BAB IV HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN. 4.1 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Single Flash System

Transkripsi

1 32 BAB IV HASIL ANALISA DAN PEMBAHASAN 4.1 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Single Flash System PLTP Gunung Salak merupakan PLTP yang berjenis single flash steam system. Oleh karena itu, seperti yang dijelaskan pada sub-bab dua mengenai single flash steam system, peralatan utama yang digunakan dalam PLTP Gunung Salak tidak jauh berbeda. Hanya saja, PLTP Gunung Salak menggunakan jenis penempatan separator seperti pada gambar 2.7 (b), dimana beberapa sumur dihubungkan oleh sebuah separator dan dari beberapa separator, uap dialirkan ke sebuah Steam Receiver sebelum akhirnya dialirkan ke power house. Steam Receiver pada PLTP Gunung Salak memiliki fungsi lebih daripada hanya sebagai penerima uap dari beberapa satellite separator. Steam Receiver pada PLTP ini disebut Scrubbers, sehingga selain menerima uap, Scrubbers juga berfungsi sebagai penyaring uap yang terkondensasi selama berapa dalam jalur distribusi steam pipelines atau pengkristalan material-material berat yang mungkin bisa terjadi. Hal ini membuat kualitas uap yang akan masuk ke turbin akan lebih bersih lagi dan turbin pun menjadi lebih aman. PLTP Gunung Salak membagi wilayahnya menjadi dua secara garis besar, yakni Resource Production Facilities (RPF) dan Power Generating Facility (PGF). RPF merupakan fasilitas pemasok uap yang wilayah kerjanya dibagi menjadi daerah barat

2 33 dan daerah timur. Oleh karena penelitian ini adalah mengoptimalisasi yang telah ada, maka menurut tabel 2.2, yang dapat diubah-ubah adalah parameter-parameter pada separator dan keluaran turbinnya saja dengan memastikan bahwa hasil perhitungan akan tetap tidak melewati batasan yang diizinkan. Gambar 4.1 menggambarkan skema sederhana RPF pada PLTP Gunung Salak. Gambar 4.1 : Skema Resource Production Facilities PLTP Gunung Salak Pada PLTP Gunung Salak wilayah barat, terdapat delapan buah separator yang semuanya mengalirkan uap ke tiga buah scrubber. Masing-masing scrubber mengalirkan uap bersihnya ke masing-masing turbin sehingga seperti yang tergambar secara sederhana pada gambar 4.2. Perlu diperhatikan juga, akan adanya steam wash water yang masuk pada pipa-pipa distribusi steam yang berfungsi sebagai pencuci steam dari butir-butir uap yang mengkondensasi oleh karena adanya gesekan dengan permukaan dalam pipa. Ada juga steam trap yang berfungsi untuk membuang uap jenuh yang juga sudah terkondensasi.

3 34 Steam yang seperti itu harus dikeluarkan agar tidak mendinginkan steam yang kualitasnya masih baik. Gambar 4.2 : Penyederhanaan Aliran Uap PLTP Gunung Salak Wilayah Barat Data Teknis Dari PLTP Type Single Flash System Data di bawah ini didapatkan dari lapangan dan yang diizinkan oleh perusahaan yang mengelola PLTP Gunung Salak merupakan data teknis rata-rata per tahun. Tabel di bawah ini adalah data operasional pada turbin. Tabel 4.1: Data Teknis Turbin Jenis Turbin : Double Flow Dual Condensing Type Pressure Inlet : 7.8 Bar (abs) Pressure Outlet : 0.09 Bar (abs) Temperature Inlet : 170 C Flow Rate : 121 Kg/s

4 35 Berikut ini adalah data teknis di lapangan yang dicocokkan dengan gambar C.1. Data merupakan besaran-besaran yang terukur pada separator dan scrubber. Tabel 4.2: Data Teknis Separator Separator 01 (AWI 7-1/2/3) 2-phase inlet: 1,164,21 Flow rate (Kg/Hr) 0 Brine: Flow rate (Kg/Hr) 931,368 Pressure (bar abs ) 9.7 Steam: Flow rate (Kg/Hr) 232,842 Pressure (bar abs ) 9.8 Separator 02 (AWI 8-1/8) 2-phase inlet: Flow rate(kg/hr) 626,499 Brine: Flow rate (Kg/Hr) 492,864 Pressure (bar abs ) 9.7 Steam: Flow rate (Kg/Hr) 133,635 Pressure (bar abs ) 9.8 Separator 03 (AWI 8-2/3/6) 2-phase inlet: 1,108,49 Flow rate(kg/hr) 0 Brine: Flow rate (Kg/Hr) 891,503 Pressure (bar abs ) 9.7 Steam: Flow rate (Kg/Hr) 216,987 Pressure (bar abs ) 9.8

