1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Dalam tugas akhir ini akan dilakukan perancangan bejana tekan vertikal dan simulasi pembebanan eksentrik pada nozzle dengan studi kasus pada separator kluster 4 Fluid Collection and Reinjection System (FCRS), unit Karaha PT. Pertamina Geothermal Energy (PGE). Bejana tekan atau pressure vessel menurut ASME VIII Divisi I adalah sebuah wadah berisi zat yang menderita tekanan internal maupun eksternal. Bagian-bagian utama bejana tekan diantaranya adalah shell, head, dan support.
Shell adalah bagian dari bejana tekan yang berfungsi sebagai tempat menampung fluida baik gas maupun cair. Shell mempunyai beberapa bentuk, pemilihan bentuk mempertimbangan teknis, fungsional, dan ekonomis. Shell pada umumnya berbentuk silindris dan bola. Untuk tekanan yang sama, bentuk bola memerlukan tebal plat yang lebih tipis daripada bentuk silindris, tetapi lebih mahal dan rumit dalam proses pembuatannya. Bejana tekan silindris dibedakan menjadi bejana tekan vertikal dan horisontal. Bejana tekan vertikal mempunyai keuntungan membutuhkan tempat lebih sempit daripada horisontal, tetapi beban angin dan gempa harus dipertimbangkan.
Head adalah bagian dari ujung shell yang berfungsi sebagai penutup. Jenis head berdasarkan bentuk antara lain adalah hemispherical, ellipsoidal, torispherical, conical, dan flat. Seperti halnya dengan shell, pemilihan bentuk head meliputi pertimbangan teknis, fungsional, dan ekonomis. Bentuk hemispherical setengah bola lebih kuat tetapi pembuatannya rumit dan mahal.
Support adalah bagian dari bejana tekan yang berfungsi sebagai penyangga atau tumpuan bejana tekan. Jenis support biasanya berupa saddle, lug, dan skirt. Bejana tekan horisontal biasanya menggunakan tumpuan saddle. Bejana tekan
2 vertikal yang pendek biasanya ditumpu oleh lug support atau leg support dan yang tinggi ditumpu oleh skirt.
Bejana tekan harus dirancang untuk dapat menahan beban baik oleh bejana tekan itu sendiri, beban angin dan beban gempa sampai batas-batas optimum. Hal ini dikarenakan faktor kondisi operasi dan lingkungan berpengaruh dalam perancangan sebuah bejana tekan.
Bejana tekan merupakan salah satu peralatan utama dari proses yang digunakan untuk menangani material dalam jumlah yang banyak, dengan beragam konstruksi tergantung pada karakteristik material (fisik maupun kimia). Bejana tekan dipakai dalam berbagai industri, misalnya industri petrokimia, minyak, gas, dan geothermal.
1.1.1. Latar belakang penulisan
Indonesia sedang mengalami tuntutan yang pesat di berbagai segmen dalam sektor energi selama beberapa tahun terakhir. Data kelistrikan di Indonesia menunjukkan bahwa permintaan energi listrik masyarakat meningkat dari waktu ke waktu. Peningkatan tersebut disebabkan oleh beberapa faktor terutama peningkatan konsumsi energi masyarakat dan perubahan pola pemakaian energi masyarakat yang menyebabkan adanya pengalihan energi dari bentuk non listrik menjadi energi listrik.
Menurut SKK Migas, rasio cadangan produksi minyak Indonesia tahun 2013 tinggal 11 tahun, jumlah cadangan minyak bumi Indonesia sebesar 3,6 miliar barrel atau hanya 0,2% dari total cadangan minyak di dunia, sementara cadangan gas Indonesia sebesar 104,25 triliun kaki kubik atau hanya sekitar 1,7% dari total cadangan gas dunia. Untuk dapat menambah jumlah cadangan minyak dan gas di Indonesia dibutuhkan eksplorasi dan untuk eksplorasi dibutuhkan investasi dalam jumlah besar.
Peningkatan permintaan energi dan mengecilnya cadangan energi fosil ini menuntut pemerintah menghadapi banyak kendala mulai dari investasi sampai kendala ketersediaan dan mahalnya bahan bakar untuk pembangkit. Untuk
3 mengatasi masalah mahalnya bahan bakar perlu diusahakan usaha pemanfaatan sumber energi terbarukan. Salah satu energi yang bisa dimanfaatkan adalah geothermal. Energi panas bumi memberikan solusi alternatif dari sumber energi saat ini. Potensi energi panas bumi di Indonesia mencakup 40% potensi panas bumi dunia, tersebar di 251 lokasi pada 26 propinsi dengan total potensi energi 27.140 MW atau setara 219 milyar ekuivalen barrel minyak. Kapasitas terpasang saat ini 1.194 atau 4% dari seluruh potensi yang ada.
