Teknologi Turbin Uap Canggih (Chiller Sentrifugal)
Pasokan gas alam berbiaya rendah yang stabil membuat teknologi ini lebih menarik bagi pembangkit listrik dan panas gabungan yang besar.
Pendingin yang digerakkan oleh turbin uap telah ada selama hampir satu abad. Sekarang, dengan pasokan gas alam berbiaya rendah yang stabil di Amerika Serikat, chiller yang digerakkan oleh turbin uap menjadi pilihan yang populer, terutama untuk aplikasi gabungan panas dan listrik (CHP) yang besar. Pendingin yang digerakkan oleh turbin uap juga menarik ketika biaya uap relatif rendah dibandingkan dengan biaya listrik.
Sebuah pembangkit listrik utilitas konvensional memiliki efisiensi listrik rata-rata 35 persen. Artinya 65 persen input energi bahan bakar primer terbuang percuma. Dalam sistem gabungan panas dan tenaga yang menggunakan turbin gas pembakaran (dengan beban listrik tipikal lebih besar dari 1 MW), panas gas buang dipulihkan untuk menghasilkan uap pada tekanan sedang hingga tinggi — berguna untuk pemanasan dan pendinginan. Dengan demikian, efisiensi sistem secara keseluruhan meningkat menjadi hampir 90 persen, yang dipertahankan sepanjang tahun. Hanya 10 persen dari input energi bahan bakar primer yang terbuang.
Dalam sistem panas dan tenaga gabungan, pemanfaatan energi dua hingga tiga kali lebih baik daripada pembangkit listrik konvensional. Ini membantu fasilitas menyusutkan jejak karbonnya secara substansial.
Mengintegrasikan chiller yang digerakkan oleh turbin uap dalam sistem gabungan panas dan tenaga di lokasi merupakan solusi positif untuk kenaikan biaya listrik dan masalah lingkungan. Dalam segmen panas dan daya gabungan, sumber uap dapat berasal dari boiler di tempat atau loop uap utilitas. Boiler berukuran untuk pemanasan musim dingin dapat digunakan secara efisien sepanjang tahun bila digunakan untuk menghasilkan uap untuk pendinginan musim panas.
Ikhtisar Teknologi Steam-Turbine Chiller
Pendingin yang digerakkan oleh turbin uap adalah pendingin kompresi uap sentrifugal, menggunakan uap sebagai energi penggeraknya. Komponen dasarnya mirip dengan chiller kompresi uap sentrifugal listrik: yaitu, evaporator, kondensor zat pendingin, kompresor, dan alat pengukur zat pendingin. Turbin uap menyediakan tenaga rotasi untuk menggerakkan chiller alih-alih motor penggerak listrik biasa. Selain itu, terdapat kondensor uap (permukaan) untuk turbin uap tipe kondensasi. Komponen-komponen ini harus digabungkan dan dicocokkan dengan benar untuk memastikan laju uap terendah.
Chiller biasanya menggunakan turbin uap tipe kondensasi, yang menawarkan efisiensi tinggi. Dalam beberapa aplikasi, bagaimanapun, turbin uap dapat menjadi jenis tekanan balik. Dalam kasus seperti itu, kondensor uap (permukaan) tidak diperlukan. Uap buang dari turbin tekanan balik chiller dapat memberi makan chiller penyerapan satu tahap hilir, yang berfungsi sebagai kondensor. (Sistem penyerapan sentrifugal kombinasi semacam itu telah digunakan untuk pendinginan distrik. Saat mengintegrasikan konfigurasi ini, ingatlah bahwa laju uap melalui turbin uap tekanan balik mungkin hampir dua kali lipat dari turbin uap kondensasi.)
Dalam kasus turbin uap kondensasi, kondensor uap (permukaan) digunakan untuk mengembunkan uap buang pada tekanan vakum untuk mempertahankan operasi turbin yang efisien. Sirkuit air kondensor uap biasanya disalurkan secara seri dengan kondensor refrigeran, menghilangkan sirkuit air pendingin yang terpisah. Laju aliran air kondensor tipikal adalah 3 gal/menit/ton, dibandingkan dengan 4 gal/menit/ton untuk chiller absorpsi.
