Perhitungan Unjuk Kerja Gas Turbine M701F

BAB 4 PEMBAHASAN

4.6 Perhitungan Unjuk Kerja Gas Turbine M701F

Berikut merupakan tahap yang perlu dilakukan untuk menghitung evaluasi unjuk kerja Gas Turbine sebagai berikut :

4.6.1 Proses Kompresi di Dalam Kompresor

T2 = 383,36 ᵒC h2 = 286,65 Btu/lb

Kompresor

Wk = 317919,98 hp

T1= 29,1 ᵒC h1 = 130,032 Btu/lb

Gambar 4. 2 Proses kompresi di Kompressor

1. Kerja kompresor aktual dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

𝑊_𝑘𝑘 = (𝑚_𝑢× (ℎ₂− ℎ₁))

Data operasi yang diperoleh sebagai berikut:

T1 = 29,1 ℃= 84,38 ℉ = 544,05 ^oR

Intake Air Diff. Pressure = 7,5 In H2O = 0,271 psi P1 = 14,7 psi – 0,271 psi

= 14,43 psia

P2 = 165,84 psig + 14,7 psi = 180,54 psia

• Nilai eksponen adiabatik (k) dihitung dengan persamaan (2.4) berikut:

𝑘 = ( ^𝑀^𝑐𝑝

𝑀_𝑐𝑝−1,99)

Nilai MCP didapatkan dari interpolasi Mcp udara 60⁰F dan 100⁰F karena suhu T1 = 84,38 ⁰F pada tabel berikut ini:

T ⁶⁰ô^F ^84,38ô^F ¹⁰⁰ô^F

Mcp 6,95 6,9562 6,96

𝑘 = _𝑀 ^𝑀^𝑐𝑝

𝑐𝑝−1,99 = ^6,9562

6,9562 −1,99 = 1,4

39 𝜂_𝐾 = 0,9 (Kompresor Aksial)

Dari Lampiran (1) maka dapat menentukan nilai h1 sebagai berikut:

T1 540ôR 544,05 ôR 560 ôR

h1 129,06 Btu/lb 130,032 Btu/lb 133,86 Btu/lb

Nilai Temperatur adiabatik reversibel (T2’) sebagai berikut:

𝑇₂^′= 𝑇₁ × (^𝑃²

𝑃₁)^𝑘−1^𝑘

= 544,05oR × (180,54 𝑝𝑠𝑖𝑎 14,43 𝑝𝑠𝑖𝑎)

1,4 −1 1,4

= 1119,84 ⁰R

Dari Lampiran (1) maka dapat menentukan nilai h2’ sebagai berikut:

T2’ 1100 ⁰R 1119,84 ⁰R 1120 ⁰R

h2’ 265,99 Btu/lb 270,99 Btu/lb 271,03 Btu/lb

2. Entalphi aktual keluar kompresor (h2) : ℎ₂ = ℎ₁+ ^ℎ²^′^{− ℎ}¹

𝑛_𝑘

= 130,032 Btu/lb + 270,99 Btu/lb− 130,032 Btu/lb

0,9

= 286,65 Btu/lb

Dari Lampiran (1) maka nilai Temperatur aktual keluar kompresor (T2) sebagai berikut:

h2 286,21 Btu/lb 286,65 Btu/lb 291,30 Btu/lb

T2 1180 ⁰R 1181,73 ⁰R 1200 ⁰R

3. Laju aliran massa udara masuk (mu) mu = 38364,6 kg/min

= 84579,46 lb/min

4. Proses kompresi di dalam kompresor (Wk) 𝑊_𝑘𝑘 = 𝑚_𝑢× (ℎ₂− ℎ₁)

= 84579,46 𝑙𝑏/𝑚𝑖𝑛 × (286,65 𝐵𝑡𝑢/𝑙𝑏 − 130,032 𝐵𝑡𝑢/𝑙𝑏)

