Perancangan Turbine Inlet Cooling Untuk Meningkatkan Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Gas Dengan Menggunakan Refrigerasi Absorpsi

PERANCANGAN SISTEM TURBINE INLET COOLING

UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS

DENGAN MENGGUNAKAN REFRIGERASI ABSORPSI

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi

Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

AHMAD ADITYA NIM. 1104211009

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

ABSTRAK

Energi listrik sangat berperan penting dalam kemajuan suatu daerah, oleh karena itu ketersediaan energi listrik harus menjadi prioritas. Ketersediaan listrik dapat dicapai dengan dua cara yaitu penambahan pembangkit baru dan meningkatkan efisiensi pembangkit yang ada.

Pada tugas skripsi ini, penulis merancang sebuah sistem pendinginan udara masuk compressor atau TIC (turbine inlet cooling) pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi dari mesin tersebut. Sistem pendinginan yang digunakan adalah refrigerasi absorpsi, dimana energi yang dipakai untuk menggerakan mesin absorpsi adalah limbah energi panas dari turbin gas. Studi data perancangan sistem ini menggunakan data mesin General Electric Frame 9 di PT PLN (Persero) Sektor Belawan.

Perancangan pendinginan refrigerasi absorpsi pada udara masuk kompressor ini dapat meningkatkan daya mampu ± 13% (±17MW), penurunan heat rate ± 3%, penghematan konsumsi bahan bakar sebesar 0,0086 liter/ kwh, penurunan emisi gas buang CO2 2200 kg/jam dan keuntungan lainnya disisi mechanical turbine gas.

ABSTRACT

Electrical energy plays an important role in the progress of a region, therefore the availability of electrical energy should be a priority. The availability of electricity can be achieved in two ways: the addition of new plants and improve the efficiency of existing plants.

In this paper the task, the authors designed a compressor inlet air cooling system or TIC (turbine inlet cooling) on Gas Power Plant with a view to improving the efficiency of the engine. Cooling system used is absorption refrigeration, where the energy is used to drive an absorption machine is waste heat energy from the gas turbine. The study design of the data the system uses the data engine General Electric Frame 9 to PT PLN (Persero) Sector Belawan.

The design of absorption refrigeration cooling the intake air compressor is capable of power can increase ± 13% (± 17MW), a decrease in heat rate of ± 3%, saving fuel consumption by 0.0086 liters / kWh, a decrease in CO2 emissions of 2200 kg / h and profits other gas turbine mechanical side.

KATA PENGANTAR

Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kepada Illahi rab’bi, Alloh SWT Tuhan Semesta Alam, penjaga langit dan bumi serta seluruh isinya yang telah memberikan rahmat serta karunia-Nya yang sangat tidak terhitung sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas skripsi ini dengan tepat waktu.

Didalam tugas skripsi dengan judul “Perancangan Turbine Inlet Cooling Untuk Meningkatkan Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Gas Dengan Menggunakan Refrigerasi Absorpsi” ini penulis sadar bahwa dari awal sampai akhir penyusunan banyak sekali mendapatkan bantuan moril maupun materil yang sangat membantu dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT selaku pembimbing skripsi, terima kasih pak atas inspirasi, ilmu, waktu, motivasi dan perhatian yang telah diberikan sampai terselesaikanya tugas skripsi ini. In shaa Alloh menjadi bekal yang bermanfaat untuk memasuki dunia yang sebenarnya.

2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departement Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara dan selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya.

3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya.

4. Seluruh jajaran manajemen PT. PLN (Persero) Sektor Belawan, terutama Assistant Manajer Engineering Bapak Trisno Widayat, ST atas perhatian dan bantuannya selama ini.

6. Ibundaku Aminah yang senyumannya selalu menjadi semangat bagi setiap perjuanganku, dan semoga cepat sembuh agar bisa melihat ananda wisuda

7. Ayahandaku Abdul Rahim, berkat didikan dan inspirasi hidup, menjadikanku menjadi seorang laki-laki yang kuat dalam menjalani kehidupan dan tetap berpegang teguh kepada Agama.

8. Ketiga kakaku Dewi Indrayanti, Julianto Ramdani dan Samsul Bahri yang selalu ada untuk menjadi sandaran, ketika adikmu lelah dan letih dalam menghadapi setiap permasalahan hidup.

9. Angreiny Widya Sari Lubis wanita yang selalu memberikan motivasi, semangat, untuk menyelesaikan laporan skripsi ini.

10. Staf administrasi Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara, terutama Bang Lilik dan Bang Syawal atas semua bantuan di masa perkuliahan.

11. Teman – teman di PT PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera bagian Utara Sektor Belawan, terima kasih untuk bantuan ilmu dan informasinya.

12. Teman – teman mahasiswa Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara.

13. Semua pihak yang telah membantu dalam tugas skripsi dan penyusunan laporan ini.

Semoga laporan Tugas Skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca, aamiin

Medan, Juni 2014

DAFTAR ISI

2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)...

2.2.1 Prinsip Kerja PLTG...

2.2.2 Komponen PLTG…...

BAB III

2.5 Hubungan Temperatur Udara dengan Gas Turbin...

2.5.1 Energi yang Terjadi Pada Gas Turbin …...…...

2.6 Siklus Termodinamika Pada Gas Turbin...

2.7 Emisi Gas Buang...

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metodologi Penelitian...

3.2 Waktu dan Tempat Penelitian...

3.3 Metode Pengumpulan Data…...

4.2.3.1 Analisa Mesin Chiller Absorpsi………..

ANALISIS KEUNTUNGAN

5.1 Biaya Investasi……….………...………

5.2 Keuntungan Penerapan Sistem………...………

5.2.1Kenaikan Daya Mampu……..….………

5.2.2Penurunan Nilai Heat Rate………..

BAB VI

5.2.3Penurunan Nilai Emisi Gas Buang………

5.2.4Penurunan Temperatur Exhaust Turbine……….

5.2.5Memperkecil Perubahan Daya Output……….

5.2.6Memperkecil Nilai Kandungan Uap Air……….

PENUTUP

6.1 Kesimpulan………

6.2 Saran………...

79

80

80

81

82

83

DAFTAR PUSTAKA………

LAMPIRAN……….. ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Data beban kelistrikan Sumatera bagian Utara……….…… 1

Gambar 1.2 Pembangkitlistrik Sumatera bagian Utara……….... 3

Gambar 1.3 Spesifikasi Gas Turbin GE Frame 9………..….... 4

Gambar 2.1 Sistem Kelistrikan……….… 7

Gambar 2.2 Sistem PLTG………... 9

Gambar 2.3 Komponen Listrik Tenaga Gas………. 11

Gambar 2.4 Siklus PLTG………. 11

Gambar 2.5 KomponenUtama Gas Turbin……….. 12

Gambar 2.6 Turbin Gas Tipe V 94.2 Siemens………. 13

Gambar 2.7 Generator………. 13

Gambar 2.8 Compressor Stationary Blade Assembly………... 15

Gambar 2.9 Rotor Kompressor………. 16

Gambar 2.10 Compressor Outlet Difusser……… 17

Gambar 2.11 Compressor Rotor Blade………. 18

Gambar 2.12 Combined Journal Bearing………. 19

Gambar 2.13 Combustion Chamber………...………... 20

Gambar 2.14 Pressure Jacket………... 22

Gambar 2.15 Internal Parts……….. 23

Gambar 2.16 Burner Assembly For Liquid And Gaseous Fuels………... 25

Gambar 2.17 Air Mixing Adjustment……… 26

Gambar 2.18 Manhole With Inspecting Tube………... 27

Gambar 2.19 Turbine Rotor……….. 28

Gambar 2.20 Tubin Stationary Blade Assembly………... 29

Gambar 2.21 Turbine Rotor Blade……… 30

Gambar 2.22 Turbine Stator Blade………... 31

Gambar 2.23 Exhaust Gas Diffuser……….. 32

Gambar 2.26 Proses Konversi Energi pada PLTG………... 38

Gambar 2.27 Effect of Ambient Temperature On Gas Turbine Performance... 39

Gambar 2.28 Sistem Gas Turbin... Gambar 2.29 Skematik Diagram UntukTurbin Gas Sederhana... 40 40 Gambar 2.30 Diagram TS Turbin Gas Sederhana... 41

