ANALISA EKSERGI SISTEM PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA UAP (PLTU) DI PT. INDONESIA POWER UNIT JASA PEMBANGKIT SANGGAU
Riyan Phanama1), Yohannes M. Simanjuntak2), Muhammad Ivanto3)
1,2,3)Jurusan Teknik Mesin, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Tanjungpura, Jln. Prof.H.Hadari Namawi, Pontianak, Indonesia
Email : riyanphanama777@gmail.com ABSTRAK
Performa kerja pembangkit listrik PLTU PT. IP UJP Sanggau dapat ditingkatkan dengan melakukan analisis eksergi dan pengaruh variasi tekanan terhadap kehancuran eksergi pada komponen- komponen (Turbin, Gland Heater, Low Pressure Heater, Daerator, High Pressure Heater, Pompa, dan Boiler). Dalam penelitian ini, Nilai laju eksergi diperoleh dari pengukuran tekanan dan temperatur sistem serta temperatur dan tekanan lingkungan, kemudian nilai laju kerusakan eksergi dihitung dari perbedaan nilai laju eksergi input dan nilai laju eksergi output sistem. Nilai efisiensi eksergi diperoleh dari perbandingan antara nilai laju eksergi output terhadap nilai eksergi input. Efisiensi eksergi sistem diperoleh dari perhitungan eksergi keseluruhan komponen sistem. Hasil yang diperoleh menunjukan efisiensi eksergi pembangkit sebesar 26,44% dan daya yang dihasilkan sebesar 10303 kW. Hasil yang didapat dalam analisa eksergi menunjukkan kehancuran eksergi terbesar terletak pada boiler sebesar 22686 kW dan pada Turbin sebesar 21465 kW. Dalam hasil variasi tekanan pada boiler didapatkan nilai kehancuran eksergi minimum sebesar 22163 kW pada tekanan 5 Mpa. Dari sisi ekonomi dengan pengoperasian selama 8760 jam didapat penghematan biaya eksergi sebesar Rp 7.751.864.160/ tahun.
Kata kunci : eksergi, kehancuran eksergi, efisiensi eksergi, eksergi minimum 1. PENDAHUUAN
Pembangkit listrik tenaga uap merupakan salah satu penyuplai kebutuhan listrik yang memiliki potensi besar dalam penyediaan energi dan merupakan alternatif untuk memenuhi kebutuhan listrik di Kalimantan Barat. Hingga dengan tahun 2017 ini , PLTU telah menyuplai 34 MW yang dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik di daerah Kalimantan Barat [17].
PLTU Sanggau menggunakan bahan bakar batubara sebagai energi primer. Pemanfaatan energi fosil untuk menghasilkan energi listrik harus dimanfaatakan dengan efisien, kebutuhan untuk optimasi, dan peningkatan efisiensi kinerja pembangkit listrik juga merupakan faktor penting yang perlu dievaluasi. Oleh karena itu, perlu dilakukan analisis pada sistem pembangkit tersebut yang kemudian dapat menjadi cara yang efektif dalam menjadikan deskripsi performa kerja mesin pembangkit listrik secara lengkap. Secara umum, kinerja pembangkit listrik termal dievaluasi melalui kriteria kinerja energetik berdasarkan hukum pertama termodinamika.
Namun evaluasi lebih lengkap dapat dilakukan dengan menggunakan metode eksergi dimana metode tersebut didasari oleh hukum kedua termodinamika yang berguna dalam desain, evaluasi, optimalisasi, dan peningkatan pembangkit listrik tenaga termal. Analisa tersebut dapat dilakukan dengan menghitung penggunaan energi termal dari masing-masing aliran komponen.
Analisa eksergi menjadi kunci aspek dalam penyediaan pemahaman yang lebih baik mengenai desain, evaluasi, dan penentuan kondisi kerja pembangkit serta menunjukkan kerugian akibat irreversibilitas dalam situasi nyata, sehingga dapat diggunakan untuk mencapai nilai efisiensi yang ideal [9].
