HANGZHOU NUZHUO TECHNOLOGY GROUP CO.,LTD.

Penulis: Lukas Bijikli, Manajer Portofolio Produk, Penggerak Roda Gigi Terintegrasi, R&D Kompresi CO2 dan Pompa Panas, Siemens Energy.
Selama bertahun-tahun, Kompresor Roda Gigi Terpadu (IGC) telah menjadi teknologi pilihan untuk instalasi pemisahan udara. Hal ini terutama disebabkan oleh efisiensinya yang tinggi, yang secara langsung mengurangi biaya oksigen, nitrogen, dan gas inert. Namun, meningkatnya fokus pada dekarbonisasi menimbulkan tuntutan baru pada IPC, terutama dalam hal efisiensi dan fleksibilitas regulasi. Belanja modal terus menjadi faktor penting bagi operator instalasi, terutama di usaha kecil dan menengah.
Selama beberapa tahun terakhir, Siemens Energy telah memulai sejumlah proyek penelitian dan pengembangan (R&D) yang bertujuan memperluas kapabilitas IGC untuk 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 target pengurangan biaya dan karbon pelanggan kami.
Sebagian besar unit pemisah udara saat ini dilengkapi dengan dua kompresor: kompresor udara utama (MAC) dan kompresor udara pendorong (BAC). Kompresor udara utama biasanya memampatkan seluruh aliran udara dari tekanan atmosfer hingga sekitar 6 bar. Sebagian aliran ini kemudian dikompresi lebih lanjut di BAC hingga mencapai tekanan hingga 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 dua ujung poros. Dalam skema klasik, roda gigi perantara dipasang di antara turbin uap dan HAC (Gbr. 1).
Baik dalam sistem bertenaga listrik maupun turbin uap, efisiensi kompresor merupakan pendorong yang ampuh untuk dekarbonisasi karena berdampak langsung pada konsumsi energi unit. Hal ini khususnya penting bagi MGP yang digerakkan oleh turbin uap, karena sebagian besar panas untuk produksi uap diperoleh dari boiler berbahan bakar fosil.
Meskipun motor listrik menyediakan alternatif yang lebih ramah lingkungan dibandingkan penggerak turbin uap, fleksibilitas kontrol seringkali lebih dibutuhkan. Banyak instalasi pemisahan udara modern yang dibangun saat ini terhubung ke jaringan listrik dan memiliki tingkat penggunaan energi terbarukan yang tinggi. Di Australia, misalnya, terdapat rencana untuk membangun beberapa instalasi amonia ramah lingkungan yang akan menggunakan unit pemisahan udara (ASU) untuk menghasilkan nitrogen bagi sintesis amonia dan diharapkan akan menerima listrik dari ladang angin dan surya di dekatnya. Di instalasi-instalasi ini, fleksibilitas regulasi sangat penting untuk mengimbangi fluktuasi alami dalam pembangkitan listrik.
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 gedung. Kompresor konsol ini mencakup versi tanpa roda gigi dengan rasio tekanan hingga 2,5 atau lebih tinggi pada versi satu tahap dan rasio tekanan hingga 6 pada versi serial.
Dalam beberapa tahun terakhir, untuk memenuhi meningkatnya tuntutan efisiensi IGC, fleksibilitas regulasi, dan biaya modal, kami telah membuat beberapa perbaikan desain penting, yang dirangkum di bawah ini.
Efisiensi variabel sejumlah impeller yang biasanya digunakan pada tahap MAC pertama ditingkatkan dengan memvariasikan geometri bilah. Dengan impeller baru ini, efisiensi variabel hingga 89% dapat dicapai dengan kombinasi diffuser LS konvensional dan lebih dari 90% dengan kombinasi diffuser hibrida generasi baru.
Selain itu, impeller memiliki bilangan Mach lebih tinggi dari 1,3, yang memberikan kepadatan daya dan rasio kompresi yang lebih tinggi pada tahap pertama. Hal ini juga mengurangi daya yang harus disalurkan oleh roda gigi dalam sistem MAC tiga tahap, sehingga memungkinkan penggunaan roda gigi berdiameter lebih kecil dan kotak roda gigi penggerak langsung pada tahap pertama.
Dibandingkan dengan diffuser baling-baling LS panjang penuh tradisional, diffuser hibrida generasi berikutnya memiliki peningkatan efisiensi panggung sebesar 2,5% dan faktor kontrol sebesar 3%. Peningkatan ini dicapai dengan menggabungkan bilah-bilah (yaitu bilah-bilah dibagi menjadi bagian-bagian dengan tinggi penuh dan sebagian). Dalam konfigurasi ini,
Keluaran aliran antara impeller dan diffuser berkurang sebagian dari tinggi bilah yang terletak lebih dekat ke impeller dibandingkan bilah diffuser LS konvensional. Sebagaimana diffuser LS konvensional, ujung-ujung bilah yang memanjang penuh berjarak sama dari impeller untuk menghindari interaksi impeller-diffuser yang dapat merusak bilah.
Peningkatan ketinggian bilah yang lebih dekat ke impeller juga meningkatkan arah aliran di dekat zona pulsasi. Karena tepi depan bagian bilah panjang penuh tetap berdiameter sama dengan diffuser LS konvensional, saluran throttle tidak terpengaruh, memungkinkan rentang aplikasi dan penyetelan yang lebih luas.
