PEMANFAATAN BOIL-OFF GAS PADA COMBINED CYCLE PROPULSION PLANT UNTUK LNG CARRIER

Transkripsi

1 PEMANFAATAN BOILOFF GAS PADA COMBINED CYCLE PROPULSION PLANT UNTUK LNG CARRIER I Made Ariana, ST, MT, Dr.MarSc 1), Ir. Indrajaya gerianto M.Sc 1) Pratama Notariza 2) 1) Staf Pengajar: Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, FTKITS 2) Mahasiswa: Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, FTKITS ABSTRAK LNG carrier merupakan sarana utama yang paling handal dalam transportasi LNG di dunia. Dalam operasionalnya, setiap LNG carrier akan menghasilkan boiloff gas akibat ekspansi dari ruang muat. Jumlah ratarata BOG yang dapat dihasilkan adalah 0,15% dari kapasitas tangki ruang muat per hari. Untuk itu, ada kesempatan besar dalam pemanfaatan BOG sebagai bahan bakar di LNG carrier sehingga terjadi penghematan bahan bakar. Salah satu tenaga penggerak yang dapat memanfaatkan BOG adalah Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) gas turbine dan steam turbine, dengan gas turbine yang memiliki teknologi dual fuel dan HRSG sebagai pembangkit energi panas dari exhaust gas turbin gas. Peningkatan efisiensi dan mampu menggunakan BOG sebagai bahan bakar akan mampu menurunkan Fuel oil consumption dari tenaga penggerak tersebut. Studi dilakukan dengan membandingkan konsumsi bahan bakar dari LNG carrier dengan sistem penggerak konvensional steam turbines, dibandingkan dengan LNG carrier yang menggunakan CCPP. CCPP pada akhirnya menjadi pilihan dengan penghematan bahan bakar paling tinggi baik dari segi pemanfaatan BOG, efisiensi maupun penggunaan bahan bakar. Untuk LNG carrier m 3 yang sama, dengan CCPP berbahan bakar MDO dapat dilakukan penghematan bahan bakar sebesar US$ ,80 per hari dan untuk CCPP dengan memanfaatkan BOG, penghematan bahan bakarnya sebesar US$ ,70 per hari. Keyword : LNG Carrier, Boiloff gas, CCPP, Gas turbine, Steam turbine, HRSG, penghematan bahan bakar 1. Pendahuluan Sistem penggerak pada kapal merupakan bagian yang sangat vital dalam pengoperasian kapal tersebut. Pemilihan sistem penggerak yang tepat dapat memberikan penghematan yang signifikan dalam operasionalnya. Umumnya, istem penggerak kapal LNG konvensional menggunakan steam turbine. Efisiensi dari sistem penggerak steam turbine ini cukup rendah. Dengan demikian, dibutuhkan suatu inovasi teknologi sistem penggerak kapal yang mampu memberikan efisiensi yang tinggi sekaligus mampu menghemat bahan bakar. Sebuah kombinasi Gas Turbine dan Steam Turbine melalui sebuah unit Heat Recovery Steam Generator menawarkan banyak keuntungan jika di aplikasikan sebagai tenaga penggerak utama di kapal LNG. Keuntungan utama dari sistem ini adalah penghematan energi sebesar 30% sampai 35% dibanding jika marine gas turbine ataupun marine steam turbine dipakai secara terpisah. Kondisi ini menjadi lebih menarik lagi seiring dengan perkembangan teknologi dari modern advanced gas turbine berbahan bakar gas alam yang mampu memberikan efisiensi thermal total pada suatu unit combined cycle power plant (CCPP) lebih dari 60%. Dengan efisiensi total sebesar ini memungkinkan bagi CCPP untuk kembali bersaing dengan motor diesel. Terlebih lagi dengan adanya tuntutan akan emisi gas buang serendah mungkin, CCPP berbahan bakar gas alam akan lebih unggul. Teknologi saat ini sudah mampu untuk mengaplikasikan Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) di kapal. Kombinasi dari tipe 1

