HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Penulis: Lukas Bijikli, Manajer Portofolio Produk, Penggerak Gigi Terintegrasi, Litbang Kompresi CO2 dan Pompa Panas, Siemens Energy.
Selama bertahun-tahun, Kompresor Gigi Terintegrasi (Integrated Gear Compressor/IGC) telah menjadi teknologi pilihan untuk pabrik pemisahan udara. Hal ini terutama disebabkan oleh efisiensinya yang tinggi, yang secara langsung menyebabkan penurunan biaya oksigen, nitrogen, dan gas inert. Namun, fokus yang semakin meningkat pada dekarbonisasi menempatkan tuntutan baru pada IGC, terutama dalam hal efisiensi dan fleksibilitas regulasi. Pengeluaran modal tetap menjadi faktor penting bagi operator pabrik, terutama di perusahaan kecil dan menengah.
Dalam beberapa tahun terakhir, Siemens Energy telah memulai beberapa proyek penelitian dan pengembangan (R&D) yang bertujuan untuk memperluas kemampuan IGC guna memenuhi kebutuhan pasar pemisahan udara yang terus berubah. Artikel ini menyoroti beberapa peningkatan desain spesifik yang telah kami lakukan dan membahas bagaimana perubahan ini dapat membantu memenuhi tujuan pengurangan biaya dan karbon pelanggan kami.
Sebagian besar unit pemisahan udara saat ini dilengkapi dengan dua kompresor: kompresor udara utama (MAC) dan kompresor udara tambahan (BAC). Kompresor udara utama biasanya memampatkan seluruh aliran udara dari tekanan atmosfer hingga sekitar 6 bar. Sebagian dari aliran ini kemudian dimampatkan lebih lanjut di BAC hingga tekanan mencapai 60 bar.
Tergantung pada sumber energinya, kompresor biasanya digerakkan oleh turbin uap atau motor listrik. Saat menggunakan turbin uap, kedua kompresor digerakkan oleh turbin yang sama melalui ujung poros ganda. Dalam skema klasik, roda gigi perantara dipasang di antara turbin uap dan HAC (Gambar 1).
Baik pada sistem yang digerakkan listrik maupun turbin uap, efisiensi kompresor merupakan pengungkit yang ampuh untuk dekarbonisasi karena secara langsung memengaruhi konsumsi energi unit tersebut. Hal ini sangat penting untuk MGP yang digerakkan oleh turbin uap, karena sebagian besar panas untuk produksi uap diperoleh dari boiler berbahan bakar fosil.
Meskipun motor listrik memberikan alternatif yang lebih ramah lingkungan dibandingkan penggerak turbin uap, seringkali dibutuhkan fleksibilitas kontrol yang lebih besar. Banyak pabrik pemisahan udara modern yang dibangun saat ini terhubung ke jaringan listrik dan memiliki tingkat penggunaan energi terbarukan yang tinggi. Di Australia, misalnya, ada rencana untuk membangun beberapa pabrik amonia hijau yang akan menggunakan unit pemisahan udara (ASU) untuk menghasilkan nitrogen untuk sintesis amonia dan diharapkan menerima listrik dari ladang angin dan surya di dekatnya. Di pabrik-pabrik ini, fleksibilitas regulasi sangat penting untuk mengimbangi fluktuasi alami dalam pembangkitan daya.
Siemens Energy mengembangkan IGC pertama (sebelumnya dikenal sebagai VK) pada tahun 1948. Saat ini perusahaan memproduksi lebih dari 2.300 unit di seluruh dunia, banyak di antaranya dirancang untuk aplikasi dengan laju aliran lebih dari 400.000 m3/jam. MGP modern kami memiliki laju aliran hingga 1,2 juta meter kubik per jam dalam satu bangunan. Ini termasuk versi tanpa roda gigi dari kompresor konsol dengan rasio tekanan hingga 2,5 atau lebih tinggi dalam versi satu tahap dan rasio tekanan hingga 6 dalam versi seri.
Dalam beberapa tahun terakhir, untuk memenuhi meningkatnya tuntutan akan efisiensi IGC, fleksibilitas regulasi, dan biaya modal, kami telah melakukan beberapa peningkatan desain yang signifikan, yang dirangkum di bawah ini.
