Perencanaan Sistem Pendingin Udara Masuk Gas Turbin 15 o C Menggunakan Absorption Chiller di PLTGU UBP PRIOK

Transkripsi

1 Perencanaan Sistem Pendingin Udara Masuk Gas Turbin 15 o C Menggunakan Absorption Chiller di PLTGU UBP PRIOK Agung Subagio¹ ᵃ, Budihardjo, Rivaldo Garchia¹ Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik Universitas Indonesia, Depok, Indonesia (16424) Tel : (+62 21) ext. 23. Fax : (+62 21) ᵃ agsub@eng.ui.ac.id, rivaldo.garchia@ui.ac.id Abstrak Menaikan daya output turbin gas dapat dilakukan dengan mendinginkan udara masuk kedalam turbin gas tersebut, karena daya output turbin gas dapat dihitung dengan perkalian aliran masa udara dengan jatuh enthalpy pada turbinnya. Dalam PLTGU sudah tersedia uap sebagai penggerak turbin uap, namun sumber panas tersebut dapat dipergunakan sebagai penggerak mesin Absorbtion Chiller, yang akan mendinginkan udara masuk kedalam turbin gas. Beban pendinginan udara dihitung berdasarkan data cuaca selama 24 jam pada keadaan cuaca maximum dan pola operasi PLTGU serta penggunaan Thermal Energy Storage (TES), agar kapasitas mesin pendingin optimal, sehingga tingkat Benefit Cost dan Financial parameter memenuhi persyaratan perbankan. Perhitungan beban pendinginan berdasarkan udara masuk turbin gas sebesar 15 C sesuai standar ISO dan pola operasi PLTGU selama 12 jam, sehingga 12 jam lainnya merupakan waktu operasi mesin pendingin untuk menyimpan air dingin didalam TES, yang berguna untuk memperkecil kapasitas mesin pendingin. Kebutuhan uap sebagai penggerak Absorbtion Chiller diperhitungkan sesuai beban pendingin tersebut, termasuk penurunan kapasitas turbin uap. Biaya pembangunan pemasangan sistim pendingin dan TES dihitung, agar dapat menghitung parameter financial seperti Net Present Value (NPV), Internal Rate of Return (IRR) dan Benefit Cost Ratio (BCR). PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasi turbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83 MW pada suhu operasi 33 C, apabila udara masuk turbin gas diturunkan menjadi 15 C, diperoleh kenaikan daya turbin gas 11 MW dan kenaikan efisiensi 4, namun ada penurunan daya turbin uap sebesar 3.27 MW. Dari data operasi selama 214 diperoleh produksi listrik 2 GT sebesar 1,54,664, kwh, tarip listrik Rp 732/kWh, rencana waktu operasional 2 tahun, dan total investasi pemasangan sistim pendingin sebesar USD 11,271,97.-, maka diperoleh NPV: USD 24,295,977.-, BCR : 2.6, IRR : Kenaikan efisiensi 4 akan menghemat bahan bakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahun dengan asumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu. Melihat keuntungan dan penghematan yang diperoleh, maka selayaknya pemasangan mesin pendingin untuk menurunkan suhu udara masuk turbin gas layak dipertimbangkan. tambahan daya uadara masuk lebih dari 1, apabila ke turbin diturunkan temperature 15C. Karakteristik 1. Pendahulua Turbin Gas yang terpasang di daerah udara panas seperti Indonesia, mengalami penurunan daya output dibandingkan dengan kemampuannya dari pabrikan, karena diuji kinerjanya pada temperatur 15C sesuai mendekati daya output terhadap perubahan temperature udara masuk, yakni sesuai dengan perhitungan daya output turbin gas yang merupakan fungsi dari aliran masa udara masuk, dimana makin dingin temperature udara maka akan makin berat udara tersebut, karena density akan lebih besar, apabila temperature udara tersebut makin dingin. Untuk mendinginkan udara masuk ke dengan standart ISO. Oleh karena itu dengan temperatur rata-rata 33C khususnya di Jakarta, menyebabkan penurunan kapasitas out Turbin Gas cukup berarti, yakni lebih dari 1, sehingga potensi tersebut perlu diberdayakan, bahkan akan mendapat

