Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Pasundan Bandung Jalan. Dr. Setiabudi No. 193 Bandung
Phone: 022-2019352, Fax: 022-2019329
E-mail :toto_supriyono@yahoo.com1), bambang.ariantara@gmail.com2)
ABSTRAK
Pembangkit listrik Tenaga Gas, PLTG biasanya menggunakan penggerak utama turbin gas untuk menggerakkan generatornya sehingga dihasilkan listrik. Bahan bakar yang dapat digunakan untuk mengoperasikan turbin gas adalah salah satu bahan bakar cair (Destilate oil) atau gas alam (natural gas). Bahan bakar gas (BBG/natural gas) harus melewati beberapa perlakuan (treatment) terlebih dahulu sebelum disuplai langsung ke dalam ruang bakar turbin gas untuk mengurangi berbagai kandungan partikel dan uap air yang terdapat di dalam BBG tersebut yang dapat menurunkan unjuk kerja turbin gas. Dengan proses perlakuan terhadap BBG ini, diharapkan nantinya keluaran daya turbin untuk menggerakan generator dapat terjaga sesuai spesifikasi turbin gas.
Dalam kegiatan ini telah dilakukan perancangan sistem treatment BBG dan pemilihan peralatan utamanya (fuel gas treatment unit, FGTU) untuk sistem turbin gas (PLTG) yang akan menghasilkan keluaran daya listrik minimal 40 MW. Perancangan FGTU mengacu pada spesifikasi turbin gas dari General Electric tipe LM6000PG, standar atau General Specification tentang Fuel Gas Treatment Unit yang diterbitkan oleh Total Exploration and Production (TEPI, GS EP MEC 214), serta ASME untuk pipa bertekanan, ASME B31.8. FGTU ini dirancang untuk dapat melakukan proses filtrasi partikel, minyak dan kandungan air. Sistem FGTU terdiri atas scrubber, filter, coalescer, booster compressor dan proteksi keadaan darurat. FGTU yang dikaji dirancang untuk mengalirkan natural gas sebanyak 30 mmscfd, tekanan operasi turbin gas sekitar 60 barg dan temperatur BBG masuk sebesar 30 C. Spesifikasi FGTU yang diinginkan adalah dapat memfilter 100% 10 micron (atau lebih besar) droplet, 100% 3 micron (atau lebih besar) partikel padat (solid).
Kata kunci: fuel gas, treatment, gas turbine, power plant. 1. PENDAHULUAN
Pembangkit listrik Tenaga Gas, PLTG kapasitas besar biasanya menggunakan penggerak utama turbin gas untuk menggerakkan generatornya sehingga dihasilkan listrik. Bahan bakar yang dapat digunakan untuk mengoperasikan turbin gas adalah salah satu bahan bakar cair (Destilate oil)
atau gas alam (natural gas). Bahan bakar gas (BBG/natural
gas) harus melewati beberapa perlakuan (treatment) terlebih
dahulu sebelum disuplai langsung ke dalam ruang bakar turbin gas untuk mengurangi berbagai kandungan partikel dan uap air yang terdapat di dalam BBG tersebut yang dapat menurunkan unjuk kerja turbin gas. Dengan proses perlakuan terhadap BBG ini, diharapkan nantinya keluaran daya turbin untuk menggerakan generator dapat terjaga sesuai spesifikasi turbin gas.
Dalam kegiatan ini telah dilakukan perancangan sistem
treatment BBG dan pemilihan peralatan utamanya (fuel gas treatment unit, FGTU) untuk sistem turbin gas (PLTG) yang
akan menghasilkan keluaran daya listrik minimal 40 MW. General Electric gas turbine model LM6000PG adalah mesin turbin gas dua poros yang terdiri atas kompressor tekanan rendah 14 tingkat, turbin dua tingkata tekanan tinggi dan turbin lima tingkat tekanan. Mesin ini dilengkapi dengan filter udara yang terbuat dari stainless steel untuk proteksi benda asing yang dapat masuk ke dalam turbin yang dapat menyebabkan keruskan pada komponen turbin.
