin kecepatan tinggi memerlukan gearbox, tetapi dapat dirancang untuk menyesuaikan frekuensi jaringan, sehingga menghilangkan kebutuhan akan penggerak frekuensi variabel (VFD) untuk memasok listrik yang dihasilkan. Generator magnet permanen, di sisi lain, dapat dihubungkan langsung ke poros turbin dan mengirimkan daya ke jaringan melalui penggerak frekuensi variabel. Generator dirancang untuk memberikan daya maksimum berdasarkan daya poros yang tersedia dalam sistem.
Segel. Segel juga merupakan komponen penting dalam perancangan 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, memberikan segel di sekitar poros yang berputar, biasanya antara roda turbin, bantalan, dan bagian mesin lainnya tempat generator berada. Segel dinamis akan aus seiring waktu dan memerlukan perawatan serta inspeksi rutin untuk memastikan fungsinya dengan benar. Ketika semua komponen turboexpander terdapat dalam satu wadah, segel statis dapat digunakan untuk melindungi setiap saluran yang keluar dari wadah, 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 untuk memasang ekspander adalah memasok gas kompresibel (tidak dapat dikondensasi) bertekanan tinggi ke sistem bertekanan rendah dengan aliran, penurunan tekanan, dan pemanfaatan yang cukup untuk mempertahankan operasi normal peralatan. Parameter operasi dijaga pada tingkat yang aman dan efisien.
Dalam hal fungsi pengurangan tekanan, ekspander dapat digunakan untuk menggantikan katup Joule-Thomson (JT), yang juga dikenal sebagai katup throttle. Karena katup JT bergerak sepanjang jalur isentropik dan ekspander bergerak sepanjang jalur 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 di mana tujuannya adalah untuk mengurangi suhu gas.
Jika terdapat batas bawah suhu gas keluaran (misalnya, di stasiun dekompresi di mana suhu gas harus dijaga di atas titik beku, hidrasi, atau suhu desain material minimum), setidaknya satu pemanas harus ditambahkan untuk mengontrol suhu gas. Ketika preheater terletak di hulu expander, sebagian energi dari gas umpan juga dipulihkan di expander, sehingga meningkatkan daya keluarannya. Dalam beberapa konfigurasi di mana kontrol suhu keluaran diperlukan, reheater kedua dapat dipasang setelah expander untuk memberikan kontrol yang lebih cepat.
Gambar 3 menunjukkan diagram sederhana dari diagram alir umum generator ekspander dengan pemanas awal yang digunakan untuk menggantikan katup JT.
Dalam konfigurasi proses lainnya, energi yang dipulihkan di ekspander dapat ditransfer langsung ke kompresor. Mesin-mesin ini, yang kadang-kadang disebut "commander", biasanya memiliki tahap ekspansi dan kompresi yang dihubungkan oleh satu atau lebih poros, yang mungkin juga mencakup gearbox untuk mengatur perbedaan kecepatan antara kedua tahap tersebut. Mesin ini juga dapat mencakup motor tambahan untuk memberikan daya lebih pada tahap kompresi.
Berikut adalah beberapa komponen terpenting yang memastikan pengoperasian dan stabilitas sistem yang tepat.
Katup bypass atau katup pengurang tekanan. Katup bypass memungkinkan pengoperasian berlanjut ketika turboexpander tidak beroperasi (misalnya, untuk perawatan atau keadaan darurat), sedangkan katup pengurang tekanan digunakan untuk pengoperasian berkelanjutan guna memasok gas berlebih ketika total aliran melebihi kapasitas desain expander.
Katup penghenti darurat (ESD). Katup ESD digunakan untuk memblokir aliran gas ke dalam ekspander dalam keadaan darurat untuk 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 berlebihan. Perangkat ini memutus aliran ke turbin, menyebabkan rotor turbin melambat, sehingga melindungi peralatan dari kecepatan berlebihan akibat kondisi proses yang tidak 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 kondisi darurat yang paling parah, yang biasanya termasuk kegagalan katup bypass untuk terbuka. Jika expander 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 memengaruhi nosel peralatan secara negatif. Dalam sistem yang mengandung penukar panas (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3), suhu gas biasanya dikontrol dengan mengatur aliran cairan yang dipanaskan ke dalam pemanas awal. 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 penambahan ekspander mungkin tidak memerlukan pemasangan pemanas tambahan, tetapi lebih pada peningkatan aliran fluida yang dipanaskan.