Efisiensi variabel dari sejumlah impeller yang biasanya digunakan pada tahap MAC pertama ditingkatkan dengan memvariasikan geometri bilah. Dengan impeller baru ini, efisiensi variabel hingga 89% dapat dicapai jika dikombinasikan dengan diffuser LS konvensional dan lebih dari 90% jika dikombinasikan dengan diffuser hibrida generasi baru.
Selain itu, impeller memiliki bilangan Mach lebih tinggi dari 1,3, yang memberikan tahap pertama kepadatan daya dan rasio kompresi yang lebih tinggi. Hal ini juga mengurangi daya yang harus ditransmisikan oleh roda gigi dalam sistem MAC tiga tahap, sehingga memungkinkan penggunaan roda gigi berdiameter lebih kecil dan gearbox penggerak langsung pada tahap pertama.
Dibandingkan dengan diffuser baling-baling LS panjang penuh tradisional, diffuser hibrida generasi berikutnya memiliki peningkatan efisiensi tahap sebesar 2,5% dan faktor kontrol sebesar 3%. Peningkatan ini dicapai dengan mencampur bilah (yaitu bilah dibagi menjadi bagian tinggi penuh dan bagian tinggi sebagian). Dalam konfigurasi ini
Aliran keluar antara impeler dan diffuser dikurangi oleh sebagian ketinggian bilah yang terletak lebih dekat ke impeler daripada bilah diffuser LS konvensional. Seperti pada diffuser LS konvensional, tepi depan bilah sepanjang penuh berjarak sama dari impeler untuk menghindari interaksi impeler-diffuser yang dapat merusak bilah.
Meningkatkan sebagian ketinggian bilah yang lebih dekat ke impeler juga memperbaiki arah aliran di dekat zona pulsasi. Karena tepi depan bagian sudu penuh tetap memiliki diameter yang sama dengan diffuser LS konvensional, garis katup tidak terpengaruh, memungkinkan rentang aplikasi dan penyetelan yang lebih luas.
Injeksi air melibatkan penyuntikan tetesan air ke dalam aliran udara di tabung hisap. Tetesan air tersebut menguap dan menyerap panas dari aliran gas proses, sehingga mengurangi suhu masuk ke tahap kompresi. Hal ini menghasilkan pengurangan kebutuhan daya isentropik dan peningkatan efisiensi lebih dari 1%.
Pengerasan poros roda gigi memungkinkan peningkatan tegangan per satuan luas yang diizinkan, sehingga memungkinkan pengurangan lebar gigi. Hal ini mengurangi kerugian mekanis pada gearbox hingga 25%, menghasilkan peningkatan efisiensi keseluruhan hingga 0,5%. Selain itu, biaya kompresor utama dapat dikurangi hingga 1% karena lebih sedikit logam yang digunakan pada gearbox besar.
Impeller ini dapat beroperasi dengan koefisien aliran (φ) hingga 0,25 dan memberikan head 6% lebih tinggi daripada impeller 65 derajat. Selain itu, koefisien aliran mencapai 0,25, dan dalam desain aliran ganda mesin IGC, aliran volumetrik mencapai 1,2 juta m3/jam atau bahkan 2,4 juta m3/jam.
Nilai phi yang lebih tinggi memungkinkan penggunaan impeler dengan diameter lebih kecil pada laju aliran volume yang sama, sehingga mengurangi biaya kompresor utama hingga 4%. Diameter impeler tahap pertama bahkan dapat dikurangi lebih jauh lagi.
Head yang lebih tinggi dicapai dengan sudut defleksi impeler 75°, yang meningkatkan komponen kecepatan keliling di saluran keluar dan dengan demikian memberikan head yang lebih tinggi sesuai dengan persamaan Euler.
Dibandingkan dengan impeler berkecepatan tinggi dan berefisiensi tinggi, efisiensi impeler sedikit berkurang karena kerugian yang lebih tinggi di dalam volute. Hal ini dapat dikompensasi dengan menggunakan spiral berukuran sedang. Namun, bahkan tanpa volute tersebut, efisiensi variabel hingga 87% dapat dicapai pada bilangan Mach 1,0 dan koefisien aliran 0,24.
