1
OPTIMALISASI UNJUK KERJA GAS TURBINE M701F KAPASITAS 150 MW PT. PLN NUSANTARA POWER UP MUARA KARANG BLOK 2
Audia Ardi Nugraha1, Ir. Sujono, MT.2
Jurusan Teknik Mesin Kilang, PEM AKAMIGAS, Jl. Gajah Mada No.38, Karangboyo, Kec. Cepu, Kabupaten Blora, Jawa Tengah 58315
*E-mail: audiaardi23@gmail.com
ABSTRAK
Gas turbin merupakan suatu jenis penggerak mula internal combustion, yaitu suatu penggerak mula yang memanfaatkan udara dan gas sebagai sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Di PT. PLN Nusantara Power UP Muara Karang Blok 2 memiliki turbin gas tipe M701F yang digunakan sebagai penggerak mula generator listrik. Gas turbin ini memiliki peran penting dalam memasok energi lisrik di Jakarta Utara dan sekitarnya. Oleh karena itu, pentingnya peran gas turbin M701F maka perlu dilakukan evaluasi dan optimasi unjuk kerja untuk mengetahui unjuk kerja gas turbin tersebut. Perhitungan unjuk kerja gas turbin M701F dilakukan berdasarkan data daily report, manual book, dan komposisi natural gas. Setelah melakukan perhitungan optimasi terjadi kenaikan kerja turbin bersih yang sebelumnya 153,81 MW menjadi 170,1 MW dengan kenaikan rata-rata sebesar 0,11%, efisiensi termal yang sebelumnya 30,06% menjadi 35,82% dengan kenaikan rata-rata sebesar 0,19% dan efisiensi ruang bakar yang sebelumnya 95,02 % menjad 97,1% dengan kenaikan rata-rata sebesar 0,022%, maka dari itu turbin gas ini mampu untuk menggerakkan generator listrik untuk memasok energi listrik yang digunakan untuk menunjang aktivitas yang ada di industri pembangkit itu sendiri dan masyarakat sekitar di Jakarta Utara.
Kata kunci: gas turbin, penggerak mula, unjuk kerja, daya.
1. PENDAHULUAN
Keperluan Bahan Bakar Gas terus bertambah bersamaan dengan menambahnya keperluan dari seluruh wilayah Indonesia, termasuk sebagai pembangkit listrik. PT. PLN Nusantara Power menanggung kebutuhan listrik yang dimana sudah bersepakat untuk terus meningkatkan produksinya serta menyediakan produk-produk yang bermutu kepada para konsumen.PLN Nusantara Power Indonesia terus menjaga tiap proses untuk menghasilkan energi listrik, salah satunya dalam hal Output dalam operasi. Untuk menunjang kelancaran Ouput tersebut, di PT. PLN Nusantara Power Indonesia memakai gas turbine dengan tipe M701F.
Gas turbin M701F merupakan suatu jenis penggerak mula internal combustion, yaitu suatu penggerak mula yang memanfaatkan udara dan gas sebagai sebagai fluida untuk memutar turbin dengan pembakaran internal. Di PT. PLN Nusantara Power UP Muara Karang Blok 2 memiliki turbin gas tipe M701F yang digunakan sebagai penggerak mula generator listrik. Gas turbin ini memiliki peran penting dalam memasok energi lisrik di Jakarta Utara dan sekitarnya. Masalah yang sering terjadi pada turbin gas yaitu mengalami rugi-rugi dalam proses kompresi dalam kompresor sehingga menyebabkan penurunan tekanan, terdapat kotoran yang ada diruang bakar terutama pada bagian combustor basket dan mengalami rugi – rugi pada ekspansi di turbin yang menyebabkan temperaturnya meningkat sehingga mengurangi efisiensi termalnya.
2
Tujuan dari evaluasi dan optimalisasi untuk mengetahui performa dari gas turbin M701F yang dimana masih beroperasi dengan baik atu tidak. Parameter yang harus di cek untuk mengetahui performa turbin gas masih dalam keadaan baik, anatara lain: proses kompresi di kompresor, proses pembakaran diruang bakar, proses ekspansi di turbin, kerja turbin bersih, jumlah kalor masuk, heat rate, konsumsi bahan bakar, dan efisiensi termal efektif.