Gambar 3.1 PT PLN (Persero) Sektor Belawan... 47

Gambar 3.2 Perencanaan desain... 49

Gambar 4.1 Perencanaan desain... 50

Gambar 4.2 RencanaPenempatanHeat Exchanger... 51

Gambar 4.3 Perencanaan Desain Psikometrik... 52

Gambar 4.4 Penempatan Heat Exchanger pada Air Intake... 52

Gambar 4.5 Heat Exchanger Cross-Flow... 53

Gambar 4.6 PolaPerpindahanPanasHeat Exchanger I... 54

Gambar 4.7 Perencanaan Desain... 55

Gambar 4.8 Correction Factor Chart... 56

Gambar 4.9 Design Heat Exchanger For Cooling... 57

Gambar 4.10 Design Heat Exchanger For Cooling... 58

Gambar 4.11 Dimensi Air Intake PLTG Lot 3... 58

Gambar 4.12 Arrangement of the tubes in in-lineand staggered tube banks... 59

Gambar 4.13 Rencana penempatan heat exchanger pada air intake... 59

Gambar 4.14 Pola Perpindahan Panas Heat Exchanger II... 60

Gambar 4.15 Correction Factor Chart... 62

Gambar 4.16 Design Heat Exchanger For Heating... 63

Gambar 4.17 Katalog Absorption Chiller LG Electronic... 65

Gambar 4.18 Diagram Ph Ammonia... 66

Gambar 4.19 Analisa Diagram PhAmmonia... 66

Gambar 4.20 Siklus Absorpsi... 67

Gambar 4.21 Generator... 68

Gambar 4.22 Correction Factor Chart... 70

Frame 9... 74 Gambar 5.3 Diagram Hubungan Daya Output dengan Temperatur Udara

Masuk Kompressor... 75 Gambar 5.4 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungan dan Heat Rate Turbin

GE Frame 9... 76 Gambar 5.5 Diagram Hubungan Heat Rate dengan Temperatur Udara Masuk

Kompressor... 77 Gambar 5.6 Diagram Hubungan Konsumsi Bahan Bakar dengan Temperatur

Udara Masuk Kompressor... 78 Gambar 5.7 Grafik Hubungan Emisi Gas Buang dengan Temperatur

Lingkungan... 79 Gambar 5.8 Diagram Hubungan Emisi Gas Buang CO2 dengan Temperatur

DAFTAR TABEL

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

BP Beban Puncak Megawatt

MW Besaran Energi Listrik Megawatt

V Besaran Tegangan Listrik Volt

ρ Kerapatan Udara Kg/m³

P Tekanan Udara Statis Hpa/Bar

R Konstanta Gas J/Kmol

rp Rasio Kompresi

ɳ

c

Efisiensi Isentropic Kompressor

η

m

Efisiensi Mekanik Kompressor

ṁ Laju Aliran Bahan Bakar Kg/s

ṁ Laju Aliran Udara Kg/s

LHV Low Heating Value

TIT Turbine Inlet Temperature °C

Cpf Panas Spesifik Bahan Bakar

Tf Temperatur Bahan Bakar °C

f Rasio Bahan Bakar

Wt Kerja Turbin

Wc Kerja Kompressor

ɳ

th Efisiensi Gas Turbin

Cp Coefficient Spesific Kj/Kg.°C

Q Besaran Energi Panas Watt

TR Ton Refrigerasi TR

A Luas Penampang Meter

U Koefisien Panas Watt/m²

L Panjang Meter

v Kecepatan m/s

ABSTRAK

Energi listrik sangat berperan penting dalam kemajuan suatu daerah, oleh karena itu ketersediaan energi listrik harus menjadi prioritas. Ketersediaan listrik dapat dicapai dengan dua cara yaitu penambahan pembangkit baru dan meningkatkan efisiensi pembangkit yang ada.

Pada tugas skripsi ini, penulis merancang sebuah sistem pendinginan udara masuk compressor atau TIC (turbine inlet cooling) pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi dari mesin tersebut. Sistem pendinginan yang digunakan adalah refrigerasi absorpsi, dimana energi yang dipakai untuk menggerakan mesin absorpsi adalah limbah energi panas dari turbin gas. Studi data perancangan sistem ini menggunakan data mesin General Electric Frame 9 di PT PLN (Persero) Sektor Belawan.

Perancangan pendinginan refrigerasi absorpsi pada udara masuk kompressor ini dapat meningkatkan daya mampu ± 13% (±17MW), penurunan heat rate ± 3%, penghematan konsumsi bahan bakar sebesar 0,0086 liter/ kwh, penurunan emisi gas buang CO2 2200 kg/jam dan keuntungan lainnya disisi mechanical turbine gas.

ABSTRACT

Electrical energy plays an important role in the progress of a region, therefore the availability of electrical energy should be a priority. The availability of electricity can be achieved in two ways: the addition of new plants and improve the efficiency of existing plants.

In this paper the task, the authors designed a compressor inlet air cooling system or TIC (turbine inlet cooling) on Gas Power Plant with a view to improving the efficiency of the engine. Cooling system used is absorption refrigeration, where the energy is used to drive an absorption machine is waste heat energy from the gas turbine. The study design of the data the system uses the data engine General Electric Frame 9 to PT PLN (Persero) Sector Belawan.

The design of absorption refrigeration cooling the intake air compressor is capable of power can increase ± 13% (± 17MW), a decrease in heat rate of ± 3%, saving fuel consumption by 0.0086 liters / kWh, a decrease in CO2 emissions of 2200 kg / h and profits other gas turbine mechanical side.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Konsumsi listrik daerah Sumatera bagian Utara setiap tahunnya terus meningkat sejalan dengan peningkatan pertumbuhan ekonomi masyarakatnya. Oleh karena itu, perkiraan kebutuhan listrik jangka panjang di Sumatera bagian Utara sangat diperlukan agar dapat menggambarkan kondisi kelistrikan saat ini dan masa datang. Dengan diketahuinya perkiraan kebutuhan listrik jangka panjang akan dapat ditentukan jenis dan perkiraan kapasitas pembangkit listrik yang dibutuhkan di Sumatera bagian Utara selama kurun waktu tersebut. Berikut merupakan data bulan Juli 2013 konsumsi listrik dari PT. PLN Pembangkitan Sumatera bagian Utara.

2

Tabel 1. Data beban kelistrikan Sumbagut Juni 2013 [13]

Dari data diatas, rerata beban defisit selama bulan juni 2013 yaitu sebesar 66.29 MW (Mega Watt), oleh karena itu krisis listrik sampai saat ini masih dialami oleh masyarakat Sumatera bagian Utara. Mengacu dari data diatas, salah satu cara menanggulangi masalah krisis listrik saat ini adalah mengoptimalkan kemampuan mesin pembangkit listrik PT. PLN Persero Sumatera bagian Utara, jenis dan kapasitas pembangkit listrik dapat mempengaruhi besarnya listrik yang diproduksi baik pada waktu siang maupun malam. Faktor yang berpengaruh terhadap produksi listrik per jenis pembangkit adalah faktor kapasitas pembebanan baik sebagai beban dasar maupun beban puncak, karakteristik pembebanannya sendiri termasuk daya mampu dan waktu operasi unit pembangkit listrik. Waktu operasi adalah jam operasi maksimum dalam 1 tahun dikurangi dengan penghentian terjadwal dan perkiraan penghentian tak terjadwal.

PT. PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Belawan merupakan Unit Pembangkitan terbesar diluar Pulau Jawa. PT. PLN (Persero) Sektor Pembangkitan Belawan terletak di dalam sebuah pulau yang bernama Pulau Naga Putri dengan luas wilayah 47 hektar, di desa Pulau Sicanang, Kecamatan Medan Belawan, 24 km

SUMUT NAD INALUM SBT

sebelah Utara Kota Medan, dekat dengan pesisir pantai dan Pelabuhan Belawan. Berdiri pada tahun 1983 dan mulai berproduksi pada tahun 1984 dengan kapasitas awal 130 MW yaitu PLTU 1 65 MW dan PLTU 2 65 MW.

PLN Sektor Pembangkitan Belawan saat ini mengoperasikan dan memelihara unit-unit pembangkit dengan kapasitas terpasang sebesar 1.189,88 MW dan juga mengawasi Navigat Energy (unit sewa) dengan kapasitas terpasang sebesar 49.5 MW yang telah beroperasi pada tanggal 06 Januari 2013. PLN Sektor Pembangkitan Belawan sampai saat ini merupakan pemasok utama kebutuhan listrik di Sumatera Utara dan sebagian wilayah Aceh.

