LEARN ABOUT ENGINEERING TODAY

(1)

ENGINEERING TODAY

Metode Kuantifikasi Parameter Gas Buang Pembangklit Listrik Tenaga Gas/Pembangkit

Listrik Tenaga Mesin Gas untuk estimasi energy dan exergy gas buang

1 September 2023 Disampaikan Oleh

Muhammad Arif Susetyo S.T., M.T.

(2)

www.pln.co.id | 2

Materi

1. Metode Kalkulasi Energy Gas Buang

2. Pembakaran Bahan Bakar dan Excess Air

3. Komposisi Gas Buang relatif terhadap kadar Oksigen Gas Buang 4. Parameter Gas Buang (Temperatur, Laju Massa, Besaran Energy)

5. Mampu Manfaat Gas Buang untuk Heat Recovery Steam Generator (Energy, minimum exhaust gas akibat adiabatic saturation temperature/sulfur dew point)

Penyusunan Metode:

1. Disusun di tahun 2017, untuk konfirmasi Parameter Gas Buang PLTG yang dilakukan ”add on” combined Cycle.

2. Terdapat kondisi tidak ideal yaitu O2 Sensor tidak bekerja.

Narasumber Utama: Dr Magnus Genrup (Lund University) Narasumber 2: Adam Radiman (Ex. PLN Enjiniring)

2

(3)

Pembangkit Listrik Tenaga Gas (Brayton Cycle)

(4)

www.pln.co.id |

Exhaust Gas Ducting PLTG untuk combined Cycle

(5)

Pembangkit Listrik Tenaga Mesin Gas

(Otto/Diesel Cycle)

(6)

www.pln.co.id |

PLTMGU (Combined Cycle)

(7)

(8)

www.pln.co.id |

Tujuan Pembelajaran Modul 1: Batubara, Udara Pembakaran, dan PLTU

• Hubungan Nilai Kalori dan spesifikasi bahan bakar untuk mengetahui parameter pembakaran (Spreadsheet Deployment):

•

Kebutuhan Oksigen dan Udara stoikiometrik pembakaran

•

Penentuan Udara Lebih (Excess Air)

•

Kadar Oksigen di Gas Buang Sebagai fungsi Udara Lebih

Goal:- Air Fuel Ratio Tipikal, relative terhadap Spesifikasi Bahan Bakar - Pencapaian Pembakaran Sempurna (O

₂

& CO Optimal)

• Neraca Massa dan Energi Bahan Bakar, serta udara pembakaran pada PLTG (Spreadsheet Deployment):

•

Produksi Energi & Efisiensi Konversi Energi

•

Spesifikasi bahan bakar & Specific Fuel Consumption

•

Jenis PLTG/PLTMG & Udara Pembakaran

•

Konsumsi Bahan Bakar & Udara Pembakaran

(9)

Konsep Satuan Daya & Energi

Satuan S.I Newton N.meter Watt (Joule/s)

Joule

S.I base unit 𝑘𝑔. 𝑚

𝑠² 𝑘𝑔. 𝑚²

𝑠³ 𝑘𝑔. 𝑚² Besaran

Gaya Torsi Daya Energi

Satuan lain lbf lb.ft Joule

s

kCal, btu, kWh

𝑃

^{𝑘𝑔.𝑚}²

𝑠³

= 𝑇

^{𝑘𝑔.𝑚}²

𝑠²

𝑥 2𝜋

^{𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛𝑡}

𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛

𝑥 𝜔

^{𝑟𝑒𝑣𝑜𝑙𝑢𝑡𝑖𝑜𝑛}

𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑

=

^{𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦}

𝑘𝑔.𝑚2 𝑠2

𝑇𝑖𝑚𝑒 𝑠

P = Daya T = Torsi

w = kecepatan putar mesin

Satuan Energi Listrik :

1 Kilowatt Hour (1 kWh) = 861 kCal

(10)

1.1. Tahapan Proses Pembakaran

01

(11)

Reaksi Pembakaran

• Segitiga Pembakaran Reaksi oksidasi elemental pada proses pembakaran batubara.

