Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
PERANCANGAN HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR
(HRSG) DENGAN SISTEM TEKANAN UAP DUA TINGKAT
KAPASITAS DAYA PEMBANGKITAN 77 MW
SKRIPSI
Skripsi yang Diajukan untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
RAHM AD SUGIHART O
NIM . 070421022
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdullillah, dengan segala kerendahan hati, penulis panjatkan
puji dan syukur yang tak terhingga kepada ALLAH SWT yang telah memberikan
kesehatan, kesempatan dan pengetahuan kepada penulis, karena atas rahmat,
karunia dan petunjuk-Nya, penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana yang
merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik di
Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknis Universitas Sumatera Utara.
Adapun tugas sarjana ini diambil dari bidang mata kuliah ketel uap dengan
judul ”Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) dengan Sistem
Tekanan Uap 2 (Dua) Tingkat (Dual Pressure) Kapasitas Daya Pembangkitan 77
MW”.
Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini, penulis banyak sekali mendapat
bantuan bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak khususnya dari Bapak Ir.
Mulfi Hazwi, M.Sc. selaku dosen pembimbing dan teman – teman di Departemen
Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, atas bantuan yang diberikan kepada
penulis.
Pada kesempatan ini, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar –
besarnya kepada :
1. Kedua orang tua tercinta Ayahanda Suryono dan Ibunda Rasiem yang
selalu mendoakan dan memberikan yang terbaik buat penulis.
2. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc., selaku dosen pembimbing yang telah
banyak meluangkan waktu dalam memberikan bimbingan dan
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik
Mesin FT – USU.
4. Bapak/Ibu dosen yang telah mendidik penulis selama kuliah di
Departemen Teknik Mesin.
5. Bapak/Ibu staf pegawai Departemen Teknik Mesin.
6. Nenek Mujinah dan keluarga tercinta, beserta teman – teman di mana
penulis bertempat tinggal selama kuliah, yang selalu memberikan do’a dan
dukungan terbaik.
7. Rekan – rekan mahasiswa di Teknik Mesin, khususnya Ekstensi Stambuk
2007 yang telah banyak mendukung dan membantu penulis selama
perkuliahan maupun dalam penyelesaian tugas sarjana ini.
8. Teman – teman Caroline Officer yang banyak membantu selama kuliah.
Walaupun penulis berusaha sebaik mungkin, namun penulis menyadari
banyak kekurangan isi penulisan tugas sarjana ini. Oleh karena itu, penulis
memohon maaf dan dengan senang hati berterima kasih jika menerima saran dan
kritik yang sifatnya membangun untuk perbaikan tugas sarjana ini selanjutnya.
Semoga penulisan ini memberikan manfaat sebaik – baiknya. Amin.
Medan, Nopember 2009
Hormat Penulis,
NIM. 070421022
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
DAFTAR ISI
Halaman
KATA PENGANTAR ... i
DAFTAR NOTASI ... vi
DAFTAR GAMBAR ... ix
BAB I : PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang ... 1
1.2. Tujuan Penulisan ... 2
1.3. Batasan Masalah ... 2
1.4. Metode Penulisan ... 3
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian Siklus Kombinasi ... 4
2.2. Siklus Turbin Gas ... 8
2.3. Heat Recovery Steam Generator ... 11
2.3.1. Komponen Utama HRSG ... 11
2.3.2. Efisensi Termal HRSG ... 15
2.3.3. Proses Perpindahan Panas pada HRSG ... 17
2.4. Alat Penukar Kalor ... 18
2.5. Turbin Uap ... 21
BAB III : PERHITUNGAN TERMODINAMIKA HRSG 3.1. Spesifikasi Teknis Perancangan ... 23
3.2. Perhitungan Uap ... 23
3.3. Kesetimbangan Energi ... 31
3.3.1. Kesetimbangan energi pada sistem uap tekanan tinggi (high pressure atau HP) ... 31
3.3.2. Kesetimbangan energi pada sistem uap tekanan rendah (low pressure atau LP)Evaporator ... 35
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
3.5. Daya yang Dibangkitkan HRSG ... 40
3.6. Efisiensi HRSG ... 41
BAB IV : UKURAN – UKURAN KOMPONEN UTAMA HRSG
4.1. Parameter Perhitungan Pipa HP Superheater ... 43
4.1.1. Pemilihan Pipa HP Superheater ... 45
4.1.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 48
4.1.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) .. 50
4.1.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 58
4.1.5. Tahanan Konduksi pada Pipa HP Superheater ... 60
4.1.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 60
4.1.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 60
4.2. Parameter Perhitungan Pipa HP Evaporator ... 61
4.2.1. Pemilihan Pipa HP Evaporator ... 64
4.2.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 66
4.2.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) .. 68
4.2.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 75
4.2.5. Tahanan Konduksi pada Pipa HP Evaporator ... 77
4.2.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 77
4.2.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 78
4.3. Parameter Perhitungan Pipa HP Ekonomiser ... 79
4.3.1. Pemilihan Pipa HP Ekonomiser ... 81
4.3.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 83
4.3.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) .. 85
4.3.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 91
4.3.5. Tahanan Konduksi pada Pipa HP Ekonomiser .... 93
4.3.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 93
4.3.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 94
4.4. Parameter Perhitungan Pipa LP Superheater ... 95
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
4.4.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa (hi) . 98
4.4.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa (ho) .... 100
4.4.4.Tahanan Konduksi pada Pipa LP Superheater ... 104
4.4.5. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 105
4.4.6. Luas Bidang Pindahan panas ... 105
4.5. Parameter Perhitungan Pipa LP Evaporator ... 106
4.5.1. Pemilihan Pipa LP Evaporator ... 108
4.5.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 110
4.5.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) .. 112
4.5.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 118
4.5.5. Tahanan Konduksi pada Pipa LP Evaporator ... 120
4.5.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 120
4.5.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 121
4.6. Parameter Perhitungan Pipa Condensate Preheater ... 122
4.6.1. Pemilihan Pipa Condensate Preheater ... 124
4.6.2. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa ( hi ) 126
4.6.3. Koefisien Perpindahan Panas di luar Pipa ( ho ) .. 127
4.6.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip ... 134
4.6.5. Tahanan Konduksi pada Pipa Condensate Preheater 136
4.6.6. Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh ( U ) .. 136
4.6.7. Luas Bidang Pindahan panas ... 136
4.7. Perhitungan Luas Penampang HRSG ... 138
4.8. Cerobong Asap (chimney) HRSG ... 138
BAB V : KESIMPULAN
5.1. Kesimpulan ... 140
5.2. Saran ... 145
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
DAFTAR NOTASI
Notasi Arti Satuan
A luas permukaan perpindahan panas m2
Ac luas penampang bagian dalam m2
Af luas permukaan sirip m2
Ap luas permukaan sirip primer m2
Ah luas total permukaan yang menyerap panas m2
Aa luas penampang aliran m2
Di diameter dalam pipa m
Do diameter luar pipa m
Dh diameter hidrolik pipa m
DN diameter nominal (inch)
h entalphi kJ/kg
hi koefisien konveksi bagian dalam pipa W/m2.oC
ho koefisien konveksi bagian luar pipa W/m2.oC
k konduktivitas thermal W/m.oC