5 36 Separator 04 (AWI 8-4/5/7) 2-phase inlet: Flow rate(kg/hr) 595,695 Brine: Flow rate (Kg/Hr) 480,180 Pressure (bar abs ) 9.7 Steam: Flow rate (Kg/Hr) 115,515 Pressure (bar abs ) 9.8 Separator 05 (AWI 10-1) 2-phase inlet: Flow rate(kg/hr) 953,112 Brine: Flow rate (Kg/Hr) 757,416 Pressure (bar abs ) 9.7 Steam: Flow rate (Kg/Hr) 195,696 Pressure (bar abs ) 9.8 Separator 06 (AWI 10-2/3) 2-phase inlet: Flow rate(kg/hr) 439,863 Brine: Flow rate (Kg/Hr) 356,964 Pressure (bar abs ) 9.7 Steam: Flow rate (Kg/Hr) 82,899 Pressure (bar abs ) 9.8 Separator 07 (AWI 11-1/4) 2-phase inlet: Flow rate(kg/hr) 854,811 Brine: Flow rate (Kg/Hr) 684,936 Pressure (bar abs ) 9.7 Steam: Flow rate (Kg/Hr) 169,875 Pressure (bar abs ) 9.8

6 37 Separator 08 (AWI 11-2/3) 2-phase inlet: Flow rate(kg/hr) 878,367 Brine: Flow rate (Kg/Hr) 710,304 Pressure (bar abs ) 9.7 Steam: Flow rate (Kg/Hr) 168,063 Pressure (bar abs ) 9.8 Tabel 4.3: Data Teknis (3 unit) Scrubbers Total steam from separators : Flow Rate (Kg/Hr) 1,315,512 Pressure (bar abs ) 9.8 Temperature (Deg Celcius) 178 Steam from separators to each (3) scrubbers: Flow Rate (Kg/Hr) 438,504 Steam wash water (condensate) in pipelines: Flow Rate (Kg/Hr) 8,154 Steam and condensate inlet at each scrubbers: Flow Rate (Kg/Hr) 446,658 Pressure (bar abs ) 7.8 Temperature (Deg Celcius) 170 Steam outlet from each Scrubbers to Turbine Flow Rate (Kg/Hr) 437,145 Pressure (bar abs ) 7.8 Temperature (Deg Celcius) 170 Brine/condensate outlet from each Scrubbers Flow Rate (Kg/Hr) 9,513 Pressure (bar abs ) 7.8 Temperature (Deg Celcius) 170

7 38 Tabel 4.4: Data Temperatur Reservoir Reservoir Geo fluid Temperature Reservoir Geo fluid Total Flow (west) : 470 F : C : 6,621,047 Kg/Hr Selain itu, turbin juga memiliki effisiensi. Pada umumnya, effisiensi turbin uap untuk PLTP adalah berkisar 80-85% 20. Untuk Turbin uap yang digunakan pada PLTP Gunung Salak diasumsikan memiliki effisiensi rata-rata dari effisiensi pada umumnya, yakni 82%. Atau dapat ditentukan dengan melihat daya output yang sebenarnya pada di lapangan, dimana daya output generator PLTP Gunung Salak adalah 65,6 Mwatt. Tentu saja, dengan mengingat bahwa tidak ada alat yang ideal, maka daya turbinnya akan lebih tinggi daripada output generatornya. Hal ini akan dibahas lebih pada sub-bab perhitungan daya Perhitungan Daya Single Flash Steam System Untuk memperoleh daya optimalisasi yang dapat dibangkitkan, kita sangat membutuhkan perhitungan untuk tipe yang telah ada sebelumnya, yakni perhitungan single flash. Hasil perhitungan tersebut dilakukan berdasarkan data teknis rata-rata sebenarnya. Setelah itu, barulah perhitungan untuk binary cycle dapat dilakukan sehingga perencanaan ini secara teori dapat dilakukan tanpa harus menghilangkan yang telah ada (modifikasi). Dari data-data teknis di atas, maka dapat disimpulkan data-data yang akan digunakan untuk menghitung besarnya daya yang dapat dibangkitkan oleh turbin dengan menggunakan persamaan [4.1] dan [4.2] dengan asumsi awal turbin bekerja 20 DiPippo Ronald, Op.cit., hal. 93.

