ABSTRAK
ANALISA KESETIMBANGAN EKSERGI PADA SISTEM
PEMBANGKIT KOGENERASI PLTG 5,2 MW
Oleh
ADI NURYANSYAH
Teknologi kogenerasi telah dikenal dan dimanfaatkan dengan baik di berbagai negara maju dan sebagian negara berkembang. Kogenerasi merupakan suatu pembangkitan berurutan dua bentuk energi berbeda (energi mekanik dan energi termal) dari satu sumber bahan bakar. Dengan demikian, konsep kogenerasi dapat meningkatkan efisiensi energi secara keseluruhan dalam suatu sistem secara signifikan.
Analisa eksergi merupakan metode untuk mengidentifikasi jenis, lokasi dan besarnya kerugian termal pada sistem pembangkit. Identifikasi kerugian ini bertujuan untuk evaluasi serta perbaikan desain suatu sistem termal. Analisa eksergi dapat memberikan informasi yang diperlukan untuk meningkatkan performa sistem pembangkitan daya secara sistematis dan efisien. Adapun metode dalam penelitian ini yaitu mengumpulkan data selama proses pembangkitan, kemudian menganalisa secara energi untuk mendapatkan efisiensi termal, dan menganalisa secara eksergi untuk menetukan lokasi degradasi energi.
Sebagai studi kasus, metoda ini diterapkan pada siklus pembangkit kombinasi gas-uap yang ada di PT. Dian Swastatika Sentosa, Tanggerang. Hasil studi memperlihatkan bahwa komponen yang memberikan kontribusi terbesar terhadap pemusnahan eksergi adalah ruang bakar. Persentase rasio pemusnahan eksergi pada masing-masing komponen terhadap pemusnahan eksergi total, maksimum diperoleh pada ruang bakar (44,42%), diikuti turbin gas (10,87%), kompresor (0,15%), ekonomizer (0,03%), HRSG (1,79%), dan kemudian pompa (0,24%). Sedangkan besarnya efisiensi eksergetik keseluruhan dari siklus kombinasi turbin gas-uap masih relatif rendah (15,1%).
ABSTRACT
ANALYSIS OF EQUILIBRIUM EXERGY IN COGENERATION POWER PLANT SYSTEM 5,2 MW
By
ADI NURYANSYAH
Cogeneration technology has been recognized and put to good use in many developed countries and some developing countries. Cogeneration is the sequential generation of two different forms of energy (mechanical energy and thermal energy) from a single fuel source. Thus, the concept of cogeneration can increase the overall energy efficiency of the system significantly.
Exergy analysis is a method to identify the type, location and magnitude of thermal losses. Identification of these losses is aimed at improving the design and evaluation of a thermal system. Thus exergy analysis provide information needed to improve the performance of the power generation system systematically and efficiently. The method in this study is to collect data during the generation process, then analyze the efficiency of thermal energy and analyze exergy to determine the location of the degradation of energy.
As a case study, this method is applied to the gas-fired combined cycle steam is in PT. Dian Swastatika Sentosa, Tanggerang. Study results showed that the largest component that contributes to the destruction of the exergy is the combustion chamber. The percentage ratio of the destruction of exergy on each component of the destruction of the maximum total eksergi accrue on combustion chamber (44,22 %), followed by gas turbines (10,87%), compressor (0,15%), economizer (0,03 %), HRSG (1,79 %), and then the pump (0,24 %). While the magnitude of the overall exergetic efficiency of the cycle gas turbine-steam combination is still relatively low (15,1%).
ANALISA KESETIMBANGAN EKSERGI PADA SISTEM
PEMBANGKIT KOGENERASI PLTG 5,2 MW
Oleh
ADI NURYANSYAH
Skripsi
Sebagai salah satu syarat untuk mencapai gelar SARJANA TEKNIK
pada
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Dusun Gunung Sari pada tanggal 05 juli
tahun 1992, sebagai anak bungsu dari sebelas bersaudara dari
pasangan Sukarno (Alm) dan Parjiyem. Penulis menyelesaikan
pendidikan Sekolah Dasar di SD Negeri 01 Dadapan
Kecamatan Sumberejo, Tanggamus pada tahun 2003,
Pendidikan Sekolah Menengah Pertama di SMP Negeri 1 Sumberejo, Tanggamus
pada tahun 2006, Pendidikan Sekolah Menengah Atas di SMA Negeri 1
Sumberejo, Tanggamus pada tahun 2009, dan pada tahun 2009 penulis terdaftar
sebagai Mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui
Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN).
Selama menjadi mahasiswa, penulis juga aktif dalam organisasi internal kampus,
yaitu pengurus Himpunan Mahasiswa Teknik Mesin (HIMATEM) periode
2011-2012 sebagai Kepala Bidang Humas, pengurus Majlis Permusyawaratan
Mahasiswa Fakultas Teknik sebagai Wakil Ketua 1 periode 2012-2013, dan
pengurus UKM-U Pencak Silat Setia Hati Terate sebagai Ketua Umum
2013-2014. Kemudian pada bidang akademik, penulis melaksanakan kerja praktek di
PT Dian Swastatika Sentosa yang berlokasi di Wisma Indah Kiat, Jl. Raya
Serpong Km 8 Tanggerang tahun 2012, dengan judul “Analisis Efisiensi Thermal
Studi Kasus Pada Sistem Pembangkit Kogenerasi PT. Dian Swatatika Sentosa” di
PERSEMBAHAN
Bismillahirrohmanirrohim ……..
Dengan penuh rasa syukur kepada Alloh Swt atas terselesaikannya penulisan skripsi ini, kupersembahkan karya ilmiah ini untuk :
Bapak Alm. Sukarno dan Ibu Parjiyem yang selalu mendoakanku dalam setiap sujudnya. Terimakasih atas segala dukungan yang luar biasa sehingga menjadi sumber motivasiku dan kepada seluruh keluarga besarku,
terimakasih atas dukungan yang diberikan.
Seseorang yang selalu menemaniku yang kehadirannya melebihi sosok sahabat, rekan-rekan Teknik Mesin ‘09, serta almamaterku tercinta.
KATA MUTIARA
“inna ma’al-usri yusro”
Sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan”
(Q.S Alam Nasrah : 94)
“Mannjadda Wa Jadda”
Barang siapa yang bersungguh-sungguh maka dia yang akan
berhasil.
“Maka Nikmat Tuhanmu yang Manakah yang Kamu
Dustakan?”
(Q.S Ar-Rahman : 13)
“Kebahagiaan dan tidak kebahagiaan manusia tergantung pada
diri sendiri”
SAN WACANA
Segala puji dan syukur hanya milik Allah SWT yang dengan rahmat dan
pertolongan-Nya sematalah tugas akhir ini dapat diselesaikan. Sholawat dan salam
selalu tercurah kepada Nabi Muhammad SAW, sahabatnya, serta para
pengikutnya yang selalu istiqomah diatas kebenaran agama islam hingga hari ajal
menjemput.
Dalam penyusunan skripsi ini Penulis banyak mendapat bantuan baik moral
maupun material dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan ini, Penulis
ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada:
1. Prof. Dr. Ir. Sugeng P. Harianto, M.S., selaku Rektor Universitas Lampung.
2. Prof. Dr. Suharno, M.Sc. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas
Lampung.
3. Bapak Harmen Burhanudin, S.T,M.T., selaku ketua jurusan teknik mesin
Universitas Lampung dan pembimbing utama tugas akhir, atas banyak waktu,
ide, dan perhatian yang telah diberikan untuk membimbing penulis dalam
menyelesaikan Tugas Akhir ini.
4. Bapak A. Yudi Eka Risano, S.T., M.Eng., selaku pembimbing kedua tugas
akhir ini, yang telah banyak mencurahkan waktu dan fikirannya bagi Penulis.
5. Bapak Dr. Amrizal, selaku pembahas tugas akhir ini, yang telah banyak
ii
6. Seluruh dosen Jurusan Teknik Mesin Universitas Lampung, semoga ilmu
yang disampaikan menjadi amal jariyah bapak/ibu sekalian.
7. Kedua Orang Tua ,serta untuk kakak-kakak ku yang selalu memberikan
dukungan secara moral dan material, semoga allah SWT selalu memberikan
limpahan rahmatnya untuk kita sekeluarga.
8. Untuk adinda tercinta Hesti Nur Asiani, S.pd, yang selama pembuatan tugas
akhir ini selalu memberikan motivasi dan dorongan yang luar biasa untuk
segera lulus.
9. Rekan-rekan PES lovers Asrama 41, Bowo (KomTi), Ijal, Riski, Mei, Budi,
Todi, Lingga, Hendi, Fergi, Iqbal, dan khususnya seluruh keluarga besar-ku
teknik mesin angkatan 2009.
