SKRIPSI SISTEM PEMBANGKIT TENAGA

Transkripsi

1 SKRIPSI SISTEM PEMBANGKIT TENAGA PERANCANGAN HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR (HRSG) DENGAN MEMANFAATKAN GAS BUANG DARI SATU UNIT TURBIN GAS DENGAN DAYA 117,5 MW Skripsi Yan Diajukan Untuk Melenkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik JANUAR BARU SIDAURUK NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 009 Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

2 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yan Maha Esa atas berkat dan kasih- Nya penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini dibuat untuk memenuhi syarat untuk memperoleh tuas sarjana di Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara. Adapun sikripsi ini diambil dari bidan mata kuliah Sistem Pembankit Tenaa denan judul Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) denan Memanfaatkan Gas Buan dari Satu Unit Turbin Gas denan Daya 117,5 MW, denan data yan dikumpulkan dari PT. PLN Sumatera Baian Utara. Dalam menyelesaikan sikripsi ini penulis banyak mendapat bimbinan dan dukunan dari dosen pembimbin bapak Ir. Mulfi Hazwi,M. SC. dan temanteman di Derpartemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara, baik berupa saran dan nasehat serta ilmu penetahuan. Pada kesempatan ini, penulis menucapkan terima kasih yan sebesarbesarnya kepada: 1. Kedua oran tua tercinta Ayahanda S. Sidauruk dan Ibunda P. Br. Sitorus yan telah berjuan untuk membimbin dan memberi yan terbaik buat penulis.. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, M. SC. selaku dosen pembimbin yan telah meluankan banyak waktu serta menyumbankan ilmu dan nasehat kepada penulis sepanjan menerjakan tuas sarjana ini hina selesai. 3. Bapak Dr. In. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku ketua Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 4. Bapak/ Ibu dosen di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.yan telah mendidik penulis sepanjan kuliah. 5. Bapak/ Ibu staf peawai yan telah menolon penulis sepanjan kuliah di Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. 6. Kakak dan adik adik saya; Hertika R. S, S. Th, Hadriani S, Yokhebet M yan telah mendukun penulis. 7. Rekan- rekan mahasiswa Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Terkhusus untuk stambuk 004 yan telah banyak Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

3 mendukun dan membantu penulis dalam perkuliahan dan penerjaan sikripsi ini. 8. B Rendra, B Herbet, jua kawan kawan dari Parsadaan Mahasiswa Samosir (PAMASA) yan telah mendukun penulis baik melalui doa dan buah pikiran selama kuliah dan penerjaan sikripsi ini. Penulis menharapkan saran dan kritik yan membanun dari pembaca una mendukun penyempurnaan tuas sarjana ini. Atas saran dan kritik yan diberikan penulis ucapkan terima kasih. Medan, Februari 009 Penulis, JANUAR BARU SIDAURUK NIM: Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

4 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... i DAFTAR ISI... iii DAFTAR NOTASI... vi DAFTAR GAMBAR... ix BAB I. PENDAHULUAN Latar Belakan Tujuan Penulisan Batasan Masalah Metode Penulisan... BAB II. TINJAUAN PUSTAKA..1. Penertian Siklus Gabun Siklus Turbin Gas Heat Recovery Steam Generator ( HRSG) Komponen Utama HRSG Peralatan Bantu HRSG Alat Penukar Kalor Proses Pembentukan Uap BAB III. PERHITUNGAN TERMODINAMIKA Spesifikasi Teknis Perancanan Analisa Termodinamika Turbin Gas Kompresor Turbin Gas Proses Pada Ruan Bakar Efisiensi Thermal Generator Laju Aliran Massa Udara Denan Bahan Bakar Parameter Dasar Perencanaan... 1 Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

5 Perhitunan Uap Kesetimbanan Eneri Superheater Evaporator Ekonomiser Preheater Spesifikasi HRSG Yan Direncanakan Daya Yan Dibankitkan HRSG BAB IV. UKURAN- UKURAN UTAMA HRSG Perhitunan Parameter Pipa Superheater Koefisien Perpindahan Panas Dalam Pipa ( h i ) Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa ( h o ) Pemilihan Pipa Superheater Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh Luas Bidan Pindahan Panas Perhitunan Parameter Pipa Evaporator Koefisien Perpindahan Panas Dalam Pipa ( h i ) Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa ( h o ) Pemilihan Pipa Evaporator Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh Luas Bidan Pindahan Panas Perhitunan Parameter Pipa Ekonomiser Koefisien Perpindahan Panas Dalam Pipa ( h i ) Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa ( h o ) Pemilihan Pipa Ekonomiser Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh Luas Bidan Pindahan Panas Perhitunan Parameter Pipa Preheater Koefisien Perpindahan Panas Dalam Pipa ( h i ) Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa ( h o ) Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

6 Pemilihan Pipa Preheater Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh Luas Bidan Pindahan Panas Perhitunan Penurunan Tekanan Pada Komponen Utama HRSG Perhitunan luas penampan HRSG Cerobon HRSG Efisiensi...89 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

7 DAFTAR NOTASI Notasi Arti Satuan A A a Luas Permukaan Perpindahan Panas. Luas Penampan Aliran. m m A c Luas Penampan Pipa Baian Dalam. m AFR Perbandinan Udara Dan Bahan Bakar. - A f A h R w A i Luas Permukaan Sirip. Luas Total Permukaan Yan Menyerap Panas. Tahanan Konduksi Pipa. Luas Pipa Baian Dalam. m m 0 C/W m A p Luas Permukaan Sirip Primer. C p Kalor Jenis Pada Tekanan Konstan. J/k. K D e Diameter Sirip. m D i Diameter Dalam Pipa. m (inch) D o Diameter Luar Pipa. m (inch) D h Diameter Hidrolik Pipa. m DN Diameter Nominal. (inch) h Enthalpi Jenis. kj/k h i Koefisien Konveksi Baian Dalam Pipa. W / m. 0 C h o Koefisien Konveksi Baian Luar Pipa. W/m o C k Konduktivitas Thermal. W/m o C l Panjan Sirip. m L Panjan Pipa. m l f Jarak Dua Buah Pipa. m LMTD Beda Suhu Rata-Rata Loaritma. LHV Nilai Kalor Bahan Bakar. kj/k m a Laju Aliran Massa Udara. k/s Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009 m o C

8 m f Laju Aliran Massa Bahan Bakar. k/s m Laju Aliran Massa Gas Buan. k/s m Laju Aliran Massa Uap. k/s u n Jumlah Pipa Dalam Satu Baris. - N Jumlah Lintasan. - N f Jumlah Sirip Perbatan - N G Daya Semu Turbin. kva Nu Bilanan Nusselt. - P Tekanan. Bar P Daya Nyata Generator. W Pr Bilanan Prandtl. - P T Daya Turbin. kw P T Daya Yan Disuplai Turbin ke Generator. kw Q Laju perpindahan Kalor. J/s Q ECO KalorYan Dihasilkan Ekonomiser. kw Q EVA KalorYan Dihasilkan Evaporator. kw Q PRE KalorYan Dihasilkan Preheater. kw q rb Kalor pada Ruan Bakar kj/k Q SH Kalor Yan Dihasilkan Superheater. kw Re Bilanan Reynold. - r e Jari-Jari Luar Pipa Bersirip. m r i Jari-Jari Dalam Pipa. m r o Jari-Jari Luar Pipa. m r p Rasio Tekanan. - r pk Perbandinan Tekanan Pada Kompresor. - S Teanan Tarik Izin. N/m S D Jarak Diaonal. m S L Jarak Lonitudindal dua Buah Pipa. m S T Jarak Tranversal Dua Buah Pipa. m t Tebal Pipa. m (inch) T Temperatur. Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009 o C

