Mengoptimalkan Sistem Udara Terkompresi dengan Permintaan Udara yang Fluktuatif

Ketika sistem udara membutuhkan udara dalam jumlah besar (sekitar >100 m3/menit) dan permintaan udara sangat fluktuatif di siang hari, pengguna akhir pada umumnya percaya bahwa kompresor screw kecepatan variabel yang berukuran besar dapat memberikan peluang penghematan yang signifikan karena mampu menyesuaikan aliran udara terkompresi secara tepat terhadap permintaan sistem.

Pertimbangkan kasus dalam ilustrasi pada Gbr. 1 sebagai contoh. Ketika permintaan aliran harian bervariasi hingga 90% dari permintaan udara maksimum, studi ini membandingkan konsumsi energi dari enam solusi alternatif dalam hal jumlah kompresor yang dipasang, ukuran kompresor, dan jenis teknologi kompresi (yaitu sentrifugal bebas oli dan rotary bebas oli).

Gbr. 1: Profil aliran variabilitas tinggi (90 persen) untuk jangka waktu 24 jam

Pengaruh sistem kontrol kompresor udara dan logika kontrol yang berbeda juga dipertimbangkan dalam analisis.

Konsumsi energi dari enam solusi yang sama kemudian dibandingkan dengan pola permintaan udara yang berbeda untuk menyimulasikan perilaku keenam sistem dalam hal kebutuhan produksi yang bervariasi (yaitu, empat pola permintaan udara harian lainnya dengan variabilitas yang berbeda juga dipertimbangkan).

MEMILIH SOLUSI UDARA TERKOMPRESI YANG TEPAT

Ada berbagai macam teknologi kompresi, dan masing-masing dapat memiliki kelebihan dan kelemahan sendiri, tergantung pada aplikasi tertentu, rentang pengoperasian, daya, kapasitas, dan aspek-aspek lainnya.

Meski demikian, ketika sistem udara membutuhkan udara dalam jumlah besar dan permintaan udara sangat berfluktuasi di siang hari, pengguna akhir pada umumnya percaya bahwa hanya penggunaan kompresor speed screw variabel besar yang dapat memberikan peluang penghematan yang besar dengan mencocokkan aliran udara terkompresi yang disalurkan dengan permintaan sistem secara tepat.

Tujuan dari penelitian ini adalah membandingkan dan mengevaluasi enam solusi udara terkompresi berbeda ketika permintaan udara sangat berfluktuasi. Penelitian ini mempertimbangkan lima profil aliran variabel, seperti yang digambarkan pada Gambar 1 hingga 5, untuk menentukan beberapa panduan yang akan membantu pengguna akhir memilih sistem terbaik untuk aplikasi mereka.

STUDI KASUS TERKAIT

Dalam Kasus No. 1 (Gambar 1-2), permintaan udara sangat berfluktuasi antara shift malam dan siang, dari sekitar 30 m3/mnt hingga 220 m3/mnt, yang merepresentasikan variabilitas 90 persen dari aliran.

Gambar 2 lebih lanjut menetapkan profil aliran dalam Kasus No. 1. Sumbu y merepresentasikan aliran permintaan sebagai angka absolut di sebelah kiri, dan sebagai persentase dari aliran sistem maksimum yang diminta di sebelah kanan. Sumbu x menunjukkan waktu sebagai persentase dari total periode yang diobservasi. Dengan data ini, peneliti dapat menyimpulkan bahwa pabrik yang diwakili dalam Kasus No. 1 beroperasi di bawah aliran rata-rata hampir 50% dari keseluruhan waktu. Spektrum aliran ini umum ditemukan di lokasi produksi dengan dua shift malam selama enam jam dengan permintaan udara rendah dan dua shift siang selama enam jam dengan permintaan udara tinggi.

Gambar 2: Spektrum aliran variabilitas tinggi (90 persen)

Empat kasus lain yang dianalisis digambarkan pada Gambar 3 hingga 6 dan mewakili:

Kasus No. 2 (Gambar 3): Spektrum lain yang sangat bervariasi dengan 90% variabilitas tetapi dibandingkan dengan Kasus No. 1, aliran yang kurang dari rata-rata diminta hanya 30 persen dari seluruh waktu. Spektrum ini adalah hal yang umum pada produksi dengan satu shift malam selama delapan jam dengan permintaan udara rendah dan dua shift siang selama delapan jam dengan permintaan udara tinggi.