• C + O

₂

→ CO

₂

ΔHc = -393,5 kJ/mol

• H

₂

+ ½ O

₂

→ H

₂

O ΔHc = -285,8 kJ/mol

• S + O

₂

→ SO

₂

ΔHc = -296,8 kJ/mol

(12)

www.pln.co.id | Combustion (Pembakaran)

• Combustion (pembakaran) adalah reaksi oksidasi pada temperatur tinggi dari elemen-elemen yang mudah terbakarn dari bahan bakar, dengan menghasilkan energi panas.

• Syarat terjadinya pembakaran harus terdapat bahan bakar, oksidan dan igniter

• Tujuan dari pembakaran pada PLTG/PLTMG adalah mengkonversi energi kimia pada bahan bakar menjadi energi panas dengan

memaksimalkan efisiensi pembakaran (Combustion Efficiency)

• Tempat terjadinya pembakaran pada PLTG/PLTMG dinamakan combustion chamber.

• Dikarenakan Temperatur yang relatif tinggi dari gas buang

PLTG/PLTMG, maka gas buang masih dapat dimanfaatkan untuk

heat recovery untuk produksi uap air (steam), untuk keperluan

termodinamika selanjutnya.

(13)

Case Study

(14)

www.pln.co.id |

Neraca Massa dan Energi PLTGU

(15)

1.2.Parameter Pembakaran

&

(16)

www.pln.co.id |

Case Study

• Case Study: PLTU XYZ

• 2x50 MW

• Non Reheated Steam

• CFB Boiler

16

(17)

Proses Pembakaran Batubara

• Tujuan utama: mengetahui Udara Pembakaran sebagai fungsi spesifikasi bahan bakar (Batubara).

• Metode Kalkulasi Kebutuhan Oksigen Stoikiometrik

• Metode Kalkulasi Kebutuhan Udara Stoikiometrik & Lebih

• Produksi & Komposisi Gas Buang Aktual

Bahan Bakar

Udara Pembakaran

=

Udara Stoikiometrik +

Udara Lebih

Proses Pembakaran pada Pembangkit

Listrik C + O2 → CO2

½ H + O2 →H₂0 S + O2 → SO₂

Komposisi Gas Buang

= Hasil Pembakaran Stoikiometrik

+ Udara Lebih

Regulasi Emisi SO2

Pelarutan SO2

terhadap udara diregulasikan berdasarkan kadar O2

antara 3-15%, tergantung dari jenis

bahan bakar dan pembangkit listrik

(18)

www.pln.co.id |

Kalkulasi Pembakaran Bahan Bakar

• Reaksi Pembakaran dikalkulasi berbasis “mol”, atau jumlah molekul senyawa reaktan

• Basis massa bahan bakar, dikonversi ke basis mol

• C = 12g/mol

• H = 1g/mol

• O = 16g/mol

• N = 14g/mol

• S = 32 g/mol

• Kebutuhan Oksigen dikalkulasi berdasarkan kebutuhan untuk mengoksidasi reaktan (C, H, S) bahan bakar, yang menghasilkan kebutuhan mol oksigen stoikiometrik.

• Kebutuhan massa udara stoikiometrik dikalkulasi berdasarkan kebutuhan oksigen, dan konsentrasi oksigen di udara.

• Konsentrasi Volum Oksigen di udara = 21%

• Fraksi volume di GAS = Fraksi mol

• Konsentrasi Massa Oksigen di udara = 23%

(19)

Kalkulasi Kebutuhan Oksigen Pembakaran

• Tahap pertama dalam mengkalkulasi kebutuhan oksigen & udara

pembakaran dengan mengkonversi reaktan berbasis massa, menjadi basis mol.