.

Gambar 1.2 Pembangkit Listrik Sumatera bagian Utara [14]

4

Gambar 1.3 Spesifikasi Gas Turbin GE Frame 9 [6]

Atas dasar pemikiran di atas, penulis berusaha untuk menaikan efisiensi pembangkit tersebut dengan cara merancang suatu sistem pendinginan udara lingkungan yang masuk ke gas turbin (air inlet) agar mencapai kondisi ISO (International Organization for Standardization) dengan temperatur lingkungan 15°C RH 60%. Sistem pendinginan yang akan digunakan adalah refrigerasi absorpsi dengan memanfaatkan panas sisa turbin sebagai energi penggerak absorpsi untuk mendinginkan temperatur lingkungan yang dikondisikan.

1.2 Tujuan

Adapun tujuan yang ingin dicapai penulis dalam penyusunan tugas akhir sarjana ini adalah:

1. Mampu membuktikan secara teoritis dan manual bookgas turbin lot 3 Belawan, bahwa jika temperatur udara masuk kompressor dikondisikan sampai dengan temperatur 15ºC dan RH 60%, maka efisiensi turbin gas lebih tinggi.

2. Mampu merancang sistem pengkondisian udara masuk kompressor turbin gasdengan sistem refrigerasi absorpsi

4. Mampu menganalisa keuntungan yang didapat PT. PLN (Persero) Pembangkit Sektor Belawan, baik keuntungan ekonomi dan sosial jika menggunakan sistem pengkondisian tersebut.

1.3 Manfaat Perancangan

Adapun manfaat dari perancangan ini adalah sebagai berikut:

1. Dapat menambah pasokan daya listrik di Sumatera bagian Utara yang sedang mengalami devisit kelistrikan.

2. Dapat menghemat konsumsi bahan bakar pembangkit listrik PT PLN (Persero) Sektor Belawan Sumatera bagian Utara.

3. Dapat mengurangi emisi gas buang Indonesia.

4. Dapat menambah keuntungan produksi PT PLN (Persero) 5. Dapat memperpanjang life time beberapa spare part gas turbin

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah dalam tugas skripsi ini adalah:

1. Menganalisa dan menjelaskan peranan temperatur udara lingkungan terhadap performansi turbin gas dengan menggunakan data manual PLTG Lot 3 GE Frame 9 PT PLN(Persero) Pembangkitan Sektor Belawan Sumatera bagian Utara.

2. Perancangan sistem pengkondisian udara masuk ke kompressor menggunakan sistem refrigerasi absorpsi ammonia

3. Perancangan dimensi dilakukan pada sisi heat exchanger air intake

4. Perancangan mesin absorpsi dilakukan pada penentuan kapasitas mesin yang dipakai dan kebutuhan energi panas pada mesin tersebut.

6

1.5 Sistematika Penulisan BAB I PENDAHULUAN

Mengkaji latar belakang masalah, tujuan, batasan masalah serta sistematika penulisan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Mengkaji tentang dasar teori sistem gas turbin, aplikasi turbin inlet cooling dan sistem refrigerasi absorpsi

BAB III METEDOLOGI PENELITIAN

Mengkaji tentang metode atau cara yang digunakan untuk penulisan.

BAB IV PERANCANGAN SISTEM

Mengkaji tentang perancangan sistem pendinginanudara pada air intake PLTG dan menentukan kapasitas mesin absorpsi yang dipakai

BAB V ANALISIS KEUNTUNGAN

Mengkaji tentang keuntungan dari penerapan sistem absorpsi di Pembangkit Listrik Tenaga Gas

BAB VI PENUTUP

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sistem Tenaga Listrik

Sistem tenaga listrik adalah sekumpulan pusat listrik dan gardu induk (pusat beban) yang satu sama lain dihubungkan oleh jaringan transmisi sehingga merupakan sebuah kesatuan interkoneksi.

Gambar 2.1 Sistem Kelistrikan [16]

Di dalam suatu sistem tenaga listrik terdapat beberapa komponen utama yaitu sebagai berikut :

2.1.1 Pusat Pembangkit Listrik

8 menggunakan berbagai sumber energi yang sangat bemanfaat dalam suatu pembangkit listrik. Berdasarkan uraian diatas, di dalam prakteknya terdapat jenis-jenis pusat listrik sebagai berikut:

a. Pembangkit Listrik Tenaga Air (PLTA): pusat pembangkit listrik ini menggunakan tenaga air sebagai sumber energi primer.

b. Pembangkit Listrik Tenaga Diesel (PLTD): pusat pembangkit listrik ini menggunakan bahan bakar minyaksebagai sumber energi primer.

c. Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU): pusat pembangkit listrik ini menggunakan bahan bakar batubara, minyak atau gas sebagai sumber energi primer.

d. Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) :pusat pembangkit listrik ini menggunakan bahan bakar gas atau minyak sebagai sumber energi primer. e. Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) :pusat pembangkit listrik ini

kombinasi PLTG dan PLTU. Gas buang dari PLTG dimanfaatkan untuk menghasilkan uap dalam ketel uap untuk tenaga penggerak.

f. Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir (PLTN) : PLTN merupakan PLTU yang menggunakan uranium sebagai bahan bakar yang menjadi sumber energi primernya. Uranium menjalani proses fission ( fisi ) di dalam reaktor nuklir yang menghasilkan energi panas yang digunakan untuk menghasilkan uap dalam ketel uap. Uap ini selanjutnya digunakan untuk menggerakkan turbin uap penggerak generator.

2.1.2 Transmisi Tenaga Listrik

2.1.3 Sistem Distribusi

Merupakan subsistem tersendiri yang terdiri dari :pusat pengatur (Distribution Control Center), saluran tegangan menengah (6kV dan 20kV, yang juga biasa disebut tegangan distribusi primer) yang merupakan saluran udara atau kabel tanah, gardu distribusi tegangan menengah yang terdiri dari panel-panel pengatur tegangan menengah dan trafo sampai dengan panel-panel distribusi tegangan rendah (380V, 220V) yang menghasilkan tegangan kerja atau tegangan jala-jala untuk industri dan konsumen.

2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)

Pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) merupakan sebuah pembangkit energi listrik yang menggunakan peralatan atau mesin turbin gas sebagai penggerak generatornya. Turbin gas dirancang dan dibuat dengan prinsip kerja yang sederhana dimana energi panas yang dihasilkan dari proses pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi mekanis dan selanjutnya diubah menjadi energi listrik atau energi lainnya sesuai dengan kebutuhannya.

Gambar 2.2 Sistem PLTG [17]

10 dan enthalpy gas panas akan berubah menjadi energi mekanik pada rotor turbin. Semakin tinggi temperatur gas masuk turbin akan semakin tinggi juga energi mekanis yang dihasilkannya, akan tetapi temperatur gas perlu dibatasi mengingat keterbatasan kemampuan material untuk bekerja pada temperatur tinggi. Sebagian energi mekanik (± 20%) yang dihasilkan oleh turbin akan diberikan kepada kompresor aksial (untuk memutar kompresor). Energi yang diberikan ke kompresor ini akan dikembalikan ke turbin dalam bentuk udara bertekanan, akan tetapi jumlahnya berkurang karena adanya losses. Sebagian besar energi mekanik yang dihasilkan oleh turbin diberikan kepada generator untuk membangkitkan energi listrik. Kerugian energi yang paling besar terjadi akibat terbawanya energi panas oleh gas buang kecerobong karena temperatur gas masih cukup tinggi. Oleh karenanya banyak PLTG yang dikombinasikan dengan PLTU menjadi PLTGU untuk memanfaatkan energi panas yang terbuang dari cerobong PLTG.

2.2.1 Prinsip Kerja PLTG

Turbin gas suatu PLTG berfungsi untuk mengubah energi yang terkandung didalambahan bakar menjadi energi mekanis. Fluida kerja untuk memutar turbin gas adalah gaspanas yang diperoleh dari proses pembakaran. Proses pembakaran memerlukan tiga unsur utama yaitu : bahan bakar, udara, danpanas. Dalam proses pembakaran ini bahan bakar diperoleh dari pompa bahan bakar (Fuel Oli Pump) apabila digunakan bahan bakar minyak atau bisa diperoleh dari kompresor gas apabila menggunakan bahan bakar gas alam.

