Penulis: Lukas Bijikli, Manajer Portofolio Produk, Penggerak Roda Gigi Terintegrasi, R&D Kompresi CO2 dan Pompa Panas, Siemens Energy.
Selama bertahun-tahun, Kompresor Gigi Terpadu (IGC) telah menjadi teknologi pilihan untuk pabrik pemisahan udara. Hal ini terutama disebabkan oleh efisiensinya yang tinggi, yang secara langsung mengarah pada pengurangan biaya untuk 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 pabrik, terutama pada perusahaan kecil dan menengah.
Selama beberapa tahun terakhir, Siemens Energy telah memulai sejumlah proyek penelitian dan pengembangan (R&D) yang bertujuan untuk memperluas kemampuan IGC guna memenuhi kebutuhan pasar pemisahan udara yang terus berubah. Artikel ini menyoroti sejumlah peningkatan desain khusus yang telah kami buat dan membahas bagaimana perubahan ini dapat membantu memenuhi sasaran pengurangan biaya dan karbon pelanggan kami.
Sebagian besar unit pemisahan 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 dimampatkan lebih lanjut dalam BAC hingga tekanan mencapai 60 bar.
Bergantung 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 yang digerakkan secara elektrik maupun turbin uap, efisiensi kompresor merupakan pendorong yang kuat untuk dekarbonisasi karena secara langsung memengaruhi konsumsi energi unit. Hal ini khususnya penting untuk MGP yang digerakkan oleh turbin uap, karena sebagian besar panas untuk produksi uap diperoleh dalam boiler berbahan bakar fosil.
Meskipun motor listrik menyediakan alternatif yang lebih ramah lingkungan untuk penggerak turbin uap, sering kali ada kebutuhan yang lebih besar untuk fleksibilitas kontrol. 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 akan menerima listrik dari ladang angin dan surya di dekatnya. Di pabrik-pabrik 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 tersebut 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. Ini termasuk versi kompresor konsol tanpa roda gigi dengan rasio tekanan hingga 2,5 atau lebih tinggi dalam versi tahap tunggal dan rasio tekanan hingga 6 dalam 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 dalam kombinasi dengan diffuser LS konvensional dan lebih dari 90% dalam kombinasi dengan diffuser hibrida generasi baru.
Selain itu, impeller memiliki angka Mach lebih tinggi dari 1,3, yang memberikan tingkat 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 mencampur bilah (yaitu bilah dibagi menjadi bagian-bagian dengan tinggi penuh dan sebagian). Dalam konfigurasi ini
Output aliran antara impeller dan diffuser dikurangi oleh sebagian tinggi bilah yang terletak lebih dekat ke impeller daripada bilah diffuser LS konvensional. Seperti halnya diffuser LS konvensional, tepi depan bilah dengan panjang penuh berjarak sama dari impeller untuk menghindari interaksi impeller-diffuser yang dapat merusak bilah.
Peningkatan sebagian tinggi bilah yang lebih dekat ke impeller juga meningkatkan arah aliran di dekat zona pulsasi. Karena tepi depan bagian bilah dengan panjang penuh tetap memiliki diameter yang sama dengan diffuser LS konvensional, saluran throttle tidak terpengaruh, sehingga memungkinkan rentang aplikasi dan penyetelan yang lebih luas.
Penyuntikan air melibatkan penyuntikan tetesan air ke aliran udara di tabung hisap. Tetesan air 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 Anda meningkatkan tegangan yang diizinkan per satuan luas, yang memungkinkan Anda 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 lebih sedikit logam yang digunakan pada kotak roda gigi 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 impeller dengan diameter lebih kecil pada aliran volume yang sama, sehingga mengurangi biaya kompresor utama hingga 4%. Diameter impeller tahap pertama dapat dikurangi lebih jauh lagi.
Head yang lebih tinggi dicapai karena 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 kerugian yang lebih tinggi pada volute. Hal ini dapat dikompensasi dengan menggunakan siput 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 saat 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 melampaui kecepatan roda gigi maksimum yang diizinkan. Selain itu, hal ini dapat mengurangi biaya material untuk roda gigi heliks dan besar.
Secara keseluruhan, kompresor utama dapat menghemat biaya modal hingga 2%, ditambah lagi 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 dinilai berdasarkan proyek per 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 pusaran (yaitu, sudut IGV kedua dibagi dengan sudut IGV1 pertama) tetap konstan terlepas dari apakah alirannya maju (sudut > 0°, mengurangi head) atau pusaran terbalik (sudut < 0°). °, tekanan meningkat). Hal ini tidak menguntungkan karena tanda sudut berubah antara pusaran 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 untuk impeller yang umum digunakan dalam BAC, efisiensi multi-tahap dapat ditingkatkan hingga 89%. Hal ini, dikombinasikan dengan peningkatan efisiensi lainnya, mengurangi jumlah tahap BAC sambil mempertahankan efisiensi rangkaian secara keseluruhan. Mengurangi jumlah tahap menghilangkan kebutuhan akan intercooler, pipa gas proses terkait, dan komponen rotor dan stator, sehingga menghasilkan penghematan biaya sebesar 10%. Selain itu, dalam banyak kasus, kompresor udara utama dan kompresor pendorong dapat digabungkan dalam satu mesin.
Seperti yang disebutkan sebelumnya, gigi perantara biasanya diperlukan antara turbin uap dan VAC. Dengan desain IGC baru dari Siemens Energy, gigi pemalas ini dapat diintegrasikan ke dalam kotak roda gigi dengan menambahkan poros pemalas antara poros pinion dan gigi besar (4 gigi). Hal ini dapat mengurangi total biaya lini (kompresor utama plus peralatan tambahan) 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 yang besar (jika ada kemungkinan terjadi tabrakan volute atau jika kecepatan pinion maksimum yang diizinkan akan dikurangi). ) masa lalu.
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 lainnya), kami berkomitmen untuk terus berinovasi pada mesin-mesin ini guna memenuhi kebutuhan aplikasi yang unik dan memenuhi permintaan pasar yang terus meningkat akan biaya yang lebih rendah, peningkatan efisiensi, dan peningkatan keberlanjutan. KT2
Waktu posting: 28-Apr-2024