SKRIPSI
PERANCANGAN HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR ( HRSG ) YANG MEMANFAATKAN GAS BUANG TURBIN GAS DI PLTGU PT. PLN ( PERSERO ) PEMBANGKITAN DAN PENYALURAN SUMATERA
BAGIAN UTARA SEKTOR BELAWAN
Skipsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi
Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
DISUSUN OLEH:
SAHALA HADI PUTRA SILABAN NIM. 100421007
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN EKSTENSI DEPARTEMEN TEKNIK MESIN
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
ABSTRAK
Dalam berkembangnya IPTEK saat ini, kebutuhan manusia akan energi semakin meningkat, sementara persediaan akan energi yang ada hanya terbatas. Dalam hal ini alternatif lain yang ditempuh yaitu merancang mesin yang efisien guna meningkatkan kebutuhan akan energi. Atas dasar ini penulis merancang HRSG yang memanfaatkan gas buang turbin gas di PLTG PT. PLN ( persero ) pembangkitan dan peyaluran sumatera bagian utara sektor belawan. HRSG (Heat Recovery Steam Generator) adalah ketel uap atau boiler yang memanfaatkan energi panas sisa gas buang satu unit turbin gas untuk memanaskan air dan mengubahnya menjadi uap, dan kemudian uap tersebut dipergunakan untuk menggerakkan turbin uap. Pada umumnya HRSG tidak dilengkapi pembakar (burner) dan tidak mengkonsumsi bahan bakar, sehingga tidak terjadi proses
perpindahan/penyerapan panas radiasi. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini
dapat mengetahui performansi dari HRSG secara teoritis dan menentukan masing – masing komponen tersebut.
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur, penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan anugerah kesehatan dan kesempatan karena atas anugerah-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini yang merupakan syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik di Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.
Adapun judul tugas sarjana ini yaitu, “Perancangan Heat Recovery Steam
Generator ( HRSG ) Yang Memanfaatkan Gas Buang Turbin Gas Di PLTG PT.
PLN ( Persero) Pembangkitan Dan Penyaluran Sumatera Bagian Utara Sektor
Belawan”.
Dalam menyelesaikan tugas sarjana ini, penulis banyak mendapatkan bimbingan dan motivasi dari berbagai pihak, khususnya dari Bapak Ir. Tekad Sitepu dimana beliau selaku dosen pembimbing dalam tugas sarjana ini dan teman – teman mahasiswa di Fakultas Teknik Mesin USU.
Pada kesempatan ini, penulis tidak lupa mengucapkan banyak terima kasih kepada :
1. Kedua Orang tua tercinta, Ayahanda Selamat Silaban dan Ibunda Sinur
Simatupang yang selalu memberikan banyak dukungan dan doa kepada penulis.
2. Bapak Ir. Tekad Sitepu, selaku dosen pembimbing yang telah meluangkan
waktu dan memberikan pengetahuan dalam pengerjaan tugas sarjana ini sampai selesai kepada penulis.
3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri sebagai Ketua Departemen Teknik
Mesin FT – USU.
4. Bapak/Ibu dosen Departemen Teknik Mesin yang selama ini medidik
penulis selama menjadi mahasiswa.
5. Bapak/Ibu staf pegawai Departemen Teknik Mesin.
6. Rekan – rekan mahasiswa Ekstensi Teknik Mesin 2010, yang telah
Penulis menyadari banyak kekurangan dalam penyelesaian tugas sarjana ini. Oleh karena itu penulis memohon maaf yang sebesar – besarnya dan mengucapkan terima kasih atas saran dan kritik yang bertujuan untuk membangun dalam perbaikan tugas sarjana ini selanjutnya. Semoga dalam penulisan tugas sarjana ini dapat memberikan manfaat.