= 13246665,87 Btu/min = 317919,98 hp

4.6.2 Proses Pembakaran di Dalam Ruang Bakar

Tin = 383,36 ᵒC T3 = 1404,46 ⁰C

Fuel, O2, dan N2 CO2 H2O dan N2

Gambar 4. 3 Ruang Bakar Ruang Bakar

41 1. Laju aliran massa bahan bakar masuk

mf = 128,91 lb/min 2. Pembakaran Stoikiometri - Methane

0,830499CH4+1,660998(O2+3,76N2) →0,830499CO2+1,660998H2O+6.24535248N2

- Ethane

0,048366C2H6+0,169281(O2+3,76N2)→0,096732CO2+0,145098H2O+0,63649656N2

- Propane

0,038484C3H8+0,19242(O2+3,76N2) →0,115452CO2+0,153936H2O+0,7234992N2 -- i-Butane

0,007236C4H10+0,047034(O2+3,76N2) →0,028944CO2+0,03618H2O+0.17684784N2

- n-Butane

0,008733C4H10+0,0567645(O2+3,76N2)→0,034932CO2+0,043665H2O+0,21343452N2

- i-Pentane

0,002792C5H12+0,022336(O2+3,76N2)→0,01396CO2+0,016752H2O+0,08398336N2

- n-Pentane

0,001801C5H12+0,014408(O2+3,76N2)→0,009005CO2+0,010806H2O+0,05417408N2

- Hexane

0,000282C6H14+0,002679(O2+3,76N2) →0,001692CO2+0,001974H2O+0,01007304N2

- Heptane

0,000141C6H14+0,001551(O2+3,76N2) →0,000987CO2+0,001128H2O+0,00583176N2

42 - n-Oktane

0,000046C6H14+0,000575(O2+3,76N2) →0,000368CO2+0,000414H2O+0,002162N2

Tabel 4. 5 Jumlah Bahan Bakar Stoikiometri

Komposisi

Rumus Kimia

Unit Mol

Jumlah Kofisien Indeks Carbon Hidrogen

Methane CH4 mol 0,830499 0.830499 3,321996

Ethane C2H6 mol 0,048366 0,096732 0,290196

Propane C3H8 mol 0,038484 0,115452 0,307872

i-Butane C4H10 mol 0,007236 0,028944 0,07236

n-Butane C4H10 mol 0,008733 0,034932 0,08733

i-Pentane C5H12 mol 0,002792 0,01396 0,033504

n-Pentane C5H12 mol 0,001801 0,009005 0,021612

Hexane C6H14 mol 0,000282 0,001692 0,003948

Heptane C7H16 mol 0,000141 0,000987 0,002256

Nitrogen N2 mol 0,007696 - -

Carbon Dioxide CO2 mol 0,052879 - -

N-Octane C8H18 mol 0,000046 0,000368 0,000828

TOTAL 100 1,132571 4,141902

Karena bahan bakar mengandung CO2 dan N2 maka berat total bahan bakar menjadi C + H + CO2 + N2 , jadi :

Berat C = 1,132571 × Ar C

= 1,132571 × 12

= 13,59 lb Berat H = 4,141902 × Ar H

= 4,141902 × 1

= 4,142 lb Berat CO2 = 0 × Mr CO2

= 0 × 0,097

= 0 lb

Berat N2 = N2 × Mr N2

= 8,152 × 0,0617

= 0,503 lb

Berat total bahan bakar = 13,59 + 4,142 + 0 + 0,503 = 18,235 lbf/min

Karena volume udara adalah 21% O2 dan 79% N2, maka bisa mencari berat udara stoikiometri dengan asumsi berat molekul udara 28,97 gram/mol:

Berat O2 = (1,660998 + 0,19242 + 0,047034 + 0,0567645 + 0,022336 + 0,014408 + 0,169281 + 0,002679 + 0,001551 + 0,000575) × Mr udara

= 2,1680465 × 6,386 lb = 13,845 lb

Berat N2 = (6,24535248 + 0,7234992 + 0,17684784 + 0,21343452 + 0,08398336 + 0,05417408 + 0,63649656 + 0,01007304 + 0,00583176 + 0,002162) × Mr udara