1 panjang sirip m
L panjang pipa m
LMTD beda suhu rata – rata logaritma oC
mg laju aliran massa gas buang kg/s
mu laju aliran massa uap kg/s
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
N jumlah lintasan
Nu bilangan Nusselt
Nf jumlah sirip per batang pipa
p tekanan bar
P daya W
Pr bilangan Prandtl
Q laju perpindahan panas kJ/s
Re bilangan Reynold
re jari-jari luar pipa bersirip m
ri jari – jari dalam pipa m
ro jari-jari luar pipa m
S tegangan tarik ijin Psia
SL jarak longitudinal dua buah pipa m
ST jarak tranversal dua buah pipa m
t tebal pipa m
T temperatur oC
Tg temperatur gas buang oC
∆Tmin beda suhu minimum
o C
∆Tmax beda suhu maximum
o C
U koefisien perpindahan panas total W/m2.oC
V kecepatan m/s
Vg kecepatan gas m/s
Vg maks kecepatan gas maksimum rangkuman pipa m/s
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
f efisiensi sirip
O efektifitas sirip
HRSG efisiensi HRSG %
ηT efisiensi turbin %
µ viskositas dinamik fluida kg/m.s
massa jenis fluida kg/ m3
Volume jenis fluida m3/ kg
WP kerja pompa kJ/kg
γ perbandingan kalor spesifik
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
DAFTAR GAMBAR
No. Gambar Nama Gambar Halaman
2.1. Instalasi PLTGU 6
2.2. Siklus Gas Terbuka 9
2.3. Siklus Brayton 9
2.4. Diagram P – V Turbin Gas 9
2.5. Diagram Alir Air dan Uap HRSG 14
2.6. Konstruksi Salah Satu Unit HRSG Buatan SIEMENS
di PLTGU PT. PLN (Persero) Sektor Belawan 15
2.7. Penukar Kalor Pipa Ganda 18
2.8. Perbedaan Jenis Aliran dan Profil Hubungan Temperatur
dalam Sebuah Pipa Ganda Alat Penukar Kalor 20
2.9. Distribusi Temperatur pada Proses Evaporasi 21
2.10. Diagram Instalasi Siklus Gabungan 22
3.1. Profil Diagram Temperatur Gas Buang dan Uap HRSG 24
3.2. Siklus Perencanaan HRSG 25
3.3. Diagram T – S yang Direncanakan 28
3.4. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi
pada Uap Tekanan Tinggi 32
3.5. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi
pada Uap Tekanan Rendah 35
3.6. Diagram Kesetimbangan Energi Uap dan Gas Buang 39
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
4.1. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Superheater 44
4.2. Sketsa Rancangan Pipa – pipa HP Superheater 46
4.3. Susunan Pipa Selang-Seling pada HP Superheater 50
4.4. Luas Penampang Pipa Bersirip pada HP Superheater 54
4.5. Grafik Efisiensi Sirip 58
4.6. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Evaporator 62
4.7. Sketsa Rancangan Pipa – pipa HP Evaporator 65
4.8. Susunan Pipa Selang-Seling pada HP Evaporator 68
4.9. Luas Penampang Pipa Bersirip pada HP Evaporator 72
4.10. Grafik Efisiensi Sirip 75
4.11. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Ekonomiser 79
4.12. Susunan Pipa Selang-Seling pada HP Ekonomiser 85
4.13. Grafik Efisiensi Sirip 91
4.14. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada LP Superheater 95
4.15. Susunan Pipa Selang-Seling pada LP Superheater 101
4.16. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada LP Evaporator 107
4.17. Susunan Pipa Selang-Seling pada LP Evaporator 112
4.18. Grafik Efisiensi Sirip 118
4.19. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Condensate Preheater 122
4.20. Susunan Pipa Selang-Seling pada CPH 128
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Kebutuhan energi khususnya energi listrik terus meningkat seiring dengan
meningkatnya kegiatan pembangunan ekonomi suatu negara. Salah satunya
seperti di Indonesia yang merupakan negara ekonomi berkembang dan
pertumbuhan penduduk yang semakin besar, merupakan negara dengan konsumsi
energi yang semakin meningkat pula. Sumber energi yang paling banyak
digunakan di sektor industri dan produksi tenaga listrik di Indonesia adalah
minyak bumi dan gas. Minyak bumi dan gas merupakan jenis energi fosil yang
tidak dapat diperbaharui yang ketersediaannya semakin berkurang karena
penggunaan terus-menerus. Oleh karena itu, pemanfaatan energi harus seefisien
mungkin agar menghasilkan manfaat ekonomi dan dapat diterima sebaik-baiknya
bagi masyarakat dan lingkungan.
Salah satu bentuk efisiensi pemakaian energi di bidang produksi tenaga
listrik adalah pada siklus kombinasi Pusat Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU).
PLTGU adalah gabungan antara Pusat Listrik Tenaga Gas (PLTG) dengan Pusat
Listrik Tenaga Uap (PLTU). Efisiensi termal PLTG di bawah 35 %, tetapi dengan
adanya siklus gabungan PLTGU ini dapat diperoleh efisiensi termal yang cukup
baik yaitu dapat mencapai di atas 50 % (P.K, Nag, hal. 112). Efisiensi termal pada
HRSG adalah indikator seberapa baik kemampuan pemaanfaatan panas untuk
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
dan biaya bahan bakar membuat pembangkit daya (powerplant) harus beroperasi
seefisien mungkin.
Panas gas buang dari PLTG biasanya di atas 500 oC. Panas ini dapat
dimanfaatkan untuk memproduksi uap yang digunakan sebagai fluida kerja di
PLTU. Alat yang digunakan untuk menghasilkan uap tersebut adalah Heat
Recovery Steam Generator (HRSG).
Pada dasarnya prinsip kerjanya hampir sama dengan ketel uap (boiler)
yaitu mengkonversi energi panas bahan bakar dengan memanaskan fluida kerja
yaitu air menjadi uap panas bertekanan. Keuntungan penggunaan HRSG yang
paling prinsip dibanding boiler umum yang menggunakan pembakar (burner)
adalah peningkatan efisiensi karena HRSG memanfaatkan gas buang dari Turbin
Gas sebagai sumber kalor sehingga tidak memerlukan bahan bakar dan udara
sebagai pemanas.
1.2. Tujuan Penulisan
Secara umum tujuan penulisan pada skripsi ini adalah untuk merancang
satu unit HRSG, di mana uap yang dihasilkan untuk menggerakkan turbin uap.
Tujuan secara khusus pada penulisan ini adalah untuk mengetahui
performansi HRSG secara teoritis serta menentukan parameter dan dimensi
komponen – komponen utama HRSG dari suatu HRSG yang dirancang.
1.3. Batasan Masalah
Dalam tugas akhir ini dirancang satu unit HRSG yang memanfaatkan gas
buang turbin gas dengan daya 130 MW, di mana uap yang diproduksi HRSG
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
1. Perhitungan termodinamika HRSG.
2. Perhitungan daya dan efisiensi yang dihasilkan HRSG.
3. Perhitungan ukuran – ukuran utama komponen HRSG yaitu ukuran pipa
dan bahan pemanas awal kondensat (condensate preheater), LP (low
pressure atau tekanan rendah) evaporator, LP superheater, HP (high pressure atau tekanan tinggi) ekonomiser, HP evaporator dan HP
superheater.
4. Gambar penampang HRSG.
1.5. Metode Penulisan
Metodologi yang digunakan dalam penulisan tugas sarjana ini adalah
sebagai berikut :
1. Survei lapangan, yaitu berupa peninjauan langsung ke lokasi tempat
pembangkit berada, yaitu di PT. PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera
Bagian Utara Sektor Belawan, Medan.
2. Studi literatur, yaitu berupa studi kepustakaan, kajian dari buku manual
pembangkit, atau artikel yang terkait dari internet.
3. Diskusi, yaitu berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing, staf
perusaahan pembangkit dan dosen pembanding yang akan ditunjuk oleh
pihak Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera
Utara mengenai kekurangan – kekurangan di dalam penulisan tugas akhir
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Pengertian Siklus Kombinasi
Dewasa ini hasil penelitian telah banyak mendapatkan kemajuan dalam
melakukan kombinasi pada siklus Brayton (turbin gas) dengan siklus Rankine
(tenaga uap) sehingga menjadi siklus gabung atau kombinasi (combined cycle).