Generataor yang digunakan menggunkan tipe Air-cooled open air, Brush 2-pole BDAX 7-340ERJ generator rated at
72,500 KVA @ 0.8 pf, 15oC cooling air, 11,500 volts, 50 Hz,
mampu membangkitkan daya listrik pada kapasistas penuh secara kontinyu pada berbagai kondisi temperatur lingkungan walaupun tanpa dilengkapi pengkondisian udara Generator ini tidak memerlukan fan dan sistem pendingin air siklus tertutup.
Turbin gas ini dilengkapi dengan sistem dua bahan bakar, yaitu sistm bahan bakar cair dan gas yang dikontrol secara elektronik. Untuk operasi beban penuh (full-load operation), bahan bakar gas haruek disuplai pada tekanan 55.85 barg, 21 C dan 57.23 barg, 121 C. Bahan bakar gas yang disuplai harus memenuhi spesifikasi sebagai berikut:
Komposisi bahan bakar gas (% mol) -CH4 : 80 - 99%. -C2H6 : 5 - 20% -C3H8 : 5 - 20% -C4H10 : 5 - 10% Temperature 25 deg C Wobbe: 45 - 60 Specific Gravity: 0.6 – 0.7
Tekanan tingkat keadaan stedi: 5585 kPag untuk operasi beban penuh. Black start: 1900 kPag. Variasi tekanan yang diizinkan: 2% of 5585 kPag +/-138 kPag (Peak to Peak) untuk frekuensi di atas 20 Hz. Frekuensi tidak diperbolehkan pada 20 Hz dan di bawahnya.. Amplitudo fluktuasi tekanan tidak boleh melebihi +/- 5%. Jika ada peningkatan tekanan
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
(seperti saat boot-strap start), maka laju kenaikan tekanan tidak boleh melebih 10 Psig per detik.
Temperatur minimum: 28°C di atas dew point bahan bakar gas. Temperatur maksimum: 121 deg C
Persyaratan filtrasi: 3 micron absolute. Fuel Gas Purity Requirements:
Liquids: Bahan bakar yang disuplai harus 100% bebas cairan (100% free of liquids).
Particulates: Filter gas atas separasi inertial diperlukan pada level filtrasi 5 micron atau di bawahnya pada efisiensi 99.5%. Total partikel (particulate) tidak boleh melebihi 30 ppm by weight. Pipa yang digunakan sebaiknya terbuat dari stainless steel pada sisi downstream.
Sulfur and alkali metals: Tidak ada spesifikasi kandungan sulfur dalam bahan bakar gas. Kandungan sulfur dan alkali metal tidak berpengaruh langsung terhadap turbine gas namun berkaitan dengan persyaratan emisi gas buang.
Bahan bakar gas yang disuplai harus 100% bebas kontimasi bahan berikut ini:
- Tar, lamp black, coke
- Water, salt water
- Sand, clay
- Rust
- Iron sulfide
- Scrubber oil or liquid
- Compressor lube oil
- Naphthalene
- Gas hydrates
Perancangan FGTU mengacu pada spesifikasi turbin gas dari General Electric untuk mesin tipe LM6000PG seperti telah dijelaskan di atas, standar atau General Specification tentang Fuel Gas Treatment Unit yang diterbitkan oleh Total Exploration and Production (TEPI, GS EP MEC 214), serta ASME untuk pipa bertekanan, ASME B31.8.
Menurut GS EP MEC 214 tentang Fuel Gas Treatment, suplai tekanan gas keluar dari FGTU harus cukup untuk mengalirkan gas ke dalam turbin gas pada laju aliran minimal 120 % dari laju aliran bahn bakar gas normal.
