Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Perencanaan Sistem Pendingin Udara Masuk Gas Turbin 15
oC
Menggunakan Absorption Chiller di PLTGU UBP PRIOK
Agung Subagio¹∙ᵃ , Budihardjo, Rivaldo Garchia¹ Departemen Teknik Mesin,
Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok, Indonesia (16424) Tel : (+62 21) 7270032 ext. 203. Fax : (+62 21) 7270033
ᵃemail:agsub@eng.ui.ac.id,rivaldo.garchia@ui.ac.id
Abstrak
Menaikan daya output turbin gas dapat dilakukan dengan mendinginkan udara masuk kedalam turbin gas tersebut, karena daya output turbin gas dapat dihitung dengan perkalian aliran masa udara dengan jatuh enthalpy pada turbinnya. Dalam PLTGU sudah tersedia uap sebagai penggerak turbin uap, namun sumber panas tersebut dapat dipergunakan sebagai penggerak mesin Absorbtion Chiller, yang akan mendinginkan udara masuk kedalam turbin gas. Beban pendinginan udara dihitung berdasarkan data cuaca selama 24 jam pada keadaan cuaca maximum dan pola operasi PLTGU serta penggunaan Thermal Energy Storage (TES) , agar kapasitas mesin pendingin optimal, sehingga tingkat Benefit Cost dan Financial parameter memenuhi persyaratan perbankan.
Perhitungan beban pendinginan berdasarkan udara masuk turbin gas sebesar 150C sesuai standar ISO dan pola operasi PLTGU selama 12 jam , sehingga 12 jam lainnya merupakan waktu operasi mesin pendingin untuk menyimpan air dingin didalam TES, yang berguna untuk memperkecil kapasitas mesin pendingin. Kebutuhan uap sebagai penggerak Absorbtion Chiller diperhitungkan sesuai beban pendingin tersebut, termasuk penurunan kapasitas turbin uap. Biaya pembangunan pemasangan sistim pendingin dan TES dihitung, agar dapat menghitung parameter financial seperti Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR) dan Benefit Cost Ratio (BCR).
PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasi turbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83 MW pada suhu operasi 33 0C, apabila udara masuk turbin gas diturunkan menjadi 15 0C, diperoleh kenaikan daya turbin gas 11 MW dan kenaikan efisiensi 4 %, namun ada penurunan daya turbin uap sebesar 3.27 MW. Dari data operasi selama 2014 diperoleh produksi listrik 2 GT sebesar 1,054,664,000 kWh, tarip listrik Rp 732/kWh, rencana waktu operasional 20 tahun, dan total investasi pemasangan sistim pendingin sebesar USD 11,271,097.- , maka diperoleh NPV: USD 24,295,977.- , BCR : 2.06 , IRR : 42.15 % . Kenaikan efisiensi 4 % akan menghemat bahan bakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahun dengan asumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu.
Melihat keuntungan dan penghematan yang diperoleh, maka selayaknya pemasangan mesin pendingin untuk menurunkan suhu udara masuk turbin gas layak dipertimbangkan.
1. Pendahulua
Turbin Gas yang terpasang di daerah udara panas seperti Indonesia, mengalami penurunan daya output dibandingkan dengan kemampuannya dari pabrikan, karena diuji kinerjanya pada temperatur 150C sesuai dengan standart ISO. Oleh karena itu dengan temperatur rata-rata 330C khususnya di Jakarta, menyebabkan penurunan kapasitas out Turbin Gas cukup berarti, yakni lebih dari 10 %, sehingga potensi tersebut perlu diberdayakan, bahkan akan mendapat
tambahan daya lebih dari 10%, apabila uadara masuk ke turbin diturunkan mendekati temperature 150C. Karakteristik daya output terhadap perubahan temperature udara masuk, yakni sesuai dengan perhitungan daya output turbin gas yang merupakan fungsi dari aliran masa udara masuk, dimana makin dingin temperature udara maka akan makin berat udara tersebut, karena density akan lebih besar, apabila temperature udara tersebut makin dingin. Untuk mendinginkan udara masuk ke
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 kompresor dari 330C menjadi 150C perlu
mesin pendingin, baik menggunakan mechanical refrigeration atau dengan absorbtion refrigeration. Kedua jenis mesin pendingin tersebut perlu dikaji pemilihannya, karena menyangkut kinerja mesin pendingin terhadap daya out put turbin gas yang dihasilkan, baik dari sisi teknis maupun sisi ekonomis yang perlu dipertimbangkan.