2 penggerak ini sangat tinggi, bahkan mampu mencapai 60%, lebih besar dari efisiensi diesel engine. Gas turbine juga mampu memanfaatkan boiloff gas (BOG) yang dikeluarkan akibat ekspansi muatan LNG carrier. Pemanfaatan BOG dan efisiensi yang tinggi dari CCPP akan memberikan keuntungan tersendiri apabila diaplikasikan pada LNG carrier. Oleh karena itu, dalam penulisan tugas akhir ini, dilakukan analisa dari penggunaan CCPP dengan pemanfaatan BOG pada LNG carrier. 2. Tinjauan Pustaka 2.1 LNG Carrier LNG Carrier Liquefied Natural Gas (LNG) adalah gas alam (MetanaCH4) yang didinginkan sampai minus 160 derajat Celsius pada tekanan atmosfer yang membuatnya menjadi zat cair dan volumenya menjadi 1/600 kali diri kondisi semula sebagai gas [2]. Kondisi cair ini memungkinkan pengangkutan LNG dalam jumlah besar dengan kapal tanker LNG atau sering disebut LNG Carrier. LNG telah ditransportasikan melalui laut, menggunakan kapal desain khusus sejak tahun Kapal pertama yang digunakan untuk mengangkut LNG adalah Methane Pioneer yang sebelumnya merupakan kapal tanker kecil yang dikonversikan menjadi kapal pengangkut LNG. Kapal ini mengangkut LNG dari teluk meksiko ke sungai thames Inggrs pada tahun 1959 dan menjadi pelopor untuk pembangunan kapalkapal LNG masa kini. Pengembangan dan pembangunan kapalkapal LNG terus meningkat seiring dengan meningkatnya perdagangan LNG dalam 2 dasawarsa ini. Penyebab utamanya adalah karena LNG membutuhkan biaya transportasi lebih kecil dibandingkan pendistribusiannya dalam bentuk gas. 2.2 Sistem Penggerak Kapal dengan CCPP Semakin majunya teknologi akan menuntut peningkatan dalam berbagai hal. Begitu pula dalam bidang power plant. Ketidakpuasan akan efisiensi dari satu cycle saja membuat para engineer berpikir untuk menggabungkan 2 siklus dalam 1 power plant, tetapi dengan media kerja yang berbeda. Dengan mengkombinasikan 2 siklus menjadi satu, diharapkan keduanya akan saling melengkapi kelemahan dari masingmasing siklus. Slah satu bentuk penggabungan 2 sistem menjadi 1 adalah Combined cycle gas and steam turbine yang sering disebut dengan istilah Combined Cycle Propulsion Plant (CCPP) Siklus ini umumnya dibagi menjadi 2 yaitu Topping dan Bottoming Cycles. Topping cycle adalah siklus utama yang menghasilkan energi, sedangkan panas yang terbuang dari topping cycle akan digunakan untuk mengoperasikan Bottoming cycle pada tingkat suhu yang rendah. Ide ini dituangkan dalam sebuah design penggabungan gas turbine dan steam turbine dalam satu sistem power plant. Disini ada 2 siklus, yaitu siklus terbuka pada gas turbine dan siklus tertutup pada steam turbine. Berikut adalah flow diagram dari sistem tersebut: Skema CCPP 2

