i
ANALISIS LAJU KERUSAKAN EXERGY DAN EFISIENSI
EXERGY MESIN PLTGU PT. INDONESIA POWER UNIT
PEMBANGKITAN SEMARANG
SKRIPSI
Untuk memenuhi persyaratan
Mencapai derajat Sarjana S-1 Teknik Mesin
diajukan oleh
AGUSTIAN PRATAMAHENDRA ISMANTORO
NIM : 125214099
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
UNIVERSITAS SANATA DHARMA
YOGYAKARTA
2016
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ii
ANALYSIS OF EXERGY DESTRUCTION RATE AND
EXERGY EFFICIENCY OF COMBINED CYCLE POWER
PLANT PT. INDONESIA POWER UNIT PEMBANGKITAN
SEMARANG
FINAL PROJECT
A requirement to obtain Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering
presented by
AGUSTIAN PRATAMAHENDRA ISMANTORO
NIM : 125214099
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY
SANATA DHARMA UNIVERSITY
YOGYAKARTA
2016
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
vi ABSTRAK
Parameter lingkungan dapat mempengaruhi performa kerja suatu mesin kalor. Analisis exergy merupakan sebuah metode analisis yang mengikut sertakan parameter lingkungan sebagai hitungan. Analisis exergy dapat menjabarkan seberapa besar laju kerusakan exergy dan seberapa besar efisiensi exergy pada mesin pembangkit listrik tersebut. Penelitian pada mesin PLTGU PT.
INDONESIA POWER UNIT PEMBANGKITAN SEMARANG akan
menganalisis pengaruh temperatur lingkungan antara 25oC hingga 35oC terhadap performa kerja mesin.
Nilai laju kerusakan exergy dihitung dari perbedaan nilai laju exergy input dan nilai laju exergy output sistem. Nilai laju exergy diperoleh dari pengukuran tekanan dan temperatur sistem serta temperatur dan tekanan lingkungan. Nilai efisiensi exergy diperoleh dari perbandingan antara nilai laju exergy output terhadap nilai laju exergy input. Efisiensi exergy sistem diperoleh dari perhitungan exergy pada kompresor, combustion chamber, turbin gas, HRSG, HP
transfer pump, turbin uap, kondenser, dan condensate pump.
Berdasarkan penelitian pada mesin pembangkit listrik tersebut, efisiensi exergy mesin PLTGU memiliki nilai 41.3%. Combustion chamber berkontribusi besar terhadap laju kerusakan exergy yang nilainya 18.84% dari laju kerusakan exergy keseluruhan pada mesin PLTGU. Komponen yang memiliki nilai efisiensi exergy terendah terletak pada kondensor yang nilainya 57.59%. Analisis exergy dapat menjelaskan suatu letak laju kerusakan exergy terbesar dan nilai efisiensi exergy terendah pada suatu komponen mesin pembangkit listrik. Hal tersebut sangat membantu dalam modifikasi atau pengembangan mesin tersebut.
Kata kunci: exergy, laju kerusakan exergy, efisiensi exergy, PLTGU
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
vii ABSTRACT
Heat engine performance could be affected by its environmental parameters. Exergy analysis was a method that include the environmental parameters into performance calculation. Such calculation can explain the exergy destruction rate and the exergy efficiency of the engine. The research of environmental temperature influence to combined cycle power plant PT. INDONESIA POWER UNIT PEMBANGKITAN SEMARANG would have been done between 25oC to 35oC.
Exergy destruction rate can be calculated from the difference of input exergy rate and output exergy rate of system. Measurement were conducted on the system temperature and its pressure as well as the temperature and pressure of the environment. Exergy efficiency of system was calculated from the exergy components. They are compressors, combustion chambers, gas turbines, HRSGs, HP transfer pumps, steam turbine, condenser, and condensate pump.
Based on the research result, the exergy efficiency of combined cycle power plant was 41.3%. The research found out that the combustion chamber has been contributing 18.84% the exergy destruction rate of the overall exergy destruction rate on the power plant. Condenser was the component that had least exergy efficiency amongst all of the components which had the value 57.59%.While the exergy analysis can find the component which has the most exergy destruction rate and the minimum exergy efficiency, it would help to innovate the system or engine and the further research.
Keywords: exergy, exergy destruction rate, exergy efficiency, combined cycle
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
ix
KATA PENGANTAR
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan naskah skripsi dengan judul
“ANALISIS LAJU KERUSAKAN EXERGY DAN EFISIENSI EXERGY
MESIN PLTGU PT. INDONESIA POWER UP SEMARANG”. Naskah skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk lulus dalam studi Kesarjanaan Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
Penulis menyadari bahwa penyusunan naskah skripsi ini dapat terselesaikan dengan dukungan dan bantuan dari berbagai pihak. Oleh sebab itu penulis mengucapkan terima kasih kepada :
1. Ir. P.K. Purwadi, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik dan Kepala Program Pendidikan Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta..
2. A. Prasetyadi, S.Si., M.Si. selaku Pembimbing I Skripsi. 3. Stefan Mardikus, S.T., M.T. selaku Pembimbing II Skripsi.
4. Seluruh Staff Pengajar Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
5. Seluruh Staff Sekretariat Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.
6. Tarwaji selaku General Manager PT. INDONESIA POWER UP SEMARANG.
7. Darmawan HS. selaku SPS. Keamanan dan Humas PT. INDONESIA POWER UP SEMARANG.
8. Haryadi Adi Leksono selaku Ahli Madya Enjiniring Efisiensi PT. INDONESIA POWER UP SEMARANG.
9. SPS. Operasi A, B, C, D, dan SPS. Perencanaan & Pengendalian Operasi & Niaga yang telah membantu penulis dalam pencatatan data.
10. Pegawai dan karyawan PT. INDONESIA POWER UP SEMARANG.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
x
11. Keluarga penulis yang selalu memberi dukungan dan dorongan kepada penulis dari awal hingga selesai.
12. Teman-teman penulis yang telah banyak mendukung.
13. Semua pihak yang telah membantu sehingga naskah skripsi ini dapat terselesaikan.
Penulis menyadari bahwa penulisan skripsi ini jauh dari kesempurnaan. Oleh sebab itu penulis memohon kritik dan saran yang membangun demi kesempurnaan penulisan skripsi ini. Semoga penulisan skripsi ini memberikan manfaat bagi para pembaca.