Gambar 2.3 Komponen Listrik Tenaga Gas [11]

Siklus Kerja Turbin Gas

Siklus ideal untuk kerja turbin gas adalah siklus brayton. Siklus turbin gas disebut juga siklus tekanan tetap dan merupakan penerapan siklus brayton yang terdiri dari :

1 –2 : Udara masuk dan ditekan dalam kompresor menghasilkanudara bertekanan (langkah kompresi).

2 - 3: Udara dari kompresor dan bahan bakar bereaksi didalam ruang pembakaran menghasilkan gas panas (langkah pembakaran atau heat input).

3 –4 : Gas panas hasil pembakaran masuk dan berekspansi dalam turbin (langkah ekspansi).

4 :Gas bekas dari turbin dibuang ke udara luar (langkah pembuangan atau exhaust)

12

2.2.2 Komponen PLTG

Komponen PLTG diantaranya adalah inlet filter dan inlet silence, kompresor aksial, combustion chamber, turbin gas, exhaust silencer, load gear, generator, exciter, starting device, alat bantu, kontrol, instrumentasi dan pengaman, peralatan listrik, dan lain-lain.

Gambar 2.5 Komponen Utama Gas Turbin [7] Keterangan gambar:

1. Generator

2. Oil Reservoir with Mountings 3. Intake Structure

4. Compressor

5. Combustion Chamber 6. Turbine

Gambar 2.6 Turbin Gas Tipe V 94.2 Siemens [7] 2.2.2.1 Generator

Generator berfungsi merubah energi mekanik (putaran turbin) menjadi energi listrik seperti konsep gaya gerak listrik, yang mana didalam medan magnet yang diberi kumparan, jika ada gerakan didalam fluks magnet akan memunculkan arus listrik dirancang untuk berperan sebagai motor diesel agar dapat menghidupkan gas turbin.

Gambar 2.7 Generator [7] 2.2.2.2 Air Inlet Section

14 masuknya pasir dan debu melalui filter yang di susun pada filter house. Sistem air intake terdiri dari : weatherhood, bird screen, dan moisture separator / Filter

Fungsi inlet filter adalah untuk menyaring udara yang akan masuk ke dalam kompresor utama (Kompresor Aksial) untuk proses pembakaran. Kotoran tidak boleh terbawa ke dalam kompresor maupun turbin gas karena dapat mengakibatkan pengotoran dan erosi pada komponen yang dilaluinya yang pada akhirnya dapat mengurangi umur pakai (life time) serta menurunkan efisiensi. Pengotoran filter yang berakibat turunnya tekanan udara disisi masuk kompresor mengakibatkan juga turunnya tekanan dan besar aliran udara disisi keluar kompresor sehingga output maksimum turbin gas menurun.

2.2.2.3 Compressor Section

Komponen utama bagian ini adalah aksial flow compressor, fungsi kompresor aksial adalah untuk memasok udara bertekanan ke dalam ruang bakar yang sesuai dengan kebutuhan. Alat ini berfungsi untuk memampatkan udara yang akan digunakan sebagai fluida kerja hingga mencapai tekanan 10 bar dan temperatur 300 Kelvin. Kapasitas kompresor harus cukup besar karena pasokan udara lebih untuk turbin gas dapat mencapai 350%, udara lebih ini digunakan untuk pendingin dan menurunkan suhu gas hasil pembakaran.

Komponen – Komponen yang Mendukung Compressor :

a. Casing.

b. Compressor Stationary Blade Assembly

Alat ini berfungsi untuk melindungi stationary blade rings, menjaga agar stationary blade tetap pada posisinya dan mentransmisikan gaya reaksi dan tekanan yang terjadi akibat aliran udara ke casing terluar (outler casing)

Gambar 2.8 Compressor Stationary Blade Assembly [7] Keterangan :

1. Center Casing 6. Seal Plug

2. Compressor Bearing Housing 7. Hydraulic Cylinder 3. Stationary Blade Carrier II 8. Eccentric Bolt 4. Stationary Blade Carrier III 9. Eccentric Bolt I5. Round Bar Steel A. Air Bleed

16

c. Rotor

Alat ini berfungsi untuk merubah tenaga putaran (torque) menjadi energi kinetik.

Gambar 2.9 Rotor Kompressor [7] Keterangan :

1. Front Hollow Shaft 5. Turbine Wheel 2. Balancing Planes 6. Rear Hollow Shaft 3. Compressor Wheel 7. Tie Rod

d. Compressor Outlet Diffuser

Alat ini berfungsi untuk merubah energi kinetik yang dihasilkan dari pemampatan aliran udara menjadi tekanan statis dengan kemungkinan effisiensi tertinggi.

Gambar 2.10 Compressor Outlet Difusser [7] Keterangan :

1. Compressor Stationary Blade Carrier III 2. Compressor Stationary Blade Ring 3. Outer Shell

4. Flow Baffle

18 e. Compressor Rotor Blades

Alat ini berfungsi untuk merubah energi mekanis menjadi energi kinetik dan energi potensial, dan jika dihubungkan dengan stator blades akan meningkatkan tekanan udara.

Gambar 2.11 Compressor Rotor Blade [7] Keterangan :

1. Blade Root 3. Rotor Blade 5.Wheel

2. Airfoil 4. Caulked End

f. Compressor Stator Blades

Alat ini berfungsi untuk membelokkan aliran udara yang melewati blade passages dalam arah yang berlawanan menjadi searah dengan putaran rotor.

g. Compressor Shaft Glands

h. Compressor Bearing Housing

Alat ini berfungsi untuk melindungi rotor dan berfungsi juga sebagai pondasi untuk compressor/turbin

Gambar 2.12 Combined Journal Bearing [7]

2.2.2.3 Combustion Chamber

20

Combustion chamber mempunyai enam unit burner yang terpisah satu sama lain dan dapat dioperasikan dengan menggunakan bahan bakar gas, HSD maupun dengan keduanya. Konsumsi bahan bakar untuk bahan bakar gas pada kondisi beban rendah yaitu 9,16 kg/s sedangkan pada beban puncak yaitu 9,56 kg/s. Dan konsumsi bahan bakar untuk bahan bakar HSD pada kondisi beban rendah yaitu 9,63 kg/s sedangkan pada kondisi beban puncak sebesar 10,05 kg/s. Data teknis dari komponen combustion chamber dengan seluruh komponennya didapat berat keseluruhan yaitu 23.608 kg. Panas yang dihasilkan pada proses pembakaran di combustion chamber berkisar 1100ºC.

Keterangan :

B. Annular Space for Compressor Air

C. Variable Air Openings

D. Annular Space for Primary Air E. Annular Space for Primary Air a. Fuel Oil Supply Flow/Cooling Air Supply

b. Fuel Oil Return Flow c. Hot Gas Inlet for Diffusion

Komponen – Komponen yang Mendukung Combustion Chamber

a. Pressure Jacket

22

Gambar 2.14 Pressure Jacket[7]

Keterangan :

1. Nozzle 13. Nozzle

2. Dome 14. Nozzle for lights receivers 3. Lifting Eye 15. Centering Piece

4. Protective Liner 16. Bolt 5. Flanged Pipe 17. Guide Pin 6. Support Leg

7. Flange A.Penetration For Burner Assembly

8. Flange B. Manhole

9. Hex Nut C. Air Inlet 10. Bolt

11. Stud

b. Internal Parts

Internals parts dari combustion chamber berfungsi mengisolasi ruangan dimana gas pembakaran dihasilkan, dicampur dan diteruskan ke inlet turbine. Permukaan dalam dari ruang bakar dilapisi oleh lapisan keramik/batu tahan api.

Gambar 2.15 Internal Parts [7]

Keterangan :

1. Outer Top Plate A. Hot Gas Outlet

2. Inner Top Plate B.Openinng Of Burner Assembly

3. Insert C. Manhole

4. Frame Work D. Variable Secondary Opening 5. Flame Tube Top Plate

6. Flame Tube 7. Rib

24

9. Tile

10. Sealing Plate 11. Ring

12. Guide Piece 13. Mixing Chamber 14. Trunions

15. Brick Holder 16. Adjusting Ring 17. Brick Holder 18. Trunions

c. Burner Assembly

Gambar 2.16 Burner Assembly For Liquid And Gaseous Fuels [7] Keterangan :

1. fuel oil burner 2. spark plug 3. burner support 4. igniter

5. diagonal swirler 6. axial swirler 7. fuel gas burner a. fuel oil return flow b. fuel oil supply

c. ignition gas inlet

d. gas outlet from the igniter

e. gas outlet from the fuel gas burner f. air inlet into the diagonal swirler g. air inlet into the axial swirler h. gas inlet into the fuel gas burner A. ring zone for fuel gas

26 d. Air Mixing Adjustment

Air mixing adjustment berfungsi mengontrol campuran udara yang memasuki ruang bakar/combustion chamber sebagai udara primer.