• Setelah didapatkan basis mol reaktan bahan bakar, Kebutuhan molar

Ultimate Analysis m M N

kg (kg/100kg) (kg/kmol) (kmol)

C Carbon content 43,62 43,62 12 3,64

H Hydrogen content 3,33 3,33 1 3,33

O Oxygen content 12,53 12,53 16 0,78

S Sulfur content 0,50 0,50 32 0,016

N Nitrogen content (Inert) 0,61 0,61 14 0,043

Ash content (Inert) 4,41 4,41

H2O Moisture content 35,00 35,00 18 1,94

100,0 100,0 9,75

REACTANT Species

(As Received)

Total Fuel

(20)

www.pln.co.id |

Hasil Kebutuhan Oksigen pembakaran

• Dari Persamaan tersebut, diapatkan kebutuhan oksigen sebesar 4,09 kmolO

₂

/100 kg Fuel

• Massa Molar O

₂

= 32 kg/kmol

• Maka Udara Pembakaran= 4,09kmol x 32 kg/kmol = 131 kg O

₂

/100kg fuel.

• Semakin Tinggi Kalori Bahan Bakar, semakin tinggi kebutuhan oksigen Pembakaran

C Carbon content 43,62 43,62 12 3,64

O Oxygen content 12,53 12,53 16 0,78

S Sulfur content 0,50 0,50 32 0,016

100,0 100,0 9,75

131,0 131,0 32 4,09

(As Received)

Total Fuel Stoichiometric Oxygen

(21)

Hasil Kebutuhan Udara Pembakaran Stoikiometrik

• Dikarenakan konsentrasi volum O

₂

di udara = 21%, maka untuk tiap mol O2 yang dibutuhkan, maka disuplai oleh mol udara sebesar 100/21 = 4,76 x mol

• Berat mol rata rata udara = 28,84 g/mol

• Maka, jumlah massa udara = Mol O

₂

x 4,76 x 28,84 g/mol

• Sehingga dibutuhkan 562 kg udara per 100 kg fuel

• Air Fuel Ratio stoikiometrik =5,62 kg air/kg fuel

C Carbon content 43,62 43,62 12 3,64

(As Received)

(22)

www.pln.co.id |

Analisa Gas Buang

Stoikiometrik

• Bahan bakar yang direaksikan dengan udara stoikiometrik, pada teorinya akan menghasilkan pembakaran sempurna, dengan reaktan bahan bakar, dan udara pembakaran habis bereaksi.

• Komposisi gas buang dapat dikalkulasi berdasarkan komposisi bahan bakar, dengan Teknik pengukuran actual berupa basis Volum

22

C Carbon content 43,62 43,62 12 3,64

O Oxygen content 12,53 12,53 16 0,78

S Sulfur content 0,50 0,50 32 0,016

100,0 100,0 9,75

131,0 131,0 32 4,09

562,0 562,0 28,84 19,49

0,0 0,0 28,84 0,00

662,0 662,0 29,24

kg (kg/100kg) (kg/kgmol) (kgmol)

CO2 Carbon Dioxide 160,0 160,0 44 3,64

SO2 Sulfur Dioxide 1,0 1,0 64 0,016

N2 Nitrogen content (Inert) 431,7 431,7 28 15,417

O2 0,0 0,0 32 0,00

Fly Ash + Bottom Ash 4,41 4,41

662,0 22,68

Total Flue Gas Incl Excess Air Excess Air

Total reactant incl Excess Air

PRODUCT Species

Gaseous Product Stoichiometric Air

(As Received)

(23)

Excess air control

Excess Air Control : semakin besar udara lebih diatas stoikiometrik,

maka dalam produksi yang konstan akan terlarut dalam gas buang yang lebih besar. Sehingga terjadi efek “pengenceran” emisi.

• Analogi : menyeduh kopi tubruk dengan dengan bubuk kopi yang sama menggunakan gelas kecil dan gelas besar (kondisi penuh) akan menghasilkan kekentalan yang berbeda

• Dikarenakan kadar oksigen di gas buang merupakan fungsi dari excess

air, maka regulasi menetapkan pengukuran emisi pada kadar oksigen

(24)

www.pln.co.id |

Udara Lebih (Excess Air)

• Pada prakteknya, pembakaran bahan bakar padat dengan udara stoikiometrik, tidak dapat dilakukan.

• Karena tidak efektif dalam membakar habis bahan bakar (menghasilkan Unburnt Carbon pada abu), dan menghasilkan emisi gas buang tambahan berupa Karbon Monoksida (CO).