Yogyakarta, 26 Februari 2016
Penulis
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xi DAFTAR ISI
HALAMAN SAMPUL ... i
HALAMAN JUDUL... ii
HALAMAN PENGESAHAN... iii
HALAMAN PERSETUJUAN... iv
HALAMAN PERNYATAAN ... v
ABSTRAK ... vi
ABSTRACT... vii
HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI... viii
KATA PENGANTAR ... ix
DAFTAR ISI... xi
DAFTAR TABEL... xiii
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR LAMPIRAN ... xvii
DAFTAR SINGKATAN DAN SIMBOL... xviii
BAB I PENDAHULUAN ... 1 1.1. Latar Belakang ... 1 1.2. Rumusan Masalah ... 3 1.3. Tujuan ... 3 1.4. Batasan Masalah ... 3 1.5. Manfaat ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI... 4
2.1. Tinjauan Pustaka ... 4
2.2. Hukum Pertama Termodinamika dan Energi ... 5
2.3. Hukum Kedua Termodinamika... 7
2.4. Exergy ... 8
2.5. Analisis Exergy... 8
2.6. Kerusakan Exergy... 10
2.7. Analisis Energi dan Analisis Exergy ... 11
2.8. Siklus-siklus pada Mesin PLTGU ... 12
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xii
2.9. Analisis Laju Kerusakan Exergy dan Efisiensi Exergy
Komponen Mesin PLTGU ... 17
2.10.Efisiensi Exergy Mesin PLTGU ... 29
2.11.Proses Pembakaran ... 29
2.10.Air – Fuel Ratio (AFR) dan Fuel – Air Ratio (FAR)... 31
2.11.Air – Fuel Equivalence Ratio () dan Fuel – Air Equivalence Ratio () ... 32
BAB III METODE PENELITIAN... 34
3.1. Alur Penelitian ... 34
3.2. Variabel Penetian ... 38
3.3. Pengambilan Data ... 42
3.4. Analisis Data... 42
3.5. Tempat dan Jadwal Penelitian ... 43
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 44
4.1. Pengaruh Temperatur Lingkungan terhadap Performa Kerja Compressor ... 44
4.2. Pengaruh Temperatur Lingkungan terhadap Performa Kerja Combustion Chamber ... 45
4.3. Pengaruh Temperatur Lingkungan terhadap Performa Kerja Gas Turbine... 46
4.4. Nilai Laju Kerusakan Exergy dan Efisiensi Exergy Mesin PLTGU... 58
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 60
5.1. Kesimpulan ... 60
5.2. Saran ... 60
DAFTAR PUSTAKA ... 61
LAMPIRAN ... 62
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Natural Gas Properties ... 31 Tabel 2.2 Natural Gas Composition ... 32 Tabel 3.1 Tabel Variabel Terkait pada Penelitian ... 38
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xiv DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Skematik diagram T-S siklus Brayton pada sistem PLTG ... 12
Gambar 2.2 Skematik diagram P-V siklus Brayton pada sistem PLTG ... 13
Gambar 2.3 Skematik diagram T-S siklus Rankine pada sistem PLTU ... 14
Gambar 2.4 Skematik diagram P-V siklus Rankine pada sistem PLTU ... 14
Gambar 2.5 Skematik diagram T – S siklus Brayton pada sistem PLTG .... 16
Gambar 2.6 Skematik diagram T – S siklus Rankine pada sistem PLTU.... 17
Gambar 2.7 Skematik Compressor ... 18
Gambar 2.8 Skematik Combustion chamber... 19
Gambar 2.9 Skematik Gas turbine ... 21
Gambar 2.10 Skematik HRSG ... 23
Gambar 2.11 Skematik Steam turbine... 24
Gambar 2.12 Skematik Condenser... 26
Gambar 2.13 Skematik Condensate pump ... 27
Gambar 2.14 Skematik HP Transfer pump ... 28
Gambar 3.1 Diagram alir Penelitian... 34
Gambar 3.2 Skematik Mesin PLTGU ... 37
Gambar 4.1 Grafik hubungan laju kerusakan Exergy Compressor terhadap temperatur lingkungannya. ... 47
Gambar 4.2 Grafik hubungan efisiensi Exergy Compressor terhadap temperatur lingkungannya ... 47
Gambar 4.3 Grafik hubungan laju kerusakan Exergy Combustion chamber terhadap temperatur lingkungannya. ... 48
Gambar 4.4 Grafik hubungan efisiensi Exergy Combustion chamber terhadap temperatur lingkungannya. ... 48
Gambar 4.5 Grafik hubungan laju kerusakan Exergy Gas turbine terhadap temperatur lingkungannya. ... 49
Gambar 4.6 Grafik hubungan efisiensi Exergy Gas turbine terhadap temperatur lingkungannya ... 49
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xv
Gambar 4.7 Grafik hubungan temperatur Discharge Compressor
terhadap temperatur lingkungannya ... 50 Gambar 4.8 Grafik hubungan temperatur produk pembakaran /
temperatur Inlet Gas turbine terhadap temperatur
lingkungannya ... 50 Gambar 4.9 Grafik hubungan Air – Fuel Ratio (AFR) terhadap
temperatur lingkungannya ... 51 Gambar 4.10 Grafik hubungan laju kerusakan Exergy HRSG terhadap
temperatur lingkungannya ... 51 Gambar 4.11 Grafik hubungan efisiensi Exergy HRSG terhadap
temperatur lingkungannya ... 52 Gambar 4.12 Grafik hubungan laju kerusakan Exergy HP Transfer
pump terhadap temperatur lingkungannya ... 52 Gambar 4.13 Grafik hubungan efisiensi Exergy HP Transfer pump
terhadap temperatur lingkungannya ... 53 Gambar 4.14 Grafik hubungan laju kerusakan Exergy Steam turbine
terhadap temperatur lingkungannya ... 53 Gambar 4.15 Grafik hubungan efisiensi Exergy Steam turbine terhadap
temperatur lingkungannya ... 54 Gambar 4.16 Grafik hubungan laju kerusakan Exergy Condenser
terhadap temperatur lingkungannya ... 54 Gambar 4.17 Grafik hubungan efisiensi Exergy Condenser terhadap
temperatur lingkungannya ... 55 Gambar 4.18 Grafik hubungan laju kerusakan Exergy Condensate pump
terhadap temperatur lingkungannya ... 55 Gambar 4.19 Grafik hubungan efisiensi Exergy Condensate pump
terhadap temperatur lingkungannya ... 56 Gambar 4.20 Diagaram efisiensi Exergy siklus PLTGU ... 56 Gambar 4.21 Diagram nilai laju kerusakan Exergy dan efisiensi Exergy
setiap komponen Unit GTG I dan HRSG I ... 57
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xvi
Gambar 4.22 Diagram nilai laju kerusakan Exergy dan efisiensi Exergy
setiap komponen Unit GTG II dan HRSG II... 57 Gambar 4.23 Diagram nilai laju kerusakan Exergy dan efisiensi Exergy
setiap komponen Unit GTG III dan HRSG III. ... 58 Gambar 4.24 Diagram nilai laju kerusakan Exergy dan efisiensi Exergy
setiap komponen Unit STG. ... 68
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xvii
DAFTAR LAMPIRAN
Tabel Hasil Analisis Exergy Compressor GTG I ... 62
Tabel Hasil Analisis Exergy Compressor GTG II ... 62
Tabel hasil Analisis Exergy Compressor GTG III... 62
Tabel Hasil Analisis Exergy Combustion Chamber GTG I... 63
Tabel Hasil Analisis Exergy Combustion Chamber GTG II ... 63
Tabel Hasil Analisis Exergy Combustion Chamber GTG III ... 63
Tabel Hasil Analisis Exergy Gas Turbine GTG I... 63
Tabel Hasil Analisis Exergy Gas Turbine GTG II... 64
Tabel Hasil Analisis Exergy Gas Turbine GTG III ... 64
Tabel Hasil Analisis Exergy HRSG I... 64
Tabel Hasil Analisis Exergy HRSG II ... 64
Tabel Hasil Analisis Exergy HRSG III... 65
Tabel Hasil Analisis Exergy HP Transfer Pump I ... 65
Tabel Hasil Analisis Exergy HP Transfer Pump II... 65
Tabel Hasil Analisis Exergy HP Transfer Pump III ... 65
Tabel Hasil Analisis Exergy Steam Turbine ... 66
Tabel Hasil Analisis Exergy Condenser ... 66
Tabel Hasil Analisis Exergy Condensate Pump ... 66
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xviii
DAFTAR SINGKATAN DAN SIMBOL
Singkatan Keterangan
AFR air fuel ratio
AFRact air fuel ratio actual
AFRstoic air fuel ratio stoichiometric
CC combustion chamber
CCPP combined cycle power plant
Comp compresser
Cond condenser
Cond Pump condensate pump
FAR fuel air ratio
FARact fuel air ratio
FARstoic fuel air ratio
GT gas turbine
GTG gas turbine generator
HP high pressure
HP Trans. Pump high pressure transfer pump
HRSG heat recovery steam generator
LHV lower heating generator
LP low pressure
PLTG pembangkit listrik tenaga gas
PLTGU pembangkit listrik tenaga gas dan uap
PLTU pembangkit listrik tenaga uap
ST steam turbine
STG steam turbine generator
Simbol Keterangan
fuel air equivalence ratio
koefisien aktivitas
efisiensi
air fuel equivalence ratio
rasio antara exergy spesifik terhadap lower heating value
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xix
Nomenklatur Keterangan
A luasan
cp konstanta kalor spesifik
e energi spesifik
E energi
E laju energi
ex exergy spesifik
Ex exergy
x
E laju exergy
H enlthalpi
H0 enthalpi lingkungan
I irreversibilitas / kersakan exergy
I laju kerusakan exergy
KE energi kinetik
m laju aliran massa
P tekanan
P0 tekanan lingkungan
PE energi potensial
Q kalor
Q laju kalor
R tetapan gas universal
S entropi S0 entropi lingkungan T temperatur T0 temperatur lingkungan U internal energi V volum W daya W kerja x fraksi mol Superscript Keterangan
k konstanta rasio kalor spesifik tekanan terhadap kalor
spesifik volum
T komponen temperatur
P komponen tekanan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
xx
Subscipt Keterangan
A luasan
air udara
CC combustion chamber
CCPP combined cycle power plant
ch kimiawi
Comp compressor
Cond condenser
Cond.pump condensate pump
cycle satu siklus / simple cycle
exh exhaust gas
fuel bahan bakar
GT gas turbine
HP.Trans.pump high pressure transfer pump
HRSG heat recovery steam generator
i komponen ke-i
II exergy / hukum kedua termodinamika
in inlet j komponen ke-j net netto out outlet ph fisik ST steam turbine sp superheated
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
1
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Kebutuhan energi sudah menjadi kebutuhan utama dalam kehidupan sehari-hari. Permintaan energi yang terus meningkat tidak bisa terhindarkan dari masa ke masa. Sumber energi yang tersedia di alam ada dua, yaitu energi tak terbarukan dan energi terbarukan. Dewasa ini kebutuhan energi terus bertambah dari berbagai sektor, seperti transportasi, industri, rumah tangga dan lain-lain. Meskipun energi tersedia banyak di alam, dari energi tak terbarukan hingga energi baru terbarukan, tetapi ada berbagai kendala untuk memperoleh energi tersebut, seperti jumlah permintaan, keterbatasan teknologi, dan keterbatasan sumber daya. Meskipun memiliki ketersediaan energi yang melimpah terutama energi yang bersumber dari fosil, pemanfaatan energi harus digunakan secara efisien untuk kebutuhan di masa mendatang.