= 8,15185484 × 6,386 lb

= 52,058 lb

Berat Total = 13,845 lbu/min + 52,058 lbu/min = 65,903 lbu/min

3. Air Fuel Ratio 𝐴𝐹𝑅_𝑆 = ^𝑚^𝑢

𝑚_𝑓

𝐴𝐹𝑅_𝑆 = ^{65,903 𝑙𝑏}^𝑢^{/𝑚𝑖𝑛}

18,235 𝑙𝑏_𝑓/𝑚𝑖𝑛 = 3,614 lbu/lbf

Mencari massa udara pembakaran (mup), berdasarkan tipe ruang bakar yang digunakan adalah single can-type bahwa udara yang digunakan untuk pembakaran di delution zone adalah 60% dari kapasitas udara masuk kompresor, sehingga besarnya massa udara pembakaran dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

45 mup = 0,6 × mu

= 0,6 × 84579,46 lb/min

= 50747,676 lb/min

Sementara mups dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

mups = (𝑚𝑓 × 𝐴𝐹𝑅𝑠),lb/min = 128,91 lb/min × 3,614 lbu/lbf

= 465,881 lb/min 4. Excess Air

Setelah data diperoleh maka dapat menghitung dengan persamaan berikut:

𝐸𝑥𝑐𝑒𝑠𝑠 𝐴𝑖𝑟 = 100% × ( ^𝑚^𝑢𝑝^{− 𝑚}^𝑢𝑝𝑠

𝑚_𝑢𝑝𝑠 )

= 100% × ( 50747,676 − 465,881 465,881 )

= 107,93%

Jadi pembakaran menggunakan 207,93% theorical air atau 107,93%

excess air.

5. Temperatur Pembakaran Adiabatik Reversibel (T3)

Pembakaran menggunakan 107,93% excess air dan bisa menghitung T3 dengan menggunakan persamaan berikut:

𝛴𝑁R(ℎô𝑓 + ℎ − ℎô)R = 𝛴𝑁_P(ℎô𝑓 + ℎ − ℎô)

Maka untuk mencari mol reaktan menggunakan persamaan berikut:

𝛴𝑁_𝑅 = 𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝐶𝐻₄+ 𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝐶₃𝐻₈+ 𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝑖 − 𝐶₄𝐻₁₀+ 𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝑛 − 𝐶₄𝐻₁₀+ 𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝑖 − 𝐶₅𝐻₁₂+ 𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝑛 − 𝐶₅𝐻₁₂+ 𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝐶₂𝐻₆+

𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝑛 − 𝐶6𝐻14+ 𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝑛 − 𝐶7𝐻16+ 𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝑛 − 𝐶8𝐻18𝑁(ℎ^𝑜𝑓)𝐶𝑂2+ 𝑁(ℎ₆₇₇− ℎ₂₉₈)𝑂₂+ 𝑁(ℎ₆₇₇− ℎ₂₉₈)𝑁₂

𝛴𝑁_𝑅 = 0,830499 (−74580)𝐶𝐻₄+ 0,038484 (−103850)𝐶₃𝐻₈+ 0,007236 (−126150)𝑖𝐶₄𝐻₁₀+ 0,008733(−126150)𝑛𝐶₄𝐻₁₀+ 0,002792 (−146440)𝑖𝐶₅𝐻₁₂+ 0,001801 (−146440)𝑛𝐶₅𝐻₁₂+ 0,048366 (−84680)𝐶₂𝐻₆ + 0,000282 (−167200) 𝑛𝐶₆𝐻₁₄+ 0,000141 (−187,34)𝑛𝐶₇𝐻₁₆+ 0,000046 (−208,7)𝑛𝐶₈𝐻₁₈+ 0 (−393520)𝐶𝑂2 + 2,1680465 (20425,9 − 8682)𝑂2 + 8,15185484 (19899,2 − 8669)𝑁₂

