Salah satu parameter yang digunakan untuk mengetahui keandalan dari pembangkit listrik adalah effisiensi thermal pembangkit. Pada pembangkit listrik tenaga gas (PLTG) di Pemaron Singaraja menggunakan siklus terbuka sederhana. Siklus terbuka sederhana memiliki kelemahan dalam effisiensi pembangkit yaitu effisiensinya yang rendah. Hal ini disebabkan karena temperatur gas buang yang bertemperatur tinggi tidak lagi dimanfaatkan. Jika energi yang terkandung pada gas buang ini dimanfaatkan maka dapat meningkatkan effisiensi pembangkit dan kerja dari pembangkit akan lebih optimal. Salah satu usaha yang dapat dilakukan untuk meningkatkan effisiensi dan mengoptimalkan kinerja pembangkit listrik melalui pemanfaatan gas buang yaitu dengan menggunakan komponen penukar panas. Komponen ini biasa disebut dengan regenerator. Dalam artikel ini, regenerator akan digunakan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap effisiensi pembangkit, konsumsi bahan bakar, kalor masuk ruang bakar dan temperatur masuk ruang bakar. Dalam artikel ini tidak akan melakukan perancangan regenerator. Parameter utama pada regenerator adalah effektifitas regenerator dalam memanfaatkan gas buang atau memindahkan panas. Regenerator yang umum digunakan pada turbin gas memiliki nilai effektivitas antara 60% sampai 80%. Berdasarkan nilai ini kemudian akan dilakukan analisa mengenai data – data yang sudah disebutkan sebelumnya. Setelah penambahan regenerator beberapa nilai temperatur masuk dan keluar di setiap komponen utama akan mengalami perubahan kecuali pada kompresor dan turbin. Dari tugas akhir ini didapatkan nilai effisiensi meningkat dari rata – rata awal sebesar 24,29% sedangkan setelah penambahan regenerator menjadi 52,23% untuk nilai effektivitas regenerator terendah yaitu 50% dan pada nilai effektivitas regenerator tertinggi yaitu 80% effisiensi thermal bernilai 60,27%. Untuk tingkat konsumsi bahan bakar mengalami perubahan dari rata – rata awal 0,39 ltr/kwh, setelah penambahan regenerator menjadi 0,1768 ltr/kwh untuk nilai effektivitas regenerator terendah 50% dan pada nilai effektivitas regenerator tertinggi 80% konsumsi bahan bakar menjadi 0,1532 ltr/kwh. Nilai – nilai tersebut juga dapat diketahui dalam bentuk grafik.
Kata Kunci — effektivitas regenerator, effisiensi thermal, konsumsi bahan bakar, PLTG, regenerator.
I. PENDAHULUAN
aat ini Indonesia dapat dikatakan merupakan salah satu negara berkembang, dimana banyak industri yang melakukan proses produksinya di Indonesia. Semua proses
produksi industri – industri tersebut memerlukan energi listrik. Sejalan dengan tuntutan keadaan maka kapasitas produksi akan meningkat dan mengakibatkan bertambahnya permintaan energi. Tambahan suplai energi ini belum termasuk dari semakin bertambahnya jumlah rumah penduduk dan industri kecil. Tidak dapat dipungkiri energi listrik menjadi salah satu kebutuhan saat ini. Oleh karena itu, keandalan serta effisiensi dari pembangkit listrik harus dapat ditingkatkan agar tetap mampu memenuhi kebutuhan pelanggan. Salah satu jenis pembangkit listrik yang ada di Indonesia adalah pembangkit listrik tenaga gas (PLTG).
Komponen utama penyusun PLTG adalah kompresor, ruang bakar dan turbin. Fluida kerjanya merupakan udara bebas dari lingkungan sekitar. Bahan bakar yang digunakan pada PLTG Pemaron adalah high speed diesel (HSD). Udara terkompresi dan bahan bakar ini tercampur didalam ruang bakar kemudian gas hasil pembakaran ini akan menggerakkan turbin. Dari putaran turbin akan memutar generator sehingga akan dihasilkan tenaga listrik. Prinsip kerja turbin gas adalah mengubah energi kinetik menjadi energi mekanik yang akan menggerakkan generator. Keuntungan penggunaan turbin gas sebagai pembangkit tenaga listrik adalah mudah diinstal, proses kerja tidak rumit, dimensi relatif kecil dan yang utama turbin gas cocok untuk mengatasi beban puncak.