• Maka pada prakteknya, diinkorporasi Udara pembakaran lebih, atau Excess Air.

• Excess Air adalah fraksi udara pembakaran lebih, relatif terhadap kebutuhan udara stoikiometrik

• Satuan combustion air adalah 100% Stoichiometric Air + Excess Air (%)

• Kelebihan udara pembakaran akan menghasilkan kadar oksigen sisa di gas buang, yang tidak bereaksi dengan reaktan (karena sudah habis bereaksi oleh bahan bakar).

• Pada prakteknya, nilai Excess Air didapat dari pengukuran konsentrasi volumetrik Oksigen di gas buang

• Terdapat hubungan nonlinear antara Kadar Oksigen di gas buang, dan Excess Air.

• Pengukuran Oksigen Dilakukan dalam basis Wet, maupun Dry

• Besaran Ideal Excess Air merupakan parameter spesifik dari desain boiler (PC Boiler 2,5 – 4%)

(25)

Combustion Excess Air Control

• Melebihkan udara untuk meningkatkan reaksi pembakaran.

• Menghindari reaksi tidak sempurna

Kondisi yang diminta permenLHK

(26)

www.pln.co.id |

Udara excess

Udara Excess= udara Stoikiometrik x (1 + %udara excess)

(27)

Analisa

Gas Buang Dengan

Excess Air

C Carbon content 43,62 43,62 12 3,64

O Oxygen content 12,53 12,53 16 0,78

S Sulfur content 0,50 0,50 32 0,016

100,0 100,0 9,75

131,0 131,0 32 4,09

562,0 562,0 28,84 19,49

112,4 112,4 28,84 3,90

774,4 774,4 33,14

CO2 Carbon Dioxide 160,0 160,0 44 3,64

SO2 Sulfur Dioxide 1,0 1,0 64 0,016

N2 Nitrogen content (Inert) 517,9 517,9 28 18,496

O2 26,2 26,2 32 0,82

774,4 26,58

Total Flue Gas Incl Excess Air Excess Air

Gaseous Product Stoichiometric Air

(As Received)

% volume O2 Basis Basah = 3,080%

% volume O2 Basis Kering = 3,564%

(28)

www.pln.co.id |

Intermezzo: Yang Perlu Diingat

1. Pada Fasa Gas, Fraksi Mol = Fraksi Volum

2. Sensor Oksigen di gas buang dapat mengukur dalam:

- Fraksi Volum (ppm Volume) - Fraksi Massa (ppm Mass)

3. Sensor Oksigen Di Gas Buang dapat mengukur dalam:

- Wet Basis: Gas buang tanpa Abu

- Dry Basis: Gas Buang tanpa Moisture & Abu

(29)

Komposisi Bahan Bakar Gas &

Ultimate Analysis Natural Gas

Parameter Unit Value Note Parameter Unit Value Note

Carbon Content (DAF) % weight 75,80% Calculation Input C - Carbon % Weight (AR) 69,41% AR Basis

Hydrogen Content (DAF) % weight 24,20% Calculation Input H - Hydrogen % Weight (AR) 22,16% AR Basis

Oxygen Content (DAF) % weight 0,00% Calculation Input O - Oxygen % Weight (AR) 0,00% AR Basis

Sulfur Content (DAF) % weight 0,00% Calculation Input S - Sulfur % Weight (AR) 0,00% AR Basis

Nitrogen Content (DAF) % weight 0,00% Calculation Input N - Nitrogen % Weight (AR) 0,00% AR Basis

TOTAL % Weight (DAF) 100,00% Crosscheck Calculation Nitrogen Content (Inert) % Weight (AR) 0,64% AR Basis

Carbon Dioxide (Inert) % Weight (AR) 7,79% AR Basis

TOTAL % Weight (AR) 100,00% Crosscheck Calculation

Parameter Unit Value Note

Gas Fuel % weight 91,57%

Nitrogen Content (Inert) % weight 0,64% Calculation Input Carbon Dioxide (Inert) % weight 7,79% Calculation Input

TOTAL AR % weight 100,00%

FUEL CALCULATED SPECIFICATION (As Received-AR) Note

User Input Calculated Value

Fixed Input

ULTIMATE ANALYSIS FUEL INPUT (Dry Ash Free - DAF)