Salah satu bentuk sumber energi adalah energi listrik, yang dihasilkan oleh mesin pembangkit listrik. Sekarang ini pembangkit listrik di Indonesia masih didominasi oleh mesin pembangkit sistem termal. Energi primer mesin pembangkit listrik tersebut berasal dari energi fosil, panas bumi, dan reaksi nuklir. Meskipun Indonesia masih banyak menggunakan energi fosil sebagai energi primer mesin pembangkit listrik sistem termal, jumlah energi yang bersumber dari fosil terbatas. Oleh sebab itu, perlu adanya alternatif energi yang dapat menggantikan energi fosil untuk menghasilkan energi listrik. Pemanfaatan energi alternatif sebagai penghasil energi listrik yang optimal membutuhkan waktu dan proses. Selama penggunaan energi alternatif belum optimal, energi primer pembangkit listrik akan tetap menggunakan energi fosil. Menurut Dewan Energi Nasional, proyeksi energi listrik di Negara Indonesia dari tahun 2015 sampai tahun 2050 diperoleh dari pembangkit listrik yang berbahan bakar fosil, maka pemanfaatan energi fosil untuk menghasilkan energi listrik harus dimanfaatkan secara efisien, agar pembangkit listrik energi fosil tidak kehabisan energi fosil sebelum pemanfaatan energi alternatif belum maksimal.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
2
Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap (PLTGU) adalah salah satu mesin pembangkit listrik yang digunakan di Indonesia. PT. Indonesia Power UP Semarang merupakan salah satu instansi yang bergerak dalam Pembangkitan listrik yang menggunakan mesin PLTGU. Mesin PLTGU PT. Indonesia Power UP Semarang beroperasi sejak tahun 1997 dengan menggunakan bahan bakar
natural gas sebanyak 2 blok. Setiap blok terdiri dari 3 unit mesin PLTGU (GTG),
3 unit Heat Recovery Steam Generator (penghasil uap untuk turbin uap), dan 1 unit Turbin Gas (STG), satu blok memiliki beban terpasang sebesar 516MW. Mengetahui lama waktu beroperasi mesin PLTGU PT. Indonesia Power UP Semarang, mesin tersebut perlu diteliti kemampuan kerjanya, karena semakin lama bekerjanya suatu mesin pasti menurun performa kerjanya. Buruk atau menurunnya performa kerja mesin pembangkit listrik biasanya diakibatkan oleh rugi-rugi energi yang berlebihan. Hilangnya energi dengan jumlah yang besar pada mesin pembangkit listrik, dapat terjadi di salah satu atau lebih pada komponen mesin. Untuk mengetahui komponen-komponen tersebut, maka perlu dilakukan analisis sistem mesin pembangkit listrik tersebut. Analisis sistem mesin pembangkit listrik dapat menjadi deskripsi performa kerja mesin pembangkit listrik. Analisis sistem pembangkit dapat dilakukan berdasarkan Hukum Pertama dan Kedua Termodinamika. Analisis tersebut akan memasukkan parameter lingkungan untuk menghitung nilai exergy sebagai indikasi performa kerja mesin pembangkit listrik.
Analisis mesin tersebut akan digunakan sebagai skripsi mahasiswa. Hasil analisis tersebut akan disusun menjadi sebuah naskah skripsi yang diharapkan nantinya dapat membantu dalam pengembangan mesin dan sistem pembangkit listrik serta menjadi sebuah rujukan untuk penelitian sistem pembangkit listrik berikutnya.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
3
1.2. Rumusan masalah
Berdasarkan latar belakang, ada beberapa masalah dalam operasi mesin pembangkit listrik adalah:
1. Seberapa besar nilai laju kerusakan exergy dan efisiensi exergy komponen mesin pembangkit listrik.
2. Seberapa besar nilai efisiensi exergy mesin pembangkit listrik.
1.3. Tujuan
Ada beberapa tujuan diakukan penelitian pada mesin pembangkit listrik adalah:
1. Mengetahui nilai laju kerusakan exergy terbesar dan efisiensi exergy terendah pada komponen mesin pembangkit listrik tenaga gas.
2. Mengetahui performa sitem pembangkit dengan menghitung efisiensi exergy pada kondisi simple cycle dan combined cycle.
1.4. Batasan masalah
Batasan-batasan yang diambil dalam penelitian adalah: 1. Sistem PLTGU merupakan sistem tertutup.
2. Aliran fluida diasumsikan steady state.
3. Analisis GTG menggunakan analisis standar udara dimodelkan gas ideal. 4. Perubahan energi potensial dan energi kinetik diabaikan.
1.5. Manfaat
Manfaat dari hasil penelitian mesin pembangkit listrik adalah:
1. Sebagai rujukan untuk melakukan pengembangan mesin dan sistem mesin pembangkit listrik.
2. Sebagai rujukan untuk melakukan penelitian lebih lanjut tentang mesin pembangkit listrik.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1. Tinjauan Pustaka
Pembangkit listrik Tambak Lorok dengan sistem combined cycle
menggunakan bahan bakar natural gas. Tambak Lorok Blok I phase I merupakan Pusat Listrik Tenaga Gas (Simple Cycle) beroperasi sejak tahun 1993 sampai sekarang. Sedangkan Tambak Lorok Blok II phase I dan Blok I phase II merupakan Pusat Listrik Sistem Kombinasi (Combined Cycle Power Plant) mulai beroperasi tahun 1997.
Pusat Listrik Sistem Kombinasi Tambak Lorok Blok II phase I dan Blok I
phase II masing-masing berkapasitas 500MW dan tiap-tiap blok terdiri dari :
1. Tiga Unit Gas turbine Generator (GTG) dengan kapasitas 3 x 100MW 2. Tiga Unit Heat Recovery Steam Generator (HRSG)
3. Satu Unit Steam Turbine Generator (STG) kapasitas 1 x 150MW
Turbin gas tersebut buatan General Electric (GE) dengan kode MS9001E GE. Turbin gas ini langsung memutar generator dengan putaran 3000rpm dan tegangan keluar 11,5kV. Beban setiap unit generator dapat diamati di ruang kontrol. Exhaust gas GTG dialirkan ke HRSG melalui Diverter Damper. Panas
exhaust gas dari GTG tersebut digunakan untuk menguapkan air di HRSG. Uap
tersebut kemudian digunakan untuk memutar STG.