Gambar 2.17 Air Mixing Adjustment [7] Ketearangan

1. Adjusting Ring 2. Lever

3. Gearbox

e. Manhole With Inspecting Tube

Manhole berfungsi agar operator dalam melakukan inspeksi dapat melihat bagian dalam dari ruang bakar dan bagian atas dari turbin. Lubang untuk inspeksi pada manhole cover memungkinkan proses pembakaran dapat diamati.

Gambar 2.18 Manhole With Inspecting Tube [7]

Keterangan

1. Mixing Chamber 8. Inspecting Tube 2. Pressure Jacket 9. Packing

3. Manhole Cover 10. Packing

4. Bolt 11. Quartz Lens I

5. Support Arm 12. Quartz Lens Ii 6. Funnel

28 2.2.2.4 Turbine

Fungsi dari turbin adalah mengubah energi dari gas yang dibangkitkan dari ruang bakar menjadi energi mekanik berupa putaran poros turbin

Komponen – komponen yang mendukung Turbin :

a. Rotor

Alat ini berfungsi untuk merubah energi kinetik menjadi tenaga putaran (torque).

Gambar 2.19 Turbine Rotor [7] Keterangan :

1. Front hollow shaft 2. Balancing planes 3. Compressor wheel 4. Central hollow shaft 5. Turbine wheel 6. Rear hollow shaft 7. Tie rod

b. Turbine Stationary Blade Assembly

Alat ini berfungsi untuk mengatur/menjaga agar stationary blade tetap pada posisinya dan meneruskan atau mentransmisikan gaya reaksi dan tekanan yang dihasilkan akibat aliran udara ke casing terluar (outler casing).

30 a. Turbine Rotor Blade

Alat ini berfungsi untuk merubah energi thermal dari uap panas menjadi energi mekanis.

Gambar 2.21 Turbine Rotor Blade [7] Keterangan :

1. Cooling air inlet, 1st stage rotor blade 2. Trailing edge holes, 1st stage rotor blade 3. Air foil

4. Blade platform 5. Blade root

b. Turbine Stator Blades

Bersama dengan rotor blades turbine, stator blades merubah energi yang dihasilkan dari fluida kerja menjadi energi mekanis.

Gambar 2.22 Turbine Stator Blade [7] KeteranganGambar :

1. Outer shroud 2. Airfoil 3. Inner shroud 4. Holes 5. Paritition

c. Turbine Shaft Glands

Alat ini berfungsi untuk meminimalisasi kehilangan jarak dan mencegah uap panas keluar melewati ruangan antara stationary blade assembly dan rotor.

d. Turbine Bearing Housing

32 e. Exhaust Gas Diffuser

Alat ini berfungsi sebagai saluran gas buang dari turbin menuju cerobong asap (stack).

Gambar 2.23 Exhaust Gas Diffuser [7] Keterangan:

1. Bellows expansion joint 2. Blow off pipe

connection

3. Conical shell course

4. Bellows expansion joint 5. Blow off pipe

2.3Refrigerasi

2.3.1Sejarah Refrigerasi

34

2.3.2Sistem Refrigerasi

Sistem Refrigerasi adalah suatu proses penarikan atau pemindahan panas dari suatu benda atau ruangan sehingga temperatur benda atau ruangan tersebut lebih rendah dari temperatur lingkungannya, sistem ini akan selalu berhubungan dengan proses aliran dan perpindahan panas.

Gambar 2.24 Proses Pemindahan Panas [26]

Secara prinsip sistem ini merupakan kebalikan dari siklus mesin kalor (heat engine) dan jika dilihat dari tujuannya maka alat dengan siklus refrigerasi dibagi menjadi dua yaitu refrigerator yang berfungsi untuk mendinginkan media dan heat pump yang berfungsi untuk memanaskan media.

Sistem refrigerasi jika dibagi menurut metode pendinginannya adalah: a) Refrigerasi Mekanik

Refrigerasi yang dalam proses sistem pendinginannya menggunakan sumber utama tenaga mesin penggerak atau alat mekanik lainnya

Contoh: Refrigerasi Kompresi Uap, Siklus Udara, Kriogenik dan Siklus Sterling b) Refrigerasi Non Mekanik

Refrigerasi yang dalam proses sistem pendinginannya tidak menggunakan mesin penggerak sebagai sumber utama tenaganya.

2.4Refrigerasi Absorpsi

Sistem refrigerasi yang palingsering ditemukan adalah yang menggunakan kompresor atau lebih dikenal dengan refrigerasi kompresi uap, metode-metode refrigerasi lain menjadi jarang dikenal. Diantara banyak tipe yang kurang dikenal, mungkin sekali ada yang praktis dan layak dipakai, sekaligu sekonomis, salah satunya adalah sistem refrigerasi absorpsi yang dikembangkan oleh Ferdinand Carré dari Perancis, yang kemudian mendapat paten di Amerika Serikat pada tahun 1860. Sejarah mesin pendingin absorbsi dimulai pada abad ke-19 mendahului jenis kompresi uap dan telah mengalami masa kejayaannya sendiri. Siklus pendinginan absorbsi mirip dengan siklus pendinginan kompresi uap. Perbedaan utama kedua siklus tersebut adalah gaya yang menyebabkan terjadinya perbedaan tekanan antara tekanan penguapan dan tekanan kondensasi serta cara perpindahan uap dari wilayah bertekanan rendah ke wilayah bertekanan tinggi. Jika siklus refrigerasi menggunakan satu jenis fluida kerja sebagai refrigeran, maka pada siklus absorpsi menggunakan larutanyang terdiri dari dua zat, masing masing disebut pelarut dan terlarut. Zat yang umum di pakai sebagai pelarut adalah air (H2O) dan zat terlarut biasanya Amonia atau Garam Bromida LiBr (Lithium Bromide). Sistem absorpsi hampir sama dalam beberapa hal dengan sistem kompresi uap. Sistem kompresi uap menggunakan kompressor untuk keperluan tersebut dengan menggunakan energi listrik, jika sistem absorpsi menggunakan absorber, generator, katup throttle dan pompa untuk fungsi yang sama seperti kompressor, tetapi energi yang digunakan adalah energi panas.

2.4.1Prinsip Kerja Refrigerasi Absorpsi

36 refrigerasi konvensional, energi mekanik yang diperlukan oleh refrigerasi absorpsi sangat kecil. Diagram refrigerasi absorpsi efek tunggal dapat dilihat pada berikut ini:

Gambar 2.25 Siklus Refrigerasi Absorpsi [18]

memasuki kondensor. Proses selanjutnya tidak berbeda dengan siklus kompresi uap, yakni kondensasi, penuruan tekanan (melalui mekanisme penghambat aliran - flow restrictor), dan evaporasi.

2.4.2Keuntungan Refrigerasi Absorpsi

38

2.5Hubungan Temperatur Udara Lingkungan dengan Gas Turbin 2.5.1 Energi Yang Terjadi Pada Gas Turbin

Hukum Kekekalan Energi

Hukum kekekalan energi (Hukum Termodinamika 1) menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi dapat berubah bentuk dari bentuk energi yang satu ke berntuk energi yang lain.

Proses Perubahan Energi.

Proses perubahan energi dari energi yang dikandung oleh bahan bakar, seperti High Speed Diesel (HSD), Marine Fuel Oil (MFO) maupun gas pada PLTG menjadi energi listrik mengalami beberapa proses. Bahan bakar yang merupakan bentuk dari energi kimia dirubahkan dalam ruang bakar menjadi energi panas. Energi panas tersebut diterima oleh udara sehingga udara + bahan bakar tersebut berubah wujud menjadi gas. Gas yang mempunyai energi panas selanjutnya mendorong sudu-sudu turbin sehingga menjadi energi kinetik. Sudu-sudu turbin memutar poros turbin memutar poros turbin poros generator. Putar poros generator (rotor) mengubah energi mekanik menjadi energi listrik.