Tekanan uap pada saluran masuk turbin dapat berkisar dari 13 psig hingga 400 psig, kering dan jenuh atau bahkan superheated, hingga 600 °F (315 °C). Tekanan uap masuk tipikal adalah 125 hingga 150 psig dengan tekanan buang 2,75” HgA (tekanan kondensasi uap sekitar 2,8” HgA). Fleksibilitas untuk menangani tekanan dan suhu uap yang lebih tinggi, atau bahkan uap super panas, merupakan keunggulan dibandingkan pendingin absorpsi. Pendingin serapan biasanya dibatasi oleh tekanan 150 psig, uap kering dan jenuh.
Turbin uap adalah desain multi-tahap dengan kecepatan nominal 4.500 rpm. Bilah turbin dan nozel terbuat dari baja tahan karat. Kecepatan turbin dikendalikan oleh katup pengatur, terintegrasi dengan kontrol chiller. Selama operasi beban sebagian pada kondisi di luar desain, kapasitas chiller dikurangi untuk mempertahankan suhu cairan meninggalkan chiller yang konstan. Hal ini dicapai dengan pertama-tama menurunkan kecepatan dan kemudian menutup baling-baling prerotasi kompresor (PRV). Ini mengurangi kapasitas dari 100 persen menjadi 15 persen desain. Kecepatan dikendalikan oleh katup pengatur yang digerakkan secara pneumatik yang mencekik aliran uap masuk turbin untuk mempertahankan kecepatan yang ditentukan oleh logika kontrol kapasitas. Dengan bypass gas panas, chiller dapat diturunkan hingga 10 persen dari desain.
Memeriksa Kondisi Operasi Dunia Nyata
Di dunia nyata, chiller beroperasi hampir 99 persen dari waktu pada kondisi di luar desain — belum tentu kondisi beban sebagian. Akibatnya, bagaimana chiller beroperasi pada kondisi di luar desain menentukan biaya energi yang sebenarnya.
Chiller turbin uap direkayasa untuk memanfaatkan kemampuan kecepatan variabel yang melekat pada turbin uap untuk mengoptimalkan kecepatan chiller dan untuk menangani suhu air masuk-kondensor yang rendah. Fitur-fitur ini membantu memungkinkan chiller beroperasi pada efisiensi tertinggi. Kemampuan turbin uap untuk memvariasikan kecepatan putaran membantu memastikan efisiensi kompresor yang optimal di semua kondisi pengoperasian.
Penting untuk merancang chiller sedemikian rupa sehingga dapat dioperasikan dengan suhu air masuk-kondensor yang rendah — serendah 55 ° F (13 ° C) — dengan laju aliran air kondensor refrigeran penuh di semua titik desain. Hal ini meningkatkan efisiensi chiller dan menguntungkan pengoperasian menara pendingin dengan mengurangi siklus motor kipas dan memastikan cakupan yang baik dari pengisian pendingin. Pendingin penyerapan dua tahap umumnya dibatasi dengan suhu air masuk-kondensor 68 ° F (20 ° C) karena kekhawatiran kristalisasi larutan lithium bromida.
Koefisien kinerja (COP) desain (beban penuh) — ukuran efisiensi untuk chiller turbin uap — kira-kira 1,2. Nilai itu hampir sama dengan chiller penyerapan dua tahap (efek ganda). Namun, kinerja di luar desain chiller yang digerakkan turbin uap, yang diukur dengan nilai beban sebagian terintegrasi (IPLV) atau nilai beban sebagian non-standar (NPLV), dapat mencapai 2,0, dibandingkan dengan sekitar 1,5 hingga 1.6 untuk penyerap (tabel 1).
Karena efisiensi di luar desain chiller yang digerakkan turbin uap, uap yang disimpan dapat digunakan untuk aplikasi lain di fasilitas, sehingga mengurangi penggunaan bahan bakar energi primer. Sebagai contoh, chiller turbin uap 2.800 ton memiliki laju uap desain sekitar 8,6 lb/jam/ton pada kondisi beban penuh. Pada kondisi di luar desain, mungkin serendah 5,7 lb/jam/ton. Efisiensi di luar desain — diterjemahkan langsung ke penghematan uap tahunan dan biaya operasional — juga dapat membantu membenarkan biaya modal awal yang lebih tinggi dari chiller yang digerakkan oleh turbin uap dibandingkan dengan chiller absorpsi.