8 39 pada keadaan isentropis seperti persamaan [4.3]. Keadaan dari single flash steam system ini tergambar pada gambar 4.2. Tabel 4.5 : Data dari Tabel Uap, Berdasarkan Gambar 4.3. Dari Data Teknis Diketahui : Dari Tabel Uap Diperoleh : T 6 = 170 C h 6 = P 6 = 7.8 bar abs s 6 = (3 òö) h f = h g = P 7 = 0.09 bar abs s f = (3 òö) s fg = (3 òö) ṁ = = Gambar 4.3: P-h dan T-s Diagram Perhitungan Single Flash Steam System = [4.1], sehingga =.úǵ5d +.úǵ5dō [4.2], = òö 3 òö + ( )( òö )

9 40 = òö 3 òö = òö Sehingga dapat diperoleh heat drop-nya untuk memperoleh daya turbinnya. h = h.úǵ5d + h ō h.úǵ5d [4.3] h = h = 2100, Maka, 1 = ṁ h [4.4] 1 = h h 1 = , = = = kwatt 1 adalah daya turbin dalam kondisi ideal (isentropis) dan dapat dituliskan sebagai 1 dalam persamaan [4.5]. Dan jika diasumsikan effisiensi turbin adalah 82%, maka daya turbin adalah sebagai berikut: 1 Ƽ = 1 [4.5] 1 Ƽ = kwatt = kwatt Dari hasil tersebut, dapat dikatakan asumsi effisiensi turbin mendekati nilai yang sebenarnya, karena daya output yang terbaca pada generator adalah kwatt. Artinya, ada kemungkinan besar losses yang terjadi mengakibatkan daya turbin sebesar kwatt turun menjadi kwatt pada generator. Oleh

10 41 sebab ini, efisiensi turbin yang akan digunakan pada perhitungan selanjutnya adalah 85%. 4.2 Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi Binary Cycle System Gambar 4.4. Diagram Simple Design ORC Gambar 4.4. Memperlihatkan diagram skematik dari PLTP Siklus Biner. Uap panas bumi dua fasa dialirkan kedalam separator dimana uap jenuh dan brine yang dihasilkan dari separator digunakan sebagai sumber energi untuk memanaskan fluida kerja. Sebagai fluida kerja digunakan n-pentana yang mempunyai temperatur didih rendah. Fluida dipanaskan awal di Preheater dengan brine dan air jenuh keluaran evaporator sebagai media pemanas dimana temperature dan tekanan brine masuk

11 42 preheater masing-masing C dan 9.75 bar abs. Fluida kerja selanjutnya diuapkan kedalam evaporator dengan uap jenuh dari separator sebagai media pemanas dimana temperature dan tekanan uap jenuh masuk evaporator masing-masing 80 0 C dan bar abs dan fluida kerja dipanaskan mencapai kondisi tekanan 9 bar dan temperature C dengan laju aliran energi keluar evaporator sebesar 4, kw. Besarnya irreversibilitas didalam sistem preheater dan evaporator dengan efisiensi eksergi dari Preheater dan Evaporator masing-masing adalah 32,09% dan 90,01%. Irreversibilitas yang terjadi di sistem Preheater dan Evaporator disebabkan oleh beberapa faktor yaitu: Susut tekanan (pressure drop) yang terjadi didalam evaporator baik disisi brine maupun disisi n-pentana. Heat transfer over a finite temperature different. Interaksi termal dengan lingkungan. Konduksi panas melalui dinding penukar kalor. Pich point. Uap n Pentana selanjutnya diekspansikan didalam turbin uap sehingga laju energi menurun menjadi 429,14 kw dengan daya kotor yang dihasilkan turbin uap ,98 kw. Fluida kerja keluar turbin selanjutnya dialirkan kedalam kondensor masuk dimana fluida kerja dikondenasasikan mencapai tekanan 1.4 bar abs. Fluida kerja yang keluar dari kondensor masuk kedalam tangki fluida kerja dan selanjutnya dipompakan dengan pompa pengisi fluida kerja masuk ke Preheater dan dipanaskan

