PERANCANGAN SISTEM TURBINE INLET COOLING UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DENGAN MENGGUNAKAN REFRIGERASI ABSORPSI

Transkripsi

1 PERANCANGAN SISTEM TURBINE INLET COOLING UNTUK MENINGKATKAN EFISIENSI PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA GAS DENGAN MENGGUNAKAN REFRIGERASI ABSORPSI SKRIPSI Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik AHMAD ADITYA NIM DEPARTEMEN TEKNIK MESIN EKSTENSI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014

2

3

4

5

6 ABSTRAK Energi listrik sangat berperan penting dalam kemajuan suatu daerah, oleh karena itu ketersediaan energi listrik harus menjadi prioritas. Ketersediaan listrik dapat dicapai dengan dua cara yaitu penambahan pembangkit baru dan meningkatkan efisiensi pembangkit yang ada. Pada tugas skripsi ini, penulis merancang sebuah sistem pendinginan udara masuk compressor atau TIC (turbine inlet cooling) pada Pembangkit Listrik Tenaga Gas dengan tujuan untuk meningkatkan efisiensi dari mesin tersebut. Sistem pendinginan yang digunakan adalah refrigerasi absorpsi, dimana energi yang dipakai untuk menggerakan mesin absorpsi adalah limbah energi panas dari turbin gas. Studi data perancangan sistem ini menggunakan data mesin General Electric Frame 9 di PT PLN (Persero) Sektor Belawan. Perancangan pendinginan refrigerasi absorpsi pada udara masuk kompressor ini dapat meningkatkan daya mampu ± 13% (±17MW), penurunan heat rate ± 3%, penghematan konsumsi bahan bakar sebesar 0,0086 liter/ kwh, penurunan emisi gas buang CO kg/jam dan keuntungan lainnya disisi mechanical turbine gas. Keyword : turbine gas, absorpsi, efisiensi, heat rate, emisi gas buang i

7 ABSTRACT Electrical energy plays an important role in the progress of a region, therefore the availability of electrical energy should be a priority. The availability of electricity can be achieved in two ways: the addition of new plants and improve the efficiency of existing plants. In this paper the task, the authors designed a compressor inlet air cooling system or TIC (turbine inlet cooling) on Gas Power Plant with a view to improving the efficiency of the engine. Cooling system used is absorption refrigeration, where the energy is used to drive an absorption machine is waste heat energy from the gas turbine. The study design of the data the system uses the data engine General Electric Frame 9 to PT PLN (Persero) Sector Belawan. The design of absorption refrigeration cooling the intake air compressor is capable of power can increase ± 13% (± 17MW), a decrease in heat rate of ± 3%, saving fuel consumption by liters / kwh, a decrease in CO2 emissions of 2200 kg / h and profits other gas turbine mechanical side. Keyword : turbine gas, absorpsi, efficiency, heat rate, exhaust emision ii

8 KATA PENGANTAR Syukur alhamdulillah penulis panjatkan kepada Illahi rab bi, Alloh SWT Tuhan Semesta Alam, penjaga langit dan bumi serta seluruh isinya yang telah memberikan rahmat serta karunia-nya yang sangat tidak terhitung sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas skripsi ini dengan tepat waktu. Didalam tugas skripsi dengan judul Perancangan Turbine Inlet Cooling Untuk Meningkatkan Efisiensi Pembangkit Listrik Tenaga Gas Dengan Menggunakan Refrigerasi Absorpsi ini penulis sadar bahwa dari awal sampai akhir penyusunan banyak sekali mendapatkan bantuan moril maupun materil yang sangat membantu dari berbagai pihak, oleh karena itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr. Eng. Himsar Ambarita, ST.MT selaku pembimbing skripsi, terima kasih pak atas inspirasi, ilmu, waktu, motivasi dan perhatian yang telah diberikan sampai terselesaikanya tugas skripsi ini. In shaa Alloh menjadi bekal yang bermanfaat untuk memasuki dunia yang sebenarnya. 2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departement Teknik Mesin Ekstensi dan selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya. 3. Bapak Ir. Mulfi Hazwi, MSc selaku Dosen Pembanding, terima kasih untuk bimbingan, masukan dan motivasinya. 4. Seluruh jajaran manajemen PT. PLN (Persero) Sektor Belawan, terutama Assistant Manajer Engineering Bapak Trisno Widayat, ST atas perhatian dan bantuannya selama ini. 5. Seluruh staf dosen pengajar Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara atas ilmu yang sangat bermanfaat iii