9 T a T b T T T 1 Teperatur Gas Buan Masuk Evaporator. Teperatur Gas Buan Masuk Superheater. Temperatur Gas Buan. Beda Suhu Maksimum. Beda Suhu Minimum. U Koefisien Perpindahan Panas Total. W/m o C v Volume Jenis Fluida. m 3 /k V Kecepatan Gas. m/s V maks Kecepatan Gas Maksimum Rankuman Pipa. m/s V u Kecepatan Uap. m/s W K akt Kerja Kompresor Aktual. kj/k W P Kerja Pompa kj/k W T akt Kerja Turbin Aktual. kj/k X Kualitas Uap. - η f Efisiensi Sirip. % η G Efisiensi Generator. % η HRSG Efisiensi HRSG. % η o Efektifitas Sirip. - η th Efisiensi Thermal. % η rb Efisiensi Ruan Bakar. % η T Efisiensi Turbin. % ηtr Efisiensi Transmisi. % µ Viskositas Dinamik Fluida. k/m.s ρ Massa Jenis Fluida. k/m 3 γ Perbandinan Kalor Spesifik. - Cosϕ Faktor Daya Pada Generator. - o C o C o C o C o C Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

10 DAFTAR GAMBAR Gambar Nama Gambar Halaman.1. Pembankit Daya Siklus Gabunan. 4.. Siklus Turbin Gas Terbuka Diaram T- s Diaram P- V Penukar Kalor Pipa Ganda Distribusi Temperatur Pada Alat Penukar Kalor Distribusi Temperatur Pada Evaporasi Instalasi Siklus Gabun Diaram Alir Turbin Gas Diaram T- s Sei Tia Daya Pada Generator Profil Diaram Temperatur Gas Buan dan Uap Diaram T- s yan Direncanakan Diaram Analisa Kesetimbanan Eneri Siklus Gabunan yan Direncanakan Sket Aliran Uap dan Gas Pada Superheater Sketsa Rancanan Pipa- Pipa Superheater Susunan Pipa Selan - Selin Penampan Pipa Bersirip Profil Luas Penampan Area Superheater Grafik Efisiensi Sirip Sket Aliran Uap dan Gas Buan Pada Evaporator Sketsa Rancanan Pipa- Pipa Evaporator Susunan Pipa Selan- Selin Grafik Efisiensi Sirip Sket Aliran Uap dan Gas Buan Pada Ekonomiser. 59 Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

11 4.1. Susunan Pipa Selan- Selin Ekonomiser Grafik Efisiensi Sirip Sket Aliran Uap dan Gas Buan Pada Preheater Susunan Pipa Selan-Selin Preheater Grafik Efisiensi Sirip. 8 Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

12 BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakan Sepanjan sejarah manusia, kemajuan terbesar dalam kehidupan manusia adalah meninkatnya kebutuhan eneri, akan tetapi persediaan eneri fosil semakin menipis. Eneri alternatif seperti surya, eothermal, nuklir merupakan eneri andalan di masa yan akan datan. Tetapi dalam perjalannya, eneri altrnatif sulit untuk diterapkan karena membutuhkan biaya yan besar. Dalam hal ini alternatif lain dapat ditempuh denan cara meninkatkan efisiensi suatu mesin sehina dapat menhasilkan daya denan pemakaian bahan bakar yan relatif lebih sedikit. Dalam kaitannya denan hal diatas, pada skripsi ini direncanakan pemamfaatan as buan dari satu unit turbin as denan daya 117,5 MW denan menunakan HRSG ( Heat Recovery Steam Generator ). Turbin as denan efisiensi dibawah 33 % menunakan as hasil pembakaran di ruan pembakaran sebaai fluida kerja. Sesudah diekspansikan didalam turbin as untuk menhasilkan daya, as asap meninalkan turbin as pada tekanan atmosfer, tetapi pada suhu tini, yaitu biasanya diatas 500 o C (Lit. 3 hal 510). Eneri panas yan terkandun dalam as asap ini tidak dapat dimanfaatkan secara lansun, tetapi masih dapat dimanfaatkan sebaai sumber eneri untuk menhasilkan uap, pada tekanan dan suhu yan cukup tini uap dapat diunakan sebaai fluida kerja pada siklus uap. Denan pemanfaatan sebaian eneri terbuan dari turbin as dan menkorversikan menjadi kerja ( turbin uap ) denan menunakan HRSG yan dikenal denan siklus abunan dapat meninkatkan efisiensi termis. 1.. Tujuan Penulisan Secara umum tujuan penulisan ini adalah untuk merencanakan satu unit HRSG, dimana uap yan dihasilkan dimanfaatkan untuk menerakkan turbin uap. Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

13 Tujuan khusus penulisan ini adalah untuk menetahui performansi dari HRSG secara teoritis serta menentukan dimensi komponen-komponen utama dari HRSG tersebut Batasan Masalah Dalam tuas ini dirancan sebuah HRSG ( Heat Recovery Steam Generator ) yan memanfaatkan as buan dari turbin as denan daya 117,5 MW, dimana uapnya mensuplai uap panas lanjut untuk sebuah turbin uap. Adapun pembahasan meliputi : 1. Perhitunan Termodinamika / Neraca kalor dan pemanas tambahan.. Perhitunan daya yan dihasilkan HRSG. 3. Perhitunan ukuran utama HRSG yaitu ukuran ukuran pipa dan bahan Preheater, Ekonomiser, Evaporator, Superheater. 4. Gambar penampan HRSG. 1.4 Metodoloi Penulisan Metode yan diunakan dalam penulisan tuas sarjana ini adalah sebaai berikut : a. Survey lapanan, yakni berupa peninjauan lansun ke lokasi tempat unit pembankit itu berada. b. Studi literatur, yakni berupa studi kepustakaan, kajian dari buku-buku, dan tulisan-tulisan yan terkait. c. Diskusi, yakni berupa tanya jawab denan dosen pembimbin, dosen pembandin yan nanti akan ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Mesin FT USU menenai kekuranan-kekuranan didalam tulisan tuas sarjana ini. Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