Gambar 2.26 Proses Konversi Energi pada PLTG [12]

Dimana,

ρ = Kerapatan udara (kg/m3) P = Tekanan udara statis (hpa)

T =Temperatur absolute 287 (J/Kmol) R= Konstanta Gas (J/K mol).

Tekanan statis (Static Pressure) adalah tekanan udara di sekeliling kita, dalam udara terbuka dan dalam kondisi diam. Tekanan statis ini akan bekerja kesegala arah dengan besar yang sama.

Dari Hukum Gas Charles diatas, bisa kita simpulkan pada tekanan udara statis dan konstanta gas tetap, jika temperatur udara mengalami penurunan maka kerapatan udara akan meningkat. Jika kerapatan udara semakin tinggi, maka energi kinetik yang terjadi pada kompressor akan semakin besar dan kerja turbin untuk memutar kompressor akan berkurang. Pengurangan kini berdampak langsung pada kenaikan kerja turbin untuk memutar generator dan hal ini langsung mempengaruhi daya output yang dihasilkan. Berikut grafik efek temperatur lingkungan dengan kondisi ISO terhadap gas turbin:

40

2.6Siklus Thermodinamika Gas Turbin

Siklus ini merupakan siklus daya termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga saat inisiklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine atau manufacturer dalam analisa untuk performance upgrading. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan.

Gambar 2.28 Sistem Gas Turbin [1]

Jika kita asumsikan efisiensi kompresor

η

c dan efisiensi turbin

η

t pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut:

Gambar 2.30 Diagram TS Turbin Gas Sederhana [1] Untuk rasio kompresi:

r

p = ...(1)

dimana P1 = inlet kompresor

P2 = outlet kompresor.

Untuk isentropic efficiency kompresor dan turbin dibesaran 85 dan 90% (Rahman et al., 2011):

ɳ

c = ……….(2)

dimana T1 : temperatur in compressor

T2 : temperatur out compressor

T2s: temperatur isentropic compressor output

42 ……….(3)

……….(4)

Dimana

γ

a : 1.4 dan

γ

g : 1.33

Untuk kerja kompressor (Wc) dimana faktor pendinginan pada blade tidak dihitung:

….(5)

Dimana Cpa adalah panas spesifik dari udara yang didapatkan dari persamaan (6) dan

η

m adalah efisiensi mekanik kompresor dan turbin (Rahman et al., 2011).

= 1.0189x103–0.13784 +1.9843x10-4 2+4.2399x10-7 3–3.7632x10-10 4..(6)

dimana

in Kelvin

Untuk panas spesifik pada gas buang (Cpg) (Naradasu et al 2007)

= 1.8083-2.3127x10-3T+4.045x10-6T2-1.7363x10-9T3…(7)

Untuk kesetimbangan energi di combustion chamber adalah:

ṁ +ṁ xLHV+ṁ =(ṁ ṁ ) xTIT...(8)

Dimana

ṁ = laju aliran masa udara (Kg/s) LHV = low heating value

T3 = TIT = Turbine Inlet Temperature Cpf = Panas spesifik bahan bakar Tf = Temperatur bahan bakar

Setelah menggunakan persamaan 8, nilai rasio bahan bakar bisa didapatkan dengan:

f =ṁ

ṁ

=

…(9)

Temperatur exhaust gas turbin didapatkan dari persamaan:

...(10)

Kerja shaft turbin (Wt) didapatkan dari persamaan:

..(11)

Untuk kerja besih turbin (Wnet) didapatkan dari persamaan:

= - !…(12)

Untuk power output gas turbin:

P = ṁ - …(13)

Untuk menentukan Spesific Fuel Consumtion (SFC) didapat dari persamaan:

SFC ="#$$

%&'(

44 Panas yang terjadi:

..(15)

Untuk efisiensi gas turbin(Ibrahim et al., 2010):

ɳ

th =%&'(

) _**…(16)

Heat Rate adalah panas yang dikonsumsi untuk menghasilkan energi listrik dapat dihitung dengan (Saravanamuttoo et al., 2009):

HR ="#$$

ɳth …(17)

Dari perhitungan secara termodinamika diatas, dapat terlihat pengaruh dari turunnya nilai temperatur ambient (T1) terhadap kenaikan efisiensi gas turbin

a) Naiknya daya output turbin (MW)

b) Penurunan Heat Rate yang berdampak pada penurunan nilai SFC yang berdampak langsung kepada penurunan konsumsi bahan bakar (Kg/s)

c) Penurunan nilai emisi gas buang Cox dan CO2

d) Meminimalisir pengaruh lingkungan terhadap performance turbin

e) Menurunkan temperatur exhaust turbin

2.7 Emisi Gas Buang

masyarakat mengenai pencemaran udara. Pencemaran udara merupakan salah satu permasalahan lingkungan yang serius di Indonesia saat ini, sejalan dengan semakin meningkatnya jumlah kendaraan bermotor dan peningkatan ekonomi transportasi.

Pencemaran udara adalah masuknya atau tercampurnya unsur-unsur berbahaya ke dalam atmosfir yang dapat mengakibatkan terjadinya kerusakan lingkungan sehingga menurunkan kualitas lingkungan. Dengan demikian akan terjadi gangguan pada kesehatan manusia. Terdapat dua jenis sumber pencemaran udara, yang pertama adalah pencemaran akibat sumber alamiah (natural sources) seperti letusan gunung berapi dan yang kedua berasal dari kegiatan manusia (anthropogenic sources) seperti yang berasal dari transportasi, emisi pabrik, dan lain-lain.

Menurut Harssema dalam Mulia (2005), pencemaran udara diawali olehadanya emisi.Emisi merupakan jumlah polutan atau pencemar yang dikeluarkan keudaradalam satuan waktu. Emisi dapat disebabkan oleh proses alam maupunkegiatan manusia.

Ada beberapa jenis pencemaran udara, yaitu (Sunu, 2001): 1. Berdasarkan bentuk

a. Gas, adalah uap yang dihasilkan dari zat padat atau zat cair karenadipanaskan atau menguap sendiri. Contohnya: CO2, CO, SOx, NOx.

b. Partikel, adalah suatu bentuk pencemaran udara yang berasal dari zarah-zarahkecil yang terdispersi ke udara, baik berupa padatan, cairan, maupunpadatan dan cairan secara bersama-sama. Contohnya: debu, asap, kabut danlain-lain.

2. Berdasarkan gangguan atau efeknya terhadap kesehatan

a. Irritansia, adalah zat pencemar yang dapat menimbulkan iritasi jaringantubuh, seperti SO2, Ozon, dan Nitrogen Oksida.

46 c. Anestesia, adalah zat yang mempunyai efek membius dan

biasanyamerupakan pencemaran udara dalam ruang. Contohnya; Formaldehide danAlkohol.

d. Toksis, adalah zat pencemar yang menyebabkan keracunan. Zatpenyebabnya seperti Timbal, Cadmium, Fluor, dan Insektisida.

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metodologi Penelitian

Metode penelitian adalah cara yang digunakan dalam penulisan penelitian.Bentuk penelitian yang digunakan adalah metodekuantitatif, yaitu penelitian ilmiah yang sistematis terhadap bagian-bagian dan fenomena serta hubungan-hubungannya.

3.2 Waktu dan Tempat Penelitian

Lokasi penelitian bertempat di kantor PT. PLN (Persero) Sektor Belawan Pembangkitan Sumatera bagian Utara dan waktu penenelitian dari bulan Januari 2013 sampai dengan Mei 2014

48

Metode pengumpulan data dilakukan dengan beberapa cara, yaitu:

a. Studi Perpustakaan

Studi perpustakaan yang dilakukan didua tempat yaitu perpustakaan kampus dan perpustakaan perusahaan dengan tujuan menemukan landasan teori, manual book mesin dan hubungan beberapa variable penguatantara teori matematis, desain mekanikal dan faktor penunjang lainnya.

b. Observasi Lapangan

Observasi lapangan yang dilakukan bertujuan mencari data dan fakta antara desain, kenyataan dilapangan serta faktor alam yang dapat menjadi acuan dalam penyempurnaan desain.

c. Jurnal Pendukung

Sampai saat ini, penerapan sistem refrigerasi absorpsi pada pembangkit listrik belum pernah ada di Indonesia, oleh karena itu data – data penelitian atau jurnal yang masih berhubungan dengan efisiensi gas turbin menjadi salah satu pendukung untuk menunjang penelitian ini.

d. Nara Sumber

Nara sumber digunakan untuk mencari data baik dari pengalaman orang-orang yang bersinggungan langsung dengan mesin tersebut maupun data sistem yang ada di PT PLN (Persero) Sektor Belawan,akan digunakan, seperti:

• Assistant Manager Engineering Sektor Belawan

• Assisteant Manager Pemeliharaan PLTG Sektor Belawan • Maintenance Department Sektor Belawan

• Operational Department Sektor Belawan • Engineer dan sales engineering refrigeration

3.4 Rencana Desain Penelitian

Rencana desain yaitu menurunkan temperatur udara masuk kompressor gas turbin dengan menggunakan sistem pendinginan absorpsi chiller. Sumber energi panas untuk chiller absorpsi tersebut menggunakan sisa panas buangan turbin gas.