3 2.3 Gas turbine Turbin gas adalah suatu pembangkit yang dapat menghasilkan energi dalam jumlah yang besar, tergantung dari ukuran dan beratnya. Gas turbines menghasilkan high quality heat yang dapat digunakan untuk industry dan district heating steam. Temperatur panas yang tinggi dapat direcuperasi untuk meningkatkan efficiency dari power generation atau penghasil uap untuk menjalankan Steam Turbine pada sistem CCPP. Emisi Gas turbine dapat dikontrol pada level sangat rendah dengan dry combustion techniques, water dan steam injection, atau exhaust treatment. Besarnya energi panas yang terkandung dalam exhaust gas yang diberikan kepada HRSG (Q GB ) dapat diketahui dengan persamaan berikut ini : Q GB = mgb Cpgb (TgbTs) Dengan : Tgb = temperatur gas buang ( 0 K) Ts = temperatur stack ( 0 K) mgb = laju aliran gas buang (kg/dt) Cpgb = panas spesifik gas buang (kj/kg.k) 2.4 Steam turbine (21) Steam turbine merupakan alat mekanik yang mengkonversikan thermal energy di uap bertekanan menjadi mechanical work. Energi uap dikonversi ke mechanical work dengan expansion uap melalui turbine. Expansion terjadi melalui serangkaian fixed blades (nozzles) dan masingmasing row dari moving blades each row terhadap fixed blades, moving blades dinamakan stage. Moving blades berputar pada central turbine rotor dan fixed blades secara konsentrik dirancang didalam circular turbine casing yang secara mutlak dirancang untuk menjaga steam pressure. Steam turbine yang digunakan dalam combined cycle harus memiliki karakteristik yaitu efisiensi yang tinggi dan waktu yang sedikit dalam startup. Uap hasil produksi HRSG digunakan untuk menggerakkan turbin uap, uap dari saluran tekanan tinggi masuk ke turbin tekanan tinggi. Selanjutnya bersamasama uap dari saluran tekanan rendah masuk kedalam turbin tekanan rendah dan dikondensasikan ke kondensor. Air kondensor dipanaskan kembali ke HRSG melalui proses seperti di awal sehingga kembali terbentuk uap untuk menggerakkan turbin. Marine steam turbine dioperasikan sesuai dengan pengoperasian di darat. Steam turbine merupakan pilihan utama untuk propulsor dengan power yang sangat tinggi. Keuntungannya adalah kecilnya getaran, berat yang ringan, space minimum dan rendahnya biaya perawatan. Keuntungan lainnya menggunakan steam turbine adalah gerakan memutar langsung sehingga torsi menjadi lebih besar pada poros propeller, tidak ada internal mechanical friction, dan oleh karena itu, tidak membutuhkan pelumasan internal. Steam yang digunakan memiliki tingkat quality of steam yang dirumuskan : x = (s f4 s 4 ) / s fg (22) sedangkan thermal efficiencynya adalah : η th = (W net / q i ) (23) dan untuk laju aliran steam yang dibutuhkan : = (24) 2.5 Heat Recovery Steam Generator Gas buang dari turbin gas yang bertemperatur tinggi (dengan temperatur diatas 500 o C) dialirkan melalui Geat Recovery Steam Generator (HRSG). Didalam HRSG, exhaust gas dari turbin gas digunakan untuk memanaskan air, yang dialirkan pada pipapipa khusus untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi dan uap bertekanan rendah. Proses pemanasan air di HRSG ini tidak menggunakan bahan bakar tambahan, jadi sematamata menggunakan exhaust gas dari turbin gas. Prinsip kerja dari pembangkit uap berdasarkan siklus rankine. Prosesnya, air yang dihasilkan oleh kondensor dinaikkan tekanannya, kemudian dinaikkan suhunya sampai berubah fase menjadi uap kering yang bertekan dan 3

4 bertemperatur tinggi kemudian diekspansi untuk menghasilkan kerja pada steam turbine Perencanaan Heat balance HRSG Untuk skema proses heat balance pada HRSG yang direncanakan adalah : Drum Ekonomizer Evaporator Superheater skema heat balance Perencanaan Q desain Dari data diatas maka dapt dihitung besarnya Q masingmasing sistem yang direncanakan yaitu Qeconomiser, Qevaporator, Qsuperheater 1 dan juga Qsuperheater 2 untuk mengoptimalisasikan besarnya HRSG yang sesuai dengan besarnya Q yang dihasilkan oleh gas buang Gas Turbin. Untuk perhitungan Q tersebut dapat didekati dengan persamaan berikut : Q = m( h) (25) Dimana : m = laju massa air konstan h = entalpi pada skema HRSG yang direncanakan 2.6 Design HRSG Perencanaan tube pada elemenelemen HRSG Jenis aliran dalam HRSG direncanakan menggunakan aliran silang, pemilihan aliran silang ini adalah berdasarakan pada desain HRSG PT ALSTOM yaitu menggunakanaliran silang. Aliran silang pada perhitungan berikut akan direncanakan jenis pipa dan dimensi pipa yang di butuhkan : Bahan Carbon Steel SA 178 A Direncanakan digunakan tube dengan diameter yaitu 2 inchi dari sumber referensi ( dapat diketahui ketebalan pipa minimal dalam HRSG yaitu Using ASME, Section 1, PG t = (P * D) / (2 * S1 + P) * D + e dimana :.(26) t = Minimum required thickness, in P = Maximum allowable working pressure, psia D = Outside diameter of cylinder, in S1 = Maximum allowable stress value, psi e = Thickness factor for expanded tube ends Besarnya entalpi pada masingmasing sistem dapat diketahui dan dihitung dari tabel yang didapat dari berbagai tabel kondisi (Cengel, thermodynamic) karena pada masingmasing sistem terjadi fase yang berbedabeda sedangkan untuk besarnya laju massa air konstan divariasikan untuk mendapatkan besarnya Q total HRSG desain yang sesuai dengan Q HRSG yang diberikan oleh gas buang Gas Turbin Perpindahan panas konveksi pada HRSG Uo = 1/Rto Dimana : Uo = Overall heat transfer coefficient Rto = Total outside thermal resistance (27) 4