Injeksi air melibatkan penyuntikan tetesan air ke dalam aliran udara di dalam tabung hisap. Tetesan air menguap dan menyerap panas dari aliran gas proses, sehingga menurunkan 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 yang diizinkan per satuan luas, sehingga mengurangi lebar gigi. Hal ini mengurangi kerugian mekanis pada kotak roda gigi hingga 25%, sehingga menghasilkan peningkatan efisiensi keseluruhan hingga 0,5%. Selain itu, biaya kompresor utama dapat dikurangi hingga 1% karena penggunaan logam yang lebih sedikit pada kotak roda gigi yang besar.
Impeler ini dapat beroperasi dengan koefisien aliran (φ) hingga 0,25 dan menghasilkan head 6% lebih tinggi daripada impeler 65 derajat. Koefisien alirannya mencapai 0,25, dan pada desain aliran ganda mesin IGC, aliran volumetriknya mencapai 1,2 juta m3/jam atau bahkan 2,4 juta m3/jam.
Nilai phi yang lebih tinggi memungkinkan penggunaan impeler berdiameter lebih kecil pada laju aliran volume yang sama, sehingga mengurangi biaya kompresor utama hingga 4%. Diameter impeler tahap pertama dapat dikurangi lebih lanjut.
Head yang lebih tinggi dicapai oleh sudut defleksi impeller sebesar 75°, yang meningkatkan komponen kecepatan keliling pada outlet dan dengan demikian memberikan head yang lebih tinggi menurut persamaan Euler.
Dibandingkan dengan impeller berkecepatan tinggi dan berefisiensi tinggi, efisiensi impeller sedikit berkurang karena rugi-rugi yang lebih tinggi pada volute. Hal ini dapat dikompensasi dengan menggunakan snail berukuran sedang. Namun, bahkan tanpa volute ini, efisiensi variabel hingga 87% dapat dicapai pada bilangan Mach 1,0 dan koefisien aliran 0,24.
Volute yang lebih kecil memungkinkan Anda menghindari tabrakan dengan volute lain ketika diameter roda gigi besar diperkecil. 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 biaya modal hingga 2%, dan mesinnya juga dapat menghemat biaya modal sebesar 2%. Karena volute kompak agak kurang efisien, keputusan untuk menggunakannya sangat bergantung pada prioritas klien (biaya vs. efisiensi) dan harus dievaluasi berdasarkan setiap proyek.
Untuk meningkatkan kemampuan kontrol, IGV dapat dipasang di depan beberapa tahap. Hal ini sangat berbeda dengan proyek IGC sebelumnya yang hanya mencakup IGV hingga tahap pertama.
Pada iterasi IGC sebelumnya, koefisien vorteks (yaitu, sudut IGV kedua dibagi dengan sudut IGV1 pertama) tetap konstan terlepas dari apakah alirannya maju (sudut > 0°, mengurangi tinggi tekan) atau mundur (sudut < 0°). Hal ini merugikan karena tanda sudut berubah antara vorteks positif dan negatif.
Konfigurasi baru ini memungkinkan dua rasio pusaran yang berbeda untuk digunakan saat mesin dalam mode pusaran maju dan mundur, sehingga meningkatkan rentang kendali hingga 4% sambil mempertahankan efisiensi yang konstan.
Dengan menggabungkan diffuser LS pada impeller yang umum digunakan pada BAC, efisiensi multi-tahap dapat ditingkatkan hingga 89%. Hal ini, dikombinasikan dengan peningkatan efisiensi lainnya, mengurangi jumlah tahap BAC sekaligus mempertahankan efisiensi rangkaian secara keseluruhan. Pengurangan jumlah tahap ini menghilangkan kebutuhan akan intercooler, pipa gas proses terkait, serta komponen rotor dan stator, sehingga menghasilkan penghematan biaya sebesar 10%. Selain itu, dalam banyak kasus, kompresor udara utama dan kompresor booster dapat digabungkan dalam satu mesin.
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, roda gigi perantara biasanya diperlukan antara turbin uap dan VAC. Dengan desain IGC baru dari Siemens Energy, roda gigi idler ini dapat diintegrasikan ke dalam kotak roda gigi dengan menambahkan poros idler di antara poros pinion dan roda gigi besar (4 roda gigi). Hal ini dapat mengurangi total biaya lini (kompresor utama plus peralatan bantu) hingga 4%.
Selain itu, roda gigi 4-pinion merupakan alternatif yang lebih efisien daripada motor gulir kompak untuk beralih dari motor 6-kutub ke motor 4-kutub pada kompresor udara utama besar (jika ada kemungkinan terjadi tabrakan volute atau jika kecepatan pinion maksimum yang diizinkan akan dikurangi). ) lampau.
Penggunaannya juga menjadi lebih 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. Sebagaimana dibuktikan oleh upaya penelitian dan pengembangan di atas (dan upaya lainnya), kami berkomitmen untuk terus berinovasi pada mesin-mesin ini guna memenuhi kebutuhan aplikasi yang unik dan memenuhi tuntutan pasar yang terus berkembang akan biaya yang lebih rendah, peningkatan efisiensi, dan peningkatan keberlanjutan. KT2