10. Dan semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan tugas akhir ini
yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu.
Akhir kata, Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan,
akan tetapi sedikit harapan semoga yang sederhana ini dapat berguna dan
bermanfaat bagi kita semua.
Bandar Lampung, November 2014
Penulis
DAFTAR ISI
1. Berdasarkan urutan penggunaan energi ... 10
a. Siklus atas ... 10
b. Siklus bawah ... 12
2. Berdasarkan jenis steam (fluida) ... 13
a. Sistem kogenerasi turbin uap ... 13
b. Sistem kogenerasi mesin reciprocating ... 14
c. Sistem kogenerasi turbin gas ... 15
iv
1. Klasifikasi sistem kogenerasi turbin gas ... 17
a. Sistem kogenerasi turbin gas siklus terbuka ... 17
b. Sistem kogenerasi turbin gas siklus tertutup ... 18
2. Komponen Sistem Kogenerasi Turbin Gas ... 19
D. Turbin Gas ... 19
1. Sejarah turbin gas ... 19
2. Dasar turbin gas ... 20
3. Thermodinamika turbin gas ... 22
4. Thermodinamika reaksi pembakaran ... 23
v
2. Analisa eksergi ... 68
a. Laju eksergi pada setiap state dan setiap komponen ... 68
b. Laju destruksi eksergi pada setiap komponen ... 70
c. Rasio destruksi eksergi dan efisiensi eksergi ... 72
d. Efisiensi eksergetik sistem ... 73
V. SIMPULAN DAN SARAN A. Simpulan ... 75
B. Saran ... 76
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tipe kogenerasi dari beberapa model pembangkitan energi ... 9
Table 3.1 Eksergi dari masing-masing state... 43
Tabel 3.2 Eksergi fuel dan eksergi produk setiap komponen ... 43
Table 3.3 Destruksi eksergi dari masing-masing komponen sistem ... 45
Table 3.4 Perbandingan hasil perhitungan ... 46
Tabel 4.1 Data temperatur, tekanan dan laju aliran massa berbagai state ... 50
Tabel 4.2 Komposisi Bahan Bakar ... 51
Tabel 4.3 Kebutuhan udara pembakaran ... 53
Tabel 4.4 Produksi energi listrik dan steamdan efisiensi kogenerasi ... 61
Tabel 4.5 Kesetimbangan energi per – load yang dibangkitkan ... 62
Tabel 4.6 Data Perhitungan Berbagai Komponen Eksergi ... 62
Tabel 4.7 Eksergi Masing-masing state ... 63
Tabel 4.8 Eksergi Masing-masing komponen ... 64
Tabel 4.9 Eksergi yang dimusnahkan pada masing-masing komponen ... 64
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran
1. Data Produksi Listrik dan Uap
2. Algoritma Program
3. Jendela Output Program
a. Hasil Counting
b. Skematik Diagram
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perbandingan efisiensi sistem pembangkit konvensional dan
kogenerasi ... 7
Gambar 2.2 Sistem atas siklus kombinasi ... 10
Gambar 2.3 Sistem atas turbin uap ... 11
Gambar 2.4 Sistem atas pemanfaatan kembali panas ... 11
Gambar 2.5 Sistem atas turbin gas ... 12
Gambar 2.6 Siklus bawah ... 13
Gambar 2.7 Skema sistem kogenerasi turbin gas ... 16
Gambar 2.8 Sistem turbin gas kogenerasi siklus terbuka ... 17
Gambar 2.9 Bagian-bagian utama turbin gas ... 21
Gambar 2.10 Diagram P-V dan T-S pada Siklus Bryton ... 22
Gambar 2.11 Instalasi Turbin Gas dan HRSG Tekanan Tunggal ... 26
Gambar 2.12 Diagram Turbin Gas dan HRSG Tekanan Tunggal ... 26
Gambar 2.13 Diagram T-SCombine Cycle ... 27
Gambar 2.14 Diagram Alir HRSG ... 28
Gambar 2.15 Superheater dan Evaporator pada HRSG ... 30
Gambar 2.16 Susunan Pipa economizer dan evaporator ... 31
Gambar 2.17 Egineering Equation Solver (EES) ... 47
ix
Gambar 4.1 Input parameter program ... 64
Gambar 4.2 Grafik kesetimbangan energi ... 66
Gambar 4.3 Diagram Sankey pada load turbin 3,0 MW ... 67
Gambar 4.4 Diagram Sankey pada load turbin 3,2 MW ... 68
Gambar 4.5 Grafik laju eksergi setiap state ... 69
Gambar 4.6 Grafik laju eksergi per komponen ... 69
Gambar 4.7 Grafik destruksi eksergi ... 70
xi f,tot Total bahan bakar
g Gas
gt Turbin gas
i Aliran masuk
k Berbagai produk pembakaran (komponen)
l Losses
OM Biaya operasional dan perawatan PH Eksergi fisik
PT Eksergi potensial o nilai keadaan standar
Singkatan-singkatan
AFR Air Fuel Ratio
CATT Computer aided Thermodynamic Table
CHP Combine Heat Power
EES Engineering Equation Solver
HRSG Heat Recovery Steam Generator
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang dan Masalah
2
Seperti yang diuraikan diatas, sektor industri seharusnya menjadi pemeran utama dalam konteks penghematan energi. Akan tetapi, dalam dunia industri kebutuhan energi terutama energi listrik merupakan pokok permasalahan yang mendasar. Tersedianya energi listrik merupakan salah satu faktor yang menentukan jalannya roda perusahaan. Dimana sumber utama pasokan energi listrik di Indonesia berasal dari bahan bakar yang tidak dapat diperbaharui yaitu berupa minyak bumi (54.78%), disusul gas bumi (22,2%), batubara (16,77%), air (3,72%) dan geothermal (2,46%) (Biro Perancangan RI, 2012).
3
Salah satu cara yang dapat digunakan untuk mengoptimalkan sistem pembangkit kogenerasi adalah dengan melakukan analisis eksergi. Metode analisis eksergi digunakan dalam menghitung pemusnahan dan rugi-rugi eksergi serta mengkaji efisiensi proses. Pada beberapa tahun terakhir ini analisis eksergi telah menjadi metode penting yang komprehensif dan mutakhir dalam studi tentang desain, analisis dan optimasi suatu sistem termal. Analisis eksergi juga dapat digunakan untuk mengidentifikasikan jenis, penyebab dan lokasi terjadinya kerugian pada sistem dan sub-sistem termal, sehingga perbaikan-perbaikan serta peningkatan kualitas dapat dilakukan (Bejan, 1996).
Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan sebagai evaluasi sistem pembangkit kogenerasi dengan metode analisis eksergi yang bertujuan untuk menghitung rugi-rugi, pemusnahan, serta mengidentifikasikan penyebab dan lokasi terjadinya kerugian eksergi pada setiap komponen. Sehingga efektifitas dari sistem pembangkit kogenerasi ini dapat dioptimalkan. Adapun studi kasus akan dilaksanakan pada sistem pembagkit kogenerasi turbin gas milik PT. Dian Swastatika Sentosa Tbk. Unit pembangkit Tanggerang.
B. Perumusan Masalah
Masalah yang dirumuskan pada penelitian ini adalah:
4
peningkatan optimalisasi sistem termal, untuk meminimalisir rugi-rugi (losses) sehingga mendapatkan efisiensi termal yang lebih baik pada pembangkit kogenerasi ini.
C. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dilaksanakannya penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Menghitung nilai kesetimbangan energi dari kalor yang terbuang.
2. Menghitung kerja dari setiap komponen untuk mendapatkan efisiensi termal yang dihasilkan pada sisem kogenerasi.
3. Menghitung kesetimbangan eksergi, untuk mengetahui laju destruksi dan laju kehilangan eksergi pada setiap komponen instalasi sistem kogenerasi. 4. Mengidentifikasi lokasi dimana eksergi terbuang atau hilang yang bisa
mengurangi performansi dari sistem dan komponen-komponennya.
5. Membuat subrutin program aplikasi perhitungan eksergi dengan menggunakan software Engineering Equation Solver (EES).
D. Batasan Masalah
Ruang lingkup pada skripsi ini agar lebih terarah, maka diberikan batasan masalah sebagai berikut:
1. Pembahasan dalam skripsi ini membahas perhitungan efisiensi, neraca kesetimbangan energi dan analisis perhitungan kesetimbangan eksergi dari setiap komponen dari sistem kogenerasi.
5
E. Sistematika Penulisan
Penulisan Tugas Akhir ini disusun menjadi lima bab. Adapun sistematika penulisannya adalah sebagai berikut.