Turbin gas siklus terbuka dimana gas panas yang telah diekspansikan dari turbin akan dibiarkan keluar melalui cerobong asap. Sedangkan siklus tertutup adalah dimana gas bekas tersebut digunakan untuk memanaskan fluida kerja yang lain misalnya air sehingga akan terjadi sistem pembangkit listrik tenaga gas-uap, sistem ini biasa disebut combine cycle. Alternatif lain pemanfaaatan gas buang adalah digunakan untuk memanaskan udara hasil kompresi sebelum masuk ke ruang bakar, sistem ini biasa disebut dengan siklus regenerasi dengan komponennya disebut regenerator.
Adapun permasalahan pada saat ini adalah bagaimana memanfaatkan gas buang yang masih memiliki temperatur tinggi sehingga tidak akan terjadi kerugian pada proses pembangkitan listrik tersebut. Dari data logsheet operasional pembangkit diketahui bahwa temperatur keluar turbin yang dibuang ke atmosfer berkisar pada 400OC – 500O
UBP Pemaron Singaraja Bali)
C. jika
Ahmed Sofan Dhana dan Ir. Kadarisman
Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail: kadarisman@me.its.ac.id
menurut data commissioning perusahaan pada tahun 2004 temperatur rata – rata gas buang pembangkit ini adalah 469,37 O
II. URAIANPENELITIAN
C. Temperatur outlet ini sangat tinggi jika harus dibuang begitu saja ke atmosfer. Usaha untuk memanfaatkan temperatur ini adalah dengan menambahkan heat recovery steam regenerator (HRSG) atau regenerator pada pembangkit yang sudah ada. Berdasarkan pengamatandilokasi pembangkit listrik karena keterbatasan lahan dan pembangkit listrik tidak bekerja selama 24 jam penuh maka dipilihlah penggunaan regenerator. Dengan penambahan regenerator diharapkan mampu meningkatkan effisiensi siklus pembangkit. Regenerator digunakan untuk memanaskan gas hasil kompresi sebelum masuk ruang bakar maka diharapkan juga mampu mengurangi konsumsi bahan bakar.
Analisa yang akan dilakukan nantinya berupa perhitungan temperatur masuk dan keluar pada masing – masing komponen, effisiensi thermal pembangkit listrik setelah dilakukan penambahan regenerator, laju alir massa bahan bakar, kalor masuk ruang bakar, temperatur masuk ruang bakar, nilai effektivitas dari regenerator dan specific fuel consumption (SFC).
A. Dasar Teori
Turbin siklus regeneratif adalah modifikasi dari siklus turbin gas terbuka sederhana dengan menambahkan heat exchanger untuk manfaat panas gas buang. Panas gas buang akan digunakan untuk meningkatkan temperatur gas yang akan masuk ke ruang bakar sehingga akan diperoleh temperatur pembakaran yang maksimal karena temperatur inlet ruang bakar sudah tinggi maka akan terjadi penghematan bahan bakar untuk meningkatkan temperatur outlet ruang bakar sesuai dengan yang diinginkan. Heat exchanger yang digunakan adalah tipe regenerator. Penambahan regenerator pada turbin gas atau pembangkit listrik tenaga gas akan meningkatkan performa dari sistem pembangkit. Gambar 2 menunjukkan sistem pembangkit listrik dengan regenerator.
Gambar 2 Sistem turbin gas sederhana
Siklus turbin gas ini ada 2 macam yaitu siklus ideal dan aktual. Siklus ideal pada sistem tersebut tidak terdapat kebocoran maupun penurunan tekanan pada regenerator. Siklus regeneratif ideal mempunyai nilai effectiveness sama dengan 1 dan akan menaikkan temperatur keluar kompresor sama dengan temperatur gas buang keluar heat exchanger yang menuju ke cerobong serta temperatur keluar heat exchanger yang menuju ke ruang bakar sama dengan temperatur outlet turbin. Sedangkan siklus aktual banyak pertimbangan yang tidak dapat diabaikan[10]
B. Regenerator
yaitu nilai effectiveness kurang dari 1, terjadi kebocoran pada seal aliran fluida yang melintasi heat exchanger dan terjadi penurunan tekanan pada setiap laluan pada regenerator.