Siklus gabung adalah suatu siklus yang memanfaatkan gas buang dari turbin gas
untuk memanaskan air yang dalam hal ini digunakan ketel atau pembangkit uap
(boiler). Pembangkit uap ini dikenal dengan Heat Recovery Steam Generator
(HRSG).
Prinsip kerja HRSG hampir sama dengan ketel uap pada umumnya, hanya
saja media yang digunakan untuk memanaskan air hingga menjadi uap panas
lanjut adalah gas panas buangan turbin gas yang masih memiliki temperatur
sangat tinggi. Gas buang yang keluar dari turbin gas umumnya adalah di atas 500
o
C. Gas buang ini masih mengandung banyak oksigen karena sistem turbin gas
menggunakan campuran bahan bakar – udara yang miskin. Karena itu dapat
digunakan untuk membakar bahan bakar di dalam ruang bakar HRSG.
Dengan adanya siklus gabungan tersebut maka diperoleh 2 (dua)
keuntungan yaitu menambah daya listrik dan menghemat biaya bahan bakar.
Penambahan daya listrik tanpa menambah bahan bakar berarti akan menaikkan
efisiensi termal. Besarnya peningkatan efisiensi siklus gabung tergantung dari
temperatur air pendingin yang digunakan pada PLTU dan besarnya temperatur gas
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
temperatur gas buang turbin gas serta makin rendahnya temperatur gas buang
HRSG sesuai dengan spesifikasi yang diizinkan, maka efisiensinya juga semakin
besar.
Alasan lain pemilihan PLTGU adalah waktu konstruksi yang cepat
sehingga bila ada lonjakan permintaan tenaga listrik yang harus dipenuhi dalam
waktu singkat maka dapat dibangun PLTGU secara bertahap. Tahap pertama
dibangun PLTG untuk memenuhi lonjakan permintaan, sedangkan HRSG dan
PLTU dibangun dan dioperasikan kemudian bila permintaan tenaga listrik sudah
meningkat. PLTGU dapat dioperasikan sebagai pembangkit untuk beban puncak
maupun beban dasar. Yang perlu dipertimbangkan pada beban puncak adalah
waktu start – up (mulai operasi) dari PLTGU. PLTG mempunyai waktu start – up
yang cepat sedangkan PLTU mempunyai waktu start – up yang lambat bila dalam
kondisi cold start – up atau operasi yang dimulai dengan kondisi temperatur fluida
yang masih rendah. Sehingga untuk melayani beban puncak perlu beroperasi
secara warm start – up (pemanasan bertahap).
HRSG umumnya mempunyai 2 (dua) drum uap, yaitu 1 (satu) untuk
tekanan rendah (low pressure atau LP) dan 1 (satu) lagi untuk tekanan tinggi (high
pressure atau HP). HRSG dalam perkembangannya dapat terdiri dari 3 (tiga)
drum uap dengan tekanan uap yang berbeda yaitu tekanan tinggi, tekanan
menengah (intermediate pressure atau IP) dan tekanan rendah.
Peningkatan efisiensi HRSG juga dipengaruhi dengan jumlah tekanan uap
yang digunakan. HRSG pada umumnya ada yang menggunakan 2 (dua) atau 3
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
maka biaya investasi semakin besar. Maka dalam pertimbangan hal ini maka
umumnya dipilih HRSG dengan tekanan 2 (dua) tingkat.
Gambar 2.1. Instalasi PLTGU
Gambar 2.1. di atas menunjukkan sistem instalasi dari komponen –
komponen PLTGU di mana HRSG yang digunakan dengan menggunakan tekanan
uap 2 (dua) tingkat. Pembangkit daya seperti ini di samping menghasilkan
efisiensi yang tinggi dan keluaran daya yang lebih besar, siklus gabung ini bersifat
luwes dan dan mudah dioperasikan dengan beban tak penuh, cocok untuk operasi
beban dasar dan turbin bersiklus dan mempunyai efisiensi yang tinggi dalam
daerah beban yang luas. Kelemahannya berkaitan dengan keruwetannya karena
pada dasarnya instalasi ini menggabungkan 2 (dua) teknologi di dalam satu
kompleks pembangkit daya.
Untuk meningkatkan efisiensi siklus kombinasi, salah satunya adalah
dengan meminimalkan panas yang terbuang melalui gas buang. Suhu gas buang
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
demikian, suhu tersebut tidak boleh terlalu rendah sehingga uap air akan
mengembun pada dinding cerobong. Hal ini penting bagi bahan bakar yang
mengandung sulfur dimana pada suhu rendah akan mengakibatkan korosi titik
embun sulfur. Oleh karena bahan bakar PLTG adalah gas alam dan sebagai
cadangan biasanya menggunakan minyak bakar (HSD). Dari buku manual HRSG
ketika survei, diperoleh informasi kandungan SO2 pada gas buang kecil sekali
yaitu hanya sekitar < 0,049 %. Selain itu untuk meningkatkan efisiensi siklus
adalah dengan menaikkan temperatur masuk udara ke turbin gas atau dengan
mengurangi temperatur kondensasi pada turbin uap.
Dalam tugas sarjana berupa perancangan ini, dipilih siklus gabungan
dengan regenerasi karena siklus ini lebih efisien digunakan jika dibandingkan
dengan siklus gabungan lainnya dalam menghasilkan daya listrik dengan
menggunakan masing – masing 1 (satu) unit turbin gas dan 2 (dua) turbin uap
yaitu turbin uap tekanan tinggi dan tekanan rendah. Di samping itu, adanya
pemanasan air umpan atau regenerasi akan lebih mengefektifkan kerja HRSG.
HRSG yang dirancang menghasilkan uap yang terdiri dari 2 (dua) tekanan
yaitu tekanan tinggi (high pressure atau HP) dan tekanan rendah (low pressure
atau LP). Adapun komponen utama HRSG adalah pemanas awal kondensat
(condensate preheater atau CPH), LP evaporator, LP Drum, LP superheater, HP
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
2.2. Siklus Turbin Gas
Turbin gas merupakan alat yang mengonversi energi kimia bahan bakar
menjadi energi energi mekanis melalui proses pembakaran, kemudian energi
mekanis tersebut dikonversi oleh generator menjadi energi listrik. Turbin gas
bekerja dengan siklus Brayton) dan fluida kerjanya adalah gas. Sistem turbin gas
yang paling sederhana terdiri dari 3 (tiga) komponen utama yaitu : kompresor,
ruang bakar dan turbin, dengan susunan seperti pada gambar 2.3.
Prinsip kerja sistem ini adalah udara atmosfer masuk ke dalam kompresor
yang berfungsi menghisap dan menaikkan tekanan udara tersebut, sehingga
temperaturnya akan naik. Kemudian udara bertekanan tinggi itu masuk ke dalam
ruang bakar. Di dalam ruang bakar disemprotkan bahan bakar ke dalam arus udara
tersebut, sehingga terjadi proses pembakaran. Proses pembakaran tersebut
berlangsung pada tekanan konstan, sehingga bisa dikatakan bahwa ruang bakar
hanyalah digunakan untuk menaikkan temperatur udara. Gas pembakaran yang
bertemperatur tinggi itu kemudian masuk ke dalam turbin gas di mana energinya
dipergunakan untuk memutar sudu turbin. Sebanyak ±60 % dari daya yang
dihasilkan turbin digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, sisanya baru
digunakan untuk memutar generator.