Medan, Juni 2013 Hormat Penulis,
DAFTAR ISI
ABSTRAK……….i
KATA PENGANTAR………..ii
DAFTAR ISI……… …....iii
DAFTAR NOTASI……….. …....vii
DAFTAR GAMBAR……… …....xi
BAB I : PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang………....1
1.2. Batasan Masalah……….1
1.3. Tujuan Penulisan………. ...2
1.4. Metode Penulisan………2
1.5 Sistematika Penulisan………...2
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pengertian HRSG……… ……4
2.2. Bagian – Bagian Utama HRSG………...5
2.3. Siklus Gabungan……….7
2.4. Siklus Turbin Gas………...9
2.5. Neraca Kalor………...11
2.6. Proses Pembentukan Uap……… ...12
3.1. Spesifikasi Teknis Perancangan……….. …16
3.2. Perhitungan Uap……….…….…16
3.3. Kesetimbangan Energi………... …21
3.3.1. Superheater……….. ....22
3.3.2. Evaporator………....……....22
3.3.3. Ekonomiser………...23
3.3.4. Kondensat Preheater……….23
3.4. Spesifikasi HRSG Yang Direncanakan………...………..24
3.5. Daya Yang Dihasilkan Turbin……….…………..24
BAB IV : PERHITUNGAN KOMPONEN – KOMPONEN UTAMA HRSG 4.1. Perhitungan Untuk Pipa Superheater……….26
4.1.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam ( hi )... ….29
4.1.2. Koefisien Perpindahan Panas Bagian luar ( ho )... ...30
4.1.3. Pemilihan Pipa Superheater………. ….36
4.1.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh…………... ….39
4.1.5. Luas Bidang Pindahan Panas………... ….39
4.2. Perhitungan Untuk Pipa Evaporator………...40
4.2.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam ( hi )... ….42
4.2.2. Koefisien Perpindahan Panas Bagian luar ( ho )... ….43
4.2.3. Pemilihan Pipa Evaporator………... ….48
4.3. Perhitungan Untuk Pipa Ekonomiser………... ...52
4.3.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam ( hi )...54
4.3.2. Koefisien Perpindahan Panas Bagian luar ( ho )... ...55
4.3.3. Pemilihan Pipa Ekonomiser………... ...60
4.3.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh………... ...63
4.3.5. Luas Bidang Pindahan Panas………...63
4.4. Perhitungan Untuk Pipa Preheater……….. ...64
4.4.1. Koefisien Perpindahan Panas Bagian Dalam ( hi )....66
4.4.2. Koefisien Perpindahan Panas Bagian luar ( ho )... …67
4.4.3. Pemilihan Pipa Preheater……….71
4.4.4. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh………..74
4.4.5. Luas Bidang Pindahan Panas………...75
4.5. Effisiensi HRSG………..76
BAB V: KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan………..77
5.2 Saran………...79
DAFTAR PUSTAKA………. ….81
DAFTAR NOTASI
hi Koefisien konveksi bagian dalam pipa W/m °C
ho Koefisien konveksi bagian luar pipa W/m °C
k Konduktivitas thermal W/m °C
l f Jarak dua buah pipa m
LMTD Beda suhu rata – rata logaritma °C
𝑚𝑚𝑔𝑔̇ Laju aliran massa gas buang kg/s
𝑚𝑚𝑢𝑢̇ Laju aliran massa uap kg/s
n Jumlah pipa dalam saru baris
N Jumlah lintasan
Nf Jumlah sirip
Nu Bilanagan nusselt
P Tekanan Bar
Pnet Daya netto turbin kW
Pr Bilangan prandel
PT Daya turbin kW
Q Besar perpindahan kalor J/s
QEko Kalor yang dihasilkan ekonomiser kW
QEva Kalor yang dihasilkan evaporator kW
QSh Kalor yang dihasilkan superheater kW
SL Jarak longitudinal dua buah pipa m
ST Jarak tranversal dua buah pipa m
t tebal pipa m ( in )
T Temperatur °C
Ta Temperatur gas buang masuk evaporator °C
Tb Temperatur gas buang masuk superheater °C
Tg Temperatur gas buang °C
ηT Efisiensi turbin %
μ Viskositas dinamik fluida kg/m.s
ρ Massa jenis fluida kg/ m3
δ Tebal sirip m
DAFTAR GAMBAR
Gambar Nama Gambar Halaman
2.1 Pusatlistrik tenaga uap dan gas 4
2.2 Diagram PLTGU dengan HRSG single pressure 7
2.3 Pembangkit daya siklus gabungan 8
2.4 Siklus turbin gas terbuka 9
2.5 Diagram T-s 10
2.6 Diagram P-v 10
2.7 Distribusi temperatur pada alat penukar kalor 13
2.8 Distribusi tempertaur pada proses evaporasi 14
2.9 Faktor koreksi untuk alat penukar kalor shell and tube 15
3.1 Profil diagram temperatur gas buang dan uap 17
3.2 Diagram T-s yang direncanakan 19
3.3 Diagram analisa kesetimbangan energi 21
3.4 Siklus gabungan yang direncanakan 25
4.1 Sketsa aliran uap dan gas buang pada superheater 26
4.2 Sketsa rancangan pipa – pipa superheater 28
4.3 Susunan pipa selang – seling 30
4.4 Penampang pipa bersirip 33
4.7 Sketsa aliran uap dan gas buang pada evaporator 40
4.8 Sketsa rancangan pipa – pipa evaporator 42
4.9 Susunan pipa selang – seling 44
4.10 Profil luas penampang area evaporator 47
4.11 Grafik efisiensi sirip 49
4.12 Sketsa aliran uap dan gas buang pada ekonomiser 53
4.13 Susunan pipa selang – seling 56
4.14 Grafik efisiensi sirip 61
4.15 Sketsa aliran uap dan gas buang pada preheater 64
4.16 Susunan pipa selang – seling 67
4.17 Grafik efisiensi sirip 72