Operasi pembangkit ini dapat dilakukan 2 cara yaitu simple cycle dan
combined cycle. Simple cycle dalam operasi pembangkitan listrik memiliki
pengertian bahwa pembangkit listrik beroperasi menggunakan 1 jenis mesin pembangkit yaitu mesin PLTG. Exhaust gas hasil pembakaran akan langsung dibuang ke atmosfir tanpa dimanfaatkan kembali. Sedangkan combined cycle dalam operasi pembangkitan listrik memiliki pengertian pembangkit listrik beroperasi menggunakan 2 jenis mesin pembangkit listrik yaitu mesin PLTG dan mesin PLTU. Mesin PLTU memperoleh panas pada boiler diperoleh dari exhaust
gas dari PLTG, sehingga PLTU tidak mampu beroperasi sendiri tanpa
beroperasinya PLTG.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
5
PLTGU Tambak Lorok beroperasi sesuai permintaan beban dari P3B (Penyaluran Pengaturan Pusat Beban di Ungaran). Pola operasi PLTGU Tambak Lorok berdasarkan kondisi beban adalah sebagai berikut.
1. Kondisi Beban Luar Puncak
PLTGU beroperasi dengan pola 2-2-1 yang berarti 2 unit GTG beroperasi, 2 unit HRSG beroperasi, dan 1 unit STG beroperasi.
2. Kondisi Waktu Beban Puncak
PLTGU beroperasi dengan pola 3-3-1 yang berarti 3 unit GTG beroperasi, 3 unit HRSG beroperasi, dan 1 unit STG beroperasi.
3. Kondisi Waktu Weekend
PLTGU beroperasi dengan pola 1-1-1 yang berarti 1 unit GTG beroperasi, 1 unit HRSG beroperasi, dan 1 STG beroperasi.
Sehingga PLTGU Tambak Lorok merupakan PLTGU dengan pola operasi start stop setiap hari.
2.2. Hukum Pertama Termodinamika dan Energi
Hukum Pertama Termodinamika membahas tentang kekekalan energi yaitu energi tidak dapat diciptakan maupun dihancurkan. Pernyataan pada Hukum Pertama Termodinamika tersebut dapat diungkapkan pada suatu proses, yaitu kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika ( U ) sama dengan
jumlah energi panas yang diberikan ke dalam sistem (Q) dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem (W). Pernyataan tersebut dapat dituliskan dalam persamaan (2.1).
(2.1)
Hukum Pertama Termodinamika tidak memberikan informasi mengenai arah suatu proses yang berlangsung, yaitu proses reversible atau proses irreversible. Hukum Pertama Termodinamika juga tidak menjelaskan bahwa suatu proses konversi energi terdapat rugi-rugi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
6
Pembahasan energi mencangkup semua bentuk energi di dalam sebuah
E system.
Total energi (E) dapat dijabarkan sebagai jumlah dari energi dalam (U), energi kinetik (KE), dan energi potensial (PE). Total energi dapat dituliskan dalam persamaan (2.2)
(2.2)
Energi dapat berpindah dalam bentuk panas, kerja dan aliran massa. Interaksi energi diketahui saat energi melintasi batas suatu sistem. Interaksi energi menunjukan adanya energi yang ditambahkan atau energi yang hilang dari sistem selama sebuah proses berlangsung. Keseimbangan energi dapat dituliskan di persamaan (2.4).
(2.4)
Persamaan (2.4) dapat diungkapkan bahwa perubahan energi total dari sistem sepanjang proses (Esystem) sama dengan perbedaan antara energi masuk total (Ein)
dan energi keluar total (Eout) dari sistem selama proses berlangsung.
Ada 2 bentuk dari energi yang sangat erat dengan sistem tertutup yaitu perpindahan kalor dan kerja. Suatu siklus sistem tertutup memiliki kondisi awal dan kondisi akhir yang bernilai sama, Esystem = E2 E1 = 0.
Keseimbangan untuk siklus tersebut menjadi Ein Eout = 0 atau Ein = Eout.
Keseimbangan energi untuk sebuah siklus dapat tuliskan dalam hal terkait kalor dan kerja sebagai berikut (2.5).
(2.5) Itu berarti dalam sebuah siklus memiliki nilai output kerja netto sama dengan nilai kalor input netto.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
7
2.3. Hukum Kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika memberikan batasan-batasan tentang arah suatu proses, apakah proses tersebut reversible atau irreversible dan salah satu akibat dari hukum kedua termodinamika adalah perkembangan dari suatu sifat fisik alam yang disebut entropi. Ada 2 rumusan umum mengenai hukum kedua termodinamika yaitu pernyataan Clausius dan pernyataan Kelvin-Planck. Clausius menyatakan bahwa dalam suatu sistem tidak mungkin kalor dipindahkan dari reservoar yang temperatur lebih rendah ke reservoar yang memiliki temperatur lebih tinggi. Kelvin-Planck menyatakan bahwa tidak mungkin sebuah sistem siklus termodinamika menghasilkan sejumlah kerja sementara sistem hanya memperoleh kalor pada satu reservoar.
Entropi sangat berperan penting dalam konsep hukum kedua termodinamika. Entropi adalah adalah nilai suatu energi spesifik tiap satu satuan temperatur. Entropi pada suatu sistem termodinamika merupakan sebuah indikator ketidak beraturan suatu sistem dalam skala mikroskopis. Suatu sistem tertutup yang diberi energi, nilai entropi pada sistem tersebut akan terus meningkat. Suatu sistem akan selalu menuju ke dalam suatu kesetimbangan termal terhadap lingkungannya (hukum kenol termodinamika), yaitu dengan melalui kesetimbangan entropi. Hal tersebut disebabkan oleh perubahan entropi sistem terhadap lingkungan. Kesetimbangan tersebut terjadi dengan berpindahnya entropi pada sistem ke lingkungan. Berpindahnya entropi akan disertai dengan perpindahan panas.
Berdasarkan pernyataan pada hukum kedua termodinamika, R.J.E. Clausius menulis sebuah pertidaksamaan yang dikenal dengan nama Clausius Inequality. Pertidaksamaan tersebut mengungkapkan sebuah proses reversible atau
irreversible sebagai berikut.
1. Stotal= Ssystem+ Ssuround= 0 , maka proses tersebut reversible.
2. Stotal= Ssystem+ Ssurround> 0 , maka proses tersebut irreversible.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
8
Dengan perubahan Ssystem) memiliki nilai positif dan
perubahan Ssurround) memiliki nilai negatif.
2.4. Exergy
Kata exergy berasal dari bahasa Yunani yaitu ex dan ergon yang berarti dari (from) dan kerja (work). Exergy dapat didefinisikan sebagai kerja maksimum yang mampu dilakukan oleh suatu sistem terhadap lingkungan sekitar sistem. Umumnya, lingkungan dispesifikasikan oleh kondisi temperatur, tekanan, dan komposisi kimia. Exergy suatu sistem akan meningkat jika terjadi kerja pada sistem. Exergy itu kekal hanya ketika semua proses dari sistem dan lingkungan dalam keadaan reversible. Namun, exergy dapat dihancurkan bila terjadi sebuah proses irreversible. Seperti energi, exergy dapat berpindah melewati batas dari sebuah sistem. Perpindahan exergy berlangsung bersama dengan perpindahan panas tergantung temperatur sistem terhadap temperatur lingkungan.
2.5. Analisis Exergy
Suatu laju exergy berkaitan dengan laju perpindahan panas Qi dapat dihitung dengan persamaan (2.6).
i A
o x
(2.6)
A adalah luasan perpindahan kalor, To adalah temperatur lingkungan, T adalah
temperatur terjadinya perpindahan kalor. Ketika ada sebuah keseragaman temperatur , persamaan (2.6) menjadi persamaan (2.7).
T T Q
Ex A 1 o
(2.7) Dengan adalah nilai laju perpindahan kalor pada suatu luasan, Toadalah nilai
temperatur lingkungan, dan T adalah nilai temperatur terjadinya perpindahan kalor.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
9
Dalam analisis sistem termal terdapat 2 macam exergy yaitu exergy fisik dan exergy kimia. Exergy fisik adalah kerja yang diperoleh melalui substansi melewati proses reversible dari kondisi temperatur dan tekanan awal ke kondisi yang ditentukan berdasarkan temperatur dan tekanan lingkungan. Exergy fisik dapat dihitung dengan persamaan (2.8).