𝛴𝑁𝑅 = 44243.19𝑘𝐽 𝑘 𝑚𝑜𝑙

⁄

Tabel 4. 6 Jumlah Enthalpi Reaktan

Komposisi ^Rumus_Kimia Mole % hf hT2 h298 h tot

Methane CH4 0,830499 -74,580 -61,93861542

Propane C3H8 0,038484 -103,850 -3,9965634

i-Butane C4H10 0,007236 -126,150 -0,9128214

n-Butane C4H10 0,008733 -126,150 -1,10166795

i-Pentane C5H12 0,002792 -146,440 -0,40886048

n-Pentane C5H12 0,001801 -146,440 -0,26373844

47 Karbon

Dioxide ^CO² ^0,00000 ^-393,520 ⁰

Ethane C2H6 0,048366 -84,680 -4,09563288

C6+ - -

N-Hexane C6H14 0,000282 -167,200 -0,0471504

N-Heptane C7H16 0,000141 -187,34 -0,02641494

N-Octane C8H18 0,000046 -208,7 -0,0096002

Oxygen O2 2,1680465 20425,9 8682 25461,32

Nitrogen N2 8,15185484 19899,2 8669 91546.96

TOTAL 44207,21

Maka temperatur pembakaran adiabatik reversibel dengan menggunakan 207,93%theoretical air, atau 107,93% excess air maka :

Jumlah Mol O2 = 2,1680465 Jumlah Mol N2 = 8,15185484 Jumlah Mol H2O = 2,070951 Jumlah Mol CO2 = 1,132571

Tabel 4. 7 Enthalpi Produk pada Temperatur 1660 ^oK

Jenis Gas Volume Mol

(kJ/k mol)

(kJ/k mol) h298

htot

(kJ/k mol)

CO2 1,132571 -393,520 80486 -9364 -343927,84

H2O 2,070951 -241,840 65643 -9904 -344343,24

N2 8,15185484 52686 -8669 500157,05

O2 2,1680465 55172 -8682 138438,44

JUMLAH ^OK (kJ/k mol) -49675,6

Tabel 4. 8 Enthalpi Produk pada Temperatur 1680^oK Jenis

Gas

Volume Mol

(kJ/k mol)

H298

htot

(kJ/k mol)

CO2 1,132571 -393520 81670 -9364 -342586,87

H2O 2,070951 -241840 66614 -9904 -342332,34

N2 8,15185484 53393 -8669 505920,42

O2 2,1680465 55912 -8682 140042,80

JUMLAH ^OK (kJ/k mol) -38997,4

Dengan rentang kedua nilai tersebut, dapat mencari temperatur adiabatik reversible T3 dengan interpolasi sebagai berikut:

T 1660^oK T3 1680^oK

T3 -49675,6 (kJ/k mol) 44207,21 (kJ/k mol) -38997,4 (kJ/k mol)

Maka didapatkan T3 = 1677,61 K = 1404,46 ⁰C = 3019,7 ⁰R

Dari data yang sudah ada maka dapat menghitung enthalpi aktual keluar ruang bakar dengan interpolasi antara 3000^oR dan 3500^oR dengan persamaan berikut:

T 3000ôR 3019,7ôR 3500ôR

Turbine Beban

h3 790,68 Btu/lb 796,5 Btu/lb 938,40 Btu/lb

Maka didapatkan h3 = 796,5 Btu/lb 6. Efisiensi Ruang Bakar

Untuk menghitung efisiensi ruang bakar maka menggunakan persamaan sebagai berikut:

𝜂𝑟𝑢𝑎𝑛𝑔 𝑏𝑎𝑘𝑎𝑟 =^ℎ²^−ℎ³

ℎ₂^′−ℎ₃× 100%

= 286,65 𝐵𝑡𝑢/𝑙𝑏 −796,5 𝐵𝑡𝑢/𝑙𝑏

270,99 𝐵𝑡𝑢/𝑙𝑏 − 796,5 𝐵𝑡𝑢/𝑙𝑏× 100%

= 95,02 %

4.6.3 Proses Ekspansi di dalam Turbin Tin = 1404,46 ⁰C

hin = 796,5 Btu/lb

Wt = 503303,38 hp Wout = 206264,17 hp

Tout = 591,9 ⁰C

hin = 384,307 Btu/lb Gambar 4. 4 Proses Ekspansi Pada Turbin

Kerja Turbin kompresor actual dapat di hitung menggunakan persamaan (3.18) berikut :

50 Wt = 𝑚g × (ℎ3 − ℎ4)

Dari data operasi gas turbin M701F didapatkan:

𝑚g = 𝑚up + 𝑚ƒ

= 50747,676 lb/min + 128,91 lb/min

= 50876,59 lb/min T4 = 540,7 ⁰C = 1464,93 ⁰R

Untuk mencari nilai h4 maka dilakukan interpolasi sebagai berikut:

T 1460 ôR 1464,93 ôR 1480 ôR h4 358,63 Btu/lb 359,93 Btu/lb

363,89 Btu/lb Maka didapatkan h4 = 353,4 Btu/lb

Wt = 𝑚g × (ℎ3 − ℎ4)

= 50876,59 lb/min × ( 796,5 Btu/lb – 359,93 Btu/lb)

= 22211192,89 Btu/min

= 524184,15 hp 4.6.4 Kerja Turbin Bersih

Setelah mendapatkan nilai Wt maka dapat menghitung nilai kerja turbin bersih dengan persamaan berikut :

51 𝑊nett = 𝑊t – 𝑊k

= 524184,15 hp – 317919,98 hp

= 206264,17 hp

4.6.5 Jumlah Kalor Masuk

Berikut merupakan data LHV aktual yang diperoleh:

Tabel 4. 9 LHV Aktual

Komposisi

Rumus Kimia

Mole %

HHV BTU/CF

LHV BTU/CF

Methane CH4 83,0499 838,8203173 755,251454

Ethane C2H6 4,8366 85,59341241 78,2930559

Propane C3H8 3,8484 96,83476986 89,0899022

i-Butane C4H10 0,7236 23,53240439 21,7119716

n-Butane C4H10 0,8733 28,49264314 26,2956536 i-Pentane C5H12 0,2792 11,17280031 10,3297845 n-Pentane C5H12 0,1801 7,219930315 6,67623549

Hexane C6H14 0,0282 1,342272384 1,24287637

Heptane C7H16 0,0141 0,776476954 0,71967693

Nitrogen N2 0,7696 0 0

Carbon Dioxide CO2 5,2879 0 0

N-Octane C8H18 0,0046 0,293321321 0,27206652

TOTAL 100.00 1094,078348 989,882677

52 LHV = 989,882677 Btu/cf LHV = 225580,3 Btu/lb

Maka jumlah kalor masuk dapat dihitung menggunkan persamaan berikut:

𝑄in = 𝑚ƒ × 𝐿𝐻𝑉

𝑄in = 128,91 lb/min × 225580,3 Btu/lb 𝑄in = 29079556,47 Btu/min

𝑄_in= 686277,53 hp

4.6.6 Heat Rate

Heat rate dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

𝐻_{𝑟𝑎𝑡𝑒} = ^𝑚^𝑒

𝑊_{𝑛𝑒𝑡𝑡}

Nilai me atau kebutuhan energi dapat diketahui dengan mengkalikan massa bahan bakar dengan nilai LHV.

𝑚e = 𝑚ƒ × 𝐿𝐻𝑉

= 128,91 lb/min × 225580,3 Btu/lb

= 29079556,47 Btu/min

Maka dapat menghitung heat rate dengan persamaan berikut:

𝐻_{𝑟𝑎𝑡𝑒} = ^𝑚^𝑒

𝑊_{𝑛𝑒𝑡𝑡}

= 29079556,47 Btu/ min × 60 206264,17 hp = 8458,93 Btu/hp-jam

4.6.7 Pemakaian bahan bakar spesifik

Pemakaian bahan bakar spesifik dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

𝑆𝐹𝐶 = ^𝑚^𝑓^{× 60}

𝑊_{𝑛𝑒𝑡𝑡}

= 128,91 𝑙𝑏/𝑚𝑖𝑛 × 60 206264,17 hp

= 0,037 lb/hp-jam

4.6.8 Efisiensi Termal Efektif

Efisiensi termal efektif dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

η_{𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙}= ^𝑊^{𝑛𝑒𝑡𝑡}

𝑄_𝑖𝑛 × 100%

= 206264,17 hp

686277,53 hp × 100%

= 30,06 %

Dalam dokumen OPTIMALISASI UNJUK KERJA GAS TURBINE M701F KAPASITAS 250 MW PT. PLN NUSANTARA POWER UP MUARA KARANG BLOK 2 (Halaman 50-67)