Ukuran volute yang lebih kecil memungkinkan Anda menghindari benturan dengan volute lain ketika diameter roda gigi besar dikurangi. Operator dapat menghemat biaya dengan beralih dari motor 6 kutub ke motor 4 kutub berkecepatan lebih tinggi (1000 rpm hingga 1500 rpm) tanpa melebihi kecepatan roda gigi maksimum yang diizinkan. Selain itu, hal ini dapat mengurangi biaya material untuk roda gigi heliks dan roda gigi besar.
Secara keseluruhan, kompresor utama dapat menghemat hingga 2% biaya modal, ditambah mesin juga dapat menghemat 2% biaya modal. Karena volute kompak agak kurang efisien, keputusan untuk menggunakannya sebagian besar bergantung pada prioritas klien (biaya vs. efisiensi) dan harus dinilai berdasarkan proyek per proyek.
Untuk meningkatkan kemampuan pengendalian, IGV dapat dipasang di depan beberapa tahap. Hal ini sangat berbeda dengan proyek IGC sebelumnya, yang hanya menyertakan IGV hingga tahap pertama.
Pada iterasi IGC sebelumnya, koefisien pusaran (yaitu, sudut IGV kedua dibagi dengan sudut IGV pertama) tetap konstan terlepas dari apakah alirannya maju (sudut > 0°, mengurangi head) atau pusaran balik (sudut < 0°, tekanan meningkat). Hal ini merugikan karena tanda sudut berubah antara pusaran positif dan negatif.
Konfigurasi baru ini memungkinkan penggunaan dua rasio pusaran yang berbeda ketika mesin berada dalam mode pusaran maju dan mundur, sehingga meningkatkan jangkauan kontrol sebesar 4% sambil mempertahankan efisiensi yang konstan.
Dengan menggabungkan diffuser LS untuk impeller yang umum digunakan pada BAC, efisiensi multi-tahap dapat ditingkatkan hingga 89%. Hal ini, dikombinasikan dengan peningkatan efisiensi lainnya, mengurangi jumlah tahapan BAC sambil mempertahankan efisiensi keseluruhan rangkaian. Mengurangi jumlah tahapan menghilangkan kebutuhan akan intercooler, pipa gas proses terkait, dan komponen rotor dan stator, sehingga menghasilkan penghematan biaya sebesar 10%. Selain itu, dalam banyak kasus dimungkinkan untuk menggabungkan kompresor udara utama dan kompresor booster dalam satu mesin.
Seperti yang disebutkan sebelumnya, roda gigi perantara biasanya diperlukan antara turbin uap dan VAC. Dengan desain IGC baru dari Siemens Energy, roda gigi perantara ini dapat diintegrasikan ke dalam gearbox dengan menambahkan poros perantara antara poros pinion dan roda gigi utama (4 roda gigi). Hal ini dapat mengurangi total biaya jalur (kompresor utama ditambah peralatan bantu) hingga 4%.
Selain itu, roda gigi 4-pinion merupakan alternatif yang lebih efisien daripada motor scroll kompak untuk peralihan dari motor 6-kutub ke 4-kutub pada kompresor udara utama berukuran besar (jika ada kemungkinan benturan volute atau jika kecepatan pinion maksimum yang diizinkan akan berkurang).
Penggunaannya juga semakin umum di beberapa pasar yang penting untuk dekarbonisasi industri, termasuk pompa panas dan kompresi uap, serta kompresi CO2 dalam pengembangan penangkapan, pemanfaatan, dan penyimpanan karbon (CCUS).
Siemens Energy memiliki sejarah panjang dalam merancang dan mengoperasikan IGC (Integrated Gas Center). Sebagaimana dibuktikan oleh upaya penelitian dan pengembangan di atas (dan lainnya), kami berkomitmen untuk terus berinovasi pada mesin-mesin ini guna memenuhi kebutuhan aplikasi yang unik dan memenuhi permintaan pasar yang terus meningkat untuk biaya yang lebih rendah, efisiensi yang lebih tinggi, dan keberlanjutan yang lebih besar. KT2