I. PENDAHULUAN
Pada bab ini mengulas secara singkat masalah yang diambil dengan jelas, tujuan, batasan masalah, dan sistematika penulisan.
II. TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini menguraikan tinjauan pustaka yang dijadikan sebagai landasan teori untuk mendukung penelitian ini.
III. METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini berisi tentang langkah-langkah, alat dan bahan, yang digunakan guna mencapai hasil yang diharapkan.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada bab ini menguraikan hasil dan membahas yang diperoleh dari penelitian yang telah dilakukan.
V. SIMPULAN DAN SARAN
Pada bab ini menyimpulkan dari hasil dan pembahasan sekaligus memberikan saran yang dapat menyempurnakan penelitian ini.
DAFTAR PUSTAKA
Berisikan tentang literatur-literatur referensi yang digunakan dalam penulisan dan penyusunan dalam laporan ini.
LAMPIRAN
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. SISTEM KOGENERASI
1. Prinsip dasar kogenerasi
Kogenerasi merupakan suatu pembangkitan berurutan dua bentuk energi
berbeda (biasanya energi mekanik dan energi termal) dari satu sumber bahan
bakar. Energi mekanik yang dihasilkan selanjutnya dikonversi menjadi energi
listrik, sedangkan energi termalnya dapat digunakan langsung untuk suatu
proses ataupun secara tidak langsung untuk menghasilkan uap, air panas atau
sumber panas pada alat pendingin. Teknologi kogenerasi telah dikenal dan
dimanfaatkan dengan baik di berbagai negara maju dan sebagian negara
berkembang. Beberapa sektor industri yang berpotensi untuk menerapkan
teknologi ini diantaranya adalah pabrik pulp dan kertas, pupuk, baja, semen,
keramik, gelas, tekstil, pengolahan makanan, penyulingan kelapa sawit
maupun minyak bumi.
Pada sektor komersial maupun fasilitas pabrik, kogenerasi dapat diterapkan
antara lain sebagai fasilitas kompleks industri, pusat perkantoran, hotel,
universitas dan rumah sakit. Jenis industri tersebut mempunyai kebutuhan
listrik dan uap atau panas bersamaan, mempunyai panas buang yang cukup
7
menerapkan teknologi kogenerasi. Dengan konsep kogenerasi, efisiensi
energi secara keseluruhan dalam suatu sistem energi bertambah secara
signifikan. Dalam beberapa kasus bisa bertambah lebih dari 30%,
dibandingkan sistem energi konvensional. Gambaran sederhana perbandingan
efisiensi antara sistem energi konvensional dengan sistem kogenerasi, seperti
ditunjukan pada gambar 2.1 dibawah ini (UNESCAP, 2000).
Gambar 2.1 Perbandingan Efisiensi Sistem Konvensional dan Kogenerasi (UNESCAP, 2000)
Dalam perspektif mikro yaitu bagi industri yang relevan, penerapan
kogenerasi akan merupakan suatu investasi yang menguntungkan industri
tersebut secara ekonomi maupun teknis dari sistem energi yang dimiliki
sendiri. Sedangkan dalam perspektif makro, beban anggaran pemerintah
dalam penyediaan listrik nasional akan dipikul bersama sektor swasta.
Disamping terjadi penghematan sumber-sumber energi yang tidak dapat
diperbaharui (minyak, gas alam dan batubara) dan juga peran aktif dalam
penurunan emisi gas-gas rumah kaca.
8
Pada sistem kogenerasi, efisiensi keluaran listrik didefinisikan sebagai
perbandingan kapasitas keluaran energi listrik terhadap besar input bahan
bakar ,sehingga (Boyce, 2000) :
ɳe = ( Ec/Ef ) x 100% (2.1)
dimana :
ɳe = Efisiensi keluaran listrik (%)
Ec = Kapasitas keluaran energi listrik (MW)
Ef = Besar energi input bahan bakar (MW)
Kapasitas energi termal uap (Etr) didefinisikan sebagai massa produk (uap)
dikalikan dengan entalpi pada suhu tertentu.
Etr = ̇ x h@Tc (2.2)
Efisiensi kogenerasi (ɳco) merupakan perbandingan total energi output
terhadap input bahan bakar, sehingga :
ɳco = ( Ec + Etr )/Ef (2.3)
Sementara jika sistem menggunakan pembakaran tambahan (Supplementary
Firing), maka efisiensi kogenerasi menjadi :
ɳco = ( Ec + Etr)/Ef + Esu (2.4)
dimana : Ef = Input bahan bakar
Esu= input bahan bakar pada Supplementary Firring (burner)
2. Keuntungan Kogenerasi
Seperti yang digambarkan diatas, keuntungan penggunaan sistem kogenerasi
adalah sebagai berikut (UNEP, 2006):
9
b. Emisi lebih rendah terhadap lingkungan, khususnya CO2, dan gas-gas
rumah kaca lainnya.
c. Penghematan biaya yang besar menjadikan industri atau sektor komersial
lebih kompetitif dan juga dapat memberikan tambahan energi termal
untuk pengguna domestik.
d. Memberikan kesempatan lebih lanjut untuk membangkitkan listrik lokal
yang didesain sesuai kebutuhan konsumen lokal dengan efisiensi tinggi,
menghindari rugi-rugi transmisi dan meningkatkan fleksibilitas pada
sistem penggunaan. Hal ini khususnya untuk penggunaan bahan bakar gas
alam.
e. Suatu kesempatan untuk meningkatkan diversifikasi plant pembangkit,
dan menjadikan persaingan pembangkitan.
Tabel 2.1 Macam-macam tipe kogenerasi dari beberapa model pembangkitan
energi (BPPT, 2012):
Model Pembangkit Pembangkitan Daya
10
B. Klasifikasi Sistem Kogenerasi
Sistem kogenerasi biasanya diklasifikasikan menurut jenis steam (fluida),
urutan penggunaan energi dan skema operasi yang diambil.
1. Klasifikasi sistem kogenerasi berdasarkan urutan energi yang digunakan
adalah sebagai berikut (UNEP, 2006):
a. Siklus atas
Dalam siklus atas bahan bakar yang dipasok digunakan untuk
memproduksi daya terlebih dahulu dan kemudian energi panas yang
merupakan produk samping siklus digunakan untuk memenuhi
permintaan proses panas lainnya. Penerapan sistem kogenerasi pada
siklus atas antara lain yaitu pada sistem pembangkit listrik.
Terdapat empat jenis sistem kogenerasi siklus atas:
1) Sistem atas siklus kombinasi
Sebuah turbin gas memproduksi listrik atau daya mekanis diikuti
oleh boiler pemanfaat panas untuk menghasilkan steam yang
digunakan untuk menggerakan turbin uap sekunder seperti yang
terlihat pada gambar berikut:
11
2) Sistem atas turbin uap
Pada jenis sistem atas tubin uap (jenis apapun) bahan bakar dibakar
untuk menghasilkan steam tekanan tinggi yang kemudian melewati
turbin uap untuk menghasilkan daya dengan buangan steam dari
proses merupakan steam bertekanan rendah.
Gambar 2.3 Sistem atas turbin uap (UNEP, 2006)
3) Sistem atas pemanfaatan kembali panas
Jenis ini memanfaatkan panas yang diambil dari buangan mesin
dan/atau sistem pendingin yang mengalir menuju boiler pemanfaat
panas, dimana panas ini diubah menjadi steam untuk proses
penggunaan lebih lanjut.
12
4) Sistem atas turbin gas
Turbin gas menggerakan sebuah generator dan gas buang mengalir
ke boiler pemanfaat panas (HRSG) yang membuat steam dan panas
untuk proses.
Gambar 2.5 Sistem atas turbin gas(UNEP, 2006)
b. Siklus bawah
Dalam siklus bawah, bahan bakar primer digunakan untuk
memproduksi energi panas bertemperatur tinggi dan panas yang
keluar dari proses digunakan untuk membangkitkan daya melalui
boiler pemanfaat panas kembali (HRSG) dan sebuah generator turbin.
Siklus bawah cocok untuk proses manufakturing yang memerlukan
panas pada temperatur tinggi dalam tungku. Areal penerapannya
13
Gambar 2.6 Siklus bawah (UNEP, 2006)
Plant siklus bawah kurang umum digunakan daripada siklus atas.
Gambar 2.6 menggambarkan siklus bawah dimana bahan bakar
dibakar dalam furnace untuk menghasilkan rutile sintetik. Limbah gas
yang keluar dari furnace digunakan dalam boiler untuk menghasilkan
steam yang menggerakan turbin untuk menghasilkan listrik.