PLTGU Tanjung Priok Blok 1 terdiri dari 3 unit Turbin Gas (ABB-GT 13 E1)dengan kapasitas rata rata 130 MW pada kondisi ISO (150C), sedangkan kondisi temperature operasional di Tanjung Priok sebesar rata-rata 33 0C ( siang hari). Dari data operasi th 2014 diperoleh produksi listrik sebesar
1,059,664.000.- kWh dari 2 unit turbin gas
dengan output rata-rata 100 MW dan pola operasi 12 jam per hari . Oleh karena itu apabila temperaturnya diturunkan menjadi 150C, maka akan diperoleh tambahan daya sebesar 2 x 30 MW: 60 MW.
Perhitungan beban pendingin untuk mendinginkan udara masuk Turbin gas menjadi suhu 150 C dan penggunaan Thermal Energy Storage (TES) akan menghasilkan kapasitas mesin pendingin yang optimal, sehingga diperoleh biaya investasi tidak terlalu tinggi dibandingkan keuntungan financial yang diperoleh .
2. ANALISIS PERHITUNGAN 2.1 Analisis Kondisi Lingkungan
Wilayah Tanjung Priok termasuk dalam daerah beriklim tropis dengan perbedaan curah hujan yang cukup kecil sekali dan di pengaruhi oleh iklim musim. Secara umum daerah tanjung priok memiliki dua musim yaitu musim kemarau antara bulan April-September dan musim hujan antara bulan Oktober-Maret dimana temperatur rata-rata tiap jam dan tiap bulannya dapat dilihat dari grafik dibawah ini. Dalam hal ini tempertaur udara ambient yang di ambil sebagai acuan udara masuk turbin gas sebesar 33oC.
Grafik 4.2 Data temperatur per jam PLTG Tj Priok tiap bulan
2.2 Diagram GT + Absorption Chiller
Gambar 4.1 Skematik PLTG dengan Absorption Chiller Diagram diatas menggambarkan komponen-komponen yang ada dalam sistem absorption chiller. Absorption Chiller (Sistem Pendingin Penyerepan Uap) adalah alat penukar kalor yang berfungsi sebagai pendingin dengan menggunakanprinsip kimia-fisika, dimana sebagai pengganti kompresor untuk menaikan tekanan refrigerannya terdapat absorber, pompa dan generator dengan fungsi yang sama.
2.3 Perhitungan Beban Pendingin
Menentukan panas yang diserap dari temperatur ambient PLTG TJ Priok hingga mencapai temperatur yang di inginkan seperti temperatur standar menurut ISO yaitu 150C .
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
Dimana ;
= laju massa udara pada PLTG TJ Priok yaitu 467 kg/s
= Kalor jenis udara yaitu 1,006 kJ/kg.K = Perubahan temperatur ambient menjadi temperatur yang diinginkan
2.3.1. Beban pendingin dari temperatur
ambient ke temperatur 150C
Grafik 4.3 Data beban pendingin dari temperatur ambient hingga temperatur 150C
Grafik di atas menunjukan beban pendingin pada PLTG TJ Priok dari temperatur ambient hingga temperatur standar ISO yaitu 150C tiap jamnya selama 24 jam tiap bulannya. Dari grafik diatas beban pendinginan yang akan digunakan berada di titik antara pukul 09.00–21.00. Hal ini karena, pada pukul tersebut turbin gas bekerja dan membutuhkan pendinginan di bagian inlet kompresornya.
Grafik 4.4 Data beban pendingin rata-rata tiapjamnya dari temperatur ambient hingga 150C
Grafik diatas menunjukkan beban pendinginan
rata- rata tiap jamnya. Untuk mendapatkan total beban pendingin antara pukul 09.00 – 21.00. Pertama kali kita harus mencari energi listrik yang dibutuhkan untuk sistem pendingin tersebut dengan menggunakan integral fungsi kuadrat grafik diatas.
Sistem pendingin ini nantinya akan bekerja selama 24 jam, artinya selama 24 jam penuh sistem pendingin akan menghasilkan air pendingin yang akan disalurkan ke cooling coil untuk mendinginkan udara masuk.
Maka beban pendinginan yang dibutuhkan untuk mendinginkan temperatur udara ambient ke temperatur udara sesuai standar ISO 150C adalah 11034,9 kW.
2.3.2 Dimensi Thermal Energy Storage
untuk temperatur ambien 150C
Dari perhitungan sebelumnya, beban
pendinginan pada temperatur 150C diperoleh sebesar 11034,9 kW. Pada PLTG TJ Priok satu thermal energy storage dipergunakan untuk mendinginkan 2 turbin gas sehingga beban pendingin totalnya adalah 22069,8 kW. Untuk mendapatkan udara masuk ke Kompresor dengan suhu 150C, maka perlu air pendingin dengan suhu minimum 80C, dengan ∆T ideal/optimum sebesar 70C. Sedangkan suhu air keluar dari cooling coil
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 nominalnya adalah 200C.
Jika kalor jenis air adalah 4,18 kJ/kg.K , maka kebutuhan aliran air dari cooling coil sebesar :
• Tout (Chilled Water) = 8oC • Tin (Chilled Water) = 200C • Q = 22069,8 kw (2 turbin gas) • Cp =4,18 kj/kg.K
Apabila proses pendinginan air pendingin berlangsung selama 24 jam maka volume tangki dari Thermal Energy Storage sebesar:
Untuk mendinginkan temperatur udara masuk kompresor hingga mencapai 150C dibutuhkan ukuran tangki Thermal Energy Storage dengan volume sebesar 38014 m3.
2.4 Skematik Thermal Energy Storage
Perlu dijelaskan bahwa Thermal Energy Storage memiliki 2 suhu air, yakni bagian atas bersuhu tinggi dan bagian bawah bersuhu lebih dingin. Hal tersebut terpisah karena air bersuhu lebih tinggi akan mempunyai density lebih ringan, dibandingkan dengan air bersuhu lebih dingin, sehingga air dengan beda suhu akan terpisah, seperti terlihat dalam gambar dibawah ini.
Gambar 4.5Thermal energy Storage
2.5 Perhitungan COP Sistem
Pendingin
Absorption Chiller
Dalam perhitungan siklus absorpsi ini, refrigeran dan absorber yang digunakan
Water-Lithium Bromide (LiBr-H O). Data-data yang
digunakan dalam perencanaan adalah : 1. Temperatur kondensasi : 60°C 2. Temperatur evaporasi : 1°C 3. Temperatur absorber : 30°C 4. Temperatur generator : 110°C
Dalam perhitungan selanjutnya penulis akan memberikan komparasi perhitungan COP dengan membedakan variasi temperatur pada kondenser, evaporator, absorber dan generator untuk mendapatkan nilai efisiensi turbin paling tinggi dalam siklus pendingin absorber chiller ini
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015
4.6 Gambar Duhring Plot Diagram
4.7 Gambar Skematik Absorption chiller
Kondisi Termodinamika
• Titik 6, refrigeran dari kondenser dengan kondisi saturated liquid
• Titik 8, refgiferan dari evaporator dengan kondisi saturated vapour :
• konsentrasi LiBr yang terkandung pada uap air setelah keluar dari generator:
Perpotongan antara T6 dan T4 pada duhring diagram
• konsentrasi LiBr yang terkandung pada uap air setelah keluar dari absorber:
Perpotongan antara T8 dan T2 pada duhring diagram
• Titik 2 dan 1 terjadi isoenthalpi
• Titik 4 dan 3 terjadi isoenthalpi h4= h3
• Titik 5, refrigeran panas dalam keadaan jenuh dari generator :
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 •. Beban Refrigerasi •. Beban Kondenser •. Beban Generator •. Beban Absorber •. Coefficient of Performance
•. Laju massa di evaporator
Laju massa yang berada pada evaporator untuk penurunan temperatur hingga 150C. Laju massa pada evaporator dapat dicari dengan cara sebagai berikut:
•. Laju massa di Generator dan Absorber
Laju massa larutan LiBr lemah dan kuat yang terdapat pada generator dan absorber akan berbeda beda untuk penurunan temperatur hingga 150C. Laju massa pada larutan LiBr lemah dan kuat dapat dicari dengan cara sebagai berikut:
Dengan menggunakan simulasi perhitungan EES (Engineering Equation Solving) di dapatlah laju massa aliran larutan LiBr lemah dan kuat sebagai berikut
2.5 Grafik perubahan daya dan Efisiensi Thermal Siklus Dan Daya Output Turbin Gas GT 13E
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Kedua grafik diatas merupakan karakteristik
mesin turbin gas GT13EI terhadap perubahan temperatur ambient. Terlihat bahwa semakin rendah temperatur udara ambient yang masuk kedalam kompresor maka semakin tinggi efisiensi thermal siklusnya, termasuk daya output turbin akan meningkat.