(2.8)
Dengan exadalah nilai exergy spesifik, Ho,To, dan Soberturut-turut adalah entalpi,
temperatur, dan entropi lingkungan, sedangkan H dan S adalah entalpi dan entropi pada sistem. Subscript ph menandakan fisik . Exergy fisik dapat dipisah menjadi 2 komponen, yaitu sebuah komponen termal dan sebuah komponen tekanan atau dapat disebut juga dengan komponen mekanis. Dengan menggunakan Hukum Gas Ideal dalam persamaan (2.8) dan mengasumsikan konstanta kapasitas kalor spesifik isobarik (cp), persamaan (2.8) menjadi persamaan (2.11).
o o o p T x (2.9) o o P x (2.10) 0 0 0 0 . ph x (2.11) Dengan e ,xP T x
e , ex,phberturut-turut adalah nilai exergy spesifik komponen tekanan, nilai exergy spesifik komponen temperatur, nilai exergy spesifik fisik, R adalah konstanta gas ideal, T0adalah nilai temperatur lingkungan, P0 adalah nilai
tekanan lingkungan, T adalah nilai temperatur sistem, dan P adalah nilai tekanan sistem. Exergy kimia adalah kerja yang diperoleh ketika substansi di bawah pertimbangan dibawa dari kondisi lingkungan, didefinisikan sebagai parameter temperatur dan tekanan lingkungan ke kondisi referensi yang melibatkan proses
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
10
perpindahan kalor dan pergantian substansi hanya dengan lingkungan. Untuk menghitung exergy kimia (ech) (bahan bakar, campuran gas, dan produk hasil
pembakaran) dapat dihitung dengan persamaan (2.12).
n i n i i i i i ch x i ch x 1 1 0 , , , (2.12)
Dengan xi adalah fraksi mol komponen ke-i, R adalah konstanta gas ideal, dan i
adalah koefisien aktivitas. Untuk ideal solution, nilai koefisien aktivitas bernilai 1. Untuk mempermudah perhitungan, exergy kimia bahan bakar dapat diperoleh berdasarkan Lower Heating Value (LHV) bahan bakar tersebut. Hubungan antara LHV dan exergy kimia dijabarkan dalam persamaan (2.13). Persamaan (2.12) dapat digunakan untuk mendapatkan hasil yang lebih teliti.
(2.13)
Dengan ex,fueladalah nilai exergy spesifik bahan bakar, nilai rasio exergy terhadap
Lower Heating Value (LHV) bahan bakar ( fuel) dapat dihitung dengan persamaan
dasar komposisi atom. Nilai rasio exergy spesifik bahan bakar hidrokarbon (
b aH
C ) terhadap nilai LHV bahan bakar tersebut dapat dihitung dengan persamaan (2.14).
(2.14)
2.6. Kerusakan Exergy
Ireversibilitas juga dapat disebut kerusakan exergy atau exergy loss. Jadi, ketika suatu sistem terjadi proses irreversible, maka pada sistem tersebut ada
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
11
kerusakan exergy atau exergy loss. Kerusakan exergy dihitung dengan cara mengambil perbedaan antara exergy yang masuk dan exergy yang keluar sistem, dapat dituliskan dalam persamaan (2.15).
(2.15)
Dengan I adalah nilai irreversibilitas. Subscript i adalah komponen ke-i dan j adalah komponen ke-j. Cara lain menghitung ireversibilistas dapat dilakukan dengan peramaan Gouy-Stodola, yang melalui perubahan entropi dikalikan temperatur lingkungan, hal tersebut dituliskan dalam persamaan (2.16).
o in i out j o (2.16)
Dengan I adalah nilai irreversibilitas, To adalah nilai temperatur lingkungan, Sj ,
Si S berturut-turut adalah nilai entropi ke-j, nilai entropi ke-i, dan perubahan
nilai entropi.
2.7. Analisis Energi dan Analisis Exergy
Menganalisis suatu sistem termal dapat dilakukan dengan cara menganalisis energi dan exergy pada sistem. Energi dan exergy merupakan suatu hal yang berbeda. Analisis energi menerapkan konsep hukum pertama termodinamika, semua bentuk energi itu sama nilainya. Hilangnya kualitas suatu energi tidak termasuk dalam perhitungan. Analisis exergy memiliki hal lebih dari analisis energi, yaitu analisis exergi menerapkan konsep hukum pertama termodinamika dan hukum kedua termodinamika. Dalam kondisi aktual sebuah sistem, exergy akan rusak/hancur sebagian ataupun seluruhnya, karena selalu ada irreversibilitas pada sebuah sistem. Analisis exergy menunjukan ketidak idealan dari sebuah proses (irreversibility), termasuk semua kehilangan kualitas dari materi (massa) dan energi. Energi tidak dapat hilang atau musnah, sesuai permyataan Hukum
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
12
Pertama Termodinamika tentang konsevasi energi. Energi itu kekal, yang ada adalah perpindahan energi ke lingkungan. Namun, energi yang berpindah ke lingkungan adalah energi yang sia-sia.
2.8. Siklus-siklus pada mesin pembangkit listrik tenaga uap dan gas
Pembangkit listrik tenaga gas dan uap (PLTGU) sering juga disebut dengan
Combined Cycle Power Plant (CCPP). Mesin pembangkit listrik tersebut
menggunakan kombinasi dari 2 siklus termodinamika, yaitu siklus Brayton dan siklus Rankine. Siklus Brayton adalah siklus yang digunakan pada mesin PLTG dengan udara sebagai fluida kerjanya, sedangkan siklus Rankine adalah siklus yang digunakan pada mesin PLTU dengan air sebagai fluida kerjanya.
a) Siklus Brayton
Siklus yang digunakan dalam pembangkitan listrik tenaga gas adalah siklus Brayton. Skematik siklus Brayton ideal dapat disajikan dalam T-S dan P-V diagram pada Gambar 2.1 dan Gambar 2.2.
Gambar 2.1 Skematik diagram T-S siklus Brayton pada sistem PLTG
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
13
Gambar 2.2 Skematik diagram P-V siklus Brayton pada sistem PLTG Proses-proses yang terjadi pada siklus Brayton sesuai T-S dan P-V diagram yaitu:
1) Proses 1-2
Proses 1-2 merupakan kompresi isentropik. Udara atmosfir masuk sistem turbin gas melalui inlet kompresor. Kompresor mengkompresi udara tersebut sampai tekanan tertentu disertai penyempitan volum.
2) Proses 2-3
Proses 2-3 merupakan proses pembakaran isobarik. Udara terkompresi masuk ke ruang bakar lalu bahan bakar diinjeksikan. Proses pembakaran terjadi menghasilkan energi panas, energi panas tersebut diserap oleh udara bertekanan dari kompresor. Proses ini terjadi pertambahan volume tetapi tidak terjadi pertambahan tekanan.
3) Proses 3-4
Proses 3-4 merupakan proses ekspansi isentropik. Udara bertekanan yang memiliki energi panas dari hasil pembakaran berekspansi melewati turbin. Ketika terjadi proses ini udara bertekanan mengalami pertambahan volum. 4) Proses 4-1
Proses 4-1 merupakan proses pembuangan panas ke atmosfir.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
14
b) Siklus Rankine
Siklus yang digunakan dalam pembangkitan listrik tenaga uap adalah siklus Rankine. Skematik siklus Rankine ideal dapat disajikan dalam T-S dan P-V dagram pada Gambar 2.3 dan Gambar 2.4.
Gambar 2.3 Skematik diagram T-S siklus Rankine pada sistem PLTU
Gambar 2.4 Skematik diagram P-V siklus Rankine pada sistem PLTU
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
15
Proses yang terjadi pada siklus Rankine sesuai P-V diagram sebagai berikut:
1) Proses 7-9
Proses 7-9 adalah ekspansi isentropik dari fluida kerja melalui turbin dari uap panas lanjut (superheated vapor) tekanan tinggi hingga mencapai uap panas lanjut tekanan rendah.