Untuk aplikasi pendinginan beban dasar, jika suhu air masuk-kondensor (ECWT) dibiarkan turun hingga 55 °F (13 °C), kapasitas chiller dapat meningkat hampir 23 persen (tabel 2). Peningkatan kapasitas ini memungkinkan chiller listrik kecil lainnya berpotensi dimatikan di ruang pabrik, sehingga semakin mengurangi biaya operasional.
Perbedaan jejak antara sentrifugal listrik dan sentrifugal yang digerakkan oleh turbin uap adalah minimal, dengan asumsi bahwa kondensor uap (permukaan) dipasang di atas kondensor refrigeran. Dalam aplikasi tertentu, kondensor uap (permukaan) dapat dipasang di lantai. Setiap aplikasi harus dipertimbangkan secara unik.
Dalam hal kapasitas pendinginan yang lebih besar — biasanya 1.500 ton ke atas — chiller penyerapan mungkin harus dikirim dalam beberapa bagian yang memerlukan perakitan lapangan, pengelasan di tempat, dan pemeriksaan kebocoran untuk memastikan kekencangan kebocoran di sisi cangkang. Ini membutuhkan lebih banyak perawatan di lokasi kerja dalam hal praktik dan teknik pengelasan dan pemeriksaan kebocoran.
Sebaliknya, chiller yang digerakkan oleh turbin uap dikirim dalam keadaan utuh, dengan pengecualian kondensor uap, yang dapat dikirim langsung ke lokasi kerja. Perakitan yang diperlukan di lapangan dibatasi pada sirkuit air/uap, sehingga memastikan integritas kedap udara dari sirkuit refrigeran dari pabrik tetap utuh.
Chiller turbin uap modern dilengkapi dengan kontrol canggih, termasuk start otomatis penuh, yang memudahkan pengoperasian dan menghilangkan prosedur manual untuk menghidupkan/mematikan chiller. Keuntungan lain dari chiller turbin uap adalah kemampuannya untuk beradaptasi dengan sistem aliran primer variabel. Pendingin turbin uap dapat menangani laju aliran variabel melalui bundel tabung evaporator, sesuatu yang mungkin tidak disukai oleh banyak produsen pendingin penyerapan.
Turbin uap menawarkan keandalan dan umur panjang. Tentu saja, menjaga kualitas uap penting untuk keberhasilan operasi. Direkomendasikan agar startup, pemeliharaan, dan perbaikan ditangani oleh teknisi servis terlatih dari pabrik. Pemeriksaan berkala dan overhaul turbin uap umumnya ditangani oleh pabrikan turbin uap.
Pendingin turbin uap dapat menangani semua kondisi operasi biasa yang biasanya dihadapi dengan pendingin listrik tradisional, termasuk kisaran suhu air keluar-dingin, suhu air masuk-kondensor, dan aliran fluida. Pendingin turbin uap menggunakan teknologi pendinginan konvensional, sehingga suhu di bawah 32°F (0 °C) dapat dicapai untuk aplikasi pendinginan proses yang membutuhkan cairan pendingin pada suhu rendah. Setiap aplikasi unik dan patut dipertimbangkan dengan cermat.
Kesimpulannya, pendingin sentrifugal turbin uap menawarkan perawatan yang relatif rendah, pengoperasian yang sangat andal, dan masa pakai yang lama. Mereka menawarkan alternatif cerdas untuk kombinasi panas dan daya serta aplikasi berat lainnya — mulai dari 600 hingga 2.800 ton (atau bahkan 5.500 ton), di mana pun uap pada tekanan sedang hingga tinggi tersedia.
Industri kimia, farmasi, kertas, dan tekstil dapat memperoleh manfaat dari pendinginan penggerak turbin uap serta pabrik CHP. Aplikasi ini juga mendapat manfaat dari pengurangan biaya operasional tahunan dan kemampuan untuk mencapai target pengurangan gas rumah kaca. Selain itu, beberapa perusahaan utilitas menawarkan potongan harga dan insentif untuk memasang pendingin turbin uap. Performa di luar desain bersama dengan desain dan fleksibilitas operasional membantu memberikan pengembalian ekonomi yang lebih cepat atas investasi.