12 43 oleh brine dan air jenuh dari evaporator sebelum diinjeksikan kembali ke dalam sumur injeksi Perhitungan Daya Yang Dibangkitkan Oleh Binary Cycle System Analisis Neraca Massa dan Neraca Panas (Heat dan Mass Balance Analysis) Seperti yang telah dijelaskan, proses kerja PLTP Binary Cycle adalah berdasarkan pada Siklus Rankine Organik Sederhana (Simple Design ORC). Gambar 4.5. dan 4.6 masing masing memperlihatkan diagram T-s dan Diagram P-h. Proses termodinamika yang terjadi didalam setiap komponen PLTP Binary Cycle dihitung sebagai sebuah control volume yang berada dalam kondisi tetap (steady state) dengan mengacu kepada mass balance dan heat balance, dan siklus ini diasumsikan bekerja dalam kondisi ideal dan reversible (friction dan heat losses diabaikan). Selain itu, pinch point juga ditetapkan untuk setiap alat penukar kalor (Heat Exchanger). Gambar 4.5. Diagram T-s pada Fluida n-pentane Perhitungan Binary Cycle Sistem

13 44 Gambar 4.6. Diagram P-h pada Fluida n-pentane Perhitungan Binary Cycle Sistem Berdasarkan Gambar 4.4 diatas, dapat dibuat persamaan neraca massa (Mass Balance) dan persamaan neraca panas (Heat Balance) untuk setiap komponen dari PLTP siklus biner yang beroperasi berdasarkan Siklus Rankine Sederhana. a. Turbin Power output turbin adalah: 1 = 7.úǴ5d h h = 7.úǴ5d h h [4.6] Dimana: 1 = Daya keluaran turbin (kw) 7.úǴ5d = Laju aliran dari fluida kerja n-pentane (kg/s) h = Entalpi uap n-pentane masuk turbin (kj/kg) h = Entalpi uap n-pentane keluar turbin (kj/kg) h = Entalpi uap n-pentane keluar turbin (kj/kg) = Efisiensi Turbin

14 45 Dari persamaan diatas maka daya turbin dapat dihitung sebagai berikut: 1 = 7.úǴ5d h h = 7.úǴ5d h h = 1207, ,18 h = 1207, ,18 429,14 489,18 h = ,04 h = 51, ,18 h = 438, /3 Daya turbinnya, 1 = 7.úǴ5d h h = 1207, ,18 438,146 = 1207,331 51,034 = Dari perhitungan diatas dapat menyimpulkan bahwa daya turbin adalah kw. b. Kondenser Gambar 4.7 Turbine generator binary cycle dan 4.8 Air pendingin (Sumber: Ronald Di Pippo, Geothermal Power Plants, hal 166)

15 46 Untuk panas yang harus dikeluarkan oleh fluida kerja (Gambar 4.6) ke medium pendingin/kondenser (Gambar 4.7), di tunjukkan pada persamaan berikut: = 7.úǴ5d h h [4.7] Hubungan antara laju aliran fluida dengan air pendingin dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: 7 h Ė h = 7.úǴ5d h h [4.8] )C )C 7 Ė = 7.úǴ5d h h [4.9] Dimana: = Heat load dari sistem pendingin (kw) 7 = Laju aliran massa dari media pendingin (kg/s) 7.úǴ5d = Laju aliran massa dari fluida kerja (kj/s) h = Entalpi uap yang keluar dari turbin (kj/s) h = Entalpi uap yang keluar dari kondenser (kj/s) h Ė = Entalpi media pendingin masuk kondenser (kj/s) h = Entalpi media pendingin keluar kondenser (kj/s) Dari persamaan diatas maka energi didalam kondeser dapat dihitung sebagai berikut; = 7.úǴ5d h h = 1207, ,146 23,07 = 1207, ,076 = ,12 1

