Analisa Energi, Exergi dan Optimasi pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap Super Kritikal 660 MW Nasruddin*, Pujo Satrio

Transkripsi

1 Analisa Energi, Exergi dan Optimasi pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap Super Kritikal 660 MW Nasruddin*, Pujo Satrio Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus UI Depok Indonesia Abstrak Paper ini menganalisis energi, exergi dan optimasi energi pada pembangkit listrik tenaga uap super kritikal 660 MW dengan bahan bakar batu bara. Analisa dan optimasi pada pembangkit listrik tenaga uap super kritikal ini dilakukan dengan mengembangkan sebuah model matematika yang diterapkan pada pembangkit listrik di Indonesia. Simulasi menggunakan Engineering Equation Solver (EES) dilakukan untuk mendapatkan kondisi yang paling optimum dari pembangkit yang didasari pada hukum termodinamika. Kerugian energy dan exergi pada komponen-komponen pembangkit seperti pada boiler, turbin tekanan tinggi, turbin tekanan menengah, turbin tekanan rendah, kondenser, pemanas bertekanan rendah dan pemanas bertekanan tinggi telah dikalkulasi. Hasilnya adalah kerugian energi terbesar terdapat pada boiler dibandingkan dengan komponen lain yang berada pada pembangkit. Pembangkit ini bekerja pada beban 660MW dengan kondisi desain tekanan sebesar 250,1 bar dan laju aliran massa 590,8 kg/s. Optimasi energi dilakukan dengan memvariasikan tekanan dan laju aliran massa keluar dari boiler. Hasil simulasi menunjukkan bahwa terjadi peningkatan efisiensi termal pada tekanan 239 bar dan laju aliran massa 564,8 kg/s dengan beban sebesar 631 MW menghasilkan efisiensi termal terbesar yaitu 37,41%. Kata kunci : Super kritikal, Exergi, Optimasi Energi, PLTU, Efisiensi Pendahuluan Pembangkit Listrik Tenaga Uap adalah jenis pembangkit listrik tenaga thermal yang banyak digunakan di Indonesia karena penggunaanya yang praktis dan bahan bakarnya mudah didapat sehingga pembangkit jenis ini menjadi pilihan utama. Pembangkit listrik yang ekonomis dengan menggunakan bahan bakar fosil kini telah menjadi tantangan terbesar bagi industri pembangkit listrik. Terus meningkatnya harga bahan bakar fosil dikarenakan terbatasnya sumber daya menjadi faktor utama dari peningkatan biaya untuk operasional pembangkit listrik. Munculnya pembangkit super kritikal yang meningkatan efisiensi dapat mengurangi biaya untuk membangkitkan listrik. Analisa energi dan exergi berdasarkan hukum pertama dan kedua termodinamika digunakan untuk menganalisa system thermal dari pembangkit ini. Hal ini dapat diaplikasikan pada pembangkit listrik thermal untuk mengidentifikasi sumber ketidakefisienan, menentukan lokasinya dan besarnya kerugian exergi yang terjadi. Selain itu, hal lain yang perlu diperhatikan adalah menentukan kondisi kerja pembangkit yang paling optimal agar dapat mencapai nilai efisiensi paling tinggi. Adibhatla et al. [1] telah menjelaskan analisa energi dan exergi dari pembangkit super kritikal 660 MW yang ada di India. Mereka menghitung kerugian exergi yang ada pada setiap komponen pembangkit dan membandingkan dengan beban kerja yang berbeda. Pambudi et al. [2] telah melakukan analisa exergi dan optimasi pada sebuah pembangkit geotermal dengan menggunakan software Engineering Equation Solver yang didasari pada hukum-hukum termodinaika. Kaushik et al. [3] menjelaskan metodologi secara detail dalam melakukan analisa energi dan exergi pada komponen utama dari pembangkit termal dan dapat ditarik