14 BAB II TINJAUAN PUSTAKA.1. Penertian Siklus Gabun Siklus abun adalah suatu siklus yan memanfaatkan as buan dari turbin as ( PLTG ) untuk memanaskan air dalam ketel, dalam hal ini disebut HRSG ( Heat Recovery Steam Generator ), dan uap yan dihasilkan HRSG tersebut diunakan untuk menerakkan turbin uap. Gas buan dari turbin as keluar pada tekanan dan suhu diatas 500 o C. Disebabkan tekanan rendah, suhu tini ( entalpi tini ) ini, as buan tidak dapat dimanfaatkan menjadi fluida kerja. Reenerator dapat diunakan untuk memanfaatkan as terbuan ini denan cara memanaskan as keluar dari kompressor sebelum masuk ke ruan bakar. Beberapa halanan penunaan reenerator : 1. Reenerator menakibatkan penurunan tekanan antara outlet kompressor dan inlet ruan bakar yan menyebabkan naiknya kerja kompressor karena untuk tekanan inlet turbin yan tertentu. Outlet kompressor tekanannya harus lebih tini.. Reenerator menimbulkan naiknya tekanan keluar ( back pressure ) turbin yan menyebabkan turunnya kerja turbin. 3. Reenerator sulit untuk melayani debit aliran yan tini. Untuk menhindarkan hal-hal diatas maka untuk pemanfaatan panas terbuan dari turbin as diunakan ketel dalam hal ini HRSG. Hal ini jelas dapat dipahami, dimana as buan dari turbin as relatif masih menandun eneri yan relatif tini, yan dapat dimanfaatkan sebaai sumber eneri bai siklus uap. Oleh karena itu, kedua siklus dapat salin melenkapi secara termodinamika, denan demikian dapat diabunkan menjadi satu siklus abunan terdiri dari turbin as dan turbin uap yan masin-masin menerakkan enerator secara terpisah. Gambar.1. berikut menampilkan skema pembankit daya denan menunakan HRSG ( Heat Recovery Steam Reenerator ). Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

15 K 6 RB 7 TG Keteranan : P Pompa HRSG Heat Recovery Steam Generator TU Turbin Uap 9 HRSG 8 C K Condensor Kompresor 3 RB TG Ruan Bakar Turbin Gas P TU 1 4 C Gambar.1 Pembankit daya siklus abunan Pembankit daya seperti ambar.1 diatas, disampin menhasilkan efisiensi yan tini dan keluaran daya yan lebih besar, siklus abun besifat luwes, mudah dinyalakan denan beban tak penuh, cocok untuk operasi beban dasar dan turbin bersiklus dan mempunyai efisiensi yan tini dalam daerah beban yan luas. Kelemahannya berkaitan denan keruwetannya, karena pada dasarnya instalasi ini menabunkan dua teknoloi di dalam satu kompleks pembankit daya. Denan menunakan daur kombinasi as dapat diperoleh dua keuntunan utama yaitu: dapat menambah daya listrik dan dapat menhemat biaya bahan bakar. Penambahan daya listrik tanpa menambah bahan bakar jua berarti akan menaikkan efisiensi termal sistem dan dapat dinaikkan dari sekitar 4 % menjadi sekitar 4 %. Besarnya peninkatan efisiensi ini terantun dari temperatur air pendinin yan diunakan pada PLTU dan besarnya temperatur as buan PLTG. Makin dinin temperatur air pendinin dan semakin tini temperatur as buannya maka peninkatan efisiensinya jua semakin besar. Alasan lain pemilihan PLTGU adalah waktu konstruksi yan cepat sehina bila ada lonjakan permintaan tenaa listrik yan harus dipenuhi dalam Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

16 waktu sinkat dapat dibanun PLTGU secara bertahap. Tahap pertama dibanun PLTG untuk memenuhi lonjakan permintaan, sedankan HRSG beserta PLTU dibanun dan dioperasikan kemudian bila permintaan tenaa listrik sudah meninkat. PLTGU dapat dioperasikan sebaai pembankit untuk beban puncak maupun untuk beban dasar. Sebaai pembankit untuk beban dasar yan perlu diperhatikan adalah kontinuitas air pendinin, sedankan sebaai pembankit untuk beban pencak perlu dipertimbankan waktu start-up dari PLTGU. PLTG mempunyai waktu start-up yan cepat sedankan untuk PLTU mempunyai waktu start-up yan lambat bila dalam kondisi cold start-up. Sehina untuk melayani beban puncak perlu beroperasi secara warm start-up. Dalam tuas sarjana perancanan ini, dipilih siklus abunan denan reenerasi karena siklus ini lebih efisien diunakan dibandinkan denan siklus abunan lainnya dalam menhasilkan daya listrik denan memperunakan masin-masin satu turbin as dan turbin uap. Disampin itu jua, adanya pemanasan air umpan atau reenerasi akan lebih menefektifkan kerja HRSG. Pada siklus abun sederhana, turbin as terdiri dari kompressor udara, ruan bakar, turbin as. Dipadukan denan menirim as buan turbin as ke HRSG sebaai pembankit uap. Pembankit uap ( satu tekanan ) terdiri dari turbin uap, kondensor, pompa kondensat, tanki air umpan. HRSG terdiri dari kondensat preheater, ekonomiser, drum, evaporator dan superheater. Gas keluar dari HRSG menuju cerobon. Dalam hal ini turbin as dan turbin uap, keduanya menunakan enerator listrik masin-masin... Siklus Turbin Gas Turbin as bekerja denan siklus Brayton. Siklus ideal ini terdiri dari dua proses isobar yan terjadi di ruan bakar dan proses pembuanan as bekas, serta dua proses isentropik yan terjadi pada kompressor dan ekspansi as pada turbin. BAHAN BAKAR RUANG BAKAR 3 KOMPRESOR TURBIN GAS SIKLUS GAS GENERATOR 1 Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan 4 Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

17 Gambar.. Siklus Gas Terbuka T s Gambar.3. Siklus Bryton P V Gambar.4. Diaram P-V Turbin Gas Jalannya proses dapat diterankan sebaai berikut (Lit. 3 hal 510): 1- : Merupakan proses kompressi isentropik dalam kompressor, kondisi 1 adalah udara atmosfer, sedankan temperatur udara hasil kompressi T dapat diketahui dari hubunan T T 1. r γ 1 γ p Dimana : r p rasio tekanan P / P 1 γ perbandinan panas spesifik pada tekanan konstan dan panas spesifik pada volume konstan, untuk udara γ 1,4. -3 : Proses penambahan panas pada tekanan konstan dalam ruan Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