Siklus ideal ini terdiri dari 2 (dua) proses isobar yang terjadi di ruang
bakar dan proses pembuangan gas bekas, serta 2 (dua) proses isentropik yang
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Turbin Gas
Ruang Bakar
G Kompresor
1
Udara Atmosfer
Bahan Bakar
SIKLUS GAS
2 3
4
Gambar 2.2. Siklus Gas Terbuka
Gambar 2.3. Siklus Brayton
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Jalannya proses dapat diterangkan sebagai berikut (Frietz Dietzell, 1992,
hal 156):
1 – 2 : Merupakan proses kompresi isentropik dalam kompresor, kondisi 1
adalah udara atmosfer. Temperatur udara hasil kompresi T2 dapat
diketahui dari hubungan :
T2 = T1 . γ
γ−1
p
r
dengan :
rp = rasio tekanan P2/P1
γ = perbandingan panas spesifik pada tekanan konstan dan panas spesifik
pada volume konstan, untuk udara γ = 1,4
2 – 3 : Proses penambahan panas pada tekanan konstan dalam ruang bakar.
Panas yang ditambahkan pada ruang bakar adalah :
Qin = Cp (T3 – T2)
3 – 4 : Proses ekspansi isentropik dalam turbin. Temperatur gas keluar T4
dihitung dengan hubungan :
T4 = T3
γ γ 1 1
−
p
r
4 – 1 : Merupakan proses pelepasan kalor ke lingkungan pada tekanan konstan.
Besarnya kalor yang dilepas dihitung dengan rumus :
Qout = Cp (T4 – T1)
Kerja netto turbin (Wnet) merupakan kerja berguna yang dihasilkan turbin
setelah kerja ekspansi dikurangi dengan kerja kompresi. Besar kerja netto turbin
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Wnet = WT – WK
= (h3 – h4) – (h2 – h1)
Daya netto turbin merupakan daya keluaran turbin (daya yang dibutuhkan
generator) setelah memperhatikan kerugian-kerugian, maka daya netto turbin (P.K
Nag, 2002) adalah :
Pnet = mg .
. WT – mg .
. WK
Efisiensi siklus merupakan perbandingan antara jumlah kalor yang efektif
dengan kalor yang dimasukkan ke sistem (Yunus A. Cengel, 1979), yaitu :
ηsiklus =
net net
Q W
= (h3 – h2′) – (h4′ - h1) / (h3 – h2′)
= 1 –
′ −− ′
2 3
1 4
h h
h h
2.3. Heat Recovery Steam Generator (HRSG)
Heat Recovery Steam Generator (HRSG) pada umumnya terdiri dari
beberapa seksi – seksi yaitu pemanas awal kondensat (kondensat preheater),
ekonomiser, evaporator dan superheater.
2.3.1. Komponen-komponen Utama HRSG
Adapun komponen utama dan fungsi bagian – bagian HRSG antara lain :
1. Pemanas awal kondensat (condensate preheater atau CPH)
Pemanas awal kondensat berfungsi memanaskan air yang berasal dari
kondensat keluaran turbin uap, kemudian air yang sudah dipanaskan ini
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
kondensat ini diletakkan di bagian paling atas sekali dari posisi pipa – pipa
pemanas yand ada dan diikuti oleh pipa – pipa lainnya.
2. Ekonomiser
Ekonomiser adalah elemen HRSG yang berfungsi untuk memanaskan
air umpan sebelum memasuki drum ketel 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 yang dialami HRSG. Air yang masuk pada
evaporator sudah pada temperatur tinggi sehingga pipa-pipa evaporator tidak
mudah rusak karena perbedaan temperatur yang tidak terlalu tinggi.
Keuntungan lain dari ekonomiser adalah air yang akan masuk ke
dalam evaporator pada temperatur tinggi sehingga untuk menguapkannya
hanya dibutuhkan panas yang sedikit untuk proses penguapan, sehingga luas
bidang yang dipanaskan atau heating surface dari evaporator bisa lebih sedikit
akibatnya ukuran dari HRSG bisa lebih kecil, oleh karena itu biaya produksi
HRSG bisa lebih diperkecil. Maka kesimpulan dari keuntungan penggunaan
ekonomiser adalah :
a) Biaya perawatan (maintenance cost) menjadi lebih murah.
b) Efisiensi termal dapat diperbesar.
c) Biaya operasi menjadi lebih hemat atau lebih ekonomis.
d) Harga investasi HRSG menjadi lebih murah.
3. Evaporator
Evaporator merupakan elemen HRSG yang berfungsi untuk mengubah
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
akan terjadi pembentukan uap. Pada evaporator biasanya kualitas uap sudah
mencapai 0,8 – 0,98, sehingga sebagian masih berbentuk fase cair. Evaporator
akan memanaskan uap air yang turun dari drum uap panas lanjut yang masih
dalam fase cair agar berbentuk uap sehingga bisa diteruskan menuju
superheater. Perpindahan panas yang terjadi pada evaporator adalah film pool
boiling di mana air yang dipanaskan mendidih sehingga mengalami perubahan
fase menjadi uap jenuh. Jenis evaporator ada 2 (dua) jenis yaitu evaporator
bersirkulasi alami (bebas) dan evaporator bersirkulasi paksa (dengan pompa).
4. Superheater
Superheater atau pemanas lanjut uap ialah alat untuk memanaskan uap
jenuh 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 (back stroke)
yang diakibatkan mengembunnya uap belum pada waktunya sehingga
menimbulkan vakum di tempat yang tidak semestinya di daerah ekspansi.
Selain komponen – komponen utama HRSG di atas, HRSG juga
dilengkapi peralatan bantu lainnya yang fungsinya sangat menunjang kinerja
HRSG, antara lain drum uap dan cerobong asap. Drum sebagai wadah yang
berfungsi memisahkan campuran air – uap dan keluarannya berupa uap jenuh
kering (steam saturated steam) yang kemudian dialirkan ke superheater.
Cerobong asap berfungsi sebagai laluan yang membantu tarikan gas buang ke
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
CPH
LP
HP LP eva
LP sup
HP eko
HP eva
HP sup
UAP LP
UAP HP
[image:32.595.157.439.77.508.2]Gas Buang
Gambar 2.5. Diagram Alir Air dan Uap HRSG
Keterangan gambar 2.5 :
CPH = condensate preheater
eko = ekonomiser
eva = evaporator
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Gambar 2.6. Konstruksi Salah Satu Unit HRSG Buatan SIEMENS di PLTGU
PT. PLN (Persero) Sektor Belawan
2.3.2. Efisiensi Termal HRSG
Dalam suatu sistem, analisis berpusat pada daerah dimana materi dan
energi mengalir melaluinya. Perhitungan efisiensi termal HRSG yang
menggunakan 2 (dua) tekanan (tinggi dan rendah) dapat dilakukan dengan
membandingkan laju aliran energi yang digunakan untuk menguapkan air menjadi
uap panas lanjut atau superheated (Qh
.
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
tekanan rendah dan laju aliran energi yang terkandung dalam gas buang (Qeg
. )
dari sistem PLTG yang berguna dalam HRSG, dirumuskan (lit. 10) :
= . . eg h Q Q
x 100 %
Besarnya energi panas yang terkandung dalam gas buang turbin gas yang
diberikan kepada HRSG ( .
Qeg) dapat diketahui dengan persamaan berikut ini :
.
Qeg = ( )
.
o i eg egcp T T
m −
dengan :
Ti = temperatur gas buang dari turbin gas (K)
To = temperatur gas buang ke lingkungan (K)
.
eg
m = laju aliran massa gas buang (kg/detik)
eg
cp = panas spesifik gas buang (kJ/kg.K)
Sedangkan laju aliran energi panas yang dibutuhkan air menjadi uap
) (
.
h
Q dapat dicari dengan menggunakan persamaan
.
Qeg tersebut. Pada persamaan
di atas diasumsikan :
1. Sistem dalam kondisi tunak (steady state).
2. Perubahan laju aliran energi potensial dan laju aliran energi kinetik diabaikan.
3. Adanya kerja yang masuk ke sistem, maka persamaannya menjadi (lit.10) :
.
h
Q =
− +
∑
mLP.hLP mHP.hHP mFW.hFW. . . dengan : LP m .