2. Berdasarkan jenis steam (fluida) sistem kogenerasi diklasifikasikan atas
(UNEP, 2006):
a. Sistem kogenerasi turbin uap
Turbin uap merupakan salah satu teknologi mesin penggerak yang multi
fungsi dan tertua yang masih diproduksi secara umum. Pembangkitan
energi dengan menggunakan turbin uap telah berlangsung sekitar 100
tahun, ketika alat tersebut menggantikan mesin steam reciprocating
karena efisiensinya yang tinggi dan biayanya yang murah. Kapasitas
turbin uap dapat berkisar dari 50 kW hingga ratusan MW untuk plant
utilitas energi yang besar. Turbin uap digunakan secara luas untuk
14
Siklus termodinamika untuk turbin uap merupakan siklus Rankine.
Siklus Rankine merupakan dasar bagi stasiun pembangkitan daya
konvensional dan terdiri dari sumber panas (boiler) yang mengubah air
menjadi steam bertekanan tinggi. Dalam siklus uap, air pertama- tama
dipompa ketekanan sedang hingga tinggi, kemudian dipanaskan hingga
temperatur didih yang sesuai dengan tekanannya, dan kemudian
biasanya diberikan panas berlebih (superheated). Turbin multi tahap
mengekspansi steam bertekanan sampai ke tekanan rendah dan steam
kemudian dikeluarkan ke kondensor pengembun pada kondisi vakum
atau menuju sistem distribusi suhu menengah yang mengirimkan steam
ke penggunaan industri atau komersial. Kondensat dari kondensor atau
dari sistem penggunaan steam dikembalikan ke pompa air umpan untuk
keberlanjutan siklus.
b. Sistem kogenerasi mesin reciprocating
Mesin-mesin reciprocating cocok untuk berbagai penggunaan
pembangkitan yang terdistribusi, industri, komersial, dan fasilitas
institusional untuk pembangkitan daya dan CHP. Mesin reciprocating
mudah menyalakannya, memiliki efisiensi beban yang baik, dan
umumnya memiliki kehandalan yang tinggi. Dalam beberapa kasus,
unit mesin multiple reciprocating dapat meningkatkan kapasitas total.
Mesin reciprocating memiliki efisiensi listrik lebih tinggi dibanding
turbin gas dengan ukuran yang sebanding, dengan demikian
merendahkan biaya operasi yang berhubungan dengan bahan bakar.
15
rendah dari genset turbin gas hingga ukuran 3-5 MW. Biaya perawatan
mesin reciprocating umumnya lebih tinggi dari turbin gas.
Potensi penerapan pembangkitan yang terdistribusi untuk mesin
reciprocating terdiri dari stand-by, pemangkasan beban puncak,
penyangga grid, dan penerapan CHP dimana diperlukan air panas,
steam tekanan rendah, atau limbah absorpsi panas pembakaran pada
pendingin. Mesin reciprocating juga digunakan secara luas sebagai
penggerak mekanik langsung dalam berbagai penerapan seperti pompa
air, kompresi udara dan gas, dan pendinginan.
c. Sistem kogenerasi turbin gas
Sistem kogenerasi turbin gas beroperasi pada siklus termodinamika
yang dikenal dengan siklus Brayton. Pada siklus Brayton, udara
atmosfir dikompresi, dipanaskan, diekspansikan, dan kemudian gas
berlebih yang dihasilkan oleh turbin atau ekspander yang dipakai oleh
kompresor digunakan untuk pembangkitan energi seperti yang
ditunjukan pada gambar 2.7 Sistem kogenerasi turbin gas dapat
menghasilkan seluruh atau sebagian permintaan energi setempat, dan
energi yang dilepas pada suhu tinggi pada cerobong pengeluaran dapat
dimanfaatkan kembali untuk berbagai pengunaan pemanasan dan
16
C. Sistem Kogenerasi Turbin Gas
Ketersediaan bahan bakar dan efisiensi yang tinggi menjadi pilihan yang tepat
dalam menentukan model kogenerasi. Oleh karena itu sistem kogenerasi
turbin gas menjadi pilihan dan banyak diaplikasikan dalam bidang industri.
Sistem kogenerasi turbin gas beroperasi pada siklus termodinamika gabungan
yang dikenal dengan combine cycle atau gabungan dari siklus Bryton pada
turbin gas dan siklus Rankine pada boiler. Pada siklus Brayton, udara
atmosfer dikompresi di dalam kompressor, kemudian dipanaskan didalam
ruang bakar dan gas hasil pembakaran diekspansikan ke turbin, dengan
kemudian panas tersisa dari turbin tersebut digunakan kembali untuk
pembangkitan energi termal pada boiler. Konversi energi dari gas sisa hasil
pembakaran terjadi didalam boiler dengan menggunakan konsep pada siklus
Rankine (Cangel, 2006). Gambaran dari sistem kogenerasi turbin gas dapat
dilihat pada gambar 2.7 berikut:
17
1. Klasifikasi sistem kogenerasi pada turbin gas
Sistem kogenerasi pada turbin gas dibagi menjadi dua jenis yaitu (UNEP,
2006) :
a. Sistem kogenerasi turbin gas siklus terbuka
Hampir seluruh sistem turbin gas yang tersedia saat ini, pada berbagai
sektor penggunaan beroperasi pada siklus Brayton terbuka (bila ketidak
dapat baliknya diabaikan) dimana kompresor mengambil udara dari
atmosfer dan membawanya pada tekanan yang lebih tinggi ke pembakar.
Suhu udara juga meningkat karena kompresi. Unit yang lebih tua dan lebih
kecil beroperasi pada perbandingan tekanan sekitar 15:1, sementara unit
yang lebih baru dan lebih besar beroperasi pada perbandingan tekanan
mendekati 30:1.
18
Gambar 2.8 diatas menunjukan sistem turbin gas kogenerasi siklus
terbuka. Udara dikirimkan melalui sebuah diffuser ke ruang pembakaran
yang bertekanan konstan, dimana bahan bakar diinjeksi dan dibakar.
Diffuser menurunkan kecepatan udara ke nilai yang dapat diterima dalam
pembakar. Pembakaran berlangsung dengan udara berlebih, gas buang
keluar pembakar pada suhu tinggi dengan konsentrasi oksigen sampai
15-16%. Semakin tinggi suhu pada siklus ini, akan semakin tinggi efisiensi
siklusnya. Batas atas temperature ditentukan dari daya tahan material
turbin terhadap suhu, juga oleh efisiensi sudu-sudu pendingin. Batasan
suhu pada teknologi terbaru adalah sekitar 1300°C. Gas buang yang
bersuhu dan bertekanan tinggi ini menuju turbin gas menghasilkan kerja
mekanis untuk menggerakan kompresor dan beban (generator listrik). Gas
buang meninggalkan turbin pada suhu yang cukup besar (450-600°C),
yang ideal untuk dimanfaatkan kembali. Panas yang bersuhu tinggi untuk
pemanfaatan yang lebih efisien, dipengaruhi oleh boiler bertekanan
tunggal atau ganda. Uap yang dihasilkan dapat memiliki tekanan dan suhu
yang tinggi, yang cocok digunakan untuk menggerakkan turbin uap
ataupun untuk keperluan produksi dalam industri.
b. Sistem kogenerasi turbin gas siklus tertutup
Dalam sistem siklus tertutup, fluida kerja (biasanya gas helium atau udara)
bersirkulasi dalam suatu sirkuit tertutup. Fluida ini dipanaskan dalam suatu
penukar panas sebelum masuk menuju turbin, dan didinginkan setelah
keluar turbin dan melepaskan panas yang berguna. Sehingga fluida
19
2. Komponen Sistem Kogenerasi Turbin Gas
Komponen utama yang digunakan sistem kogenerasi terutama kogenerasi
gas-uap adalah (BPPT, 2012) :
a. Turbin Gas
b. Generator
c. Heat Recovery Steeam Generator (HRSG)
d. Komponen-komponen penunjang ( pompa, kondensor, deaerator, dll)
D. Turbin Gas
1. Sejarah Turbin Gas
Menurut Dr. J. T. Retaliatta, sistem turbin gas ternyata sudah dikenal
pada jaman “Hero of Alexanderia”. Disain pertama turbin gas dibuat oleh
John Barber seorang Inggris pada tahun 1791. Sistem tersebut bekerja
dengan gas hasil pembakaran batu bara, kayu atau minyak, kompresornya
digerakkan oleh turbin dengan perantaraan rantai roda gigi. Pada tahun
1872, Dr. F. Stolze merancang sistem turbin gas yang menggunakan
kompresor aksial bertingkat ganda yang digerakkan langsung oleh turbin
reaksi tingkat ganda. tahun 1908, sesuai dengan konsepsi H. Holzworth,
dibuat suatu sistem turbin gas yang mencoba menggunakan proses
pembakaran pada volume konstan. Tetapi usaha tersebut dihentikan
karena terbentur pada masalah konstruksi ruang bakar dan tekanan gas
pembakaran yang berubah sesuai beban. Tahun 1904, “Societe des
Turbomoteurs” di Paris membuat suatu sistem turbin gas yang
konstruksinya berdasarkan desain Armengaud dan Lemate yang
20
sekitar 450oC dengan tekanan 45 atm dan kompresornya langsung digerakkan oleh turbin.