Gambar 1. Fuel Gas Treatment Unit sederhana Gambar 1 di atas memperlihatkan fuel gas treatment secara skematik. Fuel gas treatment terdiri atas berbagai valve untuk mengatur laju aliran gas, valve untuk control tekanan, valve untuk keperluan safety, heater untuk me- manaskan gas hingga temperatur sekitar 60 C dan tabung baja bertekanan tinggi yang dalamnya terdapat filter dan
scrubber yang akan menahan berbagai kandungan tidak dikehendaki masuk ke dalam turbin gas, seperti kandungan air, partikel dan minyak (oil). Jika suplai tekanan bahan bakar gas masih rendah di bawah FGTU booster kompresor perlu disediakan.
Pressure control valve, PCV dan kontroler harus memberikan output variasi tekanan tidak lebih dari +/- 1% dari harga normal yang diinginkan keluar dari FGTU.
Selama kondisi operasi transien, seperti starting up, acceleration, dan deceleration turbin gas, variasi tekanan tidak boleh melebihi ± 5% dari harga nominal.
Temperatur bahan bakar gas meninggalkan FGTU harus memenuhi pesryaratan berikut: Temperatur 30° lebih tinggi dari dew points air dan hydrocarbons pada kondisi operasi antara starting up dan beban maksimum. Temperatur gas harus di atas 0°C dan di bawah 85°C.
Tingkat pertama dari treatment gas adalah peralatan separasi. Filtrasi harus dipasang setelah PCV dan separator. Scrubber harus dirancang untuk membuang 100% dari 10 micron (atau lebih besar) droplets.
Separator harus dilengkapi dengThe separators shall be n automatic drain valve, hand drains dan vent valves, beberapa instrument seperti pressure dan temperatur indicator serta differential pressure indikator.
Setiap filter harus dirancang untuk aliran maksimum di tambah 20% dan tidak memerlukan pemeliharaan sebelum 4000 jam operasi, serta memungkinkan diganti tanpa mengganggu operasi. Jika digunakan valve transfer intelok, maka jenis valve harus “tight shut off”.
Jenis filtrasi yang digunakan adalah coalescer dengan spesifikasi:
- 100% efficiency untuk membuang solid dengan ukuran 3
micron atau diatasnya.
- 100% efficiency untuk membuang liquid droplets dengan
ukuran 10 micron size dan di atasnya.
- 99% efficiency untuk membuang liquid droplet dengan
ukuran 5 – 10 micron.
Pemasangan booster compressor dipertimbangkan jika tekanan gas keluar FGTU masih dibawah tekanan gas masuk turbn gas yang diinginkan. Menurut standard API, jenis kompresor yang dapat digunakan adalah kompresor sentry- fugal atau reciprocating. Tekanan keluar kompresor harus dapat diatur dengan ekpansi. Sedikitnya harus ada dua ekspansi yang harus disediakan, masing-masing dimensi harus dapat mengalirkan gas pada laju maksimum.
Penurunan temperatur gas dapat dilakukan menggunakan pendingin udara, satu pendingin udara atau penukar kalor sudah cukup untuk digunakan jika pendinginan mengguna- kan udara. Jika pendinginan menggunakan air yang diguna- kan, maka harus disediakan dua penukar kalor, masing -masing mempunyai kapasitas yang sama.
Jika diperlukan pemanas gas, maka jenis pemanas gas yang digunakan dapat secara elektrik atau menggunakan fluida yang bertemperatur lebih tinggi seperti minyak, uap, air atau gas). Pemanas gas harus dirancang untuk menaikkan temperature minimal 30°C aliran maksimum gas ditambah 20%.
FGTU harus berbentuk “single skid assembly” yang dapat dipindahkan dengan mudah menggunakan satu alat angkat. FGTU harus dirancang untuk operasi kontinyu dan untuk minimal operasi sebagai berikut:
K-76
- 40000 jam untuk penggantian scrubber internals
- 10000 jam untuk inspeksi pemeliharaan
- 4000 jam antara penggantian catridge filter.