2) Proses 9-10
Proses 9-10 adalah ekspansi isentropik dari fluida kerja melalui turbin dari uap panas lanjut tekanan rendah hingga mencapai tekanan kondenser.
3) Proses 10-1
Proses 10-1 adalah perpindahan kalor dari fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan menjadi cairan jenuh.
4) Proses 1-2
Proses 1-2 adalah kompresi isentropik dalam pompa menuju ke kondisi titik 2.
5) Proses 2-3
Proses 2-3 adalah proses perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan.
6) Proses 3-4
Proses 3-4 adalah kompresi isentropik dalam pompa menuju ke kondisi titik 4.
7) Proses 4-5
Proses 4-5 adalah proses perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan.
8) Proses 5-6
Proses 5-6 adalah proses perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. Kondisi pada proses ini air dipanaskan menjadi uap basah tekanan tinggi.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
16
9) Proses 6-7
Proses 6-7 adalah proses perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. Kondisi pada proses ini uap basah tekanan tinggi dipanaskan menjadi uap kering (superheated vapor) tekanan tinggi.
10) Proses 3-8
Proses 3-8 adalah proses perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. Kondisi pada proses ini air dipanaskan menjadi uap basah.
11) Proses 8-9
Proses 8-9 adalah proses perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. Kondisi pada proses ini uap basah tekanan rendah dipanaskan menjadi uap kering (superheated vapor) tekanan rendah.
Gambar 2.5 Skematik diagram T S siklus Brayton pada sistem PLTG
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
17
Gambar 2.6 Skematik diagram T S siklus Rankine pada sistem PLTU Analisis exergy pada mesin PLTGU, siklus Brayton dan siklus Rankine tidak ideal ditunjukan seperti Gambar 2.5 dan Gambar 2.6. Poin 1-2, dan 3-4 pada Gambar 2.5, proses terjadi pada entropi yang sama (isentropi) dan poin 7-10 pada Gambar 2.6, proses terjadi pada entropi yang sama (isentropi). Proses pada poin tersebut menjadi seperti pada Gambar 2.5 dan Gambar 2.6. Perubahan poin-poin
S > 0.
Siklus Brayton dan siklus Rankine sistem menjadi seperti Gambar 2.5 dan Gambar 2.6.
2.9. Analisis Laju Kerusakan Exergy dan Efisiensi Exergy Komponen Mesin PLTGU
Satu blok Mesin PLTGU PT. INDONESIA POWER UNIT PEMBANGKITAN SEMARANG terdiri dari 3 bagian besar unit, yaitu GTG berjumlah 3 unit, HRSG berjumlah 3 unit dan STG berjumlah 1 unit. Komponen yang akan dianalisis pada unit GTG adalah Compressor, Combustion Chamber, dan Gas Turbine. Komponen yang akan dianalisis pada unit HRSG adalah HRSG dan HP Transfer pump. Komponen yang akan dianalisis pada unit STG adalah
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
18
Steam turbine, Condenser, dan Condensate pump. Komponen-komponen mesin
PLTGU tersebut akan dianalisis nilai laju kerusakan exergy dan efisiensi untuk mengetahui tingkat keoptimalan mesin.
a) Compressor
Compressor adalah komponen yang berfungsi memasukan udara dari
lingkungan ke dalam sistem dan meningkatkan tekanan udara tersebut. Udara tersebut akan dikompresi pada tekanan tertentu, sehingga udara pada combustion
chamber memiliki tekanan tinggi. Hal tersebut dimaksudkan agar kondisi udara di combustion chamber memiliki tekanan yang cukup tinggi.
Gambar 2.7 Skematik Compressor
Berdasarkan Gambar 2.7, poin 1 adalah udara luar masuk ke compressor, poin 2 adalah udara yang keluar dari compressor yang telah ditingkatkan tekanannya. Nilai laju aliran massa udara (m ) yang dimasukan ke dalam sistem dapatair
dihitung dengan persamaan (2.15).
(2.15) Dengan Wcomp adalah nilai daya compressor, cp adalah nilai kalor spesifik gas
ideal, Tcomp.outadalah nilai temperatur dishcharge compressor, dan Tcomp.inadalah
nilai temperatur inlet compressor. Nilai laju kerusakan exergy pada compressor mesin PLTG dapat dihitung dengan persamaan (2.16).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
19 out comp x comp comp in comp x, . , . (2.16)
Dengan x,comp.in adalah nilai laju exergy udara yang masuk ke compressor, comp
W adalah nilai daya pompa, x,comp.out adalah nilai laju exergy udara yang keluar dari compressor, dan adalah nilai laju kerusakan exergy compressor. Nilai efisiensi exergy compressor ( II.comp) dapat dihitung dengan persamaan
(2.17). in Comp x Comp out Comp x comp II E W E . , . , , (2.17) Dengan Ex,Comp.out adalah nilai laju exergy udara keluar dari compressor, WComp
adalah nilai daya compressor, dan Ex,Comp.in adalah nilai laju exergy udara yang masuk ke compressor.
b) Combustion Chamber
Combustion Chamber adalah komponen dimana terjadinya proses pembakaran. Udara bertekanan dari compressor akan bercampur dengan bahan bakar dan bereaksi. Proses pembakaran tersebut terjadi dengan bantuan percikan api dari spark plug. Proses pembakaran tersebut dimaksudkan untuk
menambahkan nilai kalor gas.
Gambar 2.8 Skematik Combustion chamber
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
20
Berdasarkan Gambar 2.8, poin 3 adalah udara discharge compressor yang masuk ke combustion chamber, poin 4 adalah bahan bakar yang dimasukan ke
combustion chamber, dan poin 5 adalah udara panas bertekanann tinggi yang
keluar dari combustion chamber. Besarnya temperatur produk pembakaran atau temperatur gas keluar dari combustion chamber ( CC.out) dapat diketahui dengan persamaan (2.18). exh k k comp out CC P T T 1 . (2.18)
Dengan Pcomadalah nilai tekanan compressor, Texhadalah nilai temperatur exhaust
gas, dan superscript k adalah konstanta rasio cp terhadap cv. Nilai laju kerusakan
exergy pada combustion chamber mesin PLTG dapat dihitung dengan persamaan (2.19).
(2.19)
Dengan Ex,CC.in adalah nilai laju exergy udara yang masuk ke combustion
chamber, Ex,fuel adalah nilai laju exergy bahan bakar yang masuk ke combustion
chamber, Ex,CC.out adalah nilai laju exergy produk dari gas hasil pembakaran, dan CC
I adalah nilai laju kerusakan exergy pada combustion chamber. Nilai efisiensi exergy combustion chamber ( II.CC) dapat dihitung dengan persamaan (2.20).
fuel x in CC x out CC x CC II , . , . , , (2.20)
Dengan adalah nilai laju exergy gas produk pembakaran keluar dari
combustion chamber, Ex,CC.in adalah nilai laju exergy udara yang masuk ke
combustion chamber, dan Ex,fuel adalah nilai laju exergy bahan bakar.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
21
c) Gas turbine
Gas turbine adalah komponen yang berfungsi untuk memutar poros
generator. Energi mekanis untuk memutar turbin diperoleh dari gas panas bertekanan tinggi yang dialirkan dari combustion chamber. Tekanan dan temperatur gas panas turun setelah memutar turbin.
Gambar 2.9 Skematik Gas turbine
Berdasarkan Gambar 2.9, poin 6 adalah udara panas bertekanan tinggi yang masuk ke gas turbine dan poin 7 adalah exhaust gas yang keluar dari gas turbine. Nilai laju kerusakan exergy pada gas turbine mesin PLTG dapat dihitung dengan persamaan (2.21). GT GT out GT x in GT x, . , . (2.21)
Dengan Ex,GT.inadalah nilai laju exergy gas hasil pembakaran yang masuk ke gas
turbine, Ex,GT.out adalah nilai laju exergy gas hasil pembakaran yang keluar dari
gas turbine, WGT adalah daya yang dihasilkan oleh gas turbine, dan IGT adalah nilai laju kerusakan exergy pada gas turbine.