Selanjutnya, perkembangan sistem turbin gas berjalan lambat hingga
pada tahun 1935 sistem turbin gas mengalami perkembangan yang pesat
dimana diperoleh efisiensi sebesar lebih kurang 15 %. Pesawat pancar
gas yang pertama diselesaikan oleh “British Thomson Houston Co” pada
tahun 1937 sesuai dengan konsepsi Frank Whittle (tahun 1930). Saat ini
sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk berbagai keperluan
seperti mesin penggerak generator listrik, mesin industri, pesawat terbang
dan lainnya. Sistem turbin gas dapat dipasang dengan cepat dan biaya
investasi yang relatif rendah jika dibandingkan dengan instalasi turbin
uap dan motor diesel untuk pusat tenaga listrik (Wikipedia, 2013).
2. Dasar Turbin Gas
Turbin gasadalah suatu alat yang memanfaatkan gas sebagai fluida untuk
memutar turbin dengan pembakaran internal. Di dalam turbin gas, energi
kinetik dikonversikan menjadi energi mekanik melalui udara bertekanan
yang memutar roda turbin sehingga menghasilkan daya. Sistem turbin
gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen yaitu
(Cangel,2006):
a. Kompresor (Compressor)
b. Ruang bakar (Combustor) dan
21
Gambar 2.9 Bagian-bagian utama turbin gas (UNESCAP, 2000)
Udara masuk ke dalam kompresor melalui saluran masuk udara (air
inlet). Kompresor berfungsi untuk menghisap dan menaikkan tekanan
udara tersebut, sehingga temperatur udara juga meningkat. Kemudian
udara bertekanan ini masuk ke dalam ruang bakar dimana di dalam ruang
bakar dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara
bertekanan tinggi dan bahan bakar. Proses pembakaran tersebut
berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat dikatakan
ruang bakar hanya untuk menaikkan temperatur udara.
Gas hasil pembakaran yang memiliki enthalpi tinggi inilah yang
selanjutnya dialirkan ke turbin gas melalui suatu sudu tetap (stator) yang
berfungsi untuk mengarahkan aliran gas panas tersebut menuju
sudu-sudu putar (rotor) turbin. Daya yang dihasilkan oleh turbin gas tersebut
selain untuk memutar generator, sebagian dayanya akan digunakan untuk
memutar kompresornya sendiri. Setelah melewati turbin ini gas tersebut
22
3. Thermodinamika Turbin Gas
Turbin gas bekerja berdasarkan siklus Bryton, dimana terdapat hubungan
antara tekanan-volume (P-V) dan temperatur-entropi (T-S). Skema instalasi
dari turbin gas tersebut digambarkan sebagai siklus Bryton ideal. Udara
luar dihisap oleh kompresor dan dimanfaatkan hingga tekanan dan
temperaturnya naik. Dalam ruang bakar terjadi proses pencampuran bahan
bakar dengan udara bertemperatur dan bertekanan tinggi yang berasal dari
kompresor sehingga terjadi proses pembakaran. Gas hasil pembakaran
diekspansikan untuk memutar sudu-sudu turbin, gas tersebut dialirkan ke
udar luar atau dimanfaatkan kembali untuk memanaskan ketel uap pada
siklus kombinasi. Gambar 2.10 di bawah ini menjelaskan tentang proses
kerja dari pembangkit listrik tenaga gas dalam diagram P-V dan T-S siklus
Bryton.
Gambar 2.10 Diagram P-V dan T-S pada Siklus Bryton udara standar (UNESCAP, 2000)
23
1→2 Merupakan proses kompresi insentropik yaitu kerja yang dibutuhkan
kompresor:
2→3 Merupakan proses pemasukan bahan bakar pada tekanan konstan.
Dan terjadi proses pembakaran didalam combustor.
3→4 Merupakan proses ekspansi isentropik didalam turbin. Daya dari
turbin digunakan untuk menggerakan kompresor dan generator
4→1 Pembuangan panas pada tekanan konstan ke udara. Pada sistem
kogenerasi, gas sisa ini digunakan untuk pembangkitan kalor.
Dari gambar siklus brayton dan diagram T-S diatas maka akan diambil
asumsi bahwa siklus steady state, perbedaan energi potensial dan
energi kinetik diabaikan karena terlalu kecil, maka akan diperoleh
persamaan efisiensi insentropik turbin gas sebagai berikut (Cangel,2006):
Proses 1-2 dan 3-4 adalah proses isentropik dimana P2 = P1 dan P4 = P1
Persamaan diatas dapat disubtitusikan ke dalam bentuk persamaan
efisiensi termal yang lebih sederhana :
η , = 1 − 1( ) = 1 − 1 (2.6)
4. Thermodinamika Reaksi Pembakaran
Sebagai salah satu mesin konversi energi, didalam turbin gas juga terjadi
24
bakar atau combustor. Dalam reaksi pembakaran oksidasi cepat oleh
elemen yang mudah terbakar yang menghasilkan energi termal akan
terbentuk. Bahan bakar dikatakan terbakar sempurna jika unsur karbon
yang terkandung dalam bahan bakar terbakar menjadi karbon dioksida,
atau semua hidrogen terbakar menjadi air, dan sulfur menjadi sulfur
dioksida. Sebagai ilustrasi dari jumlah teoritis udara pada pembakaran
metan, pada reaksi ini hasil pembakaran hanya mengandung
karbondioksida, air, dan nitrogen.
Hal-hal yang berhubungan dengan reaksi kimia perlu mengingat
bahwa massa dikonservasi sehingga massa hasil pembakaran sama dengan
massa pereaksi. Massa total dari masing-masing elemen kimia harus sama
pada kedua sisi persamaan. Walau elemen yang ada berbeda senyawa
kimianya dalam pereaksi dan hasil reaksi, akan tetapi jumlah mol pereaksi
dengan hasil pembakaran dapat berbeda, jumlah udara minimum yang
mensuplai oksigen secukupnya untuk pembakaran sempurna semua
karbon, hidrogen, dan sulfur yang terkandung dalam bahan bakar disebut
dengan stoikhiometrik jumlah udara (Moran, 2006).
Untuk bahan bakar hidrokarbon dengan rumus molekul ( ) reaksi
pembakarannya adalah (Moran, 2006):
+ ( + 3,76 ) → + + (2.7)
dimana :
a,b,c,d = Koefisien Reaksi
25
Laju aliran massa bahan bakar ( ) dapat dihitung persamaan sebagai
berikut :
̇ = . 3600. (2.8)
Dengan merupakan volume bahan bakar, merupakan spesifik
gravity bahan bakar dan adalah massa jenis udara.
Untuk menghitung air fuel ratio AFR berdasarkan massa:
= = kg (bahan bakar) (2.9)kg (udara)
dimana : = kmolkmol(bahan bakar(udara) )
E. Heat Recovery Steam Generator (HRSG)
1. Definisi HRSG
HRSG (Heat Recovery Steam Generator) adalah ketel uap atau boiler yang
memanfaatkan energi panas sisa gas buang suatu unit turbin gas untuk
memanaskan air dan mengubahnya menjadi uap, dan kemudian uap
tersebut dipergunakan untuk menggerakkan turbin uap atau digunakan
untuk keperluan industri. Pada umumnya boiler HRSG tidak dilengkapi
pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar, sehingga tidak
terjadi proses perpindahan atau penyerapan panas radiasi. Proses
perpindahan atau penyerapan yang terjadi hanyalah proses konveksi dan
konduksi dari gas buang turbin gas ke dalam air yang akan di proses
menjadi uap melalui elemen-elemen pemanas di dalam ruang boiler HRSG
26
Gambar 2.11 Instalasi Turbin Gas dan HRSG Tekanan Tunggal (UNESCAP, 2000)
27
Gambar 2.13 Diagram T-SCombine Cycle(Bambang,2006)
Diagram T-S yang menggambarkan keseluruhan proses ditunjukkan pada
Gambar 2.13, Diagram I menyatakan siklus Brayton untuk turbin gas dan
diagram II menyatakan siklus Rankine untuk turbin uap. Kapasitas
produksi uap yang dapat dihasilkan HRSG tergantung pada kapasitas
energi panas yang masih dikandung gas buang dari unit turbin gas, yang
berarti tergantung pada beban unit turbin gas. Pada dasarnya, turbin gas
yang beroperasi pada putaran tetap, aliran udara masuk kompresor juga
tetap, perubahan beban turbin yang tidak konstan dengan aliran bahan
bakar tetap mengakibatkan suhu gas buang juga berubah-ubah mengikuti
perubahan beban turbin gas.