Merupakan jenis heat exchanger yang terdiri dari matrik – matrik dimana aliran panas dan dingin mengalir secara berkala. Pertama kali aliran panas akan memberikan panas pada regenerator. Kemudian aliran fluida dingin akan melintasi pada saluran yang sama untuk menyerap panas yang terdapat pada regenerator. Tipe regenerator yang digunakan pada artikel ini adalah rotary regenerator, regenerator ini dapat dilihat pada Gambar 3 (a) dan (b). Rotary regenerator atau dapat disebut sebagai hot wheel atau air preheater merupakan sebuah disk berongga yang berukuran cukup besar, dibuat dari material yang mempunyai kapasitas panas tinggi dan berputar antara sisi panas dan dingin secara bergantian (satu sisi fluida panas dan sisi lainnya fluida dingin). Alat ini dapat digunakan untuk batas temperatur yang tinggi pada temperatur gas buang.
(a)
(b)
Gambar 3. Rotary heat exchanger atau heat wheel
Rotary regenerator secara khusus digunakan pada perpindahan panas antara fluida gas dengan gas dan utamanya pada aplikasi sistem heat recovery. Peralatan ini terdiri dari rotor yang biasanya terbuat dari material yang bergelombang. Rotor ini berputar lambat. Sedangkan pada permukaan perpindahan panas yang dilalui aliran fluida biasanya terbuat dari material baja yang tersusun secara sel-sel (struktur matriks). Ketika gas panas mengalir pada saluran regenerator, energi thermal disimpan pada dinding – dinding matriks. Selama gas dingin mengalir pada laluan yang lain maka energi panas akan dipindahkan ke fluida dingin. Fluida panas dapat berada pada laluan fluida dingin karena perputaran rotor regenerator. Hal ini berlangsung secara terus menerus[7]
C. Parameter Performa Regenerator
.
Parameter pada regenerator diantaranya yaitu : 1. Heat Transfer
Heat transfer merupakan indikator untuk mengetahui seberapa effektif regenerator dalam memindahkan panas. Semakin besar perpindahan panas menandakan bahwa regenerator bekerja dengan baik. Dengan semakin baiknya kerja regenerator maka akan menghasilkan nilai effisiensi siklus turbin gas regeneratif yang lebih tinggi. Pada regenerator dikenal istilah regenerator effectiveness. Effectiveness merupakan parameter kemampuan dari regenerator untuk memindahkan panas dari fluida panas ke fluida dingin. Nilai effektivitas ini berkisar antara 0 – 1. Nilai effektivitas 0 menunjukkan bahwa tidak terjadi perpindahan panas pada regenerator. Sedangkan jika bernilai 1 merupakan suatu keadaan yang sempurna dari regenerator karena mampu memindahkan seluruh energi panas, namun keadaan ini tidak mungkin tercapai dalam kondisi nyata karena banyaknya faktor yang mempengaruhi dari kerja regenerator.
2. Kebocoran Fluida
Gas turbin regeneratif harus mempunyai tingkat kebocoran fluida yang rendah pada saat terjadi perpindahan panas untuk mencapai perpindahan panas yang maksimum. Oleh sebab itu perlu dipasang segel untuk mencegah kebocoran ini. Kebocoran ini terjadi pada bagian inti (core) regenerator. 3. Penurunan Tekanan
[3]
Penurunan tekanan terjadi karena adanya gesekan antara
Regenerator pada dasarnya membutuhkan daya untuk memutar inti (core) regenerator dari satu aliran ke aliran lainnya. Jika dibandingkan dengan daya output turbin maka daya ini cukup kecil karena regenerator pada umumnya berputar dengan kecepatan ± 0,5 rpm – 3 rpm[9]