18 bakar, panas yan ditambahkan pada ruan bakar adalah : Q in C p ( T 3 T ) 3-4 : Proses ekspansi isentropik dalam turbin, temperatur as keluar T 4 dihitun denan hubunan : 1 T 4 T 3 r p 4-1 : Merupakan proses pelepasan kalor ke linkunan pada tekanan konstan besarnya kalor yan dilepas dihitun denan rumus : Q out C p ( T 4 T 1 ) γ 1 γ Kerja netto turbin ( W net ) Kerja netto turbin merupakan kerja beruna yan dihasilkan turbin setelah kerja ekspansi dikurani denan kerja kompresi. Besar kerja netto turbin adalah : W net W T W K ( h 3 h 4 ) ( h h 1 ) (Lit. hal 95) Daya netto turbin Daya netto turbin merupakan daya keluaran turbin ( daya yan dibutuhkan enerator ) setelah memperhatikan keruian-keruian, maka daya netto turbin adalah : P net m.w T m.w K. (Lit. 10 hal 768) Perbandinan kompresi optimum dicari untuk menhasilkan efisiensi termal yan maksimum atau kerja netto yan maksimum. Perbandinan kompresi optimum dapat diketahui denan menunakan rumus : r p max T T 3. T T1 ηkηt 1 (Lit. 10 hal 768) Perbandinan kompresi untuk menhasilkan kerja netto maksimum, maka besarnya kompresi optimum adalah : Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

19 r p opt η T 1 ( γ 1) 3 T ηk.(lit. 10 hal 768) T1 ketidakidealan yan terjadi menyebabkan adanya tekanan jatuh pada ruan bakar dan tekanan keluar turbin lebih besar dari tekanan atmosfer. Denan kata lain, rasio tekanan melintas kompresor akan lebih besar daripada rasio tekanan melintas turbin. ( r pk > r pt ). Kedua rasio tekanan optimum, yaitu untuk daya dan efisiensi tidak sama, sehina dalam perancanan perlu dicari komprominya. Kalor Spesifik. Kalor spesifik adalah selisih antara kalor yan dimasukkan denan kalor yan keluar, secara matematis dapat dituliskan : q eff q in - q out ( h 3 h ) ( h 4 h 1 )....(Lit. 10 hal 767) Kerja Spesifik Siklus Bersih ( W net ). Kerja spesifk siklus bersih adalah selisih kerja yan dihasilkan turbin denan kerja yan dibutuhkan kompressor tiap k as, yan secara matematis dapat dtuliskan : W net W T W K ( h 3 h l 4 ) ( h l h 1 ) (h 3 h l ) ( h l 4 h 1 )..(Lit. hal 95) Efisiensi Siklus Merupakan perbandinan antara jumlah kalor yan efektif denan kalor yan dimasukkan ke sistem yaitu : η sik W net (Lit. 3 hal 510) q in (h 3 h l ) ( h 4 l h 1 ) / (h 3 h l ) 1-1 h4 h h3 h 1 1 Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

20 .3. Heat Recovery Steam Reenerator ( HRSG ) HRSG pada umumnya terdiri dari beberapa seri seksi-seksi superheater, evaporator, ekonomiser, dan ditambah denan condensate preheater Komponen Utama HRSG Komponen utama HRSG terdiri dari beberapa buah alat penukar kalor, yan berhubunan satu sama lain, komponen tersebut adalah : 1. Condensate preheater Merupakan tempat pemanasan awal air umpan dari HPH sebelum masuk ke FWT HRSG aar air umpan yan akan didihkan menalami kenaikan suhu. Umumnya condensate preheater menempati posisi baian atas sekali daripada posisi pipa-pipa pemanas yan ada dan diikuti oleh pipapipa lainnya.. Ekonomiser Adalah alat penukar kalor yan menaikkan suhu air yan keluar dari FWT HRSG yan tekanannya palin tini sampai ke suhu jenuh. Disini pemanasan dilakukan oleh as yan keluar dari pemanas lanjut dan pipa penuap. Ekonomiser ini ada yan menunakan pipa biasa dan pipa yan bersirip. 3. Evaporator Air dari tanki melalui ekonomiser ke evaporator. Pada evaporator denan adanya pipa penuap akan terjadi pembentukan uap, dimana media pemanasan dilakukan oleh as yan keluar dari pemanas lanjut (superheater). Adapun jenis evaporator yan umum diunakan, seperti : evaporator bersirkulasi bebas (alami) dan evaporator sirkulasi paksa. 4. Superheater Alat penukar kalor ini diunakan untuk menubah uap jenuh pada evaporator menjadi uap kerin. Gas dari buanan turbin as mula-mula dilewatkan pada superheater untuk memanaskan uap pada pipa-pipa superheater. Selanjutnya uap dari superheater ini akan lansun diteruskan ke turbin uap. Selain komponen-komponen utama diatas, Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

21 HRSG jua dilenkapi denan peralatan bantu yan funsinya jua sanat menunjan kinerja HRSG, seperti drum uap HRSG dan cerobon (stack). GAS BUANG Keteranan : HRSG CPR EKO FWT P LPH HPH P SUP EVA EKO CPR FWT SD Low pressure heater Hih pressure heater Pompa air umpan Superheater Evaporator Ekonomiser Condenstate preheater Feed water tank Steam drum EVA SD BAHAN BAKAR RUANG BAKAR SUP SIKLUS UAP TURBIN UAP GENERATOR KOMPRESOR TURBIN GAS GENERATOR SIKLUS GAS KONDENSOR UDARA ATMOSFER P1 Gambar.8. Instalasi siklus abun Berikut ini adalah ambar diaram T-s dari instalasi siklus abunan diatas. Gambar.9. Diaram T-s Instalasi Siklus Gabunan.3.. Peralatan Bantu HRSG Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

22 Selain komponen-komponen utama diatas HRSG jua dilenkapi denan peralatan bantu yan funsinya jua sanat menunjan kinerja HRSG. Adapun peralatan tersebut adalah : o Drum HRSG Tempat penampunan air dari ekonomiser yan kemudian disirkulasikan menuju evaporator dan menampun kembali uap yan dihasilkan dari evaporator tersebut. o Cerobon (Stack) Cerobon pada HRSG terdiri dari horizontal difuser, diverteer dan silencer..4. Alat Penukar Kalor Alat penukar kalor (heat exchaner) adalah sebuah pesawat tempat terjadinya perpindahan panas dari fluida yan temperaturnya tini ke fluida yan bertemperatur rendah atau sebaliknya. Jenis penukar kalor yan banyak diunakan antara lain penukar kalor pipa anda, shell and tube dan lain-lain. Gambar.5. Penukar Kalor Pipa Ganda Kalor yan dilepas fluida panas sebesar : q h m. C h ( t h1 t h ) h Kalor yan diterima fluida dinin sebesar : q c m. C c ( t c1 t c ) c Dimana kalor yan dilepas fluida panas sama denan kaor yan diterima fluida dinin. Subskrip h dan c masin-masin menandakan fluida panas dan dinin. Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