Energi panas bumi merupakan salah satu energi yang dapat diperbarui dan ramah terhadap lingkungan, yang biasanya terdapat pada daerah yang terletak di kawasan jalur vulkanis. Energi ini dapat dimanfaatkan sebagai pembangkit listrik, yang lebih dikenal dengan istilah Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Sifat panas bumi sebagai energi terbarukan menjamin kelangsungan operasional pembangkitan, karena fluida panas yang digunakan sebagai penggerak turbin akan selalu tersedia.
Pembangkitan energi listrik ini memanfaatkan uap yang terkandung di dalam perut bumi, yang terjadi akibat pemanasan air yang ada di dalamnya oleh lapisan magma dari dalam perut bumi. Uap panas ini berupa fluida dua fasa, dimana fluida ini merupakan fluida yang terdiri dari fase cair dan fase gas. Uap panas ini akan diambil dari perut bumi melalui sumur produksi (well production). Untuk memanfaatkan energi panas bumi, sumur-sumur produksi dieksplorasi sampai ke sumber panas yang berada di dalam kerak bumi (reservoir panas bumi). Pada saat reservoir panas bumi dimanfaatkan, air dan uap panas tersebut akan dialirkan melalui pipa reservoir menuju separator. Air dan uap panas ini dapat naik ke permukaan bumi karena perbedaan tekanan didalam perut bumi dengan di permukaan bumi. Di dalam separator, uap panas akan dipisahkan dengan air yang terkandung di dalamnya. Uap akan dipisahkan dan digunakan untuk menggerakkan turbin uap panas bumi.
PT. Pertamina Geothermal Energy (PGE) akan membangun Fluid Collection and Reinjection System (FCRS) dan Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) Unit-5 yang terletak di Area Karaha, Jawa Barat. Pekerjaan ini merupakan “EPCC Total Proyek Panas Bumi Karaha 1x30 MW”. Fluid
4 Collection and Reinjection System (FCRS) akan mengirimkan uap ke pembangkit listrik geothermal 1 x 30 MW. Uap yang akan dimanfaatkan berasal dari produksi uap sumur dari kluster 4 dan 5 di area Karaha. Detail lokasi Fluid Collection and Reinjection System (FCRS) dapat dilihat pada gambar 1.1.
Gambar 1.1. Detail lokasi Fluid Collection and Reinjection System (FCRS)
Fluid Collection and Reinjection System (FCRS) akan terdiri dari dua sumur produksi di kluster 4 (KRH 4-1 dan KRH 4-3) dan dua sumur produksi di kluster 5 (KRH 5-1 and KRH 5-2) serta satu sumur injeksi (KRH 2-1). Terdapat satu separator di setiap kluster (PV-501 dan PV-401), separator disini adalah bejana tekan vertikal. Tekanan uap dan brine di separator akan dikendalikan secara otomatis. Dari setiap sumur produksi, fluida dua fasa akan mengalir ke separator yang akan memisahkan fase uap dan fase cair (brine). Proses operasi
5 pada Fluid Collection and Reinjection System (FCRS) dapat dilihat pada gambar process flow diagram sebagai berikut.
Gambar 1.2. Process and Flow Diagram (PFD) Fluid Collection and Reinjection System (FCRS)
Dalam operasi normal, fluida dua fase dari sumur produksi akan mengalir ke separator yang akan memisahkan fase uap dan fase cair. Uap dari kluster separator akan mengalir ke scrubber, yang akan berlokasi di daerah pembangkit listrik. Di scrubber, kondensat yang masih terbawa uap dipisahkan sehingga kualitas uap memenuhi persyaratan turbin uap. Brine dari separator akan disuntikkan bersama dengan kondensat dari pembangkit tenaga listrik ke sumur reinjeksi KRH 2-1.
Dalam kondisi darurat, brine dari masing-masing separator akan mengalir ke silincer dan selanjutnya dikirim ke kolam pendingin untuk mengurangi suhu brine oleh konveksi alami. Brine dari kolam pendingin akan mengalir ke kolam penampung. Setiap kluster akan memiliki satu kolam pendingin dan kolam penampung. Brine di kolam KRH kluster 5 akan dipompa ke kolam KRH kluster 4. Selanjutnya, brine dari kolam penampung KRH kluster 4 akan dipompa ke reinjeksi KRH 2-1.
6 Terdapat tiga jenis bejana tekan pada Fluid Collection and Reinjection System (FCRS) yaitu separator, scrubber, dan silincer. Scrubber dirancang untuk mengurangi air dari uap keluar separator. Scrubber dirancang untuk memisahkan semua uap dari separator di kedua kluster. Uap dari separator di setiap kluster (PV-501 dan PV-401) mengalir ke scrubber. Uap akan dipisahkan dari kondensat di scrubber. Uap kemudian akan mengalir ke turbin uap. Brine akan mengalir ke silencer GPP.