Nilai efisiensi exergy gas turbine ( II.GT) dapat dihitung dengan persamaan
(2.22).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
22 in GT x out GT out GT x GT II E W E . , . . , , (2.22)
Dengan Ex,GT.out adalah nilai laju exergy exhaust gas keluar dari gas turbine, WGT adalah daya output gas turbine, dan Ex,GT.in adalah laju exergy gas panas masuk ke gas turbine.
d) Saluran Exhaust
Saluran Exhaust adalah komponen yang berfungsi sebagai sisi keluaran gas panas yang telah melewati gas turbine. Gas tersebut dikeluarkan ke lingkungan sekitar. Saluran exhaust terpasang sebuah komponen yang disebut diverter
damper. Diverter damper berguna sebagai katup untuk mengalirkan exhaust gas
dari PLTG ke HRSG.
e) HRSG
HRSG atau Heat Recovery Steam Generator dapat dikatakan sebagai boiler pada PLTGU. Komponen ini adalah penghasil uap panas pada mesin PLTGU. Panas HRSG diperoleh dari panas sisa exhaust gas dari mesin PLTG. Sebuah HRSG menghasilkan 2 macam uap dengan tekanan yang berbeda yaitu uap kering bertekanan tinggi (HP superheated vapor) dan uap kering bertekanan rendah (LP
superheated vapor). Berdasarkan Gambar 2.10, poin 8 adalah exhaust gas masuk
ke HRSG, poin 9 adalah air masuk ke HRSG melalui bagian Low Pressure, poin 10 adalah air keluar dari HRSG dari bagian Low Pressure (LP), Poin 13 adalah air masuk ke HRSG dari bagian High Pressure (HP), poin 14 adalah LP superheated
vapor keluar dari HRSG,dan poin 15 adalah HP superheated vapor keluar dari
HRSG.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
23
Gambar 2.10 Skematik HRSG
Nilai laju kerusakan exergy pada HRSG mesin PLTU dapat dihitung dengan persamaan (2.23). HRSG out exh x out vap sp HP x out vap sp LP x out HRSG LP x in HRSG HP x in HRSG LP x in exh x I E E E E E E E . , . . . , . . . , . . , . . , . . , . , (2.23)
Dengan Ex,exh.inadalah nilai laju exergy exhaust gas yang masuk ke HRSG, in
HRSG LP
x, . . adalah nilai laju exergy air yang masuk ke LP HRSG,Ex,HP.HRSG.in adalah nilai laju exergy air yang masuk ke HP HRSG,Ex,LP.HRSG.out adalah nilai laju exergy air yang keluar dari LP HRSG, x,LP.sp.vap.out adalah nilai laju exergy LP
superheated vapor yang keluar dari LP HRSG,Ex,HP.sp.vap.out adalah nilai laju
exergy HP superheated vapor yang keluar dari HP HRSG,Ex,exh.out adalah nilai
laju exergy exhaust gas yang keluar dari HRSG,IHRSG adalah nilai laju kerusakan
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
24
exergy HRSG. Nilai efisiensi exergy HRSG ( II.HRSG) dapat dihitung dengan
persamaan (2.24). in HRSG HP in HRSG LP in exh x HRSG GT II E E E I . . . . . , , 1 (2.24)
Dengan HRSG adalah nilai laju kerusakan exergy HRSG, Ex,exh.in adalah nilai laju exergy exhaust gas yang masuk ke HRSG, adalah nilai laju exergy air yang masuk ke LP HRSG, dan adalah laju exergy air yang masuk ke HP HRSG.
f) Steam turbine
Steam Turbine adalah komponen yang berfungsi untuk memutar poros
generator. Energi mekanik untuk memutar turbin tersebut berasal dari uap yang berasal dari HRSG yang dialirkan ke steam turbine. Tekan dan temperatur uap menurun setelah melewati steam turbine.
Gambar 2.11 Skematik Steam turbine
Berdasarkan Gambar 2.11, poin 17 adalah HP superheated vapor memasuki HP
steam turbine, poin 16 adalah LP superheated vapor memasuki sudu terakhir dari
HP steam turbine, poin 18 adalah LP superheated vapor keluar dari sudu terakhir dari HP steam turbine, poin 19 adalah LP superheated vapor memasuki LP steam
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
25
turbine, dan poin 20 adalah uap keluar dari LP steam turbine. Nilai laju kerusakan
exergy pada steam turbine mesin PLTU dapat dihitung dengan persamaan (2.25).
(2.25)
Dengan Ex,LP.ST.in adalah nilai laju exergy LP superheated vapor yang masuk ke LP steam turbine,Ex,HP.ST.in adalah nilai laju exergy HP superheated vapor yang masuk ke HP steam turbine, x,LP.ST.out adalah nilai laju exergy uap yang keluar dari LP steam turbine,Ex,HP.ST.out adalah nilai laju exergy uap yang keluar dari HP
steam turbine,WST adalah nilai daya yang dihasilkan steam turbine, dan ST adalah nilai laju kerusakan exergy steam turbine. Nilai efisiensi exergy steam
turbine ( II.ST) dapat dihitung dengan persamaan (2.26).
(2.26)
Dengan ST adalah nilai laju kerusakan exergy pada steam turbine, adalah nilai laju exergy uap yang masuk ke HP steam turbine, dan adalah nilai laju exergy yang masuk ke LP steam turbine.
g) Condenser
Condenser adalah komponen yang berfungsi untuk melepas kalor dan
mengubah uap yang keluar dari turbin menjadi air sehingga dapat disirkulasikan ke HRSG.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
26
Gambar 2.12 Skematik Condenser
Berdasarkan Gambar 2.12, poin 21 adalah uap memasuki condenser dan poin 22 adalah air keluar dari condenser. Nilai laju kerusakan exergy pada condenser mesin PLTU dapat dihitung dengan persamaan (2.27).
(2.27)
Dengan x,Cond.in adalah nilai laju exergy uap yang masuk ke condenser,Ex,Cond.out
adalah nilai laju exergy air yang keluar dari condenser, dan adalah nilai laju kerusakan exergy condenser. Nilai efisiensi exergy condenser ( II.Cond) dapat
dihitung dengan persamaan (2.28).
in Cond x out Cond x Cond II . , , , , (2.28)
Dengan Ex,Cond,out adalah nilai laju exergy air yang keluar dari condenser dan in
Cond x
E , . adalah nilai laju exergi uap yang masuk ke condenser.
h) Pompa
Pompa adalah komponen yang berfungsi untuk meningkatkan tekanan air dan mengalirkan air ke dalam sistem. Ada 2 pompa dalam sistem PLTU, yaitu
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
27
1) Condensate Pump
Condensate pump adalah pompa yang berfungsi mengalirkan dan meningkatkan tekanan air dari condenser ke HRSG.
Gambar 2.13 Skematik Condensate pump
Poin 23 adalah air memasuki condensate pump dan poin 24 adalah air keluar dari
condensate pump. Nilai laju kerusakan exergy pada condensate pump mesin
PLTGU dapat dihitung dengan persamaan (2.29).
(2.29)
Dengan Ex,Cond.Pump.in adalah nilai laju exergy air yang masuk ke condensate pump, pump
cond
W . adalah nilai daya condensate pump, x,Cond.Pump.out adalah nilai laju exergy air yang keluar dari condensate pump, dan ICond.Pump adalah nilai laju kerusakan exergy condensate pump. Nilai efisiensi exergy condensate pump ( II.HP.Trans.Pump) dapat dihitung dengan persamaan 2.30.
Pump Cond in Pump Cond x Pump Cond Pump Cond II W E I . . . . . . , 1 (2.30)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
28
Dengan ICond.Pump adalah nilai laju kerusakan exergy condensate pump, in
Pump Cond x
E . . . adalah nilai laju exergy air yang masuk ke condensate pump, dan Pump
Cond. adalah daya condensate pump.
2) HP Tranfer Pump
HP Transfer pump adalah pompa yang berfungsi mengalirkan air panas dari bagian LP HRSG menuju bagian dari HP HRSG pada tingkatan output High
Pressure Vapor.