III. PERHITUNGAN .
Persamaan yang digunakan pada pembahasan artikel ini sebagai berikut :
1. Perhitungan pada Kompresor
Ẇcomp = ṁudara * (h2 – h1) (kW) ...…….… 1 dimana : h1 = entalpi masuk kompresor (kJ/kg)
h2 = entalpi keluar kompresor (kJ/kg) ṁudara
T
= laju alir massa udara (kg/s) 2. Perhitungan Pada Ruang Bakar
2.1 Perhitungan Temperatur Masuk Ruang Bakar
3 = T2 + ε ( T5 - T2 ) (K) ………... 2 dimana : T2 = temperatur keluar kompresor (K)
T5 = temperatur keluar turbin (K)
ε = effectiveness regenerator, bernilai 0,50 ; 0,60 ; 0,70 ; 0,80
2.2 Perhitungan Kalor Masuk Ruang Bakar
in = [(ṁfuel + ṁudara )*h4] – (h3 * ṁudara) (kW) ……….. 3
in = ṁfuel * LHV (kW) …..………... 4
dimana : h3 = entalpi masuk ruang bakar (kJ/kg) h4 = entalpi keluar ruang bakar (kJ/kg) ṁfuel = laju alir massa bahan bakar (kg/s) LHV = low heating value, nilai kalor bawah bahan
bakar didapat dari data perusahaan yaitu 10.900 kcal/kg = 45636 kJ/kg.
2.3 Perhitungan Air Fuel Ratio (AFR) [11]
AFR = ……….…… 5
dimana : ṁudara = laju alir massa udara (kg/s) ṁfuel = laju alir massa bahan bakar (kg/s) 2.4 Perhitungan Laju Alir Massa Bahan Bakar
ṁfuel = kg/s ………...…. 6
3. Perhitungan pada Turbin
Ẇturbin / ṁfg = h4 – h5 (kJ/kg) …….... 7 Ẇturbin = ṁfg * (h4 – h5) (kW) ………… 8 dimana : Ẇt = kerja turbin (kW)
h4 = entalpi masuk turbin (kJ/kg) h5 = entalpi keluar turbin (kJ/kg)
ṁfg = laju alir massa flue gas (kg/s)
Untuk nilai entalpi masuk dan keluar turbin didapat dari perhitungan standar ASME PTC22 – 2005[1]
4. Perhitungan pada Regenerator
4.1 Kalor Yang Mampu Dipindahkan Regenerator[8]
regen / ṁfg = cpfg * (T5 – T6) (kJ/kg) ….. 9 regen = ṁfg * cpfg * (T5 – T6) (kw) …… 10
dimana : Qregen = kalor yang dipindahkan
T5 = temperatur masuk regenerator (Kelvin)
T6 = temperatur keluar regenerator (Kelvin)
cpfg = kalor jenis flue gas (kJ/kg.K) 4.2 Perhitungan Temperatur Fluida Panas Keluar Regenerator[8]
T6 = T5 - (K) ..………...….. 11
dimana : T6 = temperatur fluida panas keluar regenerator (K) T5 = temperatur fluida panas masuk regenerator (K) Ccold = kalor jenis fluida dingin (kW)
Chot = kalor jenis fluida panas (kW) 5. Perhitungan Cerobong Asap[4]
T7 = (Kelvin) ………. 12
dimana : T7 = temperatur keluar cerobong asap (K)
Patm = tekanan udara bebas (atm) ρair-ins = densitas udara didalam stack (kg/m3)
g = percepatan gravitasi (9,81 m/s2) T6 = temperatur flue gas masuk stack (K)
H2 = tinggi cerobong asap (meter) H1 = tinggi saluran masuk flue gaspada stack
(meter)
6. Perhitungan Kerja Netto Sistem
Ẇnett = Ẇturbin - Ẇcomp (kW) ………... 13
dimana : Ẇturbin = kerja turbin (kW) Ẇcomp = kerja kompresor (kW) 7. Effisiensi Thermal Sistem
η
thermal = % ……….. 14dimana : Ẇnett = kerja netto sistem (kW) = kalor masuk ruang bakar (kW) 8. Konsumsi Spesifik Bahan Bakar
SFC = kg/kwh ……..…….… 15
SFC = x Ltr/kwh …….….… 16 dimana : SG adalah specific gravity bahan bakar yang bernilai 0,8498 kg/ltr
IV. ANALISAGRAFIK
Dari hasil perhitungan diperoleh nilai – nilai yang menunjukkan indikator yang dibutuhkan dalam analisa penambahan regenerator. Data – data tersebut ditampilkan dalam bentuk grafik sebagai berikut :
Gambar 4. Grafik perbandingan effisiensi thermal siklus
Tren grafik Gambar 4 dari hari ke hari fluktuatif hampir tidak ada yang konstan hal ini disebabkan salah satunya karena daya output yang selalu berubah setiap harinya. Selain itu dapat diketahui bahwa semakin besar nilai effektivitas regenerator akan dihasilkan nilai effisiensi thermal sistem yang semakin besar. Sebaliknya saat menggunakan nilai effektivitas regenerator yang rendah nilai effisiensi thermal sistem rendah.