PROXIMATE ANALYSIS FUEL INPUT (As Received-AR)

(30)

www.pln.co.id |

Kalkulasi Pembakaran (Asumsi Awal 15% O2)

Combustion Excess Air % 224,50 % Above Stoichiometric Air Relative Humidity % RH 75% Fixed Input 30 Celcius Basis

COMBUSTION AIR INPUT

C Carbon content 69,41 69,41 12 5,78

O Oxygen content - 0,00 16 0,00

S Sulfur content - 0,00 32 0,000

N Nitrogen content (Inert) - 0,00 14 0,000

Ash content (Inert) 7,79 7,79 C

H2O Moisture content 0,64 0,64 18 0,04 h

100,0 100,0 27,98 o

362,4 362,4 32 11,32

1555,2 1555,2 28,84 53,92 N

3491,4 3491,4 28,84 121,06

5146,6 5146,6 202,96

Ultimate Analysis m M N density @300K 1 atm

kg (kg/100kg) (kg/kgmol) (kgmol) (kg/Nm3)

CO2 Carbon Dioxide 254,5 254,5 44 5,78 3,41% 3,20% 1,77

H2O Moisture content 200,1 200,1 18 11,12 6,16%

SO2 Sulfur Dioxide 0,0 0,0 64 0,000 0,00% 0,00% 2,57

N2 Nitrogen content (Inert) 3870,7 3870,7 28 138,238 81,58% 76,56% 1,12

O2 813,5 813,5 32 25,42 15,00% 14,08% 1,28

Fly Ash + Bottom Ash 7,79 7,79 FLUE GAS DENSITY (kg/m3)

5146,6 180,56 100% 100,00% 1,169

Stoichiometric Air Species (As Received)

Excess Air

Gaseous Product

% Volume Dry ash free

% Volume wet ash free

Total Flue Gas Incl Excess Air

(31)

Flowchart Kalkulasi

(Exergy Basis)

(32)

www.pln.co.id |

(33)

Dataset

(34)

www.pln.co.id |

Hasil Kalkulasi

(35)

Kalkulasi Pembakaran (Hasil Kalkulasi 14,383% O2)

Combustion Excess Air % 194,80 % Above Stoichiometric Air

Relative Humidity % RH 75% Fixed Input 30 Celcius Basis

COMBUSTION AIR INPUT

C Carbon content 69,41 69,41 12 5,78

O Oxygen content - 0,00 16 0,00

S Sulfur content - 0,00 32 0,000

Ash content (Inert) 7,79 7,79 C

H2O Moisture content 0,64 0,64 18 0,04 h

100,0 100,0 27,98 o

362,4 362,4 32 11,32

1555,2 1555,2 28,84 53,92 N

3029,5 3029,5 28,84 105,05

4684,7 4684,7 186,95

Ultimate Analysis m M N density @300K 1 atm

kg (kg/100kg) (kg/kgmol) (kgmol) (kg/Nm3)

Stoichiometric Air

(As Received)

Excess Air

Gaseous Product

(36)

www.pln.co.id |

C Carbon content 69,41 69,41 12 5,78

O Oxygen content - 0,00 16 0,00

S Sulfur content - 0,00 32 0,000

100,0 100,0 27,98

362,4 362,4 32 11,32

1555,2 1555,2 28,84 53,92

3029,5 3029,5 28,84 105,05

4684,7 4684,7 186,95

CO2 Carbon Dioxide 254,5 254,5 44 5,78 3,77% 3,52%

H2O Moisture content 200,1 200,1 18 11,12 6,76%

SO2 Sulfur Dioxide 0,0 0,0 64 0,000 0,00% 0,00%

N2 Nitrogen content (Inert) 3516,4 3516,4 28 125,586 81,85% 76,32%

O2 705,9 705,9 32 22,06 14,38% 13,41%

4684,7 164,55 100% 100,00%

Stoichiometric Air

(As Received)

Excess Air

Gaseous Product

Total Flue Gas Incl Excess Air

(37)