Sistem oli pelumas dan gas penyegel. Seperti yang disebutkan di atas, ekspander dapat menggunakan desain segel yang berbeda, yang mungkin memerlukan pelumas dan gas penyegel. Jika berlaku, oli pelumas harus mempertahankan kualitas dan kemurnian yang tinggi saat bersentuhan dengan gas proses, dan tingkat viskositas oli harus tetap berada dalam kisaran operasi yang diperlukan untuk bantalan yang dilumasi. Sistem gas tertutup biasanya dilengkapi dengan perangkat pelumasan oli untuk mencegah oli dari kotak bantalan masuk ke kotak ekspansi. Untuk aplikasi khusus kompresor yang digunakan dalam industri hidrokarbon, sistem oli pelumas dan gas penyegel biasanya dirancang sesuai dengan spesifikasi API 617 [5] Bagian 4.
Penggerak frekuensi variabel (VFD). Ketika generatornya induksi, VFD biasanya dihidupkan untuk menyesuaikan sinyal arus bolak-balik (AC) agar sesuai dengan frekuensi jaringan listrik. Biasanya, desain yang berbasis penggerak frekuensi variabel memiliki efisiensi keseluruhan yang lebih tinggi daripada desain yang menggunakan gearbox 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 gearbox untuk mengurangi kecepatan ekspander ke kecepatan nominal generator. Kerugian menggunakan gearbox adalah efisiensi keseluruhan yang lebih rendah dan karenanya output daya yang lebih rendah.
Saat menyiapkan permintaan penawaran (RFQ) untuk sebuah ekspander, insinyur proses harus terlebih dahulu menentukan kondisi pengoperasian, termasuk informasi berikut:
Insinyur mekanik sering kali menyelesaikan spesifikasi generator ekspander dan spesifikasi lainnya 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 sesuai dengan persyaratan proyek.
Informasi teknis yang diberikan oleh produsen sebagai bagian dari proses tender umumnya harus mencakup unsur-unsur berikut:
Jika ada aspek dari proposal yang berbeda dari spesifikasi asli, pabrikan juga harus menyediakan daftar penyimpangan dan alasan penyimpangan tersebut.
Setelah proposal diterima, tim pengembangan proyek harus meninjau permintaan tersebut untuk memastikan kepatuhan dan menentukan apakah penyimpangan tersebut secara teknis dapat dibenarkan.
Pertimbangan teknis lain yang perlu diperhatikan saat mengevaluasi proposal meliputi:
Terakhir, perlu dilakukan analisis ekonomi. Karena pilihan yang berbeda dapat menghasilkan biaya awal yang berbeda, disarankan untuk melakukan analisis arus kas atau biaya siklus hidup untuk membandingkan ekonomi jangka panjang proyek dan pengembalian investasi. Misalnya, investasi awal yang lebih tinggi dapat diimbangi dalam jangka panjang oleh peningkatan produktivitas atau pengurangan kebutuhan 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, daya potensial dihitung sebagai proses isentropik (entropi konstan). Ini adalah situasi termodinamika ideal untuk mempertimbangkan proses adiabatik reversibel tanpa gesekan, tetapi ini adalah proses yang benar untuk memperkirakan potensi energi aktual.
Energi potensial isentropik (IPP) dihitung dengan mengalikan perbedaan entalpi spesifik pada inlet dan outlet turboexpander 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 yang 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 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 di hilir turboexpander atau katup throttle akan membeku secara internal dan eksternal jika suhu keluaran turun di bawah 0°C. Pembentukan es dapat mengakibatkan pembatasan aliran dan akhirnya mematikan sistem untuk mencairkan es. Dengan demikian, suhu keluaran "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 sampai mencapai suhu kriogenik (-253°C). Gunakan suhu keluaran yang diinginkan ini untuk menghitung entalpi spesifik.
Efisiensi sistem turboexpander juga harus dipertimbangkan. Tergantung 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 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 pelepasan tekanan gas alam. ABC mengoperasikan dan memelihara stasiun pengurangan tekanan yang mengangkut gas alam dari pipa utama dan mendistribusikannya ke kotamadya setempat. Di stasiun ini, tekanan masuk gas adalah 40 bar dan tekanan keluar adalah 8 bar. Suhu gas masuk yang dipanaskan sebelumnya adalah 35°C, yang memanaskan gas 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 expander dan menghitung daya keluaran maksimum. Perkirakan potensi daya keluaran total menggunakan perhitungan berikut: