PERANCANGAN SISTEM TURBINE INLET COOLING UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DENGAN MENGGUNAKAN REFRIGERASI ABSORPSI

(1)

PERANCANGAN SISTEM TURBINE INLET COOLING

UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS

DENGAN MENGGUNAKAN REFRIGERASI ABSORPSI

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

AHMAD ADITYA NIM. 1104211009

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

i

ABSTRAK

Energi listrik sangat berperan penting dalam kemajuan suatu daerah, oleh karena itu ketersediaan energi listrik harus menjadi prioritas. Ketersediaan listrik dapat dicapai dengan dua cara yaitu penambahan pembangkit baru dan meningkatkan efisiensi pembangkit yang ada.

Pada tugas skripsi ini, penulis merancang sebuah sistem pendinginan udara masuk compressor atau TIC (turbine inlet cooling) pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi dari mesin tersebut. Sistem pendinginan yang digunakan adalah refrigerasi absorpsi, dimana energi yang dipakai untuk menggerakan mesin absorpsi adalah limbah energi panas dari turbin gas. Studi data perancangan sistem ini menggunakan data mesin General Electric Frame 9 di PT PLN (Persero) Sektor Belawan.

Perancangan pendinginan refrigerasi absorpsi pada udara masuk kompressor ini dapat meningkatkan daya mampu ± 13% (±17MW), penurunan heat rate ± 3%, penghematan konsumsi bahan bakar sebesar 0,0086 liter/ kwh, penurunan emisi gas buang CO2 2200 kg/jam dan keuntungan lainnya disisi mechanical turbine gas.

(7)

ii ABSTRACT

Electrical energy plays an important role in the progress of a region, therefore the availability of electrical energy should be a priority. The availability of electricity can be achieved in two ways: the addition of new plants and improve the efficiency of existing plants.

In this paper the task, the authors designed a compressor inlet air cooling system or TIC (turbine inlet cooling) on Gas Power Plant with a view to improving the efficiency of the engine. Cooling system used is absorption refrigeration, where the energy is used to drive an absorption machine is waste heat energy from the gas turbine. The study design of the data the system uses the data engine General Electric Frame 9 to PT PLN (Persero) Sector Belawan.

The design of absorption refrigeration cooling the intake air compressor is capable of power can increase ± 13% (± 17MW), a decrease in heat rate of ± 3%, saving fuel consumption by 0.0086 liters / kWh, a decrease in CO2 emissions of 2200 kg / h and profits other gas turbine mechanical side.

(8)

iii

KATA PENGANTAR

Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kepada Illahi rab’bi, Alloh SWT Tuhan Semesta Alam, penjaga langit dan bumi serta seluruh isinya yang telah memberikan rahmat serta karunia-Nya yang sangat tidak terhitung sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas skripsi ini dengan tepat waktu.

Didalam tugas skripsi dengan judul “Perancangan Turbine Inlet Cooling Untuk Meningkatkan Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Gas Dengan Menggunakan Refrigerasi Absorpsi” ini penulis sadar bahwa dari awal sampai akhir penyusunan banyak sekali mendapatkan bantuan moril maupun materil yang sangat membantu dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada :

1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT selaku pembimbing skripsi, terima kasih pak atas inspirasi, ilmu, waktu, motivasi dan perhatian yang telah diberikan sampai terselesaikanya tugas skripsi ini. In shaa Alloh menjadi bekal yang bermanfaat untuk memasuki dunia yang sebenarnya.

2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departement Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara dan selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya.

3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya.

4. Seluruh jajaran manajemen PT. PLN (Persero) Sektor Belawan, terutama Assistant Manajer Engineering Bapak Trisno Widayat, ST atas perhatian dan bantuannya selama ini.

5. Seluruh staf dosen pengajar Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara atas ilmu yang sangat bermanfaat

(9)

iv 6. Ibundaku Aminah yang senyumannya selalu menjadi semangat bagi setiap

perjuanganku, dan semoga cepat sembuh agar bisa melihat ananda wisuda 7. Ayahandaku Abdul Rahim, berkat didikan dan inspirasi hidup, menjadikanku

menjadi seorang laki-laki yang kuat dalam menjalani kehidupan dan tetap berpegang teguh kepada Agama.

8. Ketiga kakaku Dewi Indrayanti, Julianto Ramdani dan Samsul Bahri yang selalu ada untuk menjadi sandaran, ketika adikmu lelah dan letih dalam menghadapi setiap permasalahan hidup.

9. Angreiny Widya Sari Lubis wanita yang selalu memberikan motivasi, semangat, untuk menyelesaikan laporan skripsi ini.

10. Staf administrasi Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara, terutama Bang Lilik dan Bang Syawal atas semua bantuan di masa perkuliahan.

11. Teman – teman di PT PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera bagian Utara Sektor Belawan, terima kasih untuk bantuan ilmu dan informasinya.

12. Teman – teman mahasiswa Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara.

13. Semua pihak yang telah membantu dalam tugas skripsi dan penyusunan laporan ini.

Semoga laporan Tugas Skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca, aamiin

Medan, Juni 2014 Penulis

(10)

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR NOTASI... i ii iii v viii xi xii BAB I BAB II PENDAHULUAN 1.1Latar Belakang……… 1.2Tujuan ……….………... 1.3Manfaat Perancangan……… 1.4Batasan Masalah………... 1.5Sistematika Penulisan... TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sistem Tenaga Listrik……….……… 2.1.1 Pusat Pembangkit Listrik……... 2.1.2 Transmisi Tenaga Listrik... 2.1.3 Distribusi Listrik………... 2.2 Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG)... 2.2.1 Prinsip Kerja PLTG... 2.2.2 Komponen PLTG…... 2.2.2.1 Generator... 2.2.2.2 Air Inlet Section ... 2.2.2.3 Compressor Section ... 1 4 5 5 6 7 7 8 9 9 10 12 13 13 14

(11)

BAB III BAB IV BAB V 2.2.2.4 Turbine... 2.3 Refrigerasi………... 2.3.1 Sejarah Refrigerasi……….…... 2.3.2 Sistem Refrigerasi…... 2.4 Refrigerasi Absorpsi... 2.4.1 Prinsip Kerja Refrigerasi Absorpsi…...…... 2.4.2 Keuntungan Refrigerasi Absorpsi…...…... 2.5 Hubungan Temperatur Udara dengan Gas Turbin... 2.5.1 Energi yang Terjadi Pada Gas Turbin …...…... 2.6 Siklus Termodinamika Pada Gas Turbin... 2.7 Emisi Gas Buang...

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metodologi Penelitian... 3.2 Waktu dan Tempat Penelitian... 3.3 Metode Pengumpulan Data…... 3.4 Rencana Desain Penelitian…………...

PERANCANGAN SISTEM

4.1 Penjelasan Perancangan Sistem………... 4.2 Perancangan Sistem...

4.2.1 Alat Penukar Kalor I (Cooling Heat Exchanger)... 4.2.2 Alat Penukar Kalor II (Heating Heat Exchanger)... 4.2.3 Absorption Chiller...

4.2.3.1 Analisa Mesin Chiller Absorpsi………..

ANALISIS KEUNTUNGAN

5.1 Biaya Investasi……….………...……… 5.2 Keuntungan Penerapan Sistem………...………

5.2.1Kenaikan Daya Mampu……..….……… 5.2.2Penurunan Nilai Heat Rate………..

28 33 33 34 35 35 37 38 38 40 44 47 47 48 49 50 51 53 60 63 65 72 72 73 76

(12)

BAB VI

5.2.3Penurunan Nilai Emisi Gas Buang……… 5.2.4Penurunan Temperatur Exhaust Turbine………. 5.2.5Memperkecil Perubahan Daya Output………. 5.2.6Memperkecil Nilai Kandungan Uap Air………. PENUTUP 6.1 Kesimpulan……… 6.2 Saran………... 79 80 80 81 82 83 DAFTAR PUSTAKA……… LAMPIRAN……….. ix x

(13)

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1 Data beban kelistrikan Sumatera bagian Utara……….…… 1

Gambar 1.2 Pembangkitlistrik Sumatera bagian Utara……….... 3

Gambar 1.3 Spesifikasi Gas Turbin GE Frame 9………..….... 4

Gambar 2.1 Sistem Kelistrikan……….… 7

Gambar 2.2 Sistem PLTG………... 9

Gambar 2.3 Komponen Listrik Tenaga Gas………. 11

Gambar 2.4 Siklus PLTG………. 11

Gambar 2.5 KomponenUtama Gas Turbin……….. 12

Gambar 2.6 Turbin Gas Tipe V 94.2 Siemens………. 13

Gambar 2.7 Generator………. 13

Gambar 2.8 Compressor Stationary Blade Assembly………... 15

Gambar 2.9 Rotor Kompressor………. 16

Gambar 2.10 Compressor Outlet Difusser……… 17

Gambar 2.11 Compressor Rotor Blade………. 18

Gambar 2.12 Combined Journal Bearing………. 19

Gambar 2.13 Combustion Chamber………...………... 20

Gambar 2.14 Pressure Jacket………... 22

Gambar 2.15 Internal Parts……….. 23

Gambar 2.16 Burner Assembly For Liquid And Gaseous Fuels………... 25

Gambar 2.17 Air Mixing Adjustment……… 26

Gambar 2.18 Manhole With Inspecting Tube………... 27

Gambar 2.19 Turbine Rotor……….. 28

Gambar 2.20 Tubin Stationary Blade Assembly………... 29

Gambar 2.21 Turbine Rotor Blade……… 30

Gambar 2.22 Turbine Stator Blade………... 31

Gambar 2.23 Exhaust Gas Diffuser……….. 32

Gambar 2.24 Proses Pemindahan Panas………... 34

(14)