Pembangkit yang digunakan dalam perancangan adalah PLTG Lot 3 GE Frame 9, alasan pembangkit ini dipilih karena:

1. Pada kondisi saat ini, panas sisa hasil turbin gas PLTG Lot 3 tidak dimanfaatkan sama sekali, berbeda dengan PLTG 1.1, 1.2, 2.1 dan 2.2 yang dimanfaatkan dengan Heat Recovery Steam Gas (HRSG) untuk menggerakan Steam Turbine 2. Melihat sisi tata letak komponen pada PLTG Lot 3, komponen air intake dan

exhaust sangat berdekatan hal ini sangat menguntungkan karena dapat mengurangi heat loss dan biaya investasi pada sistem pendinginan yang akan digunakan.

50

BAB IV

PERANCANGAN SISTEM

4.1Penjelasan Perancangan Sistem

Sistem yang akan digunakan untuk mendinginkan temperatur udara masuk kompresor menggunakan Refrigeration Absorption Chiller yang memanfaatkan energi panas dari gas buang turbin. Dengan target produk udara masuk kompresor bertemperatur 15°C RH 60% (sesuai kondisi ISO), untuk lebih jelasnya berikut gambaran perancangan Turbine Gas with Refrigeration Absorption Chiller System.

Gambar 4.1 Perencanaan Desain

dengan 60% dan menaikan temperatur udara menjadi 15°C.Oleh sebab itu alat penukar kalor (heat exchanger) pada desain ini dibuat dua tipe, yaitu alat penukar kalor I (Cooling Heat Exchanger) dan alat penukar kalor II (Heating Heat Exchanger). Proses pendinginan tersebut menggunakan sistem refrigerasi absorpsi, dimana energi panas yang digunakan dari gas buangan PLTG di exhaust turbine. Berikut rencana penempatan heat exchanger pada gas turbin.

Gambar 4.2 Rencana Penempatan Heat Exchanger [21]

4.2Perancangan Sistem

52

Gambar 4.3 Perencanaan Desain Psikometrik

4.2.1 Alat Penukar Kalor I (Cooling Heat Exchanger)

Alat penukar kalor yang rencana akan dipakai adalah tipe “Cross – Flow With Both Fluid Unmixed”

Gambar 4.5 Heat Exchanger Cross-Flow [2] Dengan data perancangan sebagai berikut:

Laju aliran udara air intake pada Daya 98 Megawatt adalah:137,89 kg/s, karena target desain sebesar 120 Megawatt atau 100% daya mampu, maka laju aliran udara yang terjadi adalah:

./0%

$0%x 100% = 81,66% "1,/.

/ ,##x 100% = 168,8 kg/s

Rencana Perancangan

T1 = Udara T2 = Brine Water (20% Nacl)

Tin = 35 °C Tin = -3 °C

54

Gambar 4.6 Pola Perpindahan Panas Heat Exchanger I Data Perancangan

Produk (udara lingkungan) • Temperatur Inlet(t1) = 35 °C

• Cp Udara = 1,005 kj/kg.°C

• ṁ = 168,8kg/s

Sistem pendingin yang akan digunakan adalah chiller absorpsi ammonia-air, maka fluida yang akan digunakan untuk refrigerant sekundernya adalah brine water (air garam dengan konsentrasi garam sebesar 20%).

Fluida pendingin : Brine water(20% Nacl)

• Temperatur Inlet heat exchanger (t1) = -3 °C

• Cp brine water = 3,11 kj/kg.°C

Gambar 4.7 Perencanaan Desain

Dengan kondisi seperti diatas, maka untuk mencari T2 (Tc out) dapat menggunakan rumus “Upper Limit For Heat Transfer” (yunus cengel)

Q = (ṁ x Cp x ∆T)Udara

= 168,8kg/s x 1,005 kj/kg.°C (35°C –7°C)

= 4751,68kw

Q = (ṁ x Cp x (Tout - Tin)Brine

Tout = Tin + 314 ,#/ 56

ṁ

= -3 °C + 314 ,#/ 76

##5 / ", 9:/9;.°>

=

20 °C

LMTD Method

Perpindahan panas pada Heat Exchanger ini juga dapat dipereroleh dengan rumus

56

∆T1 = Th,in – Tc,out = (35°C – 20 °C) = 15 °C

∆T2 = Th,out – Tc,in = (7°C – (-3) °C) = 10 °C

∆Tlm,CF = ∆ ∆

@A B∆C

∆C D

= 4E $E

@A B FE

GED

= 12,4 °C

Correction Factor

T1 = 35°C t1 = -3 °C

T2 = 7°C t2 = 20°C

Untuk faktor koreksi didapat dari chart dibawah ini:

P = = $E B "DE

"4E B "DE= 0,605

F = 0,8

R = = "4E 1E

$E B "DE= 1,2

Pipe Design

Q = U.As.F.∆Tlm CF

U = Tabel Cengel 13-1 (Representative values of the overall heat transfer coefficients inheat exchangers)

As = )

H I ∆ JK=

4.751.680 %

#$6/K .E $,/ ,3E = 8.162,7S

L = T

U V=

/. # ,1 S2

U $,$" = 84.748 meter

Untuk layout heat exchanger cross – flow with both fluid, layoutnya seperti dibawah ini:

58

Gambar 4.10 Design Heat Exchanger For Cooling [23] Kecepatan udara yang terjadi di heat exchanger adalah:

Data teknis:

• Massa jenis udara adalah 1,293 kg/m3

Debit udara mengalir di air intake(Q) = #/./

, ." = 130,55 m3/s

• Luas penampang air intake(A)

Luas penampang = 11246 mm x 11282,5 mm = 126.882,9 S

Q = A.v

v =

) T

=

"$,44 K"/

#,// . K

=

1,028 m/s

Gambar 4.12 Arrangement of the tubes in in-lineand staggered tube banks [2]

Vmax = X

X V

.v

= $,$#

$,$# $,$"

x

1,028 m/s

= 2,05 m/s

60

4.2.2 Alat Penukar Kalor II (Heating Heat Exchanger)

Heat Exchanger II yang rencana akan dipakai adalah tipe “Cross – Flow With Both Fluid Unmixed”. Heat Exchanger ini dipakai untuk pemanasan udara dengan tujuan mengurangi RH di kandungan udara dari 100% menjadi 60%.Pengurangan nilai RH ini bertujuan menghindari terjadinya kondensasi yang dapat menyebabkan kerusakan di sudu kompresor atau turbin.

Rencana Perancangan

T1 = Udara T2 = Brine Water (20% Nacl)

Tin = 7 °C Tin = 20 °C

Tout = 15 °C Tout = 13,4 °C

Gambar 4.14 Pola Perpindahan Panas Heat Exchanger II

Data Perancangan Produk (udara setelah HE 1) • Temperatur Inlet(T1) = 7 °C

• Cp Udara = 1,005 kj/kg.°C

Fluida pemanas (Brine)

• Temperatur Inlet(t1) = 20 °C

• Cp air = 3,11 kj/kg.°C

• ṁ = 66 kg/s

Q = (ṁ.Cp.∆T)air

= 168.8 kg/s x 1.005 kj/kg.C (15°C – 7°C)

= 1.357,152 Kw

Q = (ṁ.Cp.∆T)water

Tout = Tin - ) ṁ.