I
28
Gambar 2.14 Diagram Alir HRSG (UNESCAP, 2000)
Suhu gas buang unit turbin gas tetap konstan diperoleh dengan cara
mengatur pembukaan sirip-sirip pemandu aliran udara masuk (IGV, Inlet
Guide Vane) guna mengatur laju aliran udara masuk ke kompressor,
dimana suhu gas buang sebagai umpan baliknya.
Sebagian boiler HRSG dapat dilengkapi dengan pembakaran tambahan
(burner) untuk meningkatkan kapasitas produksi uapnya. Dan sebagian
produksi uapnya dapat digunakan untuk keperluan pemanasan aplikasi
lainnya (cogeneration). Dengan pembakaran tambahan ini, kestabilan
produksi uap HRSG dapat di pertahankan, sehingga kestabilan turbin uap
yang menggunakan uap ini dapat dijaga, walaupun beban turbin gas
berubah-ubah dan juga suhu gas buang turbin gas (aliran udara masuk
29
2. Komponen-komponen HRSG
Heat Recovery Steam Generator terdiri dari beberapa elemen yaitu
Superheater, Evaporator dan Economizer yang masing-masing memiliki
fungsi yang berbeda. Pada sub-bab di bawah akan dijelaskan fungsi dari
masing-masing elemen (UNESCAP, 2000).
a. Superheater
Superheater merupakan alat yang berfungsi untuk menaikan temperatur
uap jenuh sampai menjadi uap panas lanjut (superheat vapor). Uap
panas lanjut bila digunakan untuk melakukan kerja dengan jalan
ekspansi di dalam turbin atau mesin uap tidak akan mengembun,
sehingga mengurangi kemungkinan timbulnya bahaya yang disebabkan
terjadinya pukulan balik atau back stroke yang diakibatkan
mengembunya uap belum pada waktunya sehingga menimbulkan
vakum di tempat yang tidak semestinya didaerah ekspansi.
b. Evaporator
Evaporator merupakan elemen HRSG yang berfungsi untuk mengubah
air hingga menjadi uap jenuh, pipa-pipa evaporator pada ketel uap
biasanya terletak pada lantai (water floor) dan juga pada dinding (water
wall). Pada pipa ini uap jenuh pada kualitas 0,80 – 0,98, sehingga
sebagian masih berbentuk fase cair. Evaporator akan memanaskan uap
air yang turun dari drum uap (steam drum) yang masih dalam fase cair
30
Gambar 2.15 Superheater dan Evaporator pada HRSG (UNESCAP, 2000)
c. Economizer
Economizer terdiri dari pipa-pipa air yang di tempatkan pada lintasan
gas asap setelah pipa evaporator. Pipa-pipa economizer dibuat dari
bahan baja atau besi tuang yang sanggup untuk menahan panas dan
tekanan tinggi. Economizer berfungsi untuk memanaskan air pengisi
sebelum memasuki steam drum dan evaporator sehingga proses
penguapan lebih ringan dengan memanfaatkan gas buang dari HRSG
yang masih tinggi sehingga memperbesar efisiensi HRSG karena dapat
memperkecil kerugian panas pada HRSG tersebut. Air yang masuk
pada evaporator sudah pada temperatur tinggi sehingga pipa-pipa
evaporator tidak mudah rusak karena perbedaan temperatur tidak
31
Gambar 2.16 Susunan Pipa economizer dan evaporator
(UNESCAP, 2000)
d. Preheater
Preheater merupakan pemanas awal air yang dipompakan dari
kondensor sebelum masuk tangki air umpan (feed water tank). Pada
HRSG preheater bertujuan menaikan suhu sebelum masuk tangki air
umpan, yang nantinya akan diteruskan ke economizer. Umumnya
preheater ini menempati posisi lintasan gas asap sebelum meninggalkan
32
F. Analisa Eksergi
1. Konsep Dasar Eksergi
Eksergi merupakan energi yang dapat dimanfaatkan (available energi)
atau ukuran ketersediaan energi untuk melakukan kerja teoritik maksimum
yang dapat diperoleh hingga sistem tersebut mencapai kesetimbangan
dengan lingkungannya (Moran, 2006).
Konsep eksergi memperlihatkan kegunaan (kualitas) suatu energi dan zat
sebagai tambahan selain apa yang dikonsumsi dalam tahapan-tahapan
pengkonversian atau transfer energi. Salah satu kegunaan utama dari
konsep eksergi adalah keseimbangan energi dalam analisis sistem termal.
Analisis eksergi merupakan metode untuk mengidentifikasi jenis, lokasi
dan besarnya kerugian termal. Identifikasi kerugian ini memungkinkan
untuk evaluasi dan perbaikan desain suatu sistem termal. Metode analisis
eksergi dapat menunjukan kualitas dan kuantitas kerugian panas dan lokasi
degradasi energi (mengukur dan mengidentifikasi penyebab degradasi
energi). Sebagian kasus ketidaksempurnaan suatu proses termodinamika
tidak dapat dideteksi dengan analisis energi. Oleh karena itu, persamaan
kerja aktual dan kerja reversible sering diformulasikan dalam persamaan
fungsi eksergi untuk sebuah sistem terbuka dan sistem tertutup.
2. Dead State
Ketika suatu sistem dan lingkungan berada pada titik kesetimbangan, tidak
ada perubahan state pada sistem secara mendadak yang bisa terjadi, dan
33
dijelaskan diatas memberikan kerja reversible maksimum atau kerja
potensial yang berhubungan dengan state sebuah sistem maka ketika
sistem dan lingkungannya telah mencapai titik keseimbangan sistem
tersebut dikatakan pada kondisi dead state. Nilai numerik (T0,P0)
direkomendasikan untuk dead state atau kedudukan mati adalah yang
berada pada atmosfer standar, 298.15 K dan 1.01325 bar (Bejan, 1996).
3. Komponen Eksergi
Dengan tidak adanya efek-efek nuklir, magnetik,elektrikal, tegangan
permukaan, eksergi total suatu sistem dapat dibagi menjadi empat
komponen yaitu eksergi fisik EPH, eksergi kinetik EKN, eksergi potensial EPT, dan eksergi kimia ECH (Bejan, 1996).
E = EPH + EKN + EPT + ECH (2.10)
a. Eksergi fisik
Eksergi fisik selalu berkaitan dengan temperatur dan tekanan dari
bahan. Pada sistem tertutup, eksergi fisik pada state tertentu
dinyatakan dalam dua persamaan sebagai berikut (Bejan, 1996) :
̇ = ̇ [( ℎ – ℎ ) – – – (2.11)
dan,
̇ = ̇g ( hk – h0) – T0( sk– s0) (2.12)
Persamaan 2.11 diatas berlaku untuk menghitung eksergi suatu zat
dalam bentuk gas atau gas ideal. Sedangkan persamaan 2.12 berlaku
34
b. Eksergi Kimia
Eksergi kimia adalah komponen eksergi yang terkait dengan
perbedaan komposisi kimia dari suatu sistem dengan yang dimiliki
lingkungan. Tabel eksergi kimia molar standar tersedia pada beberapa
literatur. Sebagai contoh tabel pada (Bejan, 1996) memberikan
nilai-nilai untuk kondisi atmosferik pada 298,15 K dan 1,01325 bar.
Menurut (Bejan, 1996) jika kondisi-kondisi lingkungan dari sistem
sedikit berbeda daripada kondisi yang digunakan pada tabel, tabel
tersebut masih dapat digunakan.
Eksergi kimia per mol sebuah campuran pada gas ideal dapat
diformulasikan sebagai berikut (Bejan, 1996) :
= + ln (2.13)
Persamaan diatas dapat digunakan untuk berbagai campuran yang
mengandung gas-gas lain yang terdapat pada lingkungan referensi.
Sebagai contoh untuk bahan bakar berbentuk gas, seperti bahan bakar
hidrokarbon. Nilai dari suku dapat dilihat pada tabel eksergi
kimia standar, . merupakan fraksi mol gas k dalam campuran gas.