23 Q m. c. dt Dimana c panas spesifik Distribusi temperatur yan terjadi selama perpindahan panas berlansun dapat dilihat pada ambar.6. T o C T o C Th 1 Th 1 Th Tc Th Tc Tc 1 Tc 1 L (m) L (m) ( a ) ( b ) Gambar.6. Distribusi temperatur pada alat penukar kalor a. Perpindahan panas denan arah arus searah. b.perpindahan panas denan arah berlaanan arah. Laju pindahan panas dapat dinyatakan denan beda temperatur rata-rata loaritmik LMTD : Q U. A. ( LMTD ) Dimana : Q : Laju perpindahan panas ( J/s ) U : Koef. Perpindahan panas menyeluruh ( W/m o C ) A : Luas permukaan penukar kalor ( m ) LMTD : Beda temperatur loaritmik rata-rata ( o C ). LMTD ( t ) ( ) h1 tc 1 th tc ( t t )/( t t )` ln h1 c1 h c Pada proses penuapan evaporasi dan penembunan (kondensasi) salah satu fluida tidak menalami perubahan suhu, walaupun perpindahan panas telah berlansun diantara kedua fluida. Hal ini disebabkan kalor yan diterima dan Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

24 yan dilepas oleh fluida (kalor laten) tidak diunakan untuk menaikkan temperatur tetapi diunakan untuk menubah fase fluida. Distribusi temperatur evaporasi dapat dilihat pada ambar.7. T o C T o C Th 1 Th 1 Th Th Tc 1 Tc Tc 1 Tc L ( m ) L ( m ) ( a ) ( b ) Gambar.7. Distribusi temperatur pada proses evaporasi a. Distribusi temperatur aliran sejajar. b. Distribusi temperatur aliran silan. Maka beda suhu rata-rata loaritmik adalah : LMTD ( t ) ( ) h1 tc 1 th tc ( t t )/( t t )` ln h1 c1 h c.5. Proses Pembentukan Uap. Gas buanan dari siklus as masuk ke HRSG untuk menubah air umpan menjadi uap kerin yan akan diunakan untuk memutar sudu-sudu turbin uap hina dapat memutar beban dalam hal ini enerator listrik. Setelah melalui beberapa tinkatan sudu turbin sebaian uap diekstraksikan ke pemanas awal tekanan tini dan pemanas tekanan rendah, sedankan sisanya masuk ke kondensor dan dikondensasikan di kondensor, selanjutnya air dari kondensor dipompakan kembali ke HRSG melalui pemanas air tekanan tini, dari HRSG ini air umpan yan sudah menjadi uap kerin dialirkan kembali ke turbin. Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

25 Beberapa parameter desain yan pentin berkaitan denan turbin uap adalah tekanan uap masuk turbin. Menambil tekanan uap masuk lebih tini akan menuntunkan, karena ukuran sudu-sudu akan menjadi lebih kecil, namun tekanan yan terlalu tini efisiensi akan menurun. Parameter lain yan pentin dari turbin uap adalah tekanan kondensor, dalam hal ini turbin uap dan kondensor akan disesuaikan denan HRSGnya BAB III PERHITUNGAN TERMODINAMIKA 3.1. SPESIFIKASI TEKNIS PERANCANGAN Parameter rancanan menenai HRSG pada perencanaan ini menacu dari hasil data survey yan dilakukan di PT. PLN ( Persero ) unit bisnis pembankitan dan penyaluran Sumatera Baian Utara Sektor Belawan. Adapun spesifikasi data-data yan diperoleh dari hasil survey yan diunakan dalam perencanaan HRSG adalah: Daya maksimum turbin as : 117,5 MW ( kw) Bahan baker : HSD (Hih Speed Diesel) Temperatur tanki air umpan : 161, o C Perbandinan tekanan pada kompresor : 9,47 Temperatur masuk kompresor : 30 o C Tekanan barometer : 1,013 bar Tipe turbin : Aksial Temperatur masuk turbin as : 970 o C Temperatur keluar turbin as : 57 o C 3.. ANALISA TERMODINAMIKA TURBIN GAS Siklus turbin as yan diunakan adalah siklus brayton sederhana tanpa reheatin dan heat exchaner seperti ambar dibawah ini : BAHAN BAKAR RUANG BAKAR 3 KOMPRESOR TURBIN GAS GENERATOR Januar Baru 1Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas 4 Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. HRSG USU Repository 009 Air

26 1 Gambar 3.1. Diaram Alir Turbin Gas T ( C ) o 3 4' ' 4 1 Gambar 3.. Diaram T s s s ( kj / k.k ) Sistem turbin as dianalisa denan menanalisis pada titik pada ambar, analisa ini didukun denan menentukan beberapa hara yan ditentukan denan menacu pada effisiensi yan ada Kompresor Perhitunan termodinamika pada Kompresor Keadaan pada titik 1, dimana : T C ,15 303,15 K P 1 1,013 bar Dari tabel udara diperoleh : h 1 304,06 kj/k Keadaan pada titik, dimana : Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

27 r pk 9,47 ( data dari survey ) P P 1. r pk.(lit. 3 hal 47) 1,013 bar. 9,47 P 9,593 bar γ 1 T T 1 ( r pk ) γ T 303,15 ( 9,47 ) 1,4 1 1,4 576,5 K Sehina hara h dapat diperoleh dari tabel udara ( lampiran III ) yakni sebesar 579,77 kj/k. Maka dapat dihitun kerja spesifik kompresor ( W K ) W K akt h h1.(lit. 3 hal 476) η K 579,77kJ / k 303,36kJ / k 0,85 35,188 kj/ k Kondisi aktual perencanaan ini ( ' ) h ' W K akt + h 1 h ' 35,188 kj/k + 303,36 kj/k h ' 68,55 kj/k dari tabel udara dapat diperoleh : T ' 60,086 K 3... Turbin Gas Analisa termodinamika pada turbin as dalam hal ini dimaksudkan untuk menentukan temperatur keluar turbin. Berbaai pertimbanan metalluri membatasi temperatur pemasukan turbin bekerja pada sekitar 970 o C (143 K) sampai denan 1080 o C (1353 K), walaupun ada beberapa turbin as denan pendininan sudu yan dapat beroperasi sampai temperatur 1350 o C (163 K) (Lit. 10 hal 765). Hal ini untuk menhindari kerusakan sudu akibat kelebihan temperatur. Dari hasil survey pada PT. PLN (Persero) sektor Belawan PLTGU P. Sicanan didapat bahwa temperatur as buan turbin as adalah sebesar 57 Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

28 o C. Adanya keruian tekanan dalam ruan bakar akan mempenaruhi unjuk kerja turbin saat beroperasi. Menurut Richard Harman (Lit. 6 hal 37) diketahui bahwa perbandinan antara tekanan keluar turbin denan udara atmosfer pada instalasi turbin as siklus terbuka adalah 1,1 1,. Dalam perhitunan termodinamika ini diasumsikan 1,1 denan alasan tekanan as buan yan akan dihasilkan lebih besar dari tekanan atmosfer. Perhitunan termodinamika pada Turbin Gas Temperatur as aktual keluar turbin (T ' 4 ) T ' 4 T ' ,15 ' 800,15 K, diperoleh h 8, 115 kj/k 4 Perbandinan antara tekanan keluar turbin denan tekanan udara atmosfer pada instalasi turbin as siklus terbuka diasumsikan 1,1, maka : P 4 P 1 ( 1,1 ) 1,013 ( 1,1 ) P 4 1,1143 bar Diperkirakan faktor penurunan tekanan sebesar 0,03 pada ruan bakar [14]: P 3 P ( 1 ΔP rb ) 9,593 bar ( 1 0,03 ) P 3 9,305 bar Sehina diperoleh hara rasio tekanan pada turbin : r p T P3 P 4 9,305 r p T 8, Kondisi pada titik 3 4) : T 3 T P 4 1 η T 1 P3 3 γ 1 γ (Lit. 1 hal 01) Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