2. METODE
A. Tempat Penelitian
Penelitian ini dilakukan di PT. PLN Nusantara Power UP Muara Karang Jl. Pluit Ayu No.
2A, Jakarta Utara 14450 dan ditempatkan di Pemeliharaan Mesin Blok 2 PLTGU UP Muara Karang.
B. Waktu Penelitian
Periode kegiatan PKL dilakukan selama 3 bulan pada tanggal 23 Januari 2023 – 21 April 2023. Selama melaksanakan kegiatan PKL di Pemeliharaan Mesin Blok 2 PLTGU UP Muara Karang mahasiswa magang dibimbing dan diawasi langsung oleh Supervasior Pemeliharaan Mesin Blok 2.
C. Alat dan Bahan
Bahan dan alat dari penelitian ini yang dibutuhkan oleh penulis meliputi hasil dari survei dan pengamatan yang sudah dilakukan. Bahan dan alat dari penelitian ini diantaranya sebagai berikut:
• Bahan
- Data operasi harian - Data spesifikasi dari alat
- manual book dari alat yang berada di control room operator
• Alat
- Turbin Gas - Control panel - Peralatan tools
- Peralatan auxiliary Gas Turbine D. Variabel Penelitian
Dalam penelitian ini menggunakan dua variabel, yakni variabel bebas (independent variable) dan variabel terikat (dependent variable).
- Variabel bebas : unjuk kerja sebab variabel ini berdiri sendiri serta dapat mempengaruhi perubahan yang terjadi pada variabel lainnya yakni Turbin Gas.
- Variabel terikat : unjuk kerja Turbin Gas karena variabel ini berkebalikan dengan variabel bebas maka dari itu hasil unjuk kerja akan mempengaruhi Turbin Gas.
3
E. Metode Kerja Penelitian
Langkah – langkah yang dilakukan selama melakukan penelitian adalah sebagai berikut:
Gambar 1. Flowchart Penelitian
4
F. Data Penelitian
Sebelum melakukan evaluasi dan optimalisasi, terlebih dahulu yang perlu dilakukan adalah mengumpulkan dan melengkapi data – data untuk mendapatkan hasil dari perhitungan siklus brayton. Data yang diperoleh dari PLTGU Muara Karang Blok 2, diperoleh dari data operasi harian maupun melalui hasil wawancara dengan teknisi di industri tersebut.
Tabel 1. Data Desain Turbin Gas M701F
Turbin
Manufacture Mitsubishi Heavy Industries,LTD
Model Gas Turbine T-670 Gas Turbine
Type
M701F, Combine Open Cycle, Single Shaft,
Twin Engine
Aplication Driven Generator Set
Speed 3000 rpm
Electrical Power 3 phase, 270 volt, 50 Hz
Stage 4
Air Compressor
Type Axial Compressore
Stage 17
Max. TIP Speed -
Pressure Ratio 10:1
Combustor
Type Annular
Fuel Gas
Nozzle 20
Max.Temperature 1400 0C
Tabel 2. Data Sebelum Overhaul Operasi Turbin Gas M701F
Input Nilai Unit
Output 153,2 MW
Suction Temperature (T1) 29,1 ˚C
5
Firing Temperature (Tbb) 616 ˚C
Exhaust Temperature (T4) 591,9 ˚C
Output Shaft Speed 3000 rpm
Maintenance turbin gas 16000 jam
Maintenance mayor 48000 jam
Tabel 3. Data Sebelum Overhaul Operasi Kompresor Turbin Gas M701F
Input Nilai Unit
Dry Bulp Temp 28,7 ˚C
Air Flow
38364,6 kg/min 84579,46 lb/min
Exhaust Flow 533,75 m3/s
Baromatic Pressure (P1)
101,21 kPa
14,7 Psi
Press Comp Discharge (P2)
1143,45 kPa 165,84 Psig Intake Air Diff Pressure 7,5 In H2O
Fuel Flow 128,91 lb/min
Tabel 4. Data Setelah Overhaul Operasi Turbin Gas M701F