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis eksergi tiap kompoen PLTU dan mendapatkan kondisi operasi yang menunjukan kehancuran eksergi terbesar. Komponen dengan kehancuran eksergi terbesar diminimalisir dengan mengkombinasikan tekanan sebagai variabel pada penilitian.
2. STUDI PUSTAKA 2.1. Penelitian Terdahulu
Beberapa penilitan yang terkait dengan analisa eksergi berdasarkan hukum termodinamika dua, beberapa penilitian mengenai eksergi yang telah dilakukan oleh para peniliti yaitu:
Penelitian Ampudan R, Dyos Santoso, dan Hasan Basri“ dengan judul “Optimasi pada Waste Heat Recovery Boiler (WHRB) di Pembangkit Siklus Kombinasi PT.PLN Sektor Indralaya”
dimana dalam penelitian ini dilakukan perhitungan optimasi nilai rugi eksergi untuk mendapatkan kondisi operasi yang menunjukan kerugian eksergi minimum. Objek pada penilitian eksergi WHRB ini adalah variasi parameter tekanan. Hasil yang diperoleh dalam penilitian tersebut menujukan bahwa semakin tinggi tekanan maka akan semakin kecil total eksergi yang dimusnahkan dalam proses perpindahan panas didalam WHRB tetapi eksergi yang terbuang kelingkungan akan semakin besar sehingga didapat tekanan optimal yang menunjukan kerugian eksergi minimum.
Penelitian Nasruddin dan Pujo pada tahun 2015 dengan judul “Analisa Energi, Eksergi dan Optimasi pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap Super Kritikal 660 MW”. Dalam penelitian ini dilakukan analisa terhadap nilai eksergi pada pembangkit super kritikal guna mendapatkan kondisi yang paling optimum dari pembangkit yang didasari pada hukum termodinamika.
Hasilnya dengan mengkalkulasi kerugian energy dan exergi pada komponen-komponen didapatkan pembangkit bekerja pada beban 660 MW dengan kondisi desain tekanan sebesar 250,1 bar dan laju aliran massa 590,8 kg/s. Hasil lainnya menunjukkan bahwa terjadi peningkatan efisiensi termal pada tekanan 239 bar dan laju aliran massa 564,8 kg/s dengan beban sebesar 631 MW menghasilkan efisiensi termal terbesar yaitu 37,41% setelah dilakukan optimasi eksergi.
Karya Ilmiah “Analisis Eksergi pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap” oleh Puji. Dalam penilitian ini dilakukan perhitungan neraca eksergi secara kuantitatif pada masing-masing komponen dan untuk sistem secara keseluruhan.
Hasilnya bahwa efisiensi eksergetik dan
pemusnahan eksergi sangat tergantung pada perubahan temperatur masuk turbin. Hasil lainnya juga menunjukkan bahwa 87% dari total rugi-rugi eksergi yang terjadi pada sistem PLTU merupakan kontribusi dari 3 komponen yaitu boiler, ruang bakar, dan reheater.
Penelitian Krishnakumar Dimak Pilankar pada tahun 2016 dengan judul “Energy and Exergy Analysis of Steam and Power Generation Plant” penelitian ini melakukan analisis energi dan eksergi dari pembangkit listrik tenaga uap dan uap dalam industri kimia dan pupuk. Dengan analisis energi, kehilangan energi tertinggi terjadi pada kondensor di mana 47,16 MW hilang yang mewakili 52,89% dari total kehilangan energi di pabrik. Kemudian boiler, kehilangan energi signifikan adalah dalam dimana 30,26 MW hilang yang mewakili 34% dari total kehilangan energi.
Dari analisis eksergi, penghancuran tertinggi eksergi terjadi pada dua boiler di mana 238,6 MW eksergi hancur, hal itu merupakan 90,8% dari total kehancuran eksergi pembangkit.
2.2. Eksergi
Eksergi 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.