= 20 °C - ."41, 4 76 ##Y_Z ", _YY[. = 13,4 °C

LMTD Method

∆T1 = Th,in – Tc,out = (20°C – 15 °C) = 5 °C

∆T2 = Th,out – Tc,in = (13,4°C – 7 °C) = 6,4 °C

∆Tlm,CF = ∆ ∆ @A (∆C_∆C ) =

4E #,3E

62

Untuk faktor koreksi didapat dari chart dibawah ini:

Gambar 4.15Correction Factor Chart [2] Pipe Design

Q = U.As.F.∆Tlm CF

U = Tabel Cengel 13-1 (Representative values of the overall heat transfer coefficients inheat exchangers)

Untuk layout panjang heat exchanger cross – flow with both fluid seperti dibawah ini:

Gambar 4.16 Design Heat Exchanger For Heating

4.2.3 Absorption Chiller

64 Dengan data perancangan sebagai berikut:

Jenis produk : Brine Water

Temperature in Chiller (T1)= 13,4E

Temperature Out Chiller (T2 = −3E

`a

a (Laju aliran brine water) = 66 kg/s Cp (koefisiensi brine water) = 3,11 kj/kg.°C

Beban pendinginannya adalah:

Kapasitas Chiller Absorpsi = Q + Safety Faktor = 3366,3 kw + 336,6 kw = 3702,9 kw

Karena di pasaran Indonesia, untuk memilih tipe mesin chiller absorpsi sering menggunakan satuan HP (Horse Power) atau TR (Ton Refrigerasi), maka perhitungan beban produk diatas di konversian dahulu, seperti dibawah ini:

1 TR = 3,517 Kw

Kapasitas Chiller Absorpsi yang digunakan adalah = "1$ ,. 76

",4 1 76 = 1052 TR

= bcdcefgce dhijfgkA;cA ljf@@hi 3

= $4 m

3 = 263 TR/Chiller

Untuk pemilihan mesin yang akan digunakan,

Gambar 4.17 Katalog Absorption Chiller LG Electronic [24]

4.2.3.1 Analisa Mesin Chiller Absorpsi

Analisa ini bertujuan untuk mendapatkan besaran nilai panas dari gas buang turbin yang dibutuhkan generator chiller absorpsi.

Kapasitas Chiller = QE = 263TR = 925 kw Temperatur Produk (Tp) = -3°C

Temperatur Evaporasi Ammonia (Te) = -13 °C

Temperatur Kondensasi (Tk) = Temperatur lingkungan + 20°C = 35°C+20°C = 55°C

66

Gambar 4.18 Diagram Ph Ammonia

Dari software diatas, didapatkan data di setiap titik siklus seperti dibawah ini:

Gambar 4.19 Analisa Diagram Ph Ammonia

Gambar 4.20 Siklus Absorpsi

Siklus ke 1

Pada siklus ini yang bertindak sebagai refrigerant adalah ammonia dan absorbentnya adalah air. Untuk mencari nilai laju aliran masa refrigerant atau ammonia adalah:

Qe = mr (h1 – h5) mr = no

pq pr

= . 456 334,#Y[

Y 34.,34 5s/5

= 0,938 kg/s

Qk = mr(h2 – h4) = 0,938 kg/s (1787,8 kj/kg – 459,45 kj/kg)

= 1246kw Siklus ke 2

68 Cp air = 4.18 kj/kg.k

Qg = ṁ(air) x Cp(air) x (Tin – Tout) = (4kg/s)x(4.18 kj/kg.k)x(153°C - 110°C)

= 719 kw

Generator

Gambar 4.21 Generator

Produk = Air Cp = 4.18 kj/kg.k

Laju aliran panas air masuk generator(ṁag) =

= 4 kg/s x 4 = 16 kg/s Tin = 110°C

Tout = 153°C

Q = (ṁ.Cp.∆T)air

= 16 kg/s x 4.18 kj/kg.C (153°C – 110°C)

= 2876 Kw

Q = (ṁ.Cp.∆T)Gas Tout = Tin - ) ṁ.

= 500 °C - /1# 76 #Y_Z .$$4_YY[. = 321 °C

LMTD Method

∆T1 = Th,in – Tc,out = (500°C – 153 °C) = 347 °C

∆T2 = Th,out – Tc,in = (321°C – 110°C) = 211°C

∆Tlm,CF = ∆ ∆ @A (∆C

∆C )

= "31E E @A (t]uE

E)

70

Correction Factor

T1 = 500 °C t1 = 110°C

T2 = 321 °C t2 = 153°C

P = = 4" E $E

4$$E $E= 0,094

F = 0,98

R = = 4$$E " E 4"E $E= 4.2

Untuk faktor koreksi didapat dari chart dibawah ini:

Pipe Design

Q = U.As.F.∆Tlm CF

U = Tabel Cengel 13-1 (Representative values of the overall heat transfer coefficients inheat exchangers)

As = )

H I ∆ JK=

/1#$$$ %

tGGv

w .E $,./ 1"E

= 35,7 S

L = T U V=

"4,1 S2

72

BAB V

ANALISIS KEUNTUNGAN

5.1Biaya Investasi

Dalam mengaplikasikan sistem refrigerasi absorpsi di gas turbin dibutuhkan material tambahan, dimana material tersebut akan dimasukan sebagai biaya investasi, untuk lebih jelasnya seperti tabel dibawah ini:

No Material Harga* Jumlah Biaya

1 Chiller Absorption Steam

Kapasitas 263 TR ±Rp.830.000.000 4 Rp 3.320.000.000

2 Transfer Pump Ammonia ±Rp.320.000.000 4 Rp 1.280.000.000 Kapasitas 66 liter/detik

3 Heat Exchanger ±Rp 800.000.000 1 Rp 800.000.000 Dimensi 11 x 11 x 2,5 meter

4 PLC dan Transducer ±Rp 300.000.000 1 Rp 300.000.000

5 Piping Sistem ±Rp 300.000.000 1 Rp 300.000.000

6 Instalasi dan Pondasi ±Rp 1.000.000.000 1 Rp 400.000.000

Jumlah Total = Rp 6.190.000.000

Tabel 2 Perkiraan Rincian Biaya Investasi Penerapan Sistem

5.2Keuntungan Penerapan Sistem

Keuntungan yang didapatkan dari sisi ekonomi adalah:

No Efisiensi Keuntungan

1 Penambahan Daya Output ± 17 MW Rp 540.600.000 / Hari

2 Penurunan Heat Rate Rp 205.178.112 / Hari

*Keuntungan Keseluruhan Ekonomi = Rp 745.778.112 / Hari

Tabel 3 Rincian Keuntungan Penerapan Sistem

berikut akan diuraikan keuntungan yang didapatkan dari peningkatan efisiensi gas turbin menggunakan refrigerasi absorpsi.

5.2.1Kenaikan Daya Mampu

Pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) Lot 3 Sektor Belawan, Daya mampu yang dihasilkan saat ini berkisar 95 – 100 MW tergantung dari kondisi lingkungan dan unit. Kondisi tersebut dirasa belum maksimal atau mendekati desain spesifikasi daya terpasang yaitu 120 MW, hal ini terjadi karena faktor temperatur lingkungan yang berkisar 32 – 35°C. Dari data manual book Gas Turbine GE Frame 9 dibawah ini, didapatkan grafik daya output yang dihasilkan gas turbin berdasarkan kondisi temperatur lingkungan:

74

Gambar 5.2 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungandan Output Turbin GE Frame 9 [6]

Jika melihat grafik diatas, daya output yang dihasilkan ketika temperatur lingkungan 35°C sebesar 87% dari daya mampu. Oleh karena itu jika kita menerapkan sistem pendinginan pada udara masuk kompresor, maka daya yang dihasilkan jika mengacu pada grafik diatas adalah seperti dibawah ini:

Gambar 5.3 Diagram Hubungan Daya Output dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor

Untuk analisis keuntungannya adalah:

a. Sisi Ekonomi

Daya output 86% dari 120 Mw = 103 Mw, maka daya yang hilang karena temperatur lingkungan ±17 Mw, jika harga jual per kwh sebesar Rp.1.352. maka keuntungan yang bisa didapatkan:

17000 kw x Rp.1.325 kwh = Rp.22.525.000/jam x 24 = Rp.540.600.000/hari.

b. Sisi Sosial

Dari data neraca daya PT. PLN(Persero) Sumatera Bagian Utara 2013, beban puncak wilayah Aceh sebesar 225 Mw, maka penambahan daya 17 Mw dapat mengisi 7,5% kebutuhan listrik ketika beban puncak di wilayah Aceh.