Input Nilai Unit
Output 153,2 MW
Suction Temperature (T1) 28,9 ˚C
Firing Temperature (Tbb) 616 ˚C
Exhaust Temperature (T4) 536,8 ˚C
Output Shaft Speed 3004,9 rpm
Maintenance turbin gas 16000 jam
Maintenance mayor 48000 jam
6
Tabel 5. Data Setelah Overhaul Operasi Kompresor Turbin Gas M701F
Input Nilai Unit
Dry Bulp Temp 28,7 ˚C
Air Flow
38364,6 kg/min 84579,46 lb/min
Exhaust Flow 533,75 m3/s
Baromatic Pressure (P1)
101,49 kPa
14,72 Psi
Press Comp Discharge (P2)
1109,13 kPa 160,87 Psig Intake Air Diff Pressure 7,5 In H2O
Fuel Flow 119,6 lb/min
Tabel 6. Data Komposisi Bahan Bakar
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
7
G. Parameter Perhitungan Turbin Gas
- Menghitung proses di dalam kompresor
Dalam praktiknya, kompresor kehilangan energi melalui gesekan dan perpindahan panas. Agar tekanan kompresinya sama, maka dibutuhkan peningkatan entalpi yang lebih tinggi. Kerja kompresor di kondisi nyata bisa mengacu pada jurnal M. Suyitno, Jamaludin, Sorimuda Harahap,2012 : 96 dengan persamaan dibawah ini:
𝑊𝑘𝑘= 𝑚𝑢× (ℎ2− ℎ1)
Dimana:
Wk : Kerja Aktual Kompresor (hp)
mu : Laju Aliran Massa Udara Masuk (lb/min) h1 : Entalpi Aktual Masuk Kompresor (Btu/lb) h2 : Entalpi Aktual Keluar Kompresor (Btu/lb)
- Menghitung proses pembakaran di dalam ruang bakar
Pada siklus brayton, proses pembakaran ekivalen dilakukan dengan memasukkan panas ke dalam siklus. Untuk menentukan nilai entalphi pembakaran, bisa mengacu pada Meherwan P. Boyce,2012 : 89 dengan persamaan dibawah ini:
(mup × h2) + (mf × hf) = (mup + mf) × h3 Dimana:
mup : Massa Udara Pembakaran (lb/min) mf : Laju Aliran Massa Bahan Bakar (lb/min)
hf : Enthalpy Bersih Bahan Bakar Sebanding Dengan LHV (Btu/lb) h3 : Enthalpy Aktual Masuk Rotor Turbin (Btu/lb)
h2 : Entalpi Aktual Keluar Kompresor (Btu/lb) - Proses Ekspansi pada Turbin
Selama proses ekspansi diasumsikan tidak terdapat perbedaan tekanan dan kerugian lainnya di turbin. Namun kenyataannya, proses ekspansi turbin tidak bersifat isentropis karena rugi-rugi dari gesekan dan perpindahan panas. Kerja turbin dalam kondisi sebenarnya dapat mengacu pada jural Budhi M. Suyitno, Jamaludin, Sorimuda Harahap,2012 : 96 dengan persamaan dibawah ini:
Wt = 𝑚g × (ℎ3 − ℎ4)
Dimana:
Wt : Kerja Aktual Turbin (hp)
mg : Laju Aliran Massa Gas Masuk (lb/min) h3 : Entalpi Aktual Masuk Rotor Turbin (Btu/lb) h4 : Entalpi Aktual Keluar Rotor Turbin (Btu/lb)
8
- Kerja Turbin Bersih
Tidak semua daya turbin dimanfaatkan untuk menggerakkan beban. Karena untuk menggerakkan kompresor membutuhkan sebagian daya turbin. Maka perlu menentukan kerja turbin bersih yang nantinya digunakan untuk menggerakkan beban. Untuk menentukan kerja turbin bersih bisa mengacu pada Meherwan P. Boyce,2012 : 89 dengan persamaan dibawah ini:
𝑊nett = 𝑊t – 𝑊k
Dimana:
Wnett : Kerja Turbin Bersih (hp) Wt : Kerja Aktual Turbin (hp) Wk : Kerja Aktual Kompresor (hp)
- Jumlah Kalor Masuk