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
LP
h = entalphi uap tekanan rendah (kJ/kg)
HP
m
.
= laju aliran massa uap tekanan tinggi (high pressure) (kg/detik)
HP
h = entalphi uap tekanan tinggi (kJ/kg)
FW
m
.
= laju aliran massa air umpan (kg/detik)
FW
h = entalphi air umpan (kJ/kg)
2.3.3. Proses Perpindahan Panas pada HRSG
Perpindahan panas adalah perpindahan energi thermal dari temperatur
tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Perpindahan panas yang terjadi di dalam
HRSG praktis hanya melalui proses kombinasi konveksi dan konduksi saja, tidak
ada lagi proses radiasi karena HRSG tidak lagi berhadapan dengan lidah api.
Perpindahan panas konduksi yang terjadi di dalam HRSG yaitu panas
dirambatkan atau dihantarkan oleh molekul-molekul dinding pipa yang berbatasan
dengan aliran gas buang turbin gas kemudian panas dirambatkan menuju dinding
pipa air bagian dalam.
Perpindahan panas secara konveksi adalah perpindahan panas yang
dilakukan oleh molekul-molekul suatu fluida (cair ataupun gas). Perpindahan
panas secara konveksi dibedakan menjadi 2 (dua) jenis perpindahan panas yaitu
konveksi bebas dan konveksi paksa. Konveksi bebas (free convection) terjadi bila
molekul-molekul fluida yang bergerak disebabkan perbedaan kerapatan massa
jenis (densiti) di dalam fluida itu sendiri, sedangkan pada konveksi paksa (force
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
akibat kekuatan mekanis (misalnya dipompa atau dihembus fan) dan setiap
kondisi alirannya berbeda.
2.4. Alat Penukar Kalor
Alat penukar kalor (heat exchanger) adalah suatu alat yang berfungsi
sebagai tempat penukaran panas di antara dua fluida yang berbeda temperatur atau
penukaran panas yang terjadi dari temperatur tinggi ke rendah atau sebaliknya
tanpa ada pencampuran antara satu fluida dengan fluida lainnya. Penggunaan alat
penukar kalor untuk industri pembangkit tenaga misalnya pada HRSG dan PLTU
adalah seperti condensate preheater, ekonomiser, evaporator, superheater dan
kondensor.
Gambar 2.7. Penukar Kalor Pipa Ganda
Pada gambar 2.7. di atas, salah satu fluida mengalir di dalam tabung yang
lebih kecil, sedangkan fluida yang satu lagi mengalir di dalam ruang anulus di
antara kedua tabung, fluidanya dapat mengalir dalam aliran arah sejajar (parallel
flow) maupun aliran lawan arah (counter flow), dan profil suhu untuk kedua kasus
itu ditunjukkan pada gambar 2.8. di bawah ini. Perpindahan kalor dalam susunan
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
.
Q = U A ∆Tm
dengan :
U = koefisien perpindahan kalor menyeluruh (W/m2.oC)
A = luas permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U
∆Tm = beda suhu rata-rata yang tepat untuk digunakan dalam penukar kalor
Perpindahan kalor yang sebenarnya (actual) dapat dihitung dari energi
yang dilepaskan oleh fluida panas atau energi yang diterima oleh fluida dingin,
(J.P. Holman, 1998, hal. 498) yaitu :
Untuk aliran sejajar :
q = ( ) ( )
. .
in c out c c c out h in h h
hc T T m c T T
m − = −
Untuk aliran lawan arah :
q = ( ) ( )
. .
out c in c c c out h in h h
hc T T m c T T
m − = −
Perpindahan kalor maksimumnya dapat dinyatakan sebagai :
qmaks = ( )min( ) .
in c in
h T
T c
m −
Fluida minimum boleh yang panas dan boleh pula yang dingin, bergantung
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Gambar 2.8. Perbedaan Jenis Aliran dan Profil Hubungan Temperatur
dalam Sebuah Pipa Ganda Alat Penukar Kalor
∆Tm =
[
]
) (
/ ) (
ln
) (
) (
out C in H in C out H
out C in H in C out H
T T T
T
T T T
T
− −
− −
−
……… (J.P. Holman, 1998, hal. 491)
Persamaan ini dapat digunakan untuk aliran lawan arah. Maka dapat
dikatakan LMTD adalah beda suhu pada satu ujung penukar kalor dikurangi beda
suhu pada ujung yang satu lagi dibagi logaritma alamiah dari perbandingan kedua
suhu tersebut.
Pada proses penguapan evaporasi dan pengembunan (kondensasi) satu
fluida tidak mengalami perubahan suhu, walaupun perpindahan panas telah
berlangsung di antara kedua fluida. Hal ini disebabkan kalor yang diterima dan
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
temperatur tetapi digunakan untuk mengubah fase fluida. Distribusi temperatur
[image:39.595.117.505.148.498.2]evaporasi dapat dilihat pada gambar 2.9. dibawah ini :
Gambar 2.9. Distribusi Temperatur pada Proses Evaporasi
a. Distribusi temperatur aliran sejajar
b. Distribusi temperatur aliran silang
Maka beda suhu rata – rata logaritmik (∆Tm ) adalah :
∆Tm =
[
]
) (
/ ) (
ln
) (
) (
out C out H in C in H
out C out H in C in H
T T
T T
T T
T T
− −
− −
−
……….. (J.P. Holman, 1998, hal 491)
2.5. Turbin Uap
Gas buangan dari gas masuk ke HRSG untuk mengubah air umpan
menjadi uap kering yang akan digunakan untuk memutar sudu – sudu turbin uap
hingga dapat memutar beban dalam hal ini generator listrik. Beberapa parameter
rancangan yang penting berkaitan dengan turbin uap adalah tekanan uap masuk
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
ukuran sudu – sudu turbin akan menjadi lebih kecil, namun tekanan yang terlalu
tinggi juga dapat menyebabkan efisiensi akan menurun. Parameter lain yang
penting dari turbin uap adalah tekanan kondensor, dalam hal ini turbin uap dan
kondensor akan disesuaikan dengan HRSGnya.
HRSG yang menggunakan tekanan uap 2 (dua) tingkat, turbin uap yang
digunakan juga dapat dibuat bertingkat yaitu turbin uap tekanan tinggi dan turbin
uap tekanan rendah. Uap yang keluar dari turbin uap tekanan tinggi, suhu dan
tekanannya dirancang sama seperti uap yang baru dihasilkan dari superheater
tekanan rendah sehingga uap keduanya bertemu dan memutar turbin tekanan
rendah.
CPH
LP
HP
LP eva LP sup
HP eko
HP eva
HP sup
HP LP G
Turbin Gas
Ruang Bakar
G Kompresor
kondensor Turbin Uap
Udara Atmosfer
Bahan Bakar
Tangki Air Umpan
Pompa Air Umpan
HRSG
SIKLUS GAS
[image:40.595.113.505.318.729.2]SIKLUS UAP
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
BAB III
PERHITUNGAN TERMODINAMIKA
HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR
3.1. Spesifikasi Teknis Perancangan
Parameter rancangan mengenai Heat Recovery Steam Generator (HRSG)
pada perencanan ini mengacu pada data hasil survei yang dilakukan di PT. PLN
(Persero) Pembangkitan dan Penyaluran Sumatera Bagian Utara Sektor Belawan.