Gambar 3: Profil aliran variabilitas tinggi (90%) untuk waktu medium

Kasus No. 3 (Gambar 4): Mirip dengan Kasus No. 1 dan No. 2 tetapi dengan variabilitas lebih rendah daripada sebelumnya (sekitar 65 persen dari aliran maksimum, bukan 90 persen). Untuk membedakannya dari dua kasus sebelumnya, kami menyebut ini kasus dengan variabilitas medium. Seperti Kasus No. 1, variabilitas ini terjadi dalam waktu yang lama, karena aliran kurang dari rata-rata diminta kurang lebih 50 persen dari keseluruhan waktu.

Kasus No. 4 (Gambar 5): Pola aliran variabilitas medium (sekitar 65 persen dari aliran maksimum, seperti Kasus No. 3); dibandingkan dengan Kasus No. 3, aliran kurang dari rata-rata diminta hanya 30 persen dari keseluruhan waktu.

Kasus No. 5 (Gambar 6): Pola aliran variabilitas rendah dengan variabilitas hanya sekitar 30 persen dari aliran maksimum sepanjang hari, yang berarti 24 jam per hari — produksi yang hampir konstan.

SOLUSI KOMPRESOR HEMAT ENERGI

Dari sudut pandang konsumsi energi, ada enam solusi kompresor alternatif untuk situasi yang digambarkan pada Kasus 1-5:

• Solusi A mempertimbangkan satu kompresor sentrifugal dan satu kompresor sekrup kecepatan variabel besar (700 kW) yang aliran maksimumnya setengah dari permintaan aliran maksimum sistem.
• Solusi B menggunakan dua kompresor sentrifugal yang aliran maksimumnya setengah dari permintaan aliran maksimum sistem. Kompresor sentrifugal dikenal dapat didesain untuk efisiensi terbaik dengan rentang pengaturan lebih kecil atau rentang pengaturan lebih lebar, disebut juga turndown, dengan efisiensi desain lebih rendah. Dalam solusi kedua ini, kompresor didesain untuk efisiensi puncak dan memiliki kontrol pembagian beban terbaru dan paling efisien.
• Solusi C menggunakan dua kompresor sentrifugal yang dirancang dengan rentang pengaturan yang luas. Dalam solusi ini juga, seperti pada semua solusi berikut dengan lebih dari satu kompresor sentrifugal, kompresor sentrifugal memiliki kontrol pembagian beban karena sistem kontrol ini selalu memungkinkan pengurangan pelepasan udara kompresor sentrifugal dengan memperluas rentang pengaturan sistem.
• Solusi D mempertimbangkan tiga kompresor sentrifugal yang aliran maksimumnya sepertiga dari permintaan aliran maksimum sistem. Solusi ini didesain untuk turndown yang lebar dan kontrol pembagian beban.
• Solusi E mempertimbangkan teknologi campuran, tetapi dalam hal ini terdapat dua kompresor sentrifugal dengan kontrol pembagian beban dan satu kompresor sekrup kecepatan variabel kecil (160 kW). Dalam skenario ini, kompresor tidak dikontrol oleh penjadwal. Ini berarti bahwa kompresor speed screw variabel kecil hanya digunakan untuk menutupi kebutuhan udara puncak.
• Solusi F menggunakan kompresor yang sama seperti pada E, tetapi dalam hal ini ketiga kompresor tersebut dikendalikan oleh penjadwal. Penjadwal memungkinkan sistem untuk beroperasi — misalnya, untuk memuat, membongkar, atau mematikan — masing-masing kompresor sesuai dengan jadwal yang telah ditentukan untuk mengoptimalkan sistem dari berbagai sudut pandang; dalam hal ini, dari sudut pandang konsumsi energi.

Kembali ke profil aliran awal kita pada Gambar 1, Solusi A — dengan satu kompresor sentrifugal dan satu kompresor speed rotary variabel besar — dapat memenuhi aliran yang diminta oleh sistem dengan tepat. Karena alasan ini, Solusi ini adalah kombinasi tak terkalahkan karena tidak ada udara yang terbuang. Meski demikian, yang harus kita tentukan juga apakah ini merupakan solusi yang paling efisien dari sudut pandang konsumsi energi. Penggunaan satu kompresor sentrifugal tunggal dengan aliran maksimum sama dengan permintaan maksimum sistem bukanlah solusi yang layak karena banyaknya udara yang terbuang, seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Karena alasan ini, konfigurasi ini tidak masuk ke dalam daftar solusi yang telah didiskusikan sebelumnya.

Gambar 4: Pelepasan udara hanya dengan satu kompresor sentrifugal 220 m3/mnt

Ketika beberapa kompresor sentrifugal dipasang dalam suatu sistem, pelepasan udara kompresor sentrifugal dapat dilakukan dengan pemasangan sistem kontrol pembagian beban. Gambar 8 dan 9 menunjukkan perbedaan, dalam hal rentang pengaturan dua kompresor yang identik, yang aliran maksimumnya adalah setengah dari kebutuhan udara maksimum sistem, dengan dan tanpa sistem kontrol pembagian beban.