Jumlah panas yang masuk ke combustor tergantung pada laju aliran bahan bakar (mƒ) dan nilai panas bawah bahan bakar (LHV). Perhitungan jumlah kalor masuk dapat menggunakan Meherwan P. Boyce,2012 : 89 dengan persamaan dibawah ini:
𝑄in = 𝑚ƒ × 𝐿𝐻𝑉
Dimana:
mf : Laju Aliran Massa Bahan Bakar (lb/menit) LHV (Low Heat Value) : Nilai Panas Bawah Bahan Bakar (Btu/lb)
- Heat Rate
Laju panas (Heat Rate) merupakan rasio antara jumlah kebutuhan energi dengan daya yang dihasilkan oleh beban (generator listrik). Heat Rate bisa mengacu pada ML. Mathur, 2014 : 64 dengan persamaan dibawah ini:
𝐻𝑟𝑎𝑡𝑒 = 𝑚𝑒
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑡
Dimana:
Hrate : Laju Panas (Btu/hp-jam) Wnett : Kerja Turbin Bersih (hp) me : Kebutuhan Energi (Btu/jam) - Konsumsi Bahan Bakar Spesifik
Konsumsi bahan bakar spesifik merupakan rasio antara laju aliran massa bahan bakar per satuan waktu dengan daya yang dihasilkan oleh beban turbin. Konsumsi bahan bakar spesifik bisa menggunakan ML. Mathur, 2014 : 64 dengan persamaan dibawah ini:
𝑆𝐹𝐶 = 𝑚𝑓 × 60
𝑊𝑛𝑒𝑡𝑡
9
Dimana:
SFC : Konsumsi Bahan Bakar Spesifik (lb/hp-jam) mf : Laju Aliran Massa Bahan Bakar (lb/min) Wneet : Kerja Turbin Bersih (hp)
- Efisiensi Termal Efektif
Efisiensi termal efektif merupakan rasio antara daya beban turbin dengan jumlah panas yang masuk. Perhitungan efisiensi termal efektif bisa menggunakan Yunus A.Cengel, Mi- chael A. Boles, 2015 : 488 dengan persamaan dibawah ini:
η𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙=𝑊𝑛𝑒𝑡𝑡
𝑄𝑖𝑛 × 100%
Dimana:
η𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 : Efisiensi Termal Efektif Wnett : Kerja Turbin Bersih (hp) Qin : Jumlah Kalor Masuk (Btu/min) 3. PEMBAHASAN
Gas Turbine M701F UP Muara Karang merupakan penggerak dari generator yang berfungsi untuk menyuplai kebutuhan listrik sebesar 250 MW yang nantinya akan disalurkan ke trafo lalu ke Saluran Udara Tegangan Tinggi (SUTT). Mengingat peran fungsi Gas Turbine M701F yang sangat penting, maka perlu dilakukannya optimasi terhadap unjuk kerja dari Gas Turbine M701F di UP Muara Karang.
Tabel 7. Hasil Perhitungan Data Desain dan Evaluasi
Parameter Operasi Evaluasi Satuan Selisih
Air Flow 84579,46 84579,46 lb/min Tetap
Fuel Flow 128,91 128,91 lb/min Tetap
Daya Turbin Bersih 205444,58 206264,17 hp Naik 0,004
%
Thermal Efisiensi 38,2 30,06 % Turun
0,29%
Efisiensi Ruang Bakar 100% 95,02% % Turun
0,05%
Speed Turbin 3000 3000 rpm Tetap
Temp. Out Comb. 1400 1404,46 0C Naik
0,0032%
Berdasarkan hasil perhitungan evaluasi Turbin Gas M701F pada tabel 7 maka dapat diambil pembahasan sebagai berikut:
1. Termal efisiensi mengalami penurunan sebesar 0,29% dibanding dengan kondisi desainnya, hal ini disebabkan oleh faktor berikut:
- Kerja kompresor yang mengalami kerugian sehingga harus beroperasi dengan maksimal agar dapat memenuhi kebutuhan.
10
2. Efisiensi ruang bakar mengalami penurunan sebesar 0,05% dibanding dengan kondisi desainnya, hal ini disebabkan oleh faktor berikut:
- Di combustor basket dan nozzle ruang bakar terdapat kotoran dan crack, sehingga menyebabkan pembakaran kurang optimal.