16 47 Dari perhitungan diatas dapat disimpulkan untuk daya kondenser adalah ,12 kw. Untuk hubungan antara laju aliran fluida dengan air pendingin dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut: 7 h Ė h = 7.úǴ5d h h )C )C 7 Ė = 7.úǴ5d h h 7 4, ,01 32,00 = 1207, ,146 23,07 7 4, ,01 = ,12 7 = ,12 50,268 7 = 9.969,28 3/ Dari perhitungan diatas dapat disimpulkan hubungan antara laju aliran fluida dengan air pendingin sebesar 9.969,28 kg/s c. Feedpump Dengan menggunakan asumsi yang sama untuk komponen lainnya, tenaga yang dialirkan ke fluida kerja dari feedpump lihat gambar 4.8, maka didapat persamaan sebagai berikut; 1 = 7.úǴ5d h h = 7.úǴ5d h h / (4.10) Dimana; 1 = Daya keluaran feedpump (kw) 7.úǴ5d = Laju aliran dari fluida kerja n-pentane (kg/s)

17 48 h = Entalpi uap n-pentane masuk turbin (kj/kg) h = Entalpi uap n-pentane keluar turbin (kj/kg) h = Entalpi uap n-pentane keluar turbin (kj/kg) = Efisiensi Feedpump Dari persamaan diatas maka daya didalam feedpump dapat dihitung sebagai berikut 1 = 7.úǴ5d h h = 7.úǴ5d h h = 1207,331 h 23,07 = 1207, ,18 429,14 /0,8 h = 2,83/0.8 h = 3, ,07 h = 26, /3 Daya dari yang dikeluarkan Feedpump 1 = 7.úǴ5d h h = 1207,331 26,61 23,07 = 1207,331 3,54 = 4.273,95 1 Dimana efisiensi feedpump diasumsikan = 80% Dari perhitungan diatas dapat disimpulkan bahwa daya feedpump adalah Kw

18 49 d. Preheater dan Evaporator Gambar 4.9 Feedpump for condesate dan 4.10 Preheater and evaporator (Sumber: Ronald Di Pippo, Geothermal Power Plants, hal 167) Berdasarkan Gambar 4.8 maka didapat persamaan untuk preheater dan evaporator, sebagai berikut: ü Untuk Preheater = 7.úǴ5d h h (4.11) Dimana efisiensi untuk preheater ini 32,09% ü Untuk Evaporator Ƽ = 7.úǴ5d h h (4.12) Dimana efisiensi untuk evaporator ini 90,01 % Daya Yang Dibangkitkan Dari Sistem Binary Cycle (ORC) Dari hasil perhitungan diatas, maka dapat ditentukan daya atau energi yang dapat dibangkitkan pada binary cycle ini, yakni: 1 = 7.úǴ5d h h (4.13) = 1207, ,18 429,14

19 50 = 1207,331 60,04 = ,15 1 Jadi daya yang dibangkitkan untuk sistem binary cycle sebesar ,15 kwatt, maka persentasi peningkatannya sebagai berikut; òö = = ƼĖƼ Ř4 Ƽ ƼĖƼƼ7Ƽ ƼĖƼ Ƽ7Ƽ 100% , ,94 100% ,94 = 9 % Maka dapat disimpulkan kenaikan dari PLTP Single Flash Steam menjadi Binary Cycle sebesar 9 % Pembahasan Pembahasan Single Flash Steam Dari perhitungan pada sub bab di atas, dapat diketahui bahwa daya ouput turbin adalah sebesar 66, kwatt dengan menggunakan efisiensi turbin sebesar 82% Pembahasan Binary Cycle System (ORC) Dari perhitungan pada sub bab diatas dan berdasarkan gambar 4.9 dengan menggunakan software cycle tempo, dapat di ketahui bahwa daya ouput turbin yang dibangkitkan dengan sistem binary cycle ini adalah sebesar ,09 kwatt dengan menggunakan efisiensi turbin sebesar 85%.

20 51 Gambar 4.11 Simulasi Cycle tempo binary cycle sistem Berdasarkan perhitungan diatas, maka dapat disimpulkan bahwa telah terbukti PLTP Gunung Salak dapat ditingkatkan daya outputnya. Kenaikannya dapat mencapai 9 % (dari 65,6 MW menjadi 72,5 MW), walau hal itu masih diatas kertas. Pada kondisi aktualnya ada kemungkinan dalam peningkatannya hanya mencapai 7-8 %, mengingat pada perhitungan ini belum ada perhitungan secara losses aktualnya, baik sisi termalnya maupun sisi lainnya.