Analisis molar udara (%) adalah: 77.48 N2, 20.59 O2, 0.03 CO2, 1.90
H2O(g), (Bejan, 1996).
Dengan menyatakan rasio bahan bakar udara sebagai , laju aliran
molar bahan bakar, udara, dan produk pembakaran dihubungkan oleh:
̇
̇ = ̅
̇
35
dimana subskrip f, p, dan a masing-masing menyatakan bahan bakar,
produk pembakaran, dan udara. Untuk pembakaran sempurna dari
metana, persamaan kimia adalah sebagai berikut:
̅ + [0.7748 + 0.2059 + 0.0003 + 0.019 ]
→ 1 + ̅ + + + (2.15)
Sehingga neraca karbon, hidrogen, dan nitrogen, fraksi mol dari
komponen-komponen produk pembakaran adalah (Bejan, 1996):
= 0.7748 Dimana ̅ didapatkan dengan persamaan berikut :
̅ =0.7748∆ℎ + 0.2059∆ℎ + 0.0003∆ℎ + 0.019∆ℎ
ℎ − 0.02 − −2ℎ + ℎ + 2ℎ ( ) (2.17)
Dari persamaan diatas diketahui bahwa ∆ℎ merupakan perubahan
entalpi dari udara dan produk pembakaran. ℎ merupakan nilai entalpi
bahan bakar, LHV merupakan heating value dari bahan bakar. Suku
menunjukan entalpi produk pembakaran pada temperatur state x.
Sehingga dapat diketahui, eksergi kimia bahan bakar gas hidrokarbon
melalui hubungan berikut
̇ = ̇ (2.18)
c. Laju destruksi dan Rasio destruksi
36
sistem dapat dibandingkan dengan laju eksergi bahan bakar yang
diberikan ke dalam sistem keseluruhan, EF,tot memberikan rasio
pemusnahan eksergi:
= ̇ ̇
, (2.19)
Sebagai alternatif, laju pemusnahan eksergi komponen dapat
dibandingkan dengan laju pemusnahan eksergi total di dalam sistem,
̇D,tot memberikan rasio:
̇ = ̇ ̇
, (2.20)
d. Efisiensi eksergetik
Efisiensi eksergetik didefinisikan sebagai perabandingan antara
jumlah suatu produk eksergi dalam suatu siklus dengan masukan
bahan bakar. Berdasarkan kesetimbangan laju eksergi suatu sistem,
dituliskan(Bejan, 1996):
37
G. EES (Engineering Equation Software)
EES merupakan paket perangkat lunak komersial yang digunakan untuk
solusi sistem persamaan linier maupun non-linier. Perangkat lunak ini
menyediakan banyak fungsi-fungsi khusus yang berguna dalam
masalah-masalah persamaan untuk termodinamika dan perpindahan panas. Sehingga
EES menjadi sangat berguna dan banyak digunakan oleh insinyur mesin yang
bekerja dalam bidang ini. EES berisi data-data properti termodinamika yang
dapat digunakan dengan cara memanggilnya dengan kode-kode tertentu.
Perangkat lunak ini dikembangkan oleh F-Chart Software, oleh Prof. Sanford
A Klein dari jurusan teknik mesin Universitas Wisconsin-Madison. EES
disediakan sebagai perangkat lunak yang terlampir untuk sejumlah buku-buku
engineering diantaranya, Termodinamika, Mekanika Fluida, Perpindahan
Panas dari McGraw-Hill.
38
III. METODELOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini dilaksanakan di PLTG unit pembangkit PT. Dian Swastatika
Sentosa Tbk., yang berlokasi di Wisma Indah Kiat, Jl. Raya Serpong km 8
Tanggerang. Adapun penelitian ini dilakukan selama satu bulan dengan range
waktu mulai dari 03 Maret – 03 April 2014.
B. Tahapan Peneltitian
Cara yang dilakukan dalam penelitian ini dibagi menjadi beberapa tahapan
yaitu:
1. Studi literatur
Pada penelitian ini dilakukan studi literatur mengenai sistem kogenerasi
pada PLTG, proses skematik PLTG, komponen-komponen PLTG, siklus
kerja turbin gas dan HRSG, serta analisis termal energi dan eksergi.
2. Survei lokasi
Survei lokasi dilakukan di PLTG unit pembangkit PT. Dian Swastatika
Sentosa Tbk, yang berlokasi di Wisma Indah Kiat, Jl. Raya Serpong km 8
Tanggerang.
3. Pengumpulan data
39
yang ada di perusaahaan dalam kurun waktu tertentu. Data yang
dimaksud diantaranya tentang laju aliran massa bahan bakar, daya
pembangkitan listrik dan uap, temperatur pada setiap state dan data
lainnya yang diperlukan dalam penyusunan laporan ini.
4. Analisa data
Data-data dari hasil pengamatan selanjutnya akan digunakan sebagai
dasar untuk melakukan analisis terhadap kesetimbangan energi dan
eksergi maksimum yang dapat dibangkitkan oleh sistem kogenerasi.
Selanjutnya mengidentifikasi letak eksergi terbuang (losses) pada sistem,
menghitung besar destruksi dan kehilangan eksergi, serta nilai efisiensi
termal dan efisisensi eksergetik pada sistem kogenerasi PLTG ini.
5. Penulisan laporan.
Penulisan laporan adalah tahap akhir dari penelitian ini.
C. Prosedur Pengolahan Data
Adapun langkah-langkah pengelohan data dalam penelitian ini dibagi
menjadi dua bagian yaitu:
a. Analisa Energi
b. Analisa Eksergi
a. Analisa Energi
1. Menghitung efisiensi keluaran listrik
Efisiensi keluaran listrik dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
40
2. Kapasitas energi termal
Kapasitas energi termal dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
Etr = ̇ x h@Tc (3.2)
3. Efisiensi kogenerasi
Efisiensi kogenerasi dapat dihitung dengan menggunakan rumus:
ɳco = ( Ec/ Etr)/Ef + Esu (3.3)
4. Kesetimbangan energi
Kesetimbangan energi sistem dinyatakan dengan sankey diagram.
c. Analisa eksergi
1. Deskripsi sistem
Skematik insatalasi pembangkit Kogenerasi PLTG PT. Dian
Swastatika Sentosa dan kondisi operasinya ditunjukkan pada gambar
berikut ini.
Gambar 3.1. Skematik insatalasi pembangkit Kogenerasi PLTG PT. Dian Swastatika Sentosa
Ket:
: Gas
: Water
41
2. Laju massa bahan bakar, udara dan gas
Laju massa bahan bakar dapat dihitung dengan menggunakan rumus
(Lindeburg, 2002):
̇ = . 3600. (3.4)
Laju massa udara dapat dihitung dengan menggunakan rasio udara
terhadap bahan bakar AFR dengan menggunakan persamaan
stoikhiometrik jumlah udara berikut (Cangel, 2006) :
+ ( + 3,76 ) → + + (3.5)
Dengan demikian, laju massa gas hasil pembakaran dapat dihitung
dengan persamaan berikut:
̇ud = x ̇ bb (3.6)
̇g = ̇ bb + ̇ud (3.7)
3. Menghitung kerja setiap komponen
Kerja dari setiap komponen dijabarkan sebagai berikut (Cangel, 2006):
a. Kompresor ( ̇ Comp)
̇ comp= ̇ ud( h2 – h1 ) (3.8)
b. Turbin gas ( ̇ GT)
̇ GT = ̇ g ( h4 – h5) (3.9)
c. Pompa ( ̇ pump )
42
4. Menghitung eksergi
Perhitungan eksergi meliputi perhitungan eksergi fisik ( ̇PH) dan eksergi
kimia ( ̇CH) dari masing-masing state atau keadaan.
a. Eksergi fisik ( ̇PH) dari masing-masing state, digunakan persamaan
(Bejan, 1996):
̇ = ̇ g [( hk – h0 ) – T0( sk – s0– R ln )] (3.11)
̇ = ̇ g ( hk – h0) – T0( sk – s0) (3.12)
Persamaan (3.11) digunakan untuk menghitung eksergi dengan fluida
berupa gas, sedangkan persamaan (3.12) digunakan untuk menghitung
eksergi berupa fluida air dan uap.