9 6. Ibundaku Aminah yang senyumannya selalu menjadi semangat bagi setiap perjuanganku, dan semoga cepat sembuh agar bisa melihat ananda wisuda 7. Ayahandaku Abdul Rahim, berkat didikan dan inspirasi hidup, menjadikanku menjadi seorang laki-laki yang kuat dalam menjalani kehidupan dan tetap berpegang teguh kepada Agama. 8. Ketiga kakaku Dewi Indrayanti, Julianto Ramdani dan Samsul Bahri yang selalu ada untuk menjadi sandaran, ketika adikmu lelah dan letih dalam menghadapi setiap permasalahan hidup. 9. Angreiny Widya Sari Lubis wanita yang selalu memberikan motivasi, semangat, untuk menyelesaikan laporan skripsi ini. 10. Staf administrasi Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara, terutama Bang Lilik dan Bang Syawal atas semua bantuan di masa perkuliahan. 11. Teman teman di PT PLN (Persero) Pembangkitan Sumatera bagian Utara Sektor Belawan, terima kasih untuk bantuan ilmu dan informasinya. 12. Teman teman mahasiswa Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara. 13. Semua pihak yang telah membantu dalam tugas skripsi dan penyusunan laporan ini. Semoga laporan Tugas Skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca, aamiin Medan, Juni 2014 Penulis iv

10 DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR NOTASI... i ii iii v viii xi xii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1.2 Tujuan Manfaat Perancangan 1.4 Batasan Masalah Sistematika Penulisan BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Sistem Tenaga Listrik Pusat Pembangkit Listrik Transmisi Tenaga Listrik Distribusi Listrik Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) Prinsip Kerja PLTG Komponen PLTG Generator Air Inlet Section Compressor Section v

11 Turbine Refrigerasi Sejarah Refrigerasi Sistem Refrigerasi Refrigerasi Absorpsi Prinsip Kerja Refrigerasi Absorpsi Keuntungan Refrigerasi Absorpsi Hubungan Temperatur Udara dengan Gas Turbin Energi yang Terjadi Pada Gas Turbin Siklus Termodinamika Pada Gas Turbin Emisi Gas Buang BAB III METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Metodologi Penelitian Waktu dan Tempat Penelitian Metode Pengumpulan Data Rencana Desain Penelitian BAB IV PERANCANGAN SISTEM 4.1 Penjelasan Perancangan Sistem Perancangan Sistem Alat Penukar Kalor I (Cooling Heat Exchanger) Alat Penukar Kalor II (Heating Heat Exchanger) Absorption Chiller Analisa Mesin Chiller Absorpsi BAB V ANALISIS KEUNTUNGAN 5.1 Biaya Investasi Keuntungan Penerapan Sistem Kenaikan Daya Mampu Penurunan Nilai Heat Rate vi

12 5.2.3 Penurunan Nilai Emisi Gas Buang Penurunan Temperatur Exhaust Turbine Memperkecil Perubahan Daya Output Memperkecil Nilai Kandungan Uap Air BAB VI PENUTUP 6.1 Kesimpulan 6.2 Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN.. ix x vii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1 Data beban kelistrikan Sumatera bagian Utara. 1 Gambar 1.2 Pembangkitlistrik Sumatera bagian Utara... 3 Gambar 1.3 Spesifikasi Gas Turbin GE Frame Gambar 2.1 Sistem Kelistrikan. 7 Gambar 2.2 Sistem PLTG... 9 Gambar 2.3 Komponen Listrik Tenaga Gas. 11 Gambar 2.4 Siklus PLTG. 11 Gambar 2.5 KomponenUtama Gas Turbin.. 12 Gambar 2.6 Turbin Gas Tipe V 94.2 Siemens. 13 Gambar 2.7 Generator. 13 Gambar 2.8 Compressor Stationary Blade Assembly Gambar 2.9 Rotor Kompressor. 16 Gambar 2.10 Compressor Outlet Difusser 17 Gambar 2.11 Compressor Rotor Blade. 18 Gambar 2.12 Combined Journal Bearing. 19 Gambar 2.13 Combustion Chamber Gambar 2.14 Pressure Jacket Gambar 2.15 Internal Parts.. 23 Gambar 2.16 Burner Assembly For Liquid And Gaseous Fuels Gambar 2.17 Air Mixing Adjustment 26 Gambar 2.18 Manhole With Inspecting Tube Gambar 2.19 Turbine Rotor.. 28 Gambar 2.20 Tubin Stationary Blade Assembly Gambar 2.21 Turbine Rotor Blade 30 Gambar 2.22 Turbine Stator Blade Gambar 2.23 Exhaust Gas Diffuser.. 32 Gambar 2.24 Proses Pemindahan Panas Gambar 2.25 Siklus Refrigerasi Absorpsi 36 viii