Eksergi suatu sistem akan meningkat jika terjadi kerja pada sistem. Perpindahan eksergi berlangsung bersama dengan perpindahan panas tergantung temperatur sistem terhadap temperatur lingkungan.
2.3. Dead State
Ketika tekanan, temperatur, komposisi, kecepatan, atau elevasi dari sebuah sistem berbeda dari lingkungan, maka ada kesempatan untuk melakukan kerja. Bila kemudian sistem berubah kondisi menuju kondisi lingkungan, maka kesempatan kerja tersebut berkurang. Dan kesempatan itu akan hilang sama sekali ketika satu sama lain relatif berada pada kondisi kesetimbangan (equilibrium). Kondisi dari sistem ini disebut dead state. Pada dead state, kondisi kesetimbangan mekanik, termal, dan kimia anatara sistem dan lingkungan terpenuhi [1].
Dalam analisis eksergi, Tekanan (Po) dan temperatur (To) dead state ditentukan sebesar 1 atm dan 25oC.
2.4. Analisis Eksergi
Metode yang digunakan untuk mengevalusai eksergi dan pertukaran eksergi untuk sistem tertutup dan sistem steady-state terbuka, seperti halnya proses perpindahan kalor adalah dengan mengevaluasi kesetimbangan eksergi pada setiap kondisi aliran fluida. Suatu laju eksergi 𝐸̇𝑥berkaitan dengan laju perpindahan panas 𝑄̇𝑖 dapat dihitung dengan persamaan (2.1).
𝐸̇𝑥= ∫ (𝑇−𝑇𝑜
𝑇 )
𝐴 . 𝑄̇𝑖𝑑𝐴 (2.1)
𝐸̇𝑥 = 𝑄̇𝐴(1 −𝑇𝑇𝑜) (2.2) Eksergi total suatu sistem dapat dibagi menjadi empat komponen yaitu [1]:
𝐸 = 𝐸𝑃𝐻+ 𝐸𝐾𝑁+ 𝐸𝑃𝑇+ 𝐸𝐶𝐻 (2.3) Dengan menelaah dalam sistem yang diam relatif terhadap lingkungan (𝐸𝐾𝑁= 𝐸𝑃𝑇 = 0), dalam analisis sistem termal terdapat 2 macam eksergi yang digunakan yaitu eksergi fisik dan eksergi kimia. Eksergi fisik merupakan kerja yang diperoleh melalui substansi melewati proses reversible dari kondisi temperatur T dan tekanan awal P ke kondisi yang ditentukan berdasarkan temperatur 𝑇0 dan tekanan lingkungan 𝑃0.
𝐸̇𝑃𝐻 = 𝑚(ℎ𝑖− ℎ𝑜) + 𝑇𝑜(𝑠𝑖− 𝑠0) (2.4) Dimana:
𝑚 : Laju Fluida (kg/s) ℎ𝑖 : Entalpi Fluida (kJ/kg) ℎ𝑜 : Entalpi Lingkungan (kJ/kg) 𝑇𝑜 : Temperatur Lingkungan (oC) 𝑠𝑖 : Entropi Fluida (kJ/kg oC) 𝑠0 : Entropi Lingkungan (kJ/kg oC)
Eksergi lainnya setelah eksergi fisik adalah eksergi kimia dimana Eksergi kimia 𝐸̇𝐶𝐻 (bahan bakar, campuran gas, dan hasil produk pembakaran) dapat didapatkan dari tabel eksergi kimia standar [7] dengan berdasarkan spesifikasi lingkungan ditulis dengan persamaan berikut:
𝐸̇𝐶𝐻 = ∑𝑛𝑖−1𝑥𝑖𝐸̇𝐶𝐻+ 𝑅𝑇𝑜∑𝑛 𝑥𝑖ln 𝑥𝑖
𝑖−1 (2.5) Dimana:
𝑥𝑖 : Fraksi mol komponen ke-i 𝑅 : Konstanta gas ideal (J.K-1.mol-1) 𝑇𝑜 : Temperatur Lingkungan (oC)
Nilai eksergi kimia uap 𝐸̇𝑆𝐶𝐻 dan air 𝐸̇𝑤𝐶𝐻, berturut-turut diberikan sebagai 526,33 𝑘𝐽/𝑘𝑔 dan 49,12 𝑘𝐽/𝑘𝑔 [6].