Gambar 5: Pelepasan udara dengan dua kompresor sentrifugal 110 m3/mnt tanpa kontrol pembagian beban

Dalam kasus permintaan aliran variabel di luar rentang pengaturan yang wajar — juga disebut “turn-down” — dari kompresor sentrifugal, penggunaan sistem kontrol pembagian beban yang canggih selalu bermanfaat ketika dua atau lebih kompresor sentrifugal digunakan dalam suatu sistem, karena pelepasan udara berkurang.

Masing-masing solusi yang dideskripsikan pada Solusi B hingga F memungkinkan sistem memiliki jumlah udara terbuang yang berbeda. Dalam beberapa kasus, seperti Solusi F (Gambar 7), pelepasan udaranya minimal. Pelepasan udaranya hampir mendekati nol dalam Solusi A, menggunakan satu kompresor sentrifugal dan satu kompresor speed screw variabel besar. Meski demikian, bukan minimalisasi pelepasan udara yang menentukan sistem terbaik tetapi minimalisasi konsumsi energi.

Gambar 7: Dalam Solusi F, pelepasan udara dengan dua kompresor sentrifugal 100 m3/mnt didesain untuk efisiensi puncak dengan kontrol pembagian beban ditambah satu kompresor speed screw variabel 25 m3/mnt (160 kW) dengan penjadwal

Mempertimbangkan kinerja pada tekanan 8 barg untuk setiap kompresor yang digunakan pada Solusi A hingga F, Gambar 8 menunjukkan perbandingan konsumsi energi harian untuk pola aliran Kasus No. 1 dengan variabilitas tinggi untuk waktu yang lama. Ini juga menunjukkan efisiensi relatif antara Solusi A — solusi tak terkalahkan — dan lima solusi lainnya. Efisiensi Solusi A diambil sebagai referensi dan sama dengan 100.

Gambar 8: Perbandingan sistem, konsumsi energi harian

Solusi A bukanlah solusi yang tak terkalahkan, tetapi Solusi F — yang terdiri dari dua kompresor sentrifugal dengan pembagian beban dan satu kompresor speed screw variabel berukuran kecil 160 kW dengan penjadwal — adalah solusi terbaik dalam hal penghematan energi. Solusi F memungkinkan pengguna berhemat hampir 3% dibandingkan dengan Solusi A.

Solusi C — yang dikonfigurasi dengan dua kompresor sentrifugal yang didesain dengan rentang pengaturan yang lebar dan kontrol pembagian beban — terlepas dari beberapa pelepasan udara, hanya 0,3 persen lebih rendah efisiensinya dibandingkan dengan Solusi A; oleh karena itu, ini adalah pilihan yang lebih disukai dari sudut pandang operasi. Bahkan, jika kita mempertimbangkan 300 hari operasi per tahun dan biaya energi rata-rata sebesar 0,10 €/kWh ($0,13/kWj), Solusi A memungkinkan operator untuk berhemat hanya sebesar 1.500 € ($19.500) per tahun dibandingkan dengan Solusi C. Penghematan ini tidak menjadi pembenaran kekurangan pengoperasian sistem ini: Solusi A menggunakan dua kompresor dengan suku cadang yang sama sekali berbeda, dan jika kompresor cadangan diperlukan, hanya satu yang dapat dipilih, yang tidak menjamin efisiensi pengoperasian yang sama. Solusi C, menggunakan dua kompresor sentrifugal yang sama, menghilangkan kedua masalah tersebut.

Gambar 9 menunjukkan perbandingan biaya energi murni tahunan¹ dari enam solusi kompresor dalam hal pola aliran udara, sesuai Kasus No. 1. Pertimbangan penting lainnya adalah mengevaluasi perilaku enam solusi tersebut jika perubahan produksi di masa depan memengaruhi konsumsi udara harian.

Gambar 9: Perbandingan biaya energi tahunan pada Kasus No. 1

Pola aliran dalam Kasus No. 2 hingga 5 mewakili profil aliran udara variabel yang berbeda di bawah berbagai kondisi produksi, yang mencakup hampir semua solusi — dari variabel paling banyak hingga paling sedikit — seperti digambarkan pada Gambar 3 hingga 6.

Tabel 1 merangkum efisiensi relatif antara Solusi A dan lima solusi lainnya dengan profil aliran variabel, seperti dalam Kasus No. 1 hingga 5.