Kenaikan Efisiensi Thermal Siklus dan Daya Output Turbin Gas GT 13E
Kenaikan daya output dan efisiensi thermal siklus PLTG oleh absorption chiller didapat dengan memasukkan variabel temperature ambient terhadap persamaan grafik spesifikasi turbin GT 13EI di atas.
2.6 Perhitungan pengurangan daya Steam Turbin
Pembangkit listrik yang berada pada PLTGU TJ Priok menggunakan prinsip combine cycle, artinya selain menggunakan turbin gas untuk menghasilkan daya listrik, energi dari gas pembungan turbin digunakan untuk enghasilkan steam oleh HRSG (Heat Recovery Steam Generator) sebagai suplai steam untuk unit pembangkit listrik tenaga uap. Meskipun dengan adanya sistem pendingin absorption chiller meningkatkan efisiensi thermal dan daya turbin gas, namun pada turbin uap terjadi penurunan daya yang dihasilkan akibat pemakaian laju aliran massa steam sebagai pemanas pada bagian generator chiller. Daya yang terpakai untuk sistem absorption chiller
Dengan melihat perhitungan di atas, meskipun daya yang terpakai oleh sistem absorption chiller sebesar 3,27 MW. Hal ini engakibatkan daya output yang dihasilkan oleh turbin uap berkurang. Akan tetapi, dengan adanya system pendingin pada absorption chiller ini daya utput yang dihasilkan oleh turbin gas meningkat sebesar 11,87 MW.
3. Analisis Finansial
Analisis keuangan dihitung berdasarkan data operasi tahun 2014 , dimana beban tidak 100 %, tetapi hanya 83 MW, sehingga kenaikan daya output turbin gas 11 MW dan kenaikan efisiensi termal 4 %. Dengan memperhitungkan biaya EPC, bunga pinjaman
No. URAIAN TURBINE INLET AIR TEMPERATURE15 °C 1. Kenaikan daya Output 15,14 MW 2. Kenaikan Effisiensi 3,9 %
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 Bank, diperoleh hasil perhitungan sebagai
berikut :
No. Description
TURBINE INLET AIR TEMPERATURE (°C)
15 20 25
Scenario A Scenario B Scenario C
1. Investment Cost (USD) 11.271.09
7 8.455.436 6.764.349 2. Output Increment per MW 11% 8% 5%
3. Capacity Increment (MW) 11 8 5 4. Production Increment (kWh) Follower Condition 116.013.07 2 84.373.143 52.733.215 Peak Condition 40.150.00 0 29.200.000 18.250.000 Start Stop Condition 57.816.00
0 42.048.000 26.280.000
Financial Assumed
7. MARR 12% 12% 12%
8. Economic Lifetime (years) 20 20 20
9. Tariff (IDR/kWh) 732 732 732 Analysis Result 10. NPV Follower Condition 24.295.97 7 17.320.925 9.332.386 Peak Condition 817.21 8 245.463 -1.339.778 Start Stop Condition 6.284.64
4 4.221.773 1.145.416 11. BCR
Follower Condition 2,06 2,02 1,79
Peak Condition 1,05 1,02 0,84
Start Stop Condition 1,37 1,34 1,13 12. FIRR
Follower Condition 42,15
% 40,71% 31,71% Peak Condition 13,16
% 12,47% 8,66%
Start Stop Condition 20,40
% 19,56% 14,66% 4. KESIMPULAN
Dengan kapasitas pendinginan 11034,9 kW untuk menurunkan temperatur ambient hingga 15 0C dapat direncanakan sistem pendingin absorption chiller dengan perencanaan sebagai berikut:
a. Temperatur Absorber = 300C b. Temperatur Evaporator = 10C c. Temperatur Generator = 1100C d. Temperatur Kondensor = 600C
Dari perencanaan tersebut didapatkan COP Sebesar 0,7901.