𝐸̇𝐶𝐻𝑓𝑢𝑒𝑙 = 𝛽 × 𝐿𝐻𝑉 ` (2.6) Nilai rasio eksergi bahan bakar hidrokarbon 𝛽 terhadap nilai LHV bahan bakat dapat dihitung dengan persamaan berikut [7].
𝛽 = 1.0437 + 0.1882 (𝐻
𝐶) + 0.0610 (𝑂 𝐶) +0.0404 (𝑁
𝐶) (2.7) 𝐸̇𝐷= ∑ 𝐸̇𝑖− ∑ 𝐸̇𝑒 (2.8) Jika suatu sistem terjadi proses irreversible.
Maka pada sistem tersebut terdapat kerusakan eksergi. Kerusakan tersebut dapat dihitung dengan cara mengambil perbedaan antara eksergi yang masuk dan eksergi yang keluar sistem (2.8).
𝑦𝐷= 𝐸̇𝐷
𝐸̇𝐹,𝑡𝑜𝑡 (2.9)
Persamaan (2.9) menunjukkan rasio destruksi eksergi yang merupakan perbandingan laju destruksi eksergi di dalam komponen sebuah sistem terhadap laju eksergi dari bahan bakar yang diberikan ke seluruh sistem.
Efisiensi eksergetik adalah rasio dari produk terhadap bahan bakar yang dapat dituliskan dengan persamaan [1] :
ℰ𝑘 =𝐸𝑃
𝐸̇𝐹= 1 −𝐸𝑑
𝐸𝑓 (2.11)
3. METODOLOGI 3.1. Desain Pembangkit
Gambar 1 menununjukan skematik PLTU PT. IP UJP Sanggau dengan komponen yang dianalisa. Untuk analisis eksergi dalam penelitian ini, komponen pembangkit sistem uap dibagi menjadi kondisi input dan output yang direpresentasikan dalam Gambar 1 dengan parameter yang bekerja pada tiap kondisi skematik diberikan pada tabel 1.
Tabel 1 Kondisi Operasi Pembangkit
Setelah parameter ditentukan oleh tabel sebelumnya, dengan menggunakan tabel
perhitungan termodinamika untuk menghitung tekanan, temperatur, laju aliran massa, entalpi, dan entropi dalam tiap titik keadaan didapatkan dan ditampilkan dalam Tabel 2.
3.2. Prosedur Pengolahan Data
Adapun langkah-langkah pengelolahan data dalam penelitian ini dibagi menjadi dua bagian, analisa energi dan analisa aksergi. Analisis kesetimbangan energi dilakukan untuk mendapatkan data yang dibutuhkan pada tiap parameternya, nilai yang dicari adalah laju aliran massa, kesetimbangan energi pada tiap komponen bedasarkan hukum termodinamika 1 sehingga proses analisis eksergi berdasarkan hukum termodinamika ke 2 dapat dilakukan.
Perhitungan eksergi meliputi perhitungan eksergi fisik dan eksergi kimia dari masing- masing kondisi (state) atau keadaan berdasarkan persamaan (2.4), (2.5) dan (2.6).
Destruksi eksergi atau eksergi yang dimusnahkan dapat dihitung dari selisih eksergi bahan bakar dengan eksergi produk berdasarkan persamaan (2.8), rasio destruksi eksergi berdasarkan persamaan (2.9), dan efisiensi eksergi berdasarkan persamaan (2.11).
Proses yang diggunakan dalam penelitian dapat dilihat pada gambar 2.