5 2.6.3 Perubahan temperatur ratarata untuk menghitung perpindahan panas pada pipa maka perlu dicari perubahan temperatur ratarata yang terjadi: 3. Metodologi Metodologi yang digunakan dalam penulisan paper ini memiliki flowchart sbb: = ( ) ( ). ( ) (28) Mencari banyak tube tiap heat exchanger Dalam mencari banyaknya tube yang akan didesain pada tiaptiap heat exchanger menggunakan rumus berikut yang kemudian akan didapatkan n (jumlah tube) yang akan digunakan sebagai penukar panas. Q = U1 x A x T (29) Dimana : U : adalah koeffisien perpindahan panas konveksi menyeluruh A : adalah luas bidang yang melakukan perpindahan panas Untuk nilai A tergantung pada benda yang mengalami perpindahan panas, dalam hal ini adalah luas permukaan yang berupa persegi panjang setelah tube tersebut dibelah dan dicari luas selimutnya. Rumusnya adalah : A : π x D x L x n.(210) Dimana : D = diameter luar tube L = panjang tube n = banyaknya tube pada satu penukar panas Karena tiap harp didesain ada 42 tube maka banyaknya harp yang digunakan dalam superheater adalah jumah tube dibagi dengan banyaknya tube tiap harp : baris : n/42 (211) dimana : n = banyaknya tube 42 = nilai 1 harp 5

6 Flowchart penelitian 4. Analisa Dan Pembahasan 4.1 atif Kombinasi CCPP alternatif 5 dan 6, panjang tubing naik drastis. Hal ini diakibatkan kebutuhan kalor yang semakin besar pula. Dengan asumsi ketersediaan BOG adalah 0,15% dari volume tangki ruang muat, maka kapasitas BOG yang dihasilkan pe harinya adalah 136,038 ton/day. Kemudian diajukan 6 variasi CCPP untuk kapal yang dianalisa yaitu : No CCPP Power GT (kw) Power ST (kw) Power Total (kw) 1 atif atif atif atif atif atif Design HRSG Untuk menggabungkan gas dan steam turbine, dibutuhkan unit pembangkit panas yaitu HRSG. Untuk masingmasing alternatif didapat perhingan Q sbb: Grafik Panjang Tubing 4.3 Konsumsi Bahan Bakar Dari technical specification yang diberikan oleh manufaktur mesin, untuk semua alternatif dapat diperhitungkan konsumsi bahan bakar yang dibutuhkan. Berikut adalah 6 grafik untuk semua alternatif tersebut: atif 1 atif 2 atif 3 atif 4 atif 5 atif 6 Q calculation (kw) Q kebutuhan (kj/s) eff burner 55% 55% 55% 55% 55% 55% Q real (kj/s) Q burner (kj/s) LHV HFO (kj/gram) 40,98 40,98 40,98 40,98 40,98 atif 1 m bb (gr/s) 270,1 244,1 344,0 832,4 1390,5 LHV NG (kj/gram) 38,1 38,1 38,1 38,1 38,1 m NG (gr/s) 290,5 262,5 370,0 895,3 1495,6 Dari keenam alternatif tersebut, hanya alternatif pertama yang tidak membutuhkan additional firing. Sedangkan untuk panjang tubingnya, jarak antara alternatif 1 hingga 4 tidak menunjukkan perbedaan yang terlalu besar. Akan tetapi untuk atif 2 6

7 atif 3 Grafik Biaya Bahan Bakar Keterangan: HFO : US$ 464,4 / kl MDO : US$ 545 / kl BOG : US$ 6,47 /MMBTU 4.4 Dual Fuel Gas Turbine atif 4 Aplikasi CCPP yang mampu memanfaatkan CCPP tidak akan lepas dari teknologi dual fuel gas turbine, yang mampu menggunakan 2 tipe bahan bakar, liquid dan gas. Teknologi tersebut berkembang karena adanya metode fuel switching. Metode ini adalah cara untuk mengganti bahan bakar di combustor turbin gas, terdiri atas beberapa langkah, sehingga memungkinkan cobustor tersebut untuk mengganti bahan bakar baik dari liquid ke gas maupun sebaliknya. atif 5 Metode fuel switching dari liquid fuel ke gas fuel atif 6 7