29 T 3 833,15 1, ,9 1 9,305 γ 1,3507 T 3 19,371 K 1, ,3507 Dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : h ,9 kj/k. Jadi diperoleh W T akt sebesar : W T akt h 3 - h ' 4 W T akt 1386,9 kj/k - 8,115 kj/k 564,805 kj / k Proses Pada Ruan Bakar. Analisa termodinamika pada ruan bakar ini diperunakan untuk menentukan perbandinan bahan bakar denan udara aktual (FAR) akt. Perhitunan proses pada ruan bakar, diasumsikan effisiensi ruan bakar (η rb ) adalah 0,98 dan kondisi masuk ruan bakar dianap sama denan kondisi keluar kompresor, maka panas yan disuplai adalah : Perhitunan termodinamika pada Ruan Bakar q rb h 3 h ' 1386,9 kj/k 68,55 kj/k 758,37 kj/k Dari data survey diperoleh LHV bahan bakar as adalah kj/k, maka perbandinan bahan bakar terhadap udara adalah : q rb LHV. ( FAR ) akt. η rb ( FAR ) akt qrb LHV η. rb 758, ,98 k b.bakar / k udara ( FAR ) akt 0, k b.bakar / k udara Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

30 Jadi perbandinan udara denan bahan bakar adalah sebesar : ( AFR ) akt 59,056 udara / k b.bakar Effisiensi Thermal WT W akt K akt η th x100% q rb 564,805 35,188 η th x100% 758,37 η th 31,59 % Generator Didalam suatu proses perubahan arus bolak-balik ada unsur yan terlibat pada proses konversi dasar, yaitu : 1. Daya nyata ( V I cos φ ) diukur denan Watt, besaran inilah yan terlihat pada proses konversi dasar.. Daya reaktif ( V I sin φ ), tidak mempenaruhi proses konversi daya, tetapi suatu kebutuhan yan harus dilayani. Gambar dibawah ini menunjukkan daya yan bekerja pada enerator AC Daya Reaktif ( kvar ) fφ Daya Nyata ( kw ) Daya Semu ( kva ) Gambar 3.3. Daya pada Generator Daya yan dibutuhkan enerator adalah daya buta P G (Volt Ampere) dan daya keluaran adalah P ( daya nyata ). P P G. cosφ P G P cosϕ Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

31 P G 117,5MW 0,80 145,875 MVA Maka daya yan harus disuplai turbin ke enerator adalah P T Nett : Dimana : P T Nett P G η η G tr η G effisiensi enerator ( direncanakan 0,98 ) ηtr effisiensi transmisi 1 transmisi yan diunakan untuk menyatukan poros turbin as denan poros enerator adalah koplin tetap jenis koplin Maka : P T net flens, diasumsikan tidak ada kehilanan kerja antara poros enerator denan poros turbin as. 145,875MW 0,9.0,80.1 P T net 199,56 MW Laju Aliran Massa Udara Denan Bahan Bakar. Denan diperolehnya hara P T net 199,56 MW, maka untuk menhitun laju aliran massa udara dan bahan bakar dihitun denan menunakan prinsip kesetimbanan eneri daya instalasi. P T net m W T - m a. W K PT nett m a ( 1+ m f / m a ). WT WK Dimana perbandinan laju aliran bahan bakar denan laju aliran udara adalah: m f / m a ( FAR ) akt 0, k b.bakar / k udara Sehina diperoleh : kW m a ( 1+ 0, ) k / s.564,805 kj / k 35,188 kj / k 800,86 k / s Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

32 m f m a. ( FAR ) akt 800,86 k / s. 0, ,561 k / s m m a + m f 800,86 k / s + 13,561 k / s 814,4 k / s Secara analisa termodinamika, maka daya untuk masin-masin instalasi komponen-komponen untuk setiap unit adalah sebaai berikut : 1. Daya Kompresor P K m a.w K 800,86 k/s. 35,188 kj/k 60430,06 kw 60,43006 MW. Daya Turbin P T m. W T 814,4 k/s. 564,805 kj/k ,5 kw 459,9885 MW 3. Panas yan disuplai ruan bakar Q RB m. q rb 814,4 k/s. 758,37 kj/k ,7 kw 617,6317 MW 3.3. Parameter Dasar Perencanaan Dalam perencanaan pemanfaatan as buan dari turbin as ini direncanakan menunakan satu jenis tinkat tekanan. Parameter temperatur dan tekanan uap yan akan dihasilkan harus sesuai denan kondisi as buan turbin as yan ada, dan penentuan turbin uap yan akan diunakan. Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

33 Perhitunan Uap Temperatur uap yan akan dihasilkan harus sesuai denan temperatur as buan. Perbedaan temperatur yan terkecil antara aliran as denan uap, yan biasa disebut denan titik penyempitan ( pinch point ) a-x dan b-y ( ambar 3 4 ) minimum 0 o C (Lit. 10 hal 113). Pada perancanan ini diambil titik penyempitannya ( pinch point ) sebesar 5 o C. a x Gas buan Temperatur o C Superheater Air / Uap Evaporator b y Ekonomiser Kondensat Preheater Laju Pindahan Panas ( MW ) Gambar 3-4. Profil Diaram Temperatur Gas Buan dan Uap Temperaatur as buan sebesar 57 o C masuk ke superheater diperkirakan akan menalami penurunan sebesar % karena adanya keruian yan terjadi pada saluran dari turbin as ke superheater. Maka temperatur as buan masuk superheater ( diperkirakan ) : T 57 o C x 0,98 516,64 o C Sesuai denan hal diatas temperatur uap yan dihasilkan HRSG (Superheater) denan pinchpoint 5 o C, adalah : Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