Operating Condition Value Reacting power generator 7,03 MW Main steam pressure 4,56 MPA Main steam temperature 477,77 oC Main steam flow rate 33,91 t/h Condenser pressure 0,009 MPA
Number of pre-heater 3
Mass flow rate of fuel 2,465 kg/s Heat rate (LHV) 14375,25 Kj/kg
Boiler efficiency 0,76%
Gambar 1 Skematik Siklus PLTU UJP Sanggau
Gambar 2 Diagram Alir Penelitian 4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Analisa Energi
Hasil perhitungan termodinamika dari siklus yaitu temperatur, tekanan, laju aliran, entalpi dan entropi pada setiap keadaan berdasarkan perhitungan neraca massa dan kesetimbangan energi yang didaptakan dari parameter input (Lampiran A) yang dapat dilihat pada Tabel 2.
4.2 Hasil Analisa Eksergi
Analisis eksergi pembangkit dilakukan dengan persamaan yang telah diberikan. Tabel 3 menunjukan nilai eksergi tiap keadaan, eksergi total tiap komponen didapatkan dari hasil penjumlahan eksergi fisik dan kimia.
Nilai eksergi total yang diberikan pada tabel 3 kemudian dilakukan analisis perhitungan kehancuran eksergi sehingga diketahui nilai destruksi eksergi, rasio eksergi, dan efisiensi eksergi yang kemudian ditampilkan pada tabel 4.
Tabel 2 Neraca Massa dan Kesetimbangan Energi tiap Kondisi
Tabel 3 Nilai Eksergi Total tiap Keadaan
Efisiensi ekesergi terendah terletak pada LPH yang besarnya 0,89%. Hal tersebut disebabkan karena kalor dari dalam sistem dipindahkan ke sistem lainnya dengan jumlah yang rendah. Implikasi dari pengamatan ini adalah menunjukan bahwa ada banyak peluang untuk pemanfaatan sumber daya energi.
Laju kerusakan eksergi terbesar pada gambar 3 tersebut, terletak pada boiler yang besarnya 38% dari keseluruhan laju kerusakan eksergi sistem. Pertukaran panas di boiler memerlukan energi yang besar, karena proses yang terjadi memerlukan kenaikan temperatur dari fluida kerja secara signifikan dengan tekanan yang tinggi. Komponen lain yang memiliki kehancuran eksergi terbesar lainnya adalah turbin dan kondenser sebesar 36% dan 20,5% .
4.3 Pengaruh Variasi Tekanan Boiler Terhadap Kehancuran Eksergi
Gambar 4 menunjukan pengaruh tekanan boiler yang divariasikan untuk mendapatkan pengaruhnya terhadap kehancuran eksergi.
Dari gambar 4. terlihat bahwa boiler mencapai kehancuran eksergi terendah sebesar 22163,0159 KW pada tekanan 5 Mpa. Ini menunjukkan bahwa meskipun peningkatan tekanan boiler menunjukkan hasil penurunan pada kehancuran eksergi, ada peningkatan kehancuran eksergi di tingkat tertentu. Tingkat ini dapat disebut sebagai tingkat optimal. Jumlah penghematan kerugian eksergi didapatkan dengan membandingkan kerugian eksergi yang didapatkan oleh tekanan pada kondisi operasi dan kerugian eksergi yang ditunjukan oleh tekanan optimal dengan membandingkan gambar didapat penghematan kerugian ekersgi sebesar 523 KW.
4.4 Penghematan Biaya Eksergi
Berdasarkan perhitungan nilai ekonomi umum yang diperoleh dengan memasukan harga biaya untuk memproduksi listrik 1 KWH berdasarkan peraturan undang-undang Pusat Data dan Informasi Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral 2017 [18] sebesar Rp 1.692/KWH yang ada di daerah Kalimantan Barat dengan besar perbandingan penghematan eksergi yang didapatkan sebesar 523 KW dan memasukkan jam operasi PLTU dengan asumsi selama setahun adalah 8760 jam. Maka dari perbandingan kehancuran eksergi yang diperoleh didapat penghematan biaya eksergi sebesar Rp 7.751.864.160/ tahun.