Tabel 1: Perbandingan efisiensi energi: Efisiensi Solusi A digunakan sebagai referensi. Persentase negatif merah atau oranye mengindikasikan bahwa sistem kurang efisien dibanding dengan Solusi A, dan angka positif dan hijau mengindikasikan bahwa sistem lebih efisien dibanding Solusi A. Kuning artinya kedua sistem kurang lebih sama. Baris terakhir menunjukkan peringkat dari enam solusi dengan mempertimbangkan efisiensi sistem (atau biaya energi tahunan), fleksibilitas dan kemudahan pengoperasian, misalnya, suku cadang yang umum dan kompresor cadangan yang sama efisiennya.

Pertimbangkan lagi kinerja kompresor pada tekanan 8 barg, 300 hari pengoperasian per tahun, dan biaya energi rata-rata 0,10 €/kWj ($0,13/kWj). Solusi F memungkinkan operator menghemat 15.000 € ($19.500) per tahun dalam Kasus No. 1 dan sekitar 40.000 € ($52.000) per tahun dalam Kasus No. 5, dibanding dengan Solusi A. Solusi C memiliki biaya energi yang sedikit lebih tinggi, sekitar 1.500 € ($1.950) per tahun dalam Kasus No. 1, tetapi dalam Kasus No. 5, memungkinkan penghematan sekitar 25.000 € ($32.500) per tahun dibanding dengan Solusi A. Mengevaluasi Kasus No. 1, seseorang mungkin akan bertanya-tanya bagaimana Solusi A — yang dapat menghasilkan aliran udara yang diminta oleh sistem dengan tepat tanpa membuang udara sama sekali — memiliki efisiensi yang hampir sama dengan Solusi C. Jawabannya ada di Gambar 13 dan 14.

Gambar 10 membandingkan daya spesifik pada 8 barg dari model sentrifugal yang berbeda dengan kompresor² speed screw variabel yang besar. Kompresor sentrifugal 75 m3/mnt yang bekerja pada titik desain 19% lebih efisien dibanding dengan kompresor speed screw variabel 500 kW; kompresor sentrifugal 115 m3/mnt 14% lebih efisien dibanding dengan kompresor speed screw variabel 700 kW; dan kompresor sentrifugal 140 m3/mnt 19% lebih efisien dibanding dengan kompresor speed screw variabel 900 kW.

Gambar 10: Perbandingan daya paket yang spesifik pada 8 barg

Singkatnya, hanya pengetahuan tentang berat atau keseimbangan yang sebenarnya, dalam hal persentase waktu atau kondisi operasi variabel, yang memungkinkan operator untuk menentukan apakah kompresor udara speed screw variabel besar tepat untuk sistem. Ini adalah konsep penting yang sering diabaikan atau disalahpahami. Kami akan menggunakan kasus nyata lainnya untuk menjelaskan konsep ini.

Ada pelanggan dengan lima kompresor sentrifugal tua 4 barg dengan ukuran berbeda-beda mulai dari 70 m3/mnt hingga 120 m3/mnt. Tahun lalu, ia memutuskan untuk memperbarui ruangan kompresor untuk mengurangi biaya operasi. Ia berkata bahwa audit telah dilakukan dan langkah pertamanya adalah meningkatkan efisiensi sistem mereka. Untuk mencapai ini, ia memutuskan untuk mengganti satu kompresor sentrifugal dengan kompresor udara speed screw variable 500 kW.

Setelah investigasi lebih lanjut, mereka menentukan bahwa beberapa pagi antara pukul 8-10, pabrik harus mematikan satu lajur produksi untuk menyiapkan jenis kaca yang akan diproduksi keesokan harinya. Selama dua jam ini, mereka memiliki kelebihan udara 60 m3/mnt. Karena kompresor sentrifugal yang lama hanya dapat meregulasi 20 m3/mnt, kompresor sentrifugal tersebut melepas udara 40 m3/mnt. Dengan mengganti kompresor ini dengan kompresor speed screw variabel 500 kW, ia berkata mereka akan dapat menghindari pelepasan udara, meningkatkan efisiensi sistem, dan mengurangi biaya operasi.

Sayangnya, ini adalah pendekatan yang salah dan menyesatkan. Memang kompresor speed screw variabel 500 kW akan menghindari pelepasan udara selama waktu tidak aktif, tetapi pelanggan tidak mempertimbangkan perbandingan kinerja sebenarnya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12. Pelanggan seharusnya melakukan perbandingan biaya energi antara kompresor sentrifugal dua tahap yang baru dan kompresor speeed screw variabel 500 kW dua tahap yang diinginkan.

Gambar 12: Perbandingan daya paket spesifik dalam rentang pengaturan pada 4 barg