34 T uap yan dihasilkan HRSG 516,64 o C 5 o C 491,46 o C Denan memperhitunkan adanya kehilanan panas sepanjan penyaluran uap dari HRSG hina masuk turbin uap sebesar (0,97 0,98 ), maka temperatur uap masuk turbin adalah : T masuk turbin uap 0, ,46 o C 481,63 o C 480 o C (diambil) Turbin uap yan diunakan adalah turbin uap denan kondensasi, dimana hasil ekspansi turbin uap akan dikondensasikan pada kondensor. Besarnya tekanan uap hasil ekspansi masuk kondensor menurut (Lit. 4 hal 75) adalah dibawah tekanan atmosfer, yaitu berkisar pada (0,04 0,1) bar. Dalam hal ini, media pendinin yan akan diunakan adalah air denan suhu ±30 o C. Temperatur uap hasil ekspansi turbin masuk kondensor direncanakan diatas 40 o C ( dari tabel denan tekanan 10kPa, T sat 45,759 o C). Parameter yan lain menenai turbin uap menurut (Lit. 10 hal 47), yaitu derajat kebasahan yan dapat diterima sehubunan denan terjadinya erosi pada sudu, adalah sekitar 1%, yan artinya kualitas uap masuk kondensor (keluar turbin) sebesar 88%, denan mempertimbankan keamanan sudu turbin pada perencanaan ini kualitas uap masuk kondensor diambil 83%. Dari data diatas : T masuk turbin 480 o C P masuk kondensor 0,1 bar X ( kualitas uap ) 83 % (kondisi ideal). η T 85 % maka dari diaram Mollier didapat P max (tekanan masuk turbin) sebesar 56, bar. Denan mempertimbankan adanya penurunan tekanan sepanjan penyaluran uap mulai dari HRSG hina masuk turbin sebesar 5 %, maka dalam perencanaan ini tekanan HRSG, yaitu : P HRSG 100 / 95 x 56, bar 59,16 bar Sehina dalam perancanan ini diperoleh : 1. Temperatur as masuk superheater 516,46 o C Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

35 . Uap yan dihasilkan HRSG a. Temperatur 491,46 o C b. Tekanan 59,16 bar 3. Kondisi uap masuk turbin a. Temperatur 480 o C b. Tekanan 56, bar 4. Kondisi uap hasil ekspansi turbin masuk kondensor T a. Temperatur 45,81 o C b. Tekanan 0,1 bar o ( C ) ,16 bar , bar bar 1 9 9a X0,83 s ( kj / k.k ) Gambar 3.5. Diaram T-s yan direncanakan Keadaan titik 1 : P 1 h 1 v 1 0,1 bar 191,83 kj/k Keadaan titik : 0, m 3 /k W p v 1. ( P P 1 ) 0, m 3 /k. ( 637,6 10 ) kpa Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

36 0,634 kj/k h W p + h 1 0,634 kj/k + 191,83 kj/k 19,464 kj/k Keadaan titik 3 : P 3 h 3 v 3 6,376 bar 680,87 kj/k 0, m 3 /k Keadaan titik 4 : W p v 3. ( P 4 P 3 ) 0, m 3 /k. ( ,6 ) kpa 5,09 kj/k h 4 W p + h 3 5,09 kj/k + 680,87 kj/k 685,899 kj/k Keadaan titik 5 : P 5 59,16 bar h 5 h f 1165,8 kj/k Keadaan titik 6 : P 6 59,16 bar h 6 h 785,14 kj/k Keadaan titik 7 : T 7 P 7 h 7 491,46 o C 59,16 bar 340,64 kj/k Keadaan titik 8 : P 8 T 8 h 8 56, bar 480 o C 3378,87 kj/k Keadaan titik 9(kondisi ideal) : P 9s 0,1 bar, dari table lampiran V diperoleh : Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

37 h f 191,83 kj/k dan h f 39,8 kj/k X ( kualitas uap ) 0,83 Maka : h x. h 9 hf + f h (191,83 + 0,83.39,8) kj / k 177,854kJ / k 9 Keadaan titik 9a (kondisi aktual) : P 9 0,1 bar dan η 0, 85 T h η T h h 9a h 9 Maka : h h [ η ( h )] 9a 8 T 8 h9 Maka : h ,87 [ 0,85(3378,87 177,854) ] a h x 358,0064 kj/k h h f ( 358, ,83) 9a f kj / k 39,8kJ / k 0,905 90, Kesetimbanan Eneri : Laju aliran massa uap dapat diperoleh dari hukum kesetimbanan kalor, dimana : Q uap Q as m ( h u 7 h 5 ) m ( h b h a ) Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

38 T o ( C ) b ` a 7 5 s ( kj / k.k ) Gambar 3.6. Diaram Analisa Kesetimbanan Eneri Dimana : a-b aliran as buan 5-7 aliran uap a-5 pinch point antara suhu masuk evaporator dan suhu as buan. b-7 pinch point antara suhu masuk superheater dan suhu as buan. Kondisi titik a : T a T 5 T o C 74,66 o C, diperoleh dari tabel sifat uap jenuh pada tekanan 59,16 bar T a h a (74,66 + 5) o C 99,66 o C 578,53 kj / k Kondisi titik b : T b h b 516,46 o C 810,56 kj / k jadi laju aliran massa uap dapat diperoleh sebesar : m u m ( h b h a ) / ( h 7 h 6 ) 647,11k / s(810,56 518,53) kj / k (340, ,8) kj / k Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

39 m 67,16 k / s u Jadi laju aliran massa uap yan dihasilkan adalah sebesar 67,16 k / s Superheater Uap panas lanjut yan dihasilkan superheater, yaitu pada tekanan 59,16 bar dan temperatur 491,46 o C. Maka kalor yan diserap pada superheater adalah : Q uap m u.( h 7 h6 ) 67,16 k/s.(340,64 kj/k 785,14 kj/k ) 41450,305 kw Denan demikian jumlah kalor yan harus disediakan ( Q as ) as buan adalah sebesar 41450,305 kw. Q as m h h ) ( in out 41450,305 kw 647,11 k/s ( 810,56 kj/k h out ) h out 746,51 kj/k dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : T out 457,67 o C Maka temperatur as buan keluar superheater adalah 457,67 o C dan as buan akan masuk ke evaporator Evaporator Pada tekanan 59,16 bar, dari tabel sifat uap jenuh diperoleh temperatur air mendidih pada 74,66 o C. Air akan menalami penuapan pada evaporator. Besarnya kalor yan dibutuhkan untuk menuapkan air adalah : Q uap m u.( h 6 h5 ) 67,16 k/s. (785,14 kj/k 1165,8 kj/k ) ,4743 kw Jadi, jumlah kalor yan harus disediakan as buan ( Q as ), adalah sebesar ,4743 kw. Q as m h h ) ( in out ,4743 kw 647,11 k/s. ( 746,51 kj/k h out ) 578,54 kj/k h out Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

40 dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : T out 99,67 o C Maka temperatur as buan keluar evaporator adalah 99,67 o C dan as buan akan masuk ekonomiser Ekonomiser Air masuk ke ekonomiser dari tanki air umpan yan dipompakan hina tekanan 59,16 bar, denan temperatur 161, o C yan akan dipanaskan hina mencapai air jenuh denan suhu 74,66 o C. Kalor yan dibutuhkan yaitu : Q uap m u.( h 5 h4 ) 67,16 k/s. (1165,8 kj/k 685,899 kj/k ) 315,177 kw Denan demikian jumlah kalor yan harus disediakan ( Q as ) as buan adalah sebesar 315,177 kw. Q as m h h ) ( in out 315,177 kw 647,11 k/s. (578,54 kj/k h out ) h out 58,757 kj/k dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : T out 51,804 o C Maka temperatur as buan keluar ekonomiser adalah 51,804 dan as buan akan masuk kondensat preheater Preheater Air masuk kondensat preheater merupakan air kondensat yan dipompakan hina tekanan 6,376 bar denan suhu 45,81 o C, dipanaskan hina keadaan jenuh ( tanki air umpan ) denan suhu 161, o C. Q uap m u.( h 3 h ) 647,16 k/s. ( 680,87 kj/k 19,464 kj/k ) 3784,741 kw Denan demikian jumlah kalor yan harus disediakan ( Q as ) as buan adalah sebesar 3784,741 kw. Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