Adapun spesifikasi data – data yang diperoleh dari hasil survei yang akan
digunakan untuk perencanaan perancangan HRSG adalah :
a. Daya maksimum turbin gas : 130 MW
b. Bahan Bakar : gas alam
c. Temperatur lingkungan : 30 oC
d. Tekanan lingkungan : 1,013 bar
e. Aliran massa gas buang : 565,9 kg/detik
f. Temperatur gas buang (beban dasar) : 576,3 oC
g. Enthalpi gas buang : 608,548 kJ/kg
h. Tekanan gas buang : 1,1143 bar
3.2. Perhitungan Uap
Temperatur uap yang akan dihasilkan harus disesuaikan dengan
temperatur gas buang. Perbedaan temperatur yang terkecil antara 2 (dua) aliran
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
y –1, x – 2 dan y – 2, (gambar 3.1) untuk alasan kontrol keselamatan (P.K. Nag,
2002).
HP superheater
HP evaporator
HP ekonomiser
CPH
(condens. preheater)
LP evaporator LP
superheater T (oC)
Laju Pindahan Panas (MW) x
1
y
1
y x
2
[image:42.595.135.485.134.457.2]2
Gambar 3.1. Profil Diagram Temperatur Gas Buang dan Uap HRSG
Temperatur gas buang yang masuk ke HP superheater diperkirakan akan
mengalami penurunan sebesar 2 % karena adanya kerugian yang terjadi pada
saluran dari saluran keluar gas buang turbin gas ke superheater (P.K. Nag, 2002).
Maka temperatur gas buang masuk superheater dapat diperkirakan yaitu :
T masuk superheater = T gas buang turbin gas x 98 %
= 576,3 oC x 0,98
= 565,7 oC
Sesuai dengan di atas, temperatur uap yang akan dihasilkan HP
superheater dengan pinch point 35 oC adalah :
T uap HP superheater = 565,7 oC – 35 oC
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Dengan memperhitungkan adanya kehilangan panas sepanjang penyaluran
uap dari HRSG hingga masuk ke turbin uap sebesar 2 – 3 % (P.K. Nag, 2002),
maka temperatur uap masuk turbin HP adalah :
T uap masuk turbin HP = 0,98 x 530,7 oC
= 520,08 oC = 520 oC (diambil)
Temperatur uap yang dihasilkan oleh LP superheater yang direncanakan
adalah 200 oC, maka penurunan temperatur uap yang akan masuk ke turbin uap
LP adalah :
T uap masuk turbin LP = 0,98 x 200 oC = 196 oC
CPH
LP
HP
LP eva
LP sup
HP eko
HP eva
HP sup
HP LP G
kondensor Turbin Uap Tangki Air
Umpan
P1
HRSG
Gas Buang
3 2
4
5
5′ 7
1 8
9
530,7 oC
520 oC
196 oC
P = 1,1143 bar h = 596,36 kJ/kg
6
9′ P2
10′
200 oC
[image:43.595.136.482.301.727.2]a b c d e f g
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Turbin uap yang digunakan adalah turbin uap dengan kondensasi, di mana
hasil ekspansi turbin uap akan dikondensasikan pada kondensor. Besarnya
tekanan uap hasil ekspansi masuk kondensor menurut (Frietz Dietzell, 1992)
adalah di bawah tekanan atmosfer, yaitu berkisar pada (0,04 – 0,1 bar). Dalam hal
ini, media pendingin yang akan digunakan adalah air dengan suhu sekitar 30 oC.
Temperatur hasil uap hasil ekspansi turbin masuk kondensor direncanakan di atas
42 oC (dari tabel dengan tekanan 10 kPa, Tsat = 45,81 oC). Parameter yang lain
mengenai turbin uap, yaitu derajat kebasahan yang dapat diterima sehubungan
dengan terjadinya erosi pada sudu, adalah sekitar di atas 17 %, yang artinya
kualitas uap masuk kondensor (keluar turbin) sebesar 83 % (P.K. Nag., 2002).
Dengan mempertimbangkan keamanan sudu turbin, pada perencanaan ini kualitas
uap masuk kondensor diambil 83 %. Dari data di atas :
T masuk turbin HP = 520 oC
P masuk kondensor = 0,1 bar
X (kualitas uap) = 83 %
T = 85 %
Maka dari diagram Mollier diperoleh Pmaks (tekanan masuk turbin HP)
sebesar 68 bar. Dengan mempertimbangkan adanya penurunan tekanan sepanjang
penyaluran uap mulai dari HRSG hingga masuk turbin sekitar 5 % (P.K. Nag,
2002), maka dalam perencanaan ini tekanan uap HP superheater yaitu :
P uap kelua HP superheater = 100 / 95 x 68 bar
= 71,57 bar
Tekanan uap masuk ke turbin uap LP dirancang 6,7 bar, dengan
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
dari HRSG hingga masuk turbin sebesar 5 %, maka dalam perencanaan ini
tekanan uap keluar LP superheater yaitu :
Puap keluar LP superheater = 100 / 95 x 6,7 bar
= 7 bar
Sehingga dalam perancangan ini direncanakan :
1. Temperatur gas masuk HP superheater = 565,7 oC
2. Uap yang dihasilkan HP superheater
a. Temperatur = 530,7 oC
b. Tekanan = 71,57 bar
3. Kondisi uap HP superheater masuk turbin
a. Temperatur = 520 oC
b. Tekanan = 68 bar
4. Uap yang dihasilkan LP superheater
a. Temperatur = 200 oC
b. Tekanan = 7 bar
5. Kondisi uap LP superheater masuk turbin
a. Temperatur = 196 oC
b. Tekanan = 6,7 bar
6. Kondisi uap hasil ekspansi turbin dan keluar kondensor
a. Temperatur = 45,81 oC
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
1 2
3
4 8
9
5
10
S (kJ/kg.K)
T (oC)
7
HP
LP
10' 5' 9'
[image:46.595.139.489.87.498.2]6
Gambar 3.3. Diagram T – S yang Direncanakan
Di bawah ini adalah keadaan di setiap titik proses aliran air dan uap yang
direncanakan di mana parameter temperatur dan enthalpi dapat diperoleh dari
tabel uap atau dapat juga diperoleh dari kalkulator uap di website
Keadaan titik 1 :
P1 = 0,1 bar
h1 = 191,83 kJ/kg
v1 = 0,0010102 m3/kg
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Keadaan titik 2 :
Wpompa = v1 . (P2 – P1)
= 0,0010102 m3/kg . (700 – 10) kPa
= 0,697 kJ/kg
h2 = Wp + h1
= (191,83 + 0,878) kJ/kg
= 192,527 kJ/kg
T2 = 45,86 oC
Keadaan titik 3 :
P3 = 7 bar
h3 = hf = 697,22 kJ/kg
v3 = 0,001108 m3/kg
T3 = 164,9 oC
Keadaan titik 4 :
P4 = 7 bar
h4 = hg = 2763,5 kJ/kg
Keadaan titik 5 :
P5 = 7 bar
T5 = 200 oC
h5 = 2844,224 kJ/kg
Keadaan titik 5′ (kondisi masuk turbin LP) :
T5′ = 196 oC
P5′ = 6,7 bar
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Keadaan titik 6 :
Wpompa = v3 . (P6 – P3)
= 0,001108 m3/kg . (7157 – 700) kPa
= 7,154 kJ/kg
h6 = Wp + h3
= (7,154 + 697,22) kJ/kg
= 704,374 kJ/kg
T6 = 165,79 oC
Keadaan titik 7 :
P7 = 71,57 bar
h7 = hf = 1274,79 kJ/kg
T7 = 287,35 oC
Keadaan titik 8 :
P8 = 71,57 bar
h8 = hg = 2769,88 kJ/kg
Keadaan titik 9 :
T9 = 530,7 oC
P9 = 71,57 bar
h9 = 3554,212 kJ/kg
Keadaan titik 9′ :
P9′ = 68 bar
T9′ = 520 oC
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Keadaan titik 10 (kondisi ideal) :
P10 = 0,1 bar
hf = 191,83 kJ/kg dan hfg = 2392,8 kJ/kg
X (kualitas uap) = 0,83
Maka :
h10 = hf + x . hfg
= (191,83 + (0,83 x 2392,8) kJ/kg
= 2177,854 kJ/kg
Keadaan titik 10′ (kondisi aktual) :
P10′ = 0,1 bar
T = 85 %
T =
10 ' 5
' 10 ' 5
h h
h h
− −
h10′ = h5′ – [ T . (h5′ – h10) ]
= 2836,86 kJ/kg – [ 0,85 . (2836,86 – 2177,854) kJ/kg ]
= 2276,7 kJ/kg
3.3. Kesetimbangan Energi
Laju aliran massa uap dapat diperoleh dari hukum kesetimbangan kalor, di
mana : Quap = Qgas
3.3.1. Kesetimbangan energi pada sistem uap tekanan tinggi (HP)
Quap = Qgas
u
m
.