ix

Gambar 2.26 Proses Konversi Energi pada PLTG………... 38

Gambar 2.27 Effect of Ambient Temperature On Gas Turbine Performance... 39

Gambar 2.28 Sistem Gas Turbin... Gambar 2.29 Skematik Diagram UntukTurbin Gas Sederhana... 40 40 Gambar 2.30 Diagram TS Turbin Gas Sederhana... 41

Gambar 3.1 PT PLN (Persero) Sektor Belawan... 47

Gambar 3.2 Perencanaan desain... 49

Gambar 4.1 Perencanaan desain... 50

Gambar 4.2 RencanaPenempatanHeat Exchanger... 51

Gambar 4.3 Perencanaan Desain Psikometrik... 52

Gambar 4.4 Penempatan Heat Exchanger pada Air Intake... 52

Gambar 4.5 Heat Exchanger Cross-Flow... 53

Gambar 4.6 PolaPerpindahanPanasHeat Exchanger I... 54

Gambar 4.7 Perencanaan Desain... 55

Gambar 4.8 Correction Factor Chart... 56

Gambar 4.9 Design Heat Exchanger For Cooling... 57

Gambar 4.10 Design Heat Exchanger For Cooling... 58

Gambar 4.11 Dimensi Air Intake PLTG Lot 3... 58

Gambar 4.12 Arrangement of the tubes in in-lineand staggered tube banks... 59

Gambar 4.13 Rencana penempatan heat exchanger pada air intake... 59

Gambar 4.14 Pola Perpindahan Panas Heat Exchanger II... 60

Gambar 4.16 Design Heat Exchanger For Heating... 63

Gambar 4.17 Katalog Absorption Chiller LG Electronic... 65

Gambar 4.18 Diagram Ph Ammonia... 66

Gambar 4.19 Analisa Diagram PhAmmonia... 66

Gambar 4.20 Siklus Absorpsi... 67

Gambar 4.21 Generator... 68

Gambar 5.1 Data Spesifikasi PLTG Lot 3... 73 Gambar 5.2 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungan dan Output Turbin GE

(15)

x Frame 9... 74

Gambar 5.3 Diagram Hubungan Daya Output dengan Temperatur Udara

Masuk Kompressor... 75 Gambar 5.4 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungan dan Heat Rate Turbin

GE Frame 9... 76 Gambar 5.5 Diagram Hubungan Heat Rate dengan Temperatur Udara Masuk

Kompressor... 77 Gambar 5.6 Diagram Hubungan Konsumsi Bahan Bakar dengan Temperatur

Udara Masuk Kompressor... 78 Gambar 5.7 Grafik Hubungan Emisi Gas Buang dengan Temperatur

Lingkungan... 79 Gambar 5.8 Diagram Hubungan Emisi Gas Buang CO2 dengan Temperatur

(16)

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Data beban kelistrikan Sumbagut Juni 2013……….……... 2 Tabel 2 Perkiraan Rincian Biaya Investasi Penerapan Sistem ……... 72 Tabel 3 Rincian Keuntungan Penerapan Sistem.………..….... 73

(17)

xii

DAFTAR NOTASI

SIMBOL KETERANGAN SATUAN

BP Beban Puncak Megawatt

MW Besaran Energi Listrik Megawatt

V Besaran Tegangan Listrik Volt

ρ Kerapatan Udara Kg/m³

P Tekanan Udara Statis Hpa/Bar

R Konstanta Gas J/Kmol

rp Rasio Kompresi

ɳ

c

Efisiensi Isentropic Kompressor

η

m

Efisiensi Mekanik Kompressor

ṁ_௙ Laju Aliran Bahan Bakar Kg/s

ṁ_௔ Laju Aliran Udara Kg/s

LHV Low Heating Value

TIT Turbine Inlet Temperature °C

Cpf Panas Spesifik Bahan Bakar

Tf Temperatur Bahan Bakar °C

f Rasio Bahan Bakar

Wt Kerja Turbin

Wc Kerja Kompressor

(18)

xiii

ɳ

th Efisiensi Gas Turbin

Cp Coefficient Spesific Kj/Kg.°C

Q Besaran Energi Panas Watt

TR Ton Refrigerasi TR

A Luas Penampang Meter

U Koefisien Panas Watt/m²

L Panjang Meter

v Kecepatan m/s