41 Q as m h h ) ( in out 3784,741 kw 647,11 k/s. ( 58,76 kj/k h out ) h out 478,097 kj/k dari tabel udara ( lampiran 3 ) diperoleh : T out 0,56 o C Maka temperatur as buan keluar preheater adalah 0,56 o C dan as buan akan menuju cerobon Spesifikasi HRSG yan direncanakan Dari perhitunan dan beberapa penentuan yan menjadi pertimbanan dalam rancanan diambil spesifikasi,yaitu : 1. Jenis HRSG yan direncanakan adalah HRSG pipa air sirkulasi alami.. Sumber panas pada HRSG berasal dari panas as buan dari satu unit turbin as. a. Temperatur as masuk superheater 516,46 o C b. Laju aliran massa as buan masuk HRSG 647,11 k / s 3. Uap yan dihasilkan HRSG : a. Temperatur 491,46 o C b. Tekanan 59,16 bar c. Laju aliran massa uap 67,16 k / s 4. Temperatur di tiap titik komponen HRSG : Temperatur as buan masuk superheater 516,46 o C Temperatur as buan masuk evaporator 457,67 o C Temperatur as buan masuk ekonomiser 99,67 o C Temperatur as buan masuk preheater 51,804 o C Temperatur as buan keluar preheater 0,56 o C 3.5. Daya yan dibankitkan HRSG Berdasarkan uap yan dihasilkan HRSG, maka daya yan dihasilkan turbin uap tersebut adalah : P T ηt. m ( h u 8 h 9 ) 0,85.67,16 k/s (3378,87 kj/k 358,0046 kj/k) Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

42 5847,5 kw 58,475 MW Jadi daya yan dihasilkan turbin uap adalah sebesar 58,475 MW. Januar Baru Sidauruk : Perancanan Heat Recovery Steam Generator (HRSG) Denan Memanfaatkan Gas Buan Dari Satu Unit Turbin Gas Denan Daya 117,5 MW, 009. USU Repository 009

43 GAS BUANG Kete HRSG CPR EKO o o 0,56 o C 51,81 C 99,67 o C FWT P LPH HPH P SH EVA EKO CPR FWT SD EVA SD BAHAN BAKAR SH o 457,67 o C 516,46 C SIKLUS UAP TURBIN UAP RUANG BAKAR G 57 o C KOMPRESOR TURBIN GAS SIKLUS GAS GENERATOR UDARA ATMOSFER P1 Gambar 3.7. Siklus abunan yan direncanakan

44 BAB IV UKURAN-UKURAN UTAMA 4.1. Perhitunan Parameter Pipa HP Superheater Superheater adalah pipa-pipa pemanas yan berfunsi untuk memanaskan uap yan berasal dari drum uap menjadi uap panas lanjut. Superheater ini terletak pada baian bawah sekali daripada susunan komponen alat penukar kalor yan ada pada HRSG. Sistem perpindahan panasnya adalah sistem konveksi berlawanan arah. Dimana uap menalir dari atas ke bawah sementara as buan menalir dari bawah ke atas. Pada sistem perpindahan panas konveksi berlawan arah luas perpindahan panas yan dibutuhkan akan lebih kecil bila dibandinkan denan sistem konveksi satu arah, karena untuk kondisi kapasitas dan temperatur yan sama besarnya hara beda suhu rata-rata loaritma ( LMTD ) pada sistem konveksi arus berlawanan arah adalah lebih besar daripada konveksi searah. Besarnya luas permukaan perpindahan panas yan dibutuhkan diperoleh dari persamaan berikut : A Q U.(LMTD)..(Lit. 7 hal 490) Dimana : A Luas permukaan perpindahan kalor ( m ) Q Besar perpindahan kalor ( J/s ) U Koefisien perpindahan kalor menyeluruh ( W/m o C ) LMTD Beda suhu rata-rata loaritma ( o C ) Besarnya hara LMTD sistem perpindahan panas pada superheater ini adalah seperti ditunjukkan pada ambar berikut :

45 T o C T T 6 516,46 o C 491,36 o C 457,67 o C 74,66 o C T 7 T 1 Gambar 4.1. Sket aliran uap dan as buan pada superheater Dimana sebelumnya telah diperoleh : T 7 Temperatur uap masuk superheater 74,66 0 C T 8 Temperatur uap keluar superheater 491,46 0 C T 1 Temperatur as buan masuk superheater 516,46 0 C T Temperatur as buan keluar superheater 457,67 0 C Dimana : LMTD T T T ln T max min..(lit. 8 hal 510) max min dimana : T max T 1 T 8 516,46 0 C 491,36 0 C 5,1 o C T min T T 7 457,67 0 C 74,66 0 C 183,01 0 C Maka diperoleh hara LMTD : ,01 C 5,1 C LMTD 0 183,01 C ln 0 5,1 C LMTD 79,485 0 C

46 Besarnya hara koefisien perpindahan kalor menyeluruh (U) dapat dihitun denan menunakan persamaan berikut: dimana : Ah. Rw + U A..(Lit. 8 hal 505) η0 h c 0 hi A h h i Koefisien konveksi dalam pipa ( W/m 0 C ) A c /A h Perbandinan luasan pipa baian dalam denan luasan pipa yan menyerap kalor A h.r w Tahanan konduksi pipa HP Superheater ( m 0 C/W ) h o Koefisien konveksi as buan ( W/ m o C ) η 0 Efektivitas sirip baian luar. Pipa superheater dalam hal ini direncanakan menunakan pipa baja denan diameter kecil. Diambil ukuran pipa dari ukuran standart pipa untuk baja schedule 40 denan diameter nominal ( DN ) 1 ½, bertujuan aar pembentukan uap dapat berlansun lebih cepat. Maka diambil ukuran- ukuran pipa sebaai berikut : D i : Diameter dalam 1,9 in 0,048 m D o : Diameter luar 1,61 in 0, m t : Tebal pipa 0,145 in 0, m untuk menentukan banyaknya jumlah pipa yan dibutuhkan sesuai denan kapasitas uap dan diameter pipa yan direncanakan, maka diambil suatu batasan sebaai berikut : Panjan pipa uap aktif yan berhubunan denan pipa pipa 7 m (denan memperhitunkan standart panjan pipa yan ada ) Jarak antara dua buah pipa. D o 0,084 m Panjan pipa perbatan 14,64 m Penentuan panjan pipa berdasarkan pemilihan dari panjan pipa yan serin diunakan denan panjan 4,88 m (Lit. 11 hal 14). Maka sket perancanan pipa superheater dapat dilihat pada ambar berikut :