Isolasi diperlukan untuk semua perlatatan FGTU yang temperaturnya di atas 50 C.
2. METODOLOGI
Kegiatan ini telah dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut:
- Studi spesifikasi turbin gas yang akan digunakan, yaitu
turbin gas tipe GE LM6000 PG – 50 Hz.
- Mempelajari spesifikasi gas (gas analysis) yang akan
disuplai ke turbin gas. Gas yang akan digunakan adalah disuplai dari Total E&P Indonesie.
- Mempelajari spesifikasi perlatatan atau bahan yang akan
dibutuhkan seperti scrubber, catridge filter, berbagai valve dan kontrol valve, dan booster kompressor.
- Melakukan perancang untuk estimasi kapasitas FGTU,
sizing tangki bertekanan, sizing pipa dan pemilihan pipa, pemilihan booster kompresor, dsb.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 2 memperlihatkan skema FGTU yang dirancang. FGTU terdiri atas:
- Emergency shut down valve, yang berfungsi meng-
hentikan aliran gas jika terjadi keadaan darurat seprti turbin gas mati mendadak, ada sinyal kebakaran, dsb. - Dua tangki scubber filter untuk menfilter kadungan uap
air, partikel dan minyak yang masih terkadung dalam bahan bakar gas.
- Dua unit booster kompressor untuk menaikkan tekanan
gas dari 50 barg menjadi 60 barg.
- Pendingin udara (air cooler), untuk menurunkan temperatur
gas keluar kompresor dari 120 C menjadi 60 C.
- Pressure control valve, PCV, untuk menjamin tekanan gas
keluar FGTU sebesar 56 – 58 barg.
FGTU ini dirancang untuk dapat melakukan proses filtrasi partikel, minyak dan kandungan air. Sistem FGTU terdiri atas scrubber, filter, coalescer, booster compressor dan proteksi keadaan darurat. FGTU yang dikaji dirancang untuk mengalirkan natural gas sebanyak 30 mmscfd, tekanan operasi turbin gas sekitar 60 barg dan temperatur BBG masuk sebesar 30 C. Spesifikasi FGTU yang diinginkan adalah dapat memfilter 100% 10 micron (atau lebih besar) droplet, 100% 3 micron (atau lebih besar) partikel padat (solid).
4. KESIMPULAN
Dari perancangan yang telah dilakukan dapat disimpulkan sebagai berikut:
a. Tekanan gas masuk 50 barg, sedangkan temperatur gas
masuk 30 C.
b. FGTU dirancang untuk mengalirkan gas hingga 24
mmcsfd.
c. FGTU dilengkapi dengan booster kompresor untuk
menaikkan tekanan daro 50 barg hingga 60 barg (rasio kompresi 1.2).
d. Scrubber harus dapat membuang 100% droplets
berukuran 10 micron atau di atasnya.
e. Filter harus dapat membuang 100% partikel berukuran 3
micron atau lebih besar.
f. Coalescer harus dapat membuat 100% oil/minyak
droplets berukuran 10 micron atau di atasnya.
g. Emergency Shut Down Valve, ESDV dipasang sebelum
filter untuk menghentikan aliran gas ketika terjadi keadaan darurat.
Seminar Nasional Teknik Mesin 7 21 Juni 2012, Surabaya, Indonesia
DAFTAR PUSTAKA
[1] GE Energy, 2xLM6000 PG – 50 Hz, Gas Turbine
Generator Package, 718251, R0, July, 2010.
[2] Total E&P Indonesie, General Specification, GS EP MEC 214, January, 2005
[3] Nayyar, Piping Handbook, 7th ed, Mc Graw Hill, 2000.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada PT Teamworx Indonesia dan PT IMECO yang telah memberikan berbagai fasilitas kepada penulis untuk mempelajari dan merancang sistem fuel gas treatment ini.