2 kesimpulan bahwa jumlah kerugian exergi terbesar yaitu berasal dari boiler. pompa ekstraksi kondensat (PEK), pemanas tekanan rendah (PTR) dan pemanas tekanan tinggi (PTT) seperti pada Gambar 1. Gambar 1. Deskripsi skematik dari pembangkit listrik super kritikal 660 MW Pada paper ini, analisa energi dan exergi dilakukan pada pembangkit listrik 660 MW yang menggunakan batu bara sembagai bahan bakarnya. Sebuah model telah dikembangkan menggunakan software Engineering Equation Solver (EES) dalam melakukan analisa energi dan exergi. Deskripsi Sistem dari Pembangkit Super Kritikal 660MW Saat ini, karena efisiensinya yang tinggi, pembangkit super kritikal lebih banyak digunakan daripada pembangkit tipe konvensional sub kritikal. Disamping efisiensi yang tinggi, pembangkit super kritikal memiliki respon yang cepat terhadap perubahan beban dan memiliki waktu start up yang lebih sedikit. Pada paper ini, kami memasukkan nilai tekanan dan temperatur pada setiap titik masuk dan keluar komponen agar dapat melakukan perhitungan termodinamika. Diagram alir dari pembangkit telah diilustrasikan pada paper ini yang didalamnya terdapat turbin tekanan tinggi (TTT), turbin tekanan menengah (TTM ), turbin tekanan rendah (TTR), boiler (B), Boiler dari pembangkit ini memproduksi steam super panas pada tekanan 250,1 bar dan temperatur 842,15 K pada keluaran super heater pada steam dengan laju alir massa sebesar 590,8 kg/s. Perhitungan Energi dan Exergi Dalam sebuah sistem aliran yang terbuka, ada tiga jenis transfer energi di seluruh kontrol permukaan yaitu, transfer kerja, transfer panas dan energi yang dikaitkan dengan transfer massa. Hukum pertama diterapkan proses steady flow pada sistem terbuka seperti di bawah ini: + ṁ h + + = ṁ h + + +Ẇ...(1) Dimana adalah fluks transfer panas menuju sistem berasal dari temperatur, Ẇ adalah kerja total yang dihasilkan oleh sistem, C adalah kecepatan massa dari fluida kerja, Z adalah ketinggian sistem diatas permukaan lau, g adalah percepatan akibat gravitasi. Perhitunga Nilai Energi

3 Perhitungan keseimbangan energi dan massa pada komponen utama pembangkit listrik dilakukan berdasarkan referensi [1] dengan menggunakan prinsip-prinsip dasar termodinamika dapat dilihat pada Tabel 1. komponen-komponen utama dari pembangkit listrik super kritikal 660 MW. Perhitungan Nilai Exergi Perhitungan keseimbangan exergi dan massa pada komponen-komponen utama- Tabel 1. Perhitungan keseimbangan energi dan massa Dimana ṁ adalah laju alir massa dari fluida kerja yang mengalir, Ė adalah kerugian energi, Ẇ dan Ƞ adalah kerja dan efisiensi dari komponen pembangkit super kritikal. Dengan menggunkan rumus-rumus pada tabel satu, didapatkan nilai-nilai dari kerugian energi, kerja dan efisiensi dari setiap -pembangkit listrik dilakukan berdasarkan referensi [1] dengan menggunakan prinsipprinsip dasar termodinamika dapat dilihat pada Tabel 2. Dimana ṁ adalah laju alir massa dari fluida kerja yang mengalir, adalah kerugian exergi, Ẇ dan Ƞ adalah kerja dan efisiensi

4 dari komponen pembangkit super kritikal menurut analisa exergi. Dengan menggunkan rumus-rumus pada tabel satu, didapatkan nilai-nilai dari kerugian energi, kerja dan efisiensi dari setiap komponen-komponen utama dari pembangkit listrik super kritikal 660 MW. Gambar 2 menunjukkan variasi efisiensi energi dari setiap komponen yang ada di dalam unit pembangkit. Efisiensi energi dari proses pembakaran pada saat beban 660 MW adalah 100%. Maka dapat disimpulkan bahwa tidak ada kerugian energi pada saat proses pembakaran. Tabel 2. Perhitungan keseimbangan exergi dan massa Analisa Energi dan Exergi Pembangkit Analisa energi dan exergi telah dilakukan pada beban pembangkit sebesar 660 MW. Data-data terkait dengan termodinamika di setiap terdapat pada Tabel 3. Tabel 4 menunjukkan hasil dari analisis energi dari pembangkit super kritikal 660 MW. Berdasarkan tabel tersebut didapatkan variasi efisiensi dari suatu komponen. Efisiensi energi dari proses heat transfer pada boiler pada saat beban 660 MW adalah 86,02%. Hal ini menujukkan bahwa terjadi kerugian energi yang cukup signifikan pada saat proses perpindahan panas diantara flue gasses dan fluida kerja. Efisiensi energi dari plant secara keseluruhan pembangkit super kritikal 660 MW adalah sebesar 37,3%.