2 kompresor dari 33C menjadi 15C perlu mesin pendingin, baik menggunakan mechanical refrigeration atau dengan absorbtion refrigeration. Kedua jenis mesin pendingin tersebut perlu dikaji pemilihannya, karena menyangkut kinerja mesin pendingin terhadap daya out put turbin gas yang dihasilkan, baik dari sisi teknis maupun sisi ekonomis yang perlu dipertimbangkan. PLTGU Tanjung Priok Blok 1 terdiri dari 3 unit Turbin Gas (ABB-GT 13 E1)dengan kapasitas rata rata 13 MW pada kondisi ISO (15C), sedangkan kondisi temperature Grafik 4.2 Data temperatur per jam PLTG Tj Priok tiap bulan operasional di Tanjung Priok sebesar ratarata 33 C ( siang hari). Dari data operasi th 214 diperoleh produksi listrik sebesar 1,59, kwh dari 2 unit turbin gas dengan output rata-rata 1 MW dan pola operasi 12 jam per hari. Oleh karena itu apabila temperaturnya diturunkan menjadi 15C, maka akan diperoleh tambahan daya 2.2 Diagram GT + Absorption Chiller sebesar 2 x 3 MW: 6 MW. Perhitungan beban pendingin untuk mendinginkan udara masuk Turbin gas menjadi suhu 15 C dan penggunaan Thermal Energy Storage (TES) akan menghasilkan kapasitas mesin pendingin yang optimal, sehingga diperoleh biaya investasi tidak terlalu tinggi dibandingkan keuntungan financial yang diperoleh. 2. ANALISIS PERHITUNGAN 2.1 Analisis Kondisi Lingkungan Gambar 4.1 Skematik PLTG dengan Absorption Chiller Diagram diatas menggambarkan komponenkomponen yang ada dalam sistem absorption chiller. Absorption Chiller (Sistem Pendingin Penyerepan Uap) adalah alat penukar kalor yang berfungsi sebagai pendingin dengan menggunakanprinsip kimiafisika, dimana sebagai pengganti kompresor untuk menaikan tekanan refrigerannya terdapat absorber, pompa dan generator dengan fungsi yang sama. Wilayah Tanjung Priok termasuk dalam daerah beriklim tropis dengan perbedaan curah hujan yang cukup kecil sekali dan di pengaruhi oleh iklim musim. Secara umum daerah tanjung priok memiliki dua musim yaitu musim kemarau antara bulan April-September dan musim hujan antara bulan OktoberMaret dimana temperatur rata-rata tiap jam dan tiap bulannya dapat dilihat dari grafik dibawah ini. Dalam hal ini tempertaur udara ambient yang di ambil sebagai acuan udara masuk turbin gas sebesar 33o C. 2.3 Perhitungan Beban Pendingin Menentukan panas yang diserap dari temperatur ambient PLTG TJ Priok hingga mencapai temperatur yang di inginkan seperti temperatur standar menurut ISO yaitu 15C.

3 rata- rata tiap jamnya. Untuk mendapatkan total beban pendingin antara pukul Pertama kali kita harus mencari energi listrik yang dibutuhkan untuk sistem pendingin tersebut dengan menggunakan integral fungsi kuadrat grafik diatas. Dimana ; = laju massa udara pada PLTG TJ Priok yaitu 467 kg/s = Kalor jenis udara yaitu 1,6 kj/kg.k = Perubahan temperatur ambient menjadi temperatur yang diinginkan Beban pendingin dari temperatur ambient ke temperatur 15C Sistem pendingin ini nantinya akan bekerja selama 24 jam, artinya selama 24 jam penuh sistem pendingin akan menghasilkan air pendingin yang akan disalurkan ke cooling coil untuk mendinginkan udara masuk. Grafik 4.3 Data beban pendingin dari temperatur ambient hingga temperatur 15C Grafik di atas menunjukan beban pendingin pada PLTG TJ Priok dari temperatur ambient hingga temperatur standar ISO yaitu 15C tiap jamnya selama 24 jam tiap bulannya. Maka beban pendinginan yang dibutuhkan untuk mendinginkan temperatur udara ambient ke temperatur udara sesuai standar ISO 15C adalah 1134,9 kw. Dari grafik diatas beban pendinginan yang akan digunakan berada di titik antara pukul Hal ini karena, pada pukul tersebut turbin gas bekerja dan membutuhkan pendinginan di bagian inlet kompresornya Dimensi Thermal Energy Storage untuk temperatur ambien 15C Dari perhitungan sebelumnya, beban pendinginan pada temperatur 15C diperoleh sebesar 1134,9 kw. Pada PLTG TJ Priok satu thermal energy storage dipergunakan untuk mendinginkan 2 turbin gas sehingga beban pendingin totalnya adalah 2269,8 kw. Untuk mendapatkan udara masuk ke Kompresor dengan suhu 15 C, maka perlu air pendingin dengan suhu minimum 8 C, dengan T ideal/optimum sebesar 7 C. Sedangkan suhu air keluar dari cooling coil Grafik 4.4 Data beban pendingin rata-rata tiapjamnya