14 Gambar 2.26 Proses Konversi Energi pada PLTG Gambar 2.27 Effect of Ambient Temperature On Gas Turbine Performance Gambar 2.28 Sistem Gas Turbin... Gambar 2.29 Skematik Diagram UntukTurbin Gas Sederhana Gambar 2.30 Diagram TS Turbin Gas Sederhana Gambar 3.1 PT PLN (Persero) Sektor Belawan Gambar 3.2 Perencanaan desain Gambar 4.1 Perencanaan desain Gambar 4.2 RencanaPenempatanHeat Exchanger Gambar 4.3 Perencanaan Desain Psikometrik Gambar 4.4 Penempatan Heat Exchanger pada Air Intake Gambar 4.5 Heat Exchanger Cross-Flow Gambar 4.6 PolaPerpindahanPanasHeat Exchanger I Gambar 4.7 Perencanaan Desain Gambar 4.8 Correction Factor Chart Gambar 4.9 Design Heat Exchanger For Cooling Gambar 4.10 Design Heat Exchanger For Cooling Gambar 4.11 Dimensi Air Intake PLTG Lot Gambar 4.12 Arrangement of the tubes in in-lineand staggered tube banks Gambar 4.13 Rencana penempatan heat exchanger pada air intake Gambar 4.14 Pola Perpindahan Panas Heat Exchanger II Gambar 4.15 Correction Factor Chart Gambar 4.16 Design Heat Exchanger For Heating Gambar 4.17 Katalog Absorption Chiller LG Electronic Gambar 4.18 Diagram Ph Ammonia Gambar 4.19 Analisa Diagram PhAmmonia Gambar 4.20 Siklus Absorpsi Gambar 4.21 Generator Gambar 4.22 Correction Factor Chart Gambar 5.1 Data Spesifikasi PLTG Lot Gambar 5.2 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungan dan Output Turbin GE ix

15 Frame Gambar 5.3 Diagram Hubungan Daya Output dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor Gambar 5.4 Grafik Hubungan Temperatur Lingkungan dan Heat Rate Turbin GE Frame Gambar 5.5 Diagram Hubungan Heat Rate dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor Gambar 5.6 Diagram Hubungan Konsumsi Bahan Bakar dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor Gambar 5.7 Grafik Hubungan Emisi Gas Buang dengan Temperatur Lingkungan Gambar 5.8 Diagram Hubungan Emisi Gas Buang CO2 dengan Temperatur Udara Masuk Kompressor x

16 DAFTAR TABEL Tabel 1 Data beban kelistrikan Sumbagut Juni Tabel 2 Perkiraan Rincian Biaya Investasi Penerapan Sistem Tabel 3 Rincian Keuntungan Penerapan Sistem viii

17 DAFTAR NOTASI SIMBOL KETERANGAN SATUAN BP Beban Puncak Megawatt MW Besaran Energi Listrik Megawatt V Besaran Tegangan Listrik Volt ρ Kerapatan Udara Kg/m³ P Tekanan Udara Statis Hpa/Bar R Konstanta Gas J/Kmol rp ɳc ηm Rasio Kompresi Efisiensi Isentropic Kompressor Efisiensi Mekanik Kompressor ṁ Laju Aliran Bahan Bakar Kg/s ṁ Laju Aliran Udara Kg/s LHV Low Heating Value TIT Turbine Inlet Temperature C Cpf Panas Spesifik Bahan Bakar Tf Temperatur Bahan Bakar C f Wt Wc SFC Rasio Bahan Bakar Kerja Turbin Kerja Kompressor Spesific Fuel Consumption xii

18 ɳth Efisiensi Gas Turbin Cp Coefficient Spesific Kj/Kg. C Q Besaran Energi Panas Watt TR Ton Refrigerasi TR A Luas Penampang Meter U Koefisien Panas Watt/m² L Panjang Meter v Kecepatan m/s LMTD Log Mean Temperature Different xiii