Silencer dapat digunakan untuk menurunkan tingkat kebisingan dan flash cairan dari sumur dan brine dari separator. Sistem geothermal terdiri dari dua fase cairan, yaitu uap (steam) dan cair (brine) dalam tekanan dan suhu tinggi maka menyebabkan tingkat kebisingan yang tinggi. Aliran fluida akan dialirkan pada unit silencer untuk mengurangi tingkat kebisingan dan flash fluida sampai mencapai tekanan atmosfer. Brine yang keluar dari silencer sudah pada tekanan atmosfer dan suhu air jenuh pada tekanan ini. Kemudian brine akan mengalir ke dalam kolam pendingin di dekatnya untuk pendinginan lebih lanjut.
Separator, scrubber, dan silincer didesain dan ditempatkan dengan tepat sehingga memungkinkan interkoneksi sempurna dengan pipa dan peralatan lainnya di kluster. Desain harus menggabungkan semua fitur yang dibutuhkan untuk interkoneksi.
Dalam penelitian ini bejana tekan yang akan dirancang adalah separator di kluster 4. Separator memiliki beberapa nozzle yaitu: nozzle inlet, nozzle outlet, manhole, indikator tekanan, pressure safety valve, pressure transmitter, indikator temperatur, indikator level dan drain.
Fluida mengalir dari sumur produksi ke separator dengan temperatur dan tekanan tinggi. Separator akan menderita beban tekanan internal dari fluida yang bekerja sehingga akan menimbulkan tegangan pada dinding bejana tekan. Temperatur juga akan mempengaruhi kekuatan material sehingga diperlukan pemilihan material dan perhitungan ketebalan agar mampu menahan tegangan yang diderita. Bejana tekan harus dirancang untuk kondisi yang paling buruk terhadap bejana tekan seperti yang diperkirakan akan terjadi selama operasional normal. Kondisi lingkungan juga akan mempengaruhi separator seperti
7 temperatur lingkungan, tekanan lingkungan, kecepatan angin, jenis tanah, wilayah kegempaan, curah hujan, dan kelembaban. Kecepatan angin dan gempa, akan menyebabkan tegangan dan momen pada bejana tekan. Sehingga dalam perancangan bejana tekan diperlukan konsiderasi terhadap kondisi desain dan pembebanan akibat gaya-gaya luar yang menyebabkan tegangan seperti beban angin dan gempa.
Separator harus dirancang untuk dapat menahan beban separator itu sendiri, beban operasi, beban angin, beban gempa, maupun beban akibat sistem perpipaan sampai batas-batas optimum. Diperlukan perancangan bejana tekan sesuai dengan kondisi operasi agar separator aman dan biaya dapat diperkirakan. Perancangan bejana tekan meliputi juga nozzle, flange, support, lifting lugs, dan komponen lainnya.
1.2. Rumusan Masalah
Separator sangat penting dalam sistem lapangan geothermal untuk memisahkan uap dan brine. Sebuah separator bejana tekan vertikal akan mengalami pembebanan internal dan eksternal sehingga menyebabkan tegangan pada komponen-komponennya.
Dalam tugas akhir ini akan membahas masalah perancang bejana tekan vertikal yang digunakan sebagai separator yang meliputi perhitungan pembebanan dan penentuan ukuran-ukuran komponen utama sehingga dapat diketahui kebutuhan material minimum, tekanan maksimum yang diijinkan, berat bejana tekan, dan tegangan yang terjadi. Perancangan bejana tekan meliputi perancangan pressurized dan non pressurized part. Perancangan pressurized part meliputi perancangan shell, head, dan nozzle. Non pressurized part terdiri dari perancangan skirt dan lifting lug.
Bejana tekan vertikal terhubung dengan perpipaan pada nozzle inlet dan outlet. Perpipaan yang menempel pada bejana tekan bagian luar dapat mengakibatkan tegangan pada nozzle sehingga perlu dilakukan simulasi pembebanan eksentrik pada nozzle untuk mengetahui kekuatan nozzle. Analisis
8 kekuatan nozzle berdasarkan standar WRC 107 (Welding Research Council bulletin 107). Dalam membangun sebuah separator diperlukan perhitungan yang matang untuk memperoleh sebuah sistem yang aman dan efisien terutama jika dilihat dari sudut pandang keteknikan dan ekonomi.
1.3. Batasan Masalah
Batasan masalah pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Perancangan bejana tekan berdasarkan code ASME VIII divisi 1.
2. Simulasi pembebanan eksentrik pada nozzle berdasarkan code WRC 107.
1.4. Tujuan
Tujuan perancangan ini adalah :
1. Melakukan perancangan bejana tekan vertikal separator pada lapangan geothermal, Fluid Collection and Reinjection System (FCRS) yang terletak di area Karaha.
2. Melakukan simulasi pembebanan eksentrik pada nozzle.
1.5. Manfaat
Manfaat dari perancangan ini adalah :
1. Memberikan rekomendasi kepada PT. Pertamina Geothermal Energy (PGE) dalam perancangan bejana tekan separator pada Fluid Collection and Reinjection System (FCRS) yang terletak di area Karaha.
2. Mengetahui pengaruh pembebanan eksentrik pada nozzle.
3. Memperluas khasanah ilmu pengetahuan yang bermanfaat bagi perkembangan teknologi dan industri di Indonesia.