Tabel 8. Hasil Perhitungan Data Desain, Evaluasi, dan Optimasi
Parameter Operasi Evaluasi Optimasi Satuan Selisih
Air Flow 84579,46 84579,46 84579,46 lb/min Tetap
Fuel Flow 128,91 128,91 119,6 lb/min Turun 0,072%
Daya Turbin Bersih 205444,58 206264,17 228053,57 hp Naik 0,11%
Thermal Efisiensi 38,2 30,06 35,82 % Naik 0,19%
Efisiensi Ruang
Bakar 100% 95,02% 97,1 % Naik 0,022%
Speed Turbin 3000 3000 3004,9 rpm Naik 0,0016%
Temp. Out Comb. 1400 1404,46 1404,46 0C Tetap
Berdasarkan hasil perhitungan optimasi Turbin Gas M701F pada tabel 8 maka dapat diambil pembahasan sebagai berikut:
1. Termal efisiensi mengalami kenaikan sebesar 0,19% dibanding dengan kondisi evaluasinya, hal ini disebabkan oleh faktor berikut:
- Kerja kompresor beroperasi dengan batas standarnya dan tidak mengalami banyak kerugian.
2. Efisiensi ruang bakar mengalami kenaikan sebesar 0,022% dibanding dengan kondisi evaluasinya, hal ini disebabkan oleh faktor berikut:
- Di combustor basket dan nozzle ruang bakar sudah dilakukan pembersihan setelah dilakukannya overhaul pada ruang bakar tersebut.
4. SIMPULAN
Dari hasil pengamatan dan hasil perhitungan unjuk kerja Gas Turbine M701F PT. PLN Nusantara Power UP Muara Karang Blok 2 pada kondisi aktual dan optimalisasi penulis dapat menyimpulkan bahwa:
1. Terjadi penurunan performance jika dibandingkan dengan hasil perhitungan aktual.
Penurunan efisiensi termal dan efisiensi ruang bakar disebabkan oleh kondisi ruang bakar itu sendiri kotor, terutama pada bagian combustor basket dan cumbustor nozzle.
2. Fuel flow sebelum overhaul mengalami kenaikan dari fuel flow desain, yang disebabkan oleh kotoran pada bucket nozzle sehingga penggunaan bahan bakar lebih boros dan tidak efisien.
3. Efisiensi termal dan efisiensi ruang bakar sebelum overhaul mengalami penurunan sebesar 0,29% dan 0,05%, yang disebabkan oleh ruang bakar kotor dan rugi-rugi yang terjadi di proses kompresi dalam kompresor serta proses ekspansi di dalam turbin.
4. Fuel flow setelah overhaul mengalami penurunan dari fuel flow aktualnya, yang dimana dalam penggunaan bahan bakar lebih efisien dan ekonomis.
11
5. Efisiensi termal dan efisiensi ruang bakar setelah overhaul mengalami kenaikan sebesar 0,19% dan 0,022%.
Dalam hal ini, untuk meningkatkan performance pada Gas Turbine M701F yaitu salah satunya dengan cara melakukan overhaul pada ruang bakarnya, dengan begitu keuntungannya dari itu bisa menambah life time pada Gas Turbine M701F
5. DAFTAR PUSTAKA
[1] W. Aris Munandar, Pengantar Turbin Gas dan Motor Propulsi, Bandung: Institut Teknologi Bandung, 2001.
[2] W. Aris Munandar, Penggerak Mula Turbin, Bandung: Institut Teknologi Bandung, 2014.
[3] M. Boyce, Gas Turbine Engineering Handbook Fourth Edition, Texas: Butterworth-Heinneimann, 2006.
[4] S. S. K. Gusnita Novi, "Analisa Efisiensi dan Pemanfaatan Gas Buang Turbin Gas Alsthom Pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas Kapasitas 20 KW," vol. 14, pp. 209-218, 2017.
[5] M. Mathur, Gas Turbines and Jet & Rocket Propulsion, Nai Sarak: Nem Champ Jain, 2014.
[6] I. M. Najamudin, Turbin Gas, Lampung: Universitas Bandar Lampung, 2015.
[7] M. Schobeiri, Gas Turbine Design, Component and System Design Integration, Texas: Springer International, 2016.
[8] J. H. S. Suyitno M. Budhi, "Optimasi Aliran Kompresor Pada Turbin Gas Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Biomasa Dengan Kapasitas 20 MW," Teknobiz, vol. 5, no. 2, pp. 93-105, 2012.
[9] M. A. Yunus A. Chengel, Thermodynamics an Engineering Approach, New York: Megraw Hill Education, 2015.