Dimana ̇k adalah eksergi dengan state k dengan satuan kJ/s atau kW, hk
entalpi pada state k dengan satuan (kJ/kg), h0 adalah entalpi pada
temperatur lingkungan, Sk adalah entropi spesifik gas pada state k dengan
satuan kJ/kg.K, s0 adalah entropi spesifik udara pada temperatur
lingkungan, R adalah konstanta gas dengan nilai sebesar 0,287 kJ/kg.K,
pk adalah tekanan pada state k, po adalah tekanan udara lingkungan, dan
T0 adalah temperatur lingkungan.
b. Eksergi kimia ( ̇CH) dari masing-masing state, digunakan persamaan
(Bejan, 1996):
̇ = ̇ , . (3.13)
dimana,
43
Eksergi kimia, dalam aplikasinya digunakan untuk menghitung besar
eksergi pada bahan bakar dan produk pembakaran. Berdasarkan
persamaaan diatas, diketahui bahwa ̇ , merupakan laju aliran massa
bahan bakar atau produk pembakaran, merupakan fraksi mol gas k dan
merupakan eksergi kimia standar suatu gas.
Tabel 3.1 Eksergi dari masing-masing state
State Komponen
Tabel 3.2 Eksergi fuel dan eksergi produk setiap komponen
Komponen Model Eksergi fuel Eksergi produk
44
Combustion
chamber ̇2 + ̇3 ̇4
Turbin gas ̇4 ̇5 + ̇̇ GT -
HRSG ̇5 + ̇10 ̇11 + ̇6
Ekonomizer ̇6 - ̇7 ̇10 + ̇7
45
5. Menghitung destruksi dan rasio destruksi eksergi
Destruksi eksergi atau eksergi yang dimusnahkan ( ̇ ) dapat dihitung
dari selisih dari selisih eksergi bahan bakar ( ̇ ) dengan eksergi produk
( ̇ ).
̇ = ̇ − ̇ (3.14) Dengan demikian, rasio pemusnahan eksergi terhadap eksergi bahan
bakar ,rasio pemusnahan eksergi perkomponen ̇ dapat ditabelkan
sebagai berikut :
Tabel 3.3 Eksergi yang dimusnahkan atau destruksi eksergi dari masing-masing komponen sistem
6. Menghitung efisiensi eksergetik sistem
Efisiensi eksergi dapat dihitung dari perbandingan antara eksergi bahan
bakar (fuel) dengan eksergi produk. Dengan demikian untuk sistem diatas
efisiensi eksergetik dapat dihitung berdasarkan persamaan (Bejan, 1996) :
46
7. Analisa perhitungan menggunakan EES software
Dalam menganalisa termodinamika menggunakan EES (Engineering
Equation Software), adalah menenentukan terlebih dahulu fluida kerja
yang bekerja pada sistem. Kemudian menuliskan algoritma program
secara detail dan berurutan sesuai kode program yang berlaku. Setelah
menyelesaikan perhitungan secara manual, selanjutnya membandingkan
hasil perhitungan dengan hasil simulasi perhitungan dengan
menggunakan software EES.
Tabel 3.4 Perbandingan hasil perhitungan
Parameter Metode Perhitungan Unit
47
HRSG MW
Ekonomizer MW
Pompa MW
Efisiensi Eksergi Tiap Komponen
Kompresor %
Combustion
Chamber %
Turbin Gas %
HRSG %
Ekonomizer %
Pompa %
Efisiensi Eksergi Sistem
48
D. Diagram Alir Metodelogi Penelitian
Mulai
Masukkan variable input P, T, ̇
Menghitung ̇ , ̇ , ̇
Menghitungentalpi (h) dan entropi (s) pada setiap state
Menghitung kerja pada Kompresor, Turbin gas, dan Pompa
Menghitung eksergi setiap state
Menghitung destruksi atau pemusnahan eksergi tiap komponen
Menghitung rasio pemusnahan eksergi terhadap bahan bakar, dan rasio pemusnahan eksergi tiap komponen
Menghitung efisiensi eksergetik tiap komponen
Menghitung efisiensi eksergetik seluruh sistem
Simpulan dan Saran
Selesai
Membuat simulasi program perhitungan eksergi dengan
75
V. SIMPULAN DAN SARAN
A. SIMPULAN
Berdasarkan hasil penelitian dan analisa terhadap kajian energi dan eksergi
pada sistem kogenerasi turbin gas dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:
1. Efisiensi termal kogenerasi dipengaruhi oleh jumlah steam dan listrik
yang dihasilkan. Pada sistem kogenerasi ini efisiensi tertinggi sistem
kogenerasi berada pada load turbin 3,0 MW.
2. Efisiensi eksergetik tertinggi terjadi di dalam kompresor yaitu sebesar
98,53 %, kemudian HRSG sebesar 52,74 %, sedangkan efisiensi
eksergetik terendah terdapat pada combustor yaitu sebesar 33,23%.
3. Dengan analisis eksergi didapatkan bahwa lokasi destruksi eksergi yang
paling tinggi terdapat pada combustor dengan nilai sebesar 8,77 MW atau
berdasarkan rasio destruksi eksergi yaitu persentase destruksi berdasarkan
eksergi bahan bakar masuk ke dalam sistem ialah 44,42 %. Sedangkan
destruksi eksergi terendah terjadi pada ekonomizer yaitu sebesar 0,006
MW atau sebesar 0,03% dari .
4. Pemusnahan eksergi pada sistem ini disebabkan oleh tiga tiga jenis
irreversibilitas utama yaitu reaksi pembakaran, perpindahan kalor dan
76
5. Efisiensi eksergetik dari sistem secara keseluruhan adalah sebesar 15,1 %.
Dapat dikatakan bahwa pemanfaatan sumber daya energi pada sistem ini
kurang maksimal.
6. Berdasarkan hasil yang didapatkan, simpangan nilai atau simpangan yang
dihasilkan dari perhitungan menggunakan program terhadap perhitungan
manual, adalah sebesar 0,7 %
B. SARAN
Untuk meningkatkan performance dari sistem kogenerasi turbin gas PT. Dian
Swatatika Sentosa dan untuk mendukung penelitian selanjutnya, maka
penulis memberikan saran sebagai berikut:
1. Berdasarkan hasil analisa, perlu dilakukan pengoptimalisasian pada
sistem, terutama pada combustor. Pengoptimalisasian dapat dilakukan
dengan cara menambahkan preheater atau pra-pemanas udara untuk
memanaskan udara dari kompresor,atau dengan menambahkan zeolit pada
filter udara untuk mengurangi kadar air dalam udara. Sehingga proses
pembakaran akan lebih sempurna.
2. Perlu dilakukan penelitian lanjutan terhadap pengoptimalisasian sistem
dengan mempertimbangkan faktor ekonomi.
3. Untuk kedepannya perlu dilakukan inovasi terhadap pemrograman yang
dilakukan atau dapat memvariasikan jenis software yang digunakan,
DAFTAR PUSTAKA
Basri, Hasan M. 2011. Analisis Eksergi Siklus Kombinasi Gas-Uap Unit
PLTGU Inderalaya. Prosiding Seminar Nasional AVoER. Palembang
Bejan, Adrian. 1996. Thermal Design And Optimation. John Wiley & Son, Inc.
USA
Biro Perancangan, 2012. Perencanaan Kebutuhan Energi Sektor Industri
Dalam Rangka Akselerasi Industrialisasi. Kementrian Perindustrian Repulik Indonesia
Boedoyo, M. Sidik, dkk. 2012. Indonesia Energy Outlook 2012. Pusat
Teknologi Pengembangan Sumberdaya Energi. BPPT
Boyce, Meherwan P. 2002. Hanbook For Cogeneration And Combined Cycle
Power Plant . ASME. New York
BPPT. 2012. Teknologi Kogenerasi untuk Pembangkit Listrik. Teknologi
Energi Untuk Kelistrikan. BPPT
Cangel, Yunus A. 2006. Thermodynamic An Engineering Approach 5th Edition.
Moran, Michael J. 2006. Fundamental of Enginering Thermodiamics 5th Edition. John Wiley & Son, Ltd. England
Nugroho, Gunawan, dkk. 2012. Analisa Termoekonomi Pada Sistem Kombinasi
Turbin Gas–Uap PLTGU PT PJB Unit Pembangkitan Gresik. Jurnal
Teknik POMITS ITS.Surabaya
Setyoko, Bambang. 2006. Analisis Efisiensi performa HRSG Pada PLTGU.
Jurnal Traksi Teknik Mesin. UNDIP
Tambunan, Mangara, dkk. 2010. Perkembangan Konsumsi Dan Penyediaan
Energi Dalam Perekonomian Indonesia. Indonesian Journal of Agricurtural Economics (IJAE) IPB. Bogor
UNEP. 2006. Energy Efficiency Guide for Industry in Asia.
http://www.energyefficiencyasia.org di akses pada 02 Okteber 2013
jam 20.43 WIB
UNESCAP. 2000. Part 1 Overview of Kogenerasi and its Status in Asia.
http://www.unescap.org/esd/energy/publications/detail.asp?id=759 di