Gambar 3 Diagram Nilai Kerusakan dan Efisiensi Eksergi Komponen
Gambar 4 Diagram Pengaruh Tekanan Boiler Terhadap Kehancuran Eksergi Tabel 4 Destruksi dan Efisiensi Eksergi tiap
Komponen
5. KESIMPULAN
Analisis hukum kedua termodinamika dilakukan pada pembangkit listrik PLTU PT. IP UJP Sanggau untuk mengeksplorasi kinerja komponen perbagian serta mendapatkan lokasi dan besarnya kerugian eksergi. Adapun kesimpulan dari hasil yang diperoleh berdasarkan penelitian yang telah dilakukan sebagai berikut:
1. Pembangkit yang bekerja dengan parameter yang diberikan atau pada kondisi normal memiliki efisiensi energi 29,08% dan efisiensi eksergi sebesar 26,44% dengan daya netto yang dihasilkan 10303 kW.
2. Berdasarkan hasil analisis eksergi yang diperoleh, boiler diidentifikasi memiliki kehancuran eksergi tertinggi sebesar 38,0407%
dari laju kerusakan pada sistem, sedangkan turbin memiliki tingkat kehancuran eksergi tertinggi kedua.
3. Hasil optimasi energi yang dilakukan diperoleh, terlihat bahwa pada tekanan 5 Mpa, temperatur 485.5oC, dan laju aliran massa 9,722 kg/s, akan menghasilakan nilai kehancuran eksergi pada boiler yang optimal sebesar 22163,0159 kW.
4. Berdasarkan perhitungan nilai ekonomi, maka diketahui bahwa setelah adanya perhitungan nilai kehancuran eksergi diperoleh penghematan sebesar Rp 7.751.864.160/
tahun.
Singkatan Keterangan HHV high heating value
KW kilo watt
LHV lower heating value
MW mega watt
PLTU pembangkit listrik tenaga uap WHRB waste heat recovery boiler Nomenklatur Keterangan
𝐴 luasan perpindahan kalor
𝐶 karbon
𝐸 energi
𝐸̇𝐷 laju kehancuran eksergi
𝐸̇𝑥 laju eksergi
𝐸𝐾 energi kinetik
𝐸𝑃 energi potensial
𝑔 gravitasi
ℎ entalpi
ℎ𝑜 entalpi lingkungan
𝐻 hidrogen
𝑚 laju aliran massa
𝑁 nitrogen
𝑂 oksigen
𝑄̇ laju kalor
𝑅 konstanta gas ideal
𝑠 entropi
𝑠0 entropi lingkungan
𝑇 temperatur
𝑇𝑜 temperatur lingkungan
𝑉 kecepatan
𝑊 daya
𝑊̇ kerja
𝑥 fraksi mol
𝑦𝐷 rasio destruksi eksergi 𝑧 elevasi relatif koordinat Simbol Keterangan
𝛽 rasio eksergi
ℰ𝑘 efisiensi eksergetik
𝜂 efisiensi
Superscript Keterangan
CH kimia
KN kinetik
PH fisik
PT potensial
Subscript Keterangan
𝑒 keluar
𝑓𝑢𝑒𝑙 bahan bakar
𝑖 komponen ke-i/ masuk
in inlet
out outlet
tot total
𝑤 water
DAFTRA PUSTAKA
[1] Bejan A., Tsatsaronis G., and Moran A., 1996, Thermal Design and Optimization, Wiley, New York.
[2] Cengel, Y.A. , and Boles, M.A. , 2003.
Thermodynamics an Engineering Approach , Tata McGraw Hill, New Delhi.
LAMPIRAN A
PARAMETER OPERASI PLTU SANGGAU
LAMPIRAN B
RUMUS KESETIMBANGAN EKSERGI KOMPONEN PLTU SANGGAU