Gambar 2.14 Skematik HP Transfer pump
Berdasarkan Gambar 2.14, poin 11 adalah air memasuki HP transfer pump dan poin 12 adalah air keluar dari HP tranfer pump. Nilai laju kerusakan exergy pada HP transfer pump mesin PLTU dapat dihitung dengan persamaan (2.31).
(2.31)
Dengan x,HP.Trans.Pump.in adalah nilai laju exergy air yang masuk ke HP transfer
pump, WHP.Trans.Pump adalah nilai daya HP transfer pump, adalah
nilai laju exergy air yang keluar dari HP transfer pump, dan HP.Trans.Pump adalah nilai laju kerusakan exergy HP transfer pump. Nilai efisiensi exergy HP transfer
pump ( II.,HP.Trans.Pump) dapat dihitung dengan persamaan (2.32)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
29 Pump Trans HP in Pump Trans HP x out Pump Trans HP x Pump Trans HP II W E E . . . . . . . . . . . . , (2.32)
Dengan x.HP.Trans.Pump.out adalah nilai laju exergy air yang keluar dari HP transfer
pump, x.HP.Trans.Pump.in adalah nilai laju exergy air yang masuk ke HP transfer
pump, danWHP.Trans.Pump adalah nilai daya HP transfer pump.
2.10. Efisiensi Exergy Mesin PLTGU
Mesin PLTGU dapat beroperasi dengan 2 cara, yaitu simple cycle dan
combined cycle. Efisiensi exergy mesin PLTG ( II ,cycle) dan efisiensi exergy mesin PLTGU ( ) dapat dihitung dengan cara persamaan (2.33) dan (2.34).
fuel x out GT cycle II E W , . , (2.33) (2.34)
Dengan GT .out adalah nilai daya output PLTG dan Ex,fuel adalah nilai laju exergy
bahan bakar, sedangkan WST.out adalah nilai daya output PLTU.
2.10. Proses Pembakaran
Pembakaran dapat terjadi ketika bahan bakar dan udara bereaksi. Ada 2 macam proses pembakaran, yaitu pembakaran sempurna dan pembakaran tidak sempurna. Pembakaran sempurna dapat terjadi apabila seluruh bahan bakar bereaksi dengan udara dengan komposisi campuran stoikiometri. Pembakaran tidak sempurna terjadi apabila ada sejumlah bahan bakar yang tidak bereaksi dengan udara yang dicampurkan, hal tersebut dapat disebabkan proses
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
30
pembakaran kekurangan jumlah udara sehingga produk pembakaran ada kandungan bahan bakarnya.
Ada 3 jenis campuran bahan bakar dan udara dalam proses pembakaran yaitu rich mixture, stoichiometric mixture dan lean mixture. Rich mixture adalah proses pembakaran dengan jumlah udara yang kurang sehingga bahan bakar tidak terbakar seluruhnya. Stoichiometric mixture adalah proses pembakaran dengan jumlah udara yang tepat untuk membakar seluruh bahan bakar. Lean mixture adalah proses pembakaran dengan jumlah udara yang berlebih sehingga produk pembakaran terdapat kandungan oksigen.
Combustion chamber adalah komponen mesin PLTG yang berfungsi
sebagai tempat berlangsungnya proses pembakaran terjadi. Unit PLTG PT Indonesia Power UP Semarang menggunakan bahan bakar natural gas sebagai bahan bakar mesin PLTG. Karakteristik natural gas yang digunakan dijabarkan pada Tabel 2.1 dan Tabel 2.2.
Tabel 2.1 Natural Gas Properties Temperature 29,2056 oC Pressure 24,8354 Bar Density 0,74399 kg/m3 Heating Value 40592.5 kJ/m3
Proses pembakaran gas alam pada mesin PLTG diasumsikan sebagai pembakaran gas metana. Reaksi pembakaran gas metana dan udara dapat dituliskan pada persamaan 2.35. Udara diasumsikan terdiri dari 21% O2 dan 79% N2. Produk pembakaran sempurna gas metana tidak menghasilkan oksigen dan metana.
CH4+ 2O2+ 7.52N2 CO2+ 2H2O + 7.52N2 (2.35)
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
31
Tabel 2.2 Natural Gas Composition Gas Components Mol (%)
Methane 93.7410 Nitrogen 0.4193 Carbon Dioxide 0.0011 Ethane 3.4591 Propane 1.2142 i-Butane 0.2487 n-Butane 0.3201 i-Pentane 0.1268 n-Pentane 0.1139 n-Hexane 0.3550 Water 0.0009 Hidrogen Sulfida 0.0000
2.11. Air Fuel Ratio (AFR) dan Fuel Air Ratio (FAR)
Air Fuel Ratio (AFR) adalah perbandingan jumlah udara terhadap jumlah
bahan bakar dalam proses pembakaran. Jumlah udara dan jumlah bahan bakar yang dibandingkan adalah jumlah yang dicampurkan, meskipun campuran tersebut bereaksi atau tidak. Nilai Air Fuel Ratio dapat dihitung dengan
persamaan 2.36.
fuel air
(2.36)
Dengan AFR adalah nilai Air Fuel Ratio, adalah nilai laju aliran massa udara, dan mfuel adalah nilai laju aliran massa bahan bakar. Fuel Air Ratio (FAR) adalah perbandingan jumlah bahan bakar terhadap jumlah udara dalam proses pembakaran. Jumlah bahan bakar dan jumlah udara yang dibandingkan adalah jumlah yang dicampurkan, meskipun campuran tersebut bereaksi atau tidak. Nilai Fuel Air Ratio dapat dihitung dengan persamaan (2.37).
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
32 air fuel m m FAR (2.37)
Dengan FAR adalah nilai Fuel Air Ratio, mfuel adalah nilai laju aliran massa bahan bakar, dan adalah nilai laju aliran massa udara.
2.12. Air Fuel Equivalence Ratio ( ) dan Fuel Air Equivalence Ratio ( )
Air Fuel Equivalence Ratio adalah rasio antara nilai Air Fuel Ratio
aktual proses pembakaran terhadap Air Fuel Ratio stoichiometric proses
pembakaran. Nilai Air Fuel Equivalence Ratio dapat di hitung dengan persamaan (2.38). stoic act AFR AFR (2.38)
Dengan adalah nilai Air Fuel Equivalence Ratio, AFRact adalah nilai Air
Fuel Ratio aktual, dan AFRstoicadalah nilai Air Fuel Ratio stoichiometric. Jenis
campuran proses pembakaran dapat diketahui dengan menghitung nilai Air Fuel Equivalence Ratio. Nilai < 1 merupakan rich mixture, nilai = 1 merupakan
soichiometric mixture, dan nilai > 1 merupakan lean mixture. Fuel Air Equivalence Ratio adalah rasio antara nilai Fuel Air Ratio aktual proses
pembakaran terhadap Fuel Air Ratio stoichiometric proses pembakaran. Nilai Fuel Air Equivalence Ratio dapat dihitung dengan persamaan (2.39).
stoic act
FAR FAR
(2.39)
Dengan adalah nilai Fuel Air Equivalence Ratio, FARact adalah nilai Fuel
Air Ratio aktual, dan FARstoicadalah nilai Fuel Air Ratio stoichiometric. Nilai
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
33
> 1 merupakan rich mixture, nilai = 1 merupakan soichiometric mixture, dan nilai < 1 merupakan lean mixture.
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
34
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Alur Penelitian
Penelitian mesin PLTGU PT. INDONESIA POWER UNIT
PEMBANGKITAN SEMARANG melalui serangkaian proses dari awal hingga akhir yang dapat dideskripsikan melalui diagram alir pada Gambar 3.1.
Mulai
Survey Pembangkit Tenaga Gas dan Uap
Perumusan Masalah
Menentukan Tujuan Penelitian
Studi Literatur
A
PLAGIAT MERUPAKAN TINDAKAN TIDAK TERPUJI
35
Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
A
Pengambilan Data: 11. Parameter Sistem
Pembangkit Listrik 12. Parameter Lingkungan
Sistem Pembangkit Listrik
Lengkap?
Perhitungan dan Analisis
Kesimpulan dan Saran
Selesai Tidak
Ya