(h9 – h7) = mg
.
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
a c
9 8
7 HP
eva
HP sup
[image:50.595.220.402.90.251.2]b
Gambar 3.4. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi pada Uap Tekanan Tinggi
Keterangan gambar 3.4. :
a = gas buang masuk HP superheater
c = gas buang melewati HP evaporator
Titik 7 – 8 = Kondisi pada HP evaporator
Titik 8 – 9 = Kondisi pada HP superheater
Kondisi titik c (gas buang melewati HP evaporator) :
Tc = T8 + 35 oC
= 287,35 + 35 oC
= 322,35 oC
hc = 323,86 kJ/kg
h (enthalpi) gas buang diambil dari tabel sifat – sifat udara atau dapat
diperoleh pada kalkulator sifat gas buang di
memasukkan temperatur yang diperoleh dari hasil perencanaan dan massa
kandungan gas buang (dalam %) dari hasil survei yaitu :
N2 = 72,442
O2 = 15,175
CO2 = 5,337
H2O = 5,833
AR = 1,211
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Kondisi titik a (gas buang masuk melewati superheater) :
Ta = 565,7 oC
ha = 596,36 kJ/kg
Maka laju aliran uap tekanan tinggi (HP) dapat diperoleh sebesar :
u m . = ) ( ) ( 7 9 . h h h h m a c
−− = kg kJ kg kJ s kg / ) 79 , 1274 212 , 3554 ( / ) 86 , 323 36 , 596 ( / 9 , 565 − −
= 67,65 kg/s
a. HP superheater
Uap panas lanjut yang dihasilkan HP superheater, yaitu pada tekanan
71,57 bar dan temperatur 530,7 oC. Maka kalor yang diserap pada HP superheater
adalah :
Quap = mu
.
(h9 – h8)
= 67,65 kg/s . (3554,212 – 2769,88) kJ/kg
= 53060,06 kJ/s
= 53060,06 kW
Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah
sebesar 53060,06 kW.
Qgas = mg
.
(hin – hout)
53060,06 kW = 565,9 kg/s . (596,36 kJ/kg – hout)
hout = 502,59 kJ/kg
Tout = 483,36 oC
Maka temperatur gas buang keluar HP superheater adalah 483,36 oC dan
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
b. HP evaporator
Pada tekanan 71,57 bar, dari tabel sifat uap jenuh diperoleh temperatur air
mendidih pada 287,32 oC. Air akan mengalami penguapan pada HP evaporator.
Besarnya kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan air adalah :
Quap = mu
.
(h8 – h7)
= 67,65 kg/s . (2769,88 – 1274,79) kJ/kg
= 101142,83 kW
Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah
sebesar 101142,83 kW.
Qgas = mg
.
(hin – hout)
101142,83 kW = 565,9 kg/s . (502,59 kJ/kg – hout)
hout = 323,86 kJ/kg
Tout = 322,34 oC
Maka temperatur gas buang keluar HP evaporator adalah 322,34 oC dan gas buang
akan masuk ke HP ekonomiser.
c. HP ekonomiser
Air yang masuk ke HP ekonomiser adalah air yang telah dipanaskan dari
pemanas awal kondensat (condensate preheater atau CPH) kemudian dipompakan
hingga tekanan 71,57 bar kemudian dipanaskan di HP ekonomiser hingga suhu
287,35 oC. Jumlah kalor yang dibutuhkan yaitu :
Quap = mu
.
(h7 – h6)
= 67,65 kg/s . (1274,79 – 659,97) kJ/kg
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah
sebesar 41592,573 kW.
Qgas = mg
.
(hin – hout)
41592,573 kW = 565,9 kg/s . (323,86 kJ/kg – hout)
hout = 250,35 kJ/kg
Tout = 254,47 oC
Maka temperatur gas buang keluar HP ekonomiser adalah 254,47 oC dan gas
buang akan masuk ke LP superheater.
3.3.2. Kesetimbangan energi pada sistem uap tekanan rendah (LP)
Quap = Qgas
u
m
.
(h5– h3) = mg
.
(hd – hf)
d f
5 4
3 LP
eva
[image:53.595.150.440.331.578.2]LP sup e
Gambar 3.5. Diagram Analisa Kesetimbangan Energi pada Uap Tekanan Rendah
Keterangan gambar 3.4. :
d = gas buang masuk melewati LP superheater
f = gas buang melewati LP evaporator
Titik 3 – 4 = Kondisi pada LP evaporator
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Kondisi titik f (gas buang melewati LP evaporator) dengan pinch point
yang diambil adalah 16,5 oC :
Tf = T3 + 16,5 oC
= 164,9 + 16,5 oC
= 181,4 oC
hf = 172,42 kJ/kg
Kondisi titik d (gas buang masuk LP superheater) :
Td = 254,47 oC
hd = 250,35 kJ/kg
Maka laju aliran uap tekanan rendah (LP) dapat diperoleh sebesar :
u m . = ) ( ) ( 3 5 . h h h h
m d f
− − = kg kJ kg kJ s kg / ) 22 , 697 24 , 2844 ( / ) 42 , 172 35 , 250 ( / 9 , 565 − −
= 20,54 kg/s
a. LP superheater
Uap panas lanjut yang dihasilkan LP superheater, yaitu pada tekanan 7 bar
dan temperatur 200 oC. Maka kalor yang diserap pada LP superheater adalah :
Quap = mu
.
(h5 – h4)
= 20,54 kg/s . (2844,224 – 2763,5) kJ/kg
= 1658,07 kW
Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
Qgas = mg
.
(hin – hout)
1658,07 kW = 565,9 kg/s . (250,35 kJ/kg – hout)
hout = 247,95 kJ/kg
Tout = 252,24 oC
Maka temperatur gas buang keluar LP superheater adalah 252,24 oC dan gas
buang akan masuk ke LP evaporator.
b. LP evaporator
Pada tekanan 7 bar, dari tabel sifat uap jenuh diperoleh temperatur air
mendidih pada 164,9 oC. Air akan mengalami penguapan pada LP evaporator.
Besarnya kalor yang dibutuhkan untuk menguapkan air adalah :
Quap = mu
.
(h4 – h3)
= 20,54 kg/s . (2763,5 – 697,22) kJ/kg
= 42441,39 kW
Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah
sebesar 42441,39 kW.
Qgas = mg
.
(hin – hout)
42441,39 kW = 565,9 kg/s . (247,95 kJ/kg – hout)
hout = 172,43 kJ/kg
Tout = 181,4 oC
Maka temperatur gas buang keluar LP evaporator adalah 181,4 oC dan gas buang
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
c. Condensate Preheater (CPH)
Air yang masuk ke Condensate Preheater (CPH) adalah uap air buangan
turbin uap yang telah dikondensasikan di kondensor kemudian air tersebut
dipompakan hingga tekanan 7 bar kemudian dipanaskan di CPH hingga suhu
164,9 oC. Jumlah kalor yang dibutuhkan yaitu :
Quap = mu
.