8 dilengkapi dengan reliquefaction plant agar BOG tidak terbuang siasia. 4. Sedangkan untuk ST plant yang diganti dengan CCPP yang memanfaatkan BOG sebagai bahan bakar, dapat dilakukan penghematan sebesar US$ ,70 Metode fuel switching dari gas fuel ke liquid fuel 5. Kesimpulan dan saran Setelah melalui serangkaian proses analisa dan perhitungan didapatkan beberapa poin kesimpulan dari Studi Pemanfaatan BOG pada CCPP untuk LNG Carrier. 5.1 Kesimpulan 1. Dengan mengajukan 6 alternatif konfigurasi gas dan steam turbine, maka diambil kesimpulan bahwa konfifurasi CCPP variasi ke 1 dengan power gas dan steam turbine masingmasing adalah kw dan kw. Power stem turbine ±20% dari power gas turbine. Optimasi dilakukan dengan memilih konfigurasi yang memiliki konsumsi bahan bakar yang minimal dan mampu memanfaatkan BOG dengan optimal. 2. Dari perhitungan didapatkan desain tube masingmasing penukar panas yaitu : Superheater = 210 tube Jumlah harp = 5 Evaporator = 42 tube Jumlah harp = 1 Economiser = 336 tube Jumlah harp = 8 3. Dengan memodifikasi ST plant menjadi CCPP pada kapal yang dianalisa, maka didapat penghematan bahan bakar sebesar US$ ,80 untuk CCPP dengan bahan bakar MDO. Untuk tipe ini, sebaik nya 5.2 Saran Beberapa saran yang dapat digunakan sebagai referensi agar pada perencanaan selanjutnya diperoleh hasil yang lebih baik antara lain: 1. Perlu diadakan studi lebih dalam mengenai penggunaan CCPP dari sisi rute untuk optimasi dari penggunaan bahan bakar. 2. Ke depannya, desain HRSG nantinya harus dilakukan secara lengkap dengan semua instrumeninstrumennya agar dapat diketahui desain yang mendekati dimensi nyatanya. DAFTAR PUSTAKA Santoso Agoes, Analisa Termodinamika dari Marine Combined Cycle Power Plant, Jurusan teknik sistem perkapalan, Fakultas teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Soegiono & Artana Ketut Buda, Transportasi LNG Indonesia, Airlangga University Press, Surabaya. Kehlhover Rolf, Combined Cycle Gas and Steam Turbine Power Plant, Penwell Publishing Company, Oklahoma. Santoso, Ir, H, Agoes, MSc, M.Phil, CEng Permesinan Perkapalan II, Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Boyce M.P, Gas Turbine Engineering handbook, Gulf Professional Publishing, Oxford. Smith Robin, Chemical Process Design and Integration, John Wiley & Sons Ltd, England. 8

9 Takashi Aoki, Dual Fuel Type : IM270 Gas turbine, Engineering Department, Power Systems Division, AeroEngine and Space operations, IHI review. Diesel Electric Propulsion Priyanta dwi, Marine Engineering II : Course Handout, Jurusan Teknik Sistem Perkapalan, Fakultas Teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. McBirnie,S,C, Marine Steam engines and turbin,butterworths, London. Endrianto Ennol, Tinjauan Teknis Penggunaan HRSG pada PLTG Gilimanuk,, Jurusan teknik sistem perkapalan, Fakultas teknologi Kelautan, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. Gambar design beberapa tipe HRSG, Indonesia Power, Inodnesia. [dikunjungi pada 16 November 2009] /pdf/ LNG138000IZARSpec1resumi da.pdf [dikunjungi pada 16 November 2009] GE Energy, Heavy Duty Gas Turbine products, General Electric Company. GE Oil & Gas, Industrial Steam turbines, General Electric Company Supriyanto, Numerical Study And Experiment Influence Of Flow And Temperature Of Feed Water Toward The Characteristic Of Heat Balance And Heat Transfer Of Preheater At Combined Cycle Power Plant, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya. 9