5 Tabel 5 menunjukkan hasil dari analisis exergi dari pembangkit super kritikal 660 MW. Berdasarkan tabel tersebut didapatkan jumlah exergi yang hancur dari suatu komponen. Gambar 3 menunjukkan efisiensi exergi dari setiap komponen yang ada di dalam unit pembangkit pada saat beban 660 MW. Efisiensi exergi dari pembakaran pada boiler Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV) Tabel 3. Data termodinamika pada setiap titik di pembangkit super kritikal 660 MW adalah sebesar 40,17%. Efisiensi exergi dari seluruh turbin pada saat beban 660 MW adalah sebesar 75,99%. Gambar 4 menunjukkan kehancuran exergi dari setiap komponen yang ada di dalam unit pembangkit. Boiler adalah - Komponen Input kerja energi, [MW] Output kerja energi, [MW] Kerugian Energi [MW] Efisiensi, [%] Pembakaran (Boiler) 1, , Perpindahan panas (Boiler) 1, , Boiler 1, , TTT TTM TTR TTR Turbin Kondenser Kondenser PEK PTR PTR PTR PTR PTT PTT PTT Plant (kotor) 1, , Plant (bersih) 1, , Tabel 4. Hasil analisis energi dari pembangkit super kritikal 660 MW Nomor Laju alir massa, [kg/s] Temperatur, [C] Tekanan [bar] Fluida Steam Steam Steam Steam Steam Steam Steam 7a Steam 7i Steam Steam Steam Steam Steam Steam Steam Steam 14a Steam Steam 15a Steam Steam Steam Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air Air

6 -komponen utama yang paling banyak mengalami kehancuran exergi jika dibandingan dengan komponen-komponen yang ada pada pembangkit super kritikal. Gambar 2. Efisiensi energi dari komponen utama pembangkit super kritikal 660 MW Komponen Input kerja exergi, [MW] Output kerja exergi, [MW] Kerugian Exergi, [MW] Efisiensi, [%] Pembakaran (Boiler) 2, , Perpindahan panas (Boiler) 1, Boiler 2, , TTT TTM TTR TTR Turbin Kondenser Kondenser PEK PTR PTR PTR PTR PTT PTT PTT Plant 2, , Tabel 5. Hasil analisis energi dari pembangkit super kritikal 660 MW

7 Optimasi energi dilakukan dengan memvariasikan tekanan dan laju aliran massa keluar dari boiler. Hasil simulasi menunjukkan bahwa terjadi peningkatan efisiensi termal pada tekanan 239 bar dan laju aliran massa 564,8 kg/s dengan beban sebesar 631 MW menghasilkan efisiensi termal Gambar 3. Efisiensi exergi dari komponen utama terbesar pembangkit yaitu super 37,41%. kritikal 660 MW Gambar 5 menunjukkan hubungan diantara efisiensi energi dengan perubahan tekanan keluar dari boiler. Exergi Hancur, [MW] Perpindahan Pembakaran panas (Boiler) (Boiler) Turbin Pemanas Kondenser - 1/2 Gambar 4. Kerugian exergi pada pembangkit super kritikal 660 MW PEK Gambar 5. Efisiensi sebagai fungsi dari tekanan keluar boiler Optimasi energi pada pembangkit Pembangkit listrik tenaga uap super kritikal bekerja pada beban 660 MW dengan kondisi tekanan sebesar 250,1 bar, temperatur 569 C dan laju aliran massa kg/s. Efisiensi termal yang didapat sebesar 37,3%. Kesimpulan Analisa energi dan exergi untuk melakukan optimasi pada pembangkit listrik tenaga uap super kritikal telah dilakukan dengan mengembangkan model matematika dari pembangkit. Perhitungan dilakukan

8 dengan menggunakan EES berdasarkan prinsip-prinsip termodinamika. Hasilnya adalah jumlah energi yang tersedia dari proses pembakaran adalah sebesar 1771 MW. Energi ini lalu dikonversikan menjadi sumber listrik sebesar 660 MW dengan kondisi tekanan sebesar 250,1 bar, temperatur 569 C dan laju aliran massa 590,8 kg/s Hancurnya exergi terbesar terjadi di boiler saat terjadi proses pembakaran. Exergi yang hancur pada saat proses pembakaran sebesar 1802,80 MW. Pembangkit ini bekerja pada beban 660 MW dengan kondisi tekanan sebesar 250,1 bar dan laju aliran massa 590,8 kg/s. Efisiensi termal yang didapat sebesar 37,3%. Optimasi energi dilakukan dengan memvariasikan tekanan dan laju aliran massa keluar dari boiler. Hasil simulasi menunjukkan bahwa terjadi peningkatan efisiensi termal pada tekanan 239 bar, temperatur 569 C dan laju aliran massa 564,8 kg/s dengan beban sebesar 631 MW menghasilkan efisiensi termal terbesar yaitu 37,41% Referensi [1] S. Adibhatla, S.C. Kaushik, Energy and exergy analysis of a supercritical thermal power plant at various load conditions under constant and pure sliding pressure operation, Applied Thermal Engineering 73(2014) [2] N.A. Pambudi et al, Exergy analysis and optimization of Dieng single-flash geothermal power plant, Energy Conversion and Management 78 (2014) [3] S.C. Kaushik, V. Siva Reddy, S.K. Tyagi, Energy and exergy analysis of thermal power plants: a review, Renew, Sustain. Energy Rev. 15 (2011) Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)