Gambar 5. Grafik perbandingan konsumsi bahan bakar
Pengaruh lain dari penambahan regenerator adalah semakin rendahnya nilai specific fuel consumption (SFC). Hal ini disebabkan karena ruang bakar membutuhkan lebih sedikit bahan bakar untuk memanaskan fluida kerja hingga mencapai temperatur kerja turbin yang diharapkan. Hal ini dapat diketahui dari Gambar 5 diatas. Berkurangnya suplai bahan bakar yang masuk ruang bakar dapat diketahui dari Gambar 6. Pada grafik tersebut diketahui bahwa terjadi perbedaan yang signifikan saat dilakukan penambahan regenerator. Tren grafik yang masih berfluktuasi juga masih disebabkan karena perubahan daya output dari hari ke hari. Semakin besar daya output maka bahan bakar yang dibutuhkan semakin banyak. Pada Gambar 7, terlihat bahwa dengan penambahan regenerator dihasilkan temperatur masuk ruang bakar yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan karena udara terkompresi telah mengalami pemanasan dengan memanfaatkan temperatur flue gas. Meningkatnya temperatur masuk ruang bakar merupakan awal dari peningkatan effisiensi thermal sistem.
Gambar 6. Grafik perbandingan mass flow rate bahan bakar
Gambar 7. Grafik perbandingan temperatur masuk ruang bakar
Gambar 8. Grafik perbandingan kalor masuk ruang bakar
Penggunaan regenerator disebabkan karena temperatur gas buang yang dilepas ke atmosfer masih terlalu tinggi dan masih dapat dimanfaatkan. Dengan adanya regenerator maka temperatur keluar cerobong asap akan jauh berkurang. Grafik pada Gambar 9 menunjukkan perbandingan temperatur keluar cerobong asap sebelum dan sesudah penambahan regenerator. Dengan semakin meningkatnya effektivitas regenerator maka temperatur gas buang akan semakin rendah karena sebagian besar panas sudah dipindahkan ke udara terkompresi melalui regenerator. Temperatur keluar cerobong asap memiliki standar tidak boleh kurang dari 150OC karena jika kurang dari temperatur tersebut maka dikhawatirkan akan ada polutan yang tertinggal pada saluran gas buang dan dinding cerobong asap. Polutan ini tidak terbawa keluar karena pada temperatur dibawah 150OC, polutan seperti sulfur berubah fase dari gas menjadi cair dan akan menempel pada saluran gas buang. Jika polutan ini dibiarkan maka akan menimbulkan kerusakan pada saluran gas buang salah satunya dapat berupa korosi.
Gambar 9. Grafik perbandingan temperatur keluar cerobong asap
Penambahan regenerator mampu memberikan penghematan sebesar Rp. 33.688.142,- sampai dengan Rp. 42.856.254,- untuk pembelian bahan bakar HSD. Selain itu penambahan regenerator tentu membutuhkan biaya investasi yang tidak sedikit maka dengan penghematan tersebut dibutuhkan 7 tahun untuk mencapai break even point jika
digunakan regenerator dengan effectiveness 50% dan 9 tahun jika effectiveness regenerator 80%. Gambar 10 merupakan perbandingan yang dikeluarkan untuk biaya bahan bakar.
Gambar 10. Grafik perbandingan biaya pembelian bahan bakar
V. KESIMPULAN
Dari hasil perhitungan dan analisa grafik yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa penggunaan regenerator bermanfaat untuk operasional pembangkit listrik. Dari sisi engineering penggunaan regenerator dapat meningkatkan effisiensi thermal dan mampu menghemat sejumlah bahan bakar. Sedangkan dari sisi ekonomi juga menguntungkan karena mampu menghemat biaya untuk pembelian bahan bakar. Pemasangan regenerator dengan nilai effektivitas yang lebih tinggi memerlukan biaya manufaktur yang lebih besar maka hal ini yang harus dijadikan pertimbangan utama dari pihak perusahaan. Selain itu, analisa dalam artikel ini masih kurang mendalam karena tidak menyertakan analisa perancangan regenerator oleh sebab itu akan lebih baik pada penelitian selanjutnya disertakan analisa mengenai perancangan regenerator
UCAPANTERIMAKASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak Ir. Kadarisman karena telah membimbing dan memberikan banyak masukkan kepada penulis dalam penyelesaian artikel ilmiah ini. Tidak lupa juga kepada Bapak Bambang Sudarmanta, Bapak Ary Bachtiar dan Bapak Is bunyamin selaku dosen pembahas. Kepada teman – teman laboraturium Perpindahan Panas dan Massa dan semua pihak yang berkenan meluangkan waktu untuk diskusi bersama. Terima kasih.
DAFTARPUSTAKA
[1] American Society of Mechanical Engineers, 2005, “Gas Turbine
Performance Test Code ASME PTC – 22”, New York.
[2] Bathie, Willian W., 1996, “Fundamental of Gas Turbines 2nd Edition”, Iowa : John Wiley and Sons.inc.
[3] Beck, Douglas Stephen & David Gordon Wilson, 1996, “Gas-Turbine
Regenerators”, New York : International Thompson Publishing.
[4] CIBSE guide Applications Manual AM10 Natural Ventilation in Non-Domestic Buildings (1997)
[5] Cohen, H., Rogers &GFC. Saravanmutto, 1991, “Gas Turbine
Theory3rd Edition”, Singapore : Longman Scientific & Technical.
[6] Dietzel, Fritz, 1980, “Turbin Pompa dan Kompresor”, Jakarta :Penerbit Erlangga.
[7] Ghodsipour, N & Sadrameli, M, 2002, “Experimental and Sensitivity
Analysis of a Rotary Air Preheater for The Flue Gas Heat Recovery”,
Postgraduate School of Engineering, Tarbiat Modarres Unversity, Iran. [8] Incropera Frank P. & Dewitt David P, “Fundamentals of Heat and Mass
Transfer Fifth Edition”, John Wiley and Sons.
[9] Kuppan, T, 2000, “Heat Exchanger Design Handbook”, Marcel Dekker,Inc.
[10] Makapuan, Rocky Samuel Yulianto, 2002, “Analisa Teknis dan
Ekonomis Terhadap Kemungkinan Penambahan Regeneratif Cycle pada Sistem Turbin Gas Siklus Terbuka Sederhana di Cinta Natomas Barge Milik Repsol YPF. Maxus SES”, Surabaya : Teknik Sistem Perkapalan
FTK – ITS.
[11] M.M Rahman dkk, 2010, “Thermal Analysis of Open-Cycle Regenerator
Gas Turbine Power-Plant”, World Academy of Science, Engineering
and Technology.
[12] Moran, Michael. J & Howard N. Shapiro, 2004 “Termodinamika Teknik
Jilid 2”, Jakarta : Erlangga.
[13] P. Boyce, Meherwan, 2006, “Gas Turbine Engineering Handbook 3rd
Edition”, Gulf Professional Publishing.
[14] Raja, A.K, Amit Prakash Srivastava & Manish Dwivedi, 2006, “Power
Plant Engineering” , New Delhi : New Age International (P) Ltd.