Perubahan Temperatur pada masing-masing komponen kondenser, absorber, evaporator dan generator berpengaruh pada perubahan COP Thermal Energy Storage (TES) berfungsi untuk menyimpan air pendingin yang diproduksi 24 jam dalam tangki berisolasi. Kapasitas tangki TES sebesar 38014 3m dapat digunakan sebagai penyuplai air pendingin untuk 2 turbin gas
Untuk penurunan temperatur ambient hingga 15 0C terjadi kenaikan daya output turbin gas sebesar 15,14 MW dan kenaikan efisiensi themal siklus sebesar 3,9 %.
Sumber panas yang didapatkan generator chiller berasal dari HRSG dengan laju aliran
massa steam sebesar 6,37 kg/s. Hal ini mengakibatkan penurunan daya output turbin uap berkurang sebesar 3,27 MW. Hal ini mengakibatkan daya output yang dihasilkan oleh turbin uap berkurang. Akan tetap, dengan adanya sistem pendingin pada absorption chiller ini daya output yang dihasilkan oleh turbin gas meningkat sebesar 11,87 MW. PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasi turbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83 MW pada suhu operasi 33 0C, apabila udara masuk turbin gas diturunkan menjadi 15 0C, diperoleh kenaikan daya turbin gas 11 MW dan kenaikan efisiensi 4 %, namun ada penurunan daya turbin uap sebesar 3.27 MW. Dari data operasi selama 2014 diperoleh produksi listrik 2 GT sebesar 1,054,664,000 kWh, tarip listrik Rp 732/kWh, rencana waktu operasional 20 tahun, dan total investasi pemasangan sistim pendingin sebesar USD 11,271,097.-, maka diperoleh NPV: USD 24,295,977.- , BCR : 2.06 , IRR : 42.15 % .
Kenaikan efisiensi 4 % akan menghemat bahan bakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahun dengan asumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu. Melihat keuntungan dan penghematan yang diperoleh, maka selayaknya pemasangan mesin pendingin untuk menurunkan suhu udara masuk turbin gas layak dipertimbangkan.
REFERENSI
[1] Forest,M Rizki. (2014). Kajian Absorption Chiller Untuk Menaikkan Kinerja Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Jakarta: Universitas Indonesia.
[2] Zogg, Robert A.(2005). Guide to Developing Air-Cooled LiBr Absorptionfor Combined Heat and Power Applications : U.S Department of Energy
[3] Sutriyanto, Himawan, Sarwono& Prawoto. (2011).Pengembangan Small Single-Effek Absorption Chiller Dengan Daya Pendinginan 10 kW. Tangerang : Puspitek
[4] Angga, A Muhamad. (2008).Perencanaan Mesin Pendingin Sistem Absorbsi (Lithium Bromide) Dengan Memanfaatkan Waste Energy Di PT. PJB Paiton Probolinggo. Surabaya:Institut Teknologi Sepuluh November
Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015 [5] Arora, C. P. 2000. Refrigeration and Air
Conditioning. Second Edition. New Delhi : Tata McGraw-Hill Publishing Company, Ltd. [6] Zinet, M., Rulliere, R., & Haberschill, P. (2012). A numerical model for the dynamic simulation of a recirculation single-effect absorption chiller. Energy Conversion and Management, 51–63.