(h3 – h2)
= (67,65 + 20,54) kg/s x (697,22 – 192,527) kJ/kg
= 44508,875 kW
Dengan demikian jumlah kalor yang harus disediakan gas buang (Qgas) adalah
sebesar 41077 kW.
Qgas = mg
.
(hin – hout)
44508,875 kW = 565,9 kg/s . (172,43 kJ/kg – hout)
hout = 93,778 kJ/kg
Tout = 107 oC
Maka temperatur gas buang keluar CPH adalah 107 oC dan gas buang akan
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
1 2
3
4 8
9
5
10
S (kJ/kg.K) T (oC)
7
HP
LP
6
a
b c
d e f
[image:57.595.142.502.80.498.2]g
Gambar 3.6. Diagram Kesetimbangan Energi Uap dan Gas Buang
3.4. Spesifikasi HRSG yang Direncanakan
Dari perhitungan dan beberapa penentuan yang menjadi parameter
pertimbangan dalam rancangan HRSG ini, maka spesifikasi rancangannya yaitu :
1. Sumber panas HRSG adalah gas buang dari 1 (satu) unit turbin gas, yaitu :
- temperatur gas buang masuk HRSG : 565,7 oC
- laju aliran massa gas buang masuk HRSG : 565,9 kg/s
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
3. Uap yang dihasilkan HRSG dirancang dengan menggunakan tekanan uap
2 (dua) tingkat (HP dan LP), yaitu :
Uap HP :
temperatur : 530,7 oC
tekanan : 71,57 bar
laju aliran : 67,65 kg/s
Uap LP :
temperatur : 200 oC
tekanan : 7 bar
laju aliran : 20,54 kg/s
4. Temperatur gas buang masuk ke tiap titik komponen HRSG :
HP superheater : 565,7 oC
HP evaporator : 483,36 oC
HP ekonomiser : 322,24 oC
LP superheater : 254,47 oC
LP evaporator : 252,24 oC
Condensate Preheater (CPH) : 181,4 oC
Cerobong : 107 oC
3.5. Daya yang Dibangkitkan Turbin Uap
Berdasarkan uap yang dihasilkan HRSG, maka daya yang dihasilkan
turbin uap (aktual) adalah :
PT HP = T . mu
.
. (h9′ – h5′)
= 0,85 x 67,65 kg/s x (3460,744 – 2836,86) kJ/kg
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
PT LP = T . mu
.
. (h5′ – h10′)
= 0,85 x (67,65 + 20,54) kg/s x (2836,86 – 2276,7) kJ/kg
= 41990,433 kW
PT total = PT HP + PT LP
= (35874,889 + 41990,433) kW
= 77865 kW = 77 MW
Maka daya total yang dibangkitkan HRSG (HP + LP) adalah sebesar 77 MW.
3.6. Efisiensi HRSG
Effisiensi HRSG dihitung dengan persamaan :
HRSG = 100%
dim
x masuk
panas
anfaatkan yang
panas
Panas yang dimanfaatkan = QHPSuperheater + QHPEvaporator + QHPEkonomiser +
QLP Superheater + QLPEvaporator + QCPH
= (53060,06 + 101142,83 + 41592,573 + 1658,07
+ 42441,39 +44508,875) kW
= 284403,798 kW
Panas masuk = m .g hg
.
= 565,9 kg/s x 608,548 kJ/kg
= 344377,313 kW
Sehingga diperoleh :
344377,313 284403,798
=
HRSG
η x 100 %
= 0,8258
= 82,58 %
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
CPH
LP
HP
LP eva
LP sup
HP eko
HP eva
HP sup
HP LP
G
kondensor Turbin Uap Tangki Air
Umpan
Gas Buang
T = 530,7
oC
P = 71,57 bar
T = 520
oC
254,47
oC
T = 196
oC
565,7
oC
P = 1,1143 bar
h = 596,36 kJ/kg
322,34
oC
483,36
oC
252,24
oC
181,4
oC
107
oC
T = 200
oC,
P = 6,7 bar
[image:60.595.131.502.81.690.2]P = 68 bar
P = 7 bar
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
BAB IV
UKURAN – UKURAN KOMPONEN UTAMA
HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR
4.1. Parameter Perhitungan Pipa HP Superheater
HP superheater adalah pipa – pipa pemanas yang berfungsi untuk
memanaskan uap yang berasal dari drum uap HP menjadi uap panas lanjut. HP
superheater ini terletak pada bagian bawah sekali dari susunan komponen alat
penukar kalor yang ada pada HRSG.
Sistem perpindahan panasnya adalah sistem konveksi berlawanan arah, di
mana uap mengalir dari atas ke bawah sementara gas buang mengalir dari bawah
ke atas. Pada sistem perpindahan panas konveksi berlawanan arah, luas
perpindahan panas yang dibutuhkan akan lebih kecil bila dibandingkan dengan
sistem konveksi satu arah, karena untuk kondisi kapasitas dan temperatur yang
sama besarnya, harga beda suhu rata – rata logaritma (LMTD) pada sistem
konveksi berlawanan arah adalah lebih kecil dari pada konveksi searah.
Besarnya luas permukaan perpindahan panas yang dibutuhkan diperoleh
dari persamaan berikut :
A =
) (
. LMTD
U Q
……… (J.P. Holman, 1998, hal. 490)
dengan :
A = luas permukaan perpindahan kalor yang sesuai dengan definisi U (m2)
Q = besarnya perpindahan kalor (J/s)
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
LMTD = beda suhu rata-rata logaritma (oC)
Besarnya harga LMTD sistem perpindahan panas pada HP superheater ini
adalah seperti ditunjukkan pada gambar berikut :
483,36
287,35 565,7
530,7 ToC
Tg A Tg B
T9
T8
[image:62.595.157.468.179.396.2]L (m)
Gambar 4.1. Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada HP Superheater
Di mana sebelumnya telah diperoleh :
T9 = temperatur uap masuk HP superheater = 287,35 oC
T10 = temperatur uap keluar HP superheater = 530,7 oC
TgA = temperatur gas buang masuk HP superheater = 565,7 oC
TgB = temperatur gas buang keluar HP superheater = 483,36 oC
Maka :
LMTD =
min max
min max
ln
T T
T T
∆ ∆−∆
∆ ………. (F.P. Incropera, 1981, hal. 510)
∆T1 = TgB – T8
= 483,36 oC – 287,35 oC
Rahmad Sugiharto : Perancangan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Dengan Sistem Tekanan Uap Dua Tingkat Kapasitas Daya Pembangkitan 77 MW, 2010.
∆T2 = TgA – T9
= 565,7 oC – 530,7 oC
= 35 oC
∆T1 sebagai ∆Tmax dan Maka ∆T2 sebagai ∆Tmin.
Maka diperoleh harga LMTD :
LMTD =
C 35
C 01 , 196 ln
C 35 C 01 , 196
0 0
0 0 −
= 93,45 oC
Besarnya harga koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) dapat
dihitung dengan menggunakan persamaan berikut :
U
1 =
h c
A A h1
1
+Ah . RW +
0 0.
1
h
η ………… (F.P. Incropera, 1981, hal. 505)
dimana :
hi = Koefisien konveksi dalam pipa (W/m2.oC)
Ac / Ah = Perbandingan luas pipa bagian dalam dengan luas pipa yang
menyerap kalor
Ah . RW = Tahanan konduksi pipa HP superheater (m2.oC/W)
ho = Koefisien konveksi gas buang (W/m2.oC)
o = Efektivitas sirip bagian luar
4.1.1. Pemilihan Pipa HP Superheater
Pipa HP superheater dalam hal ini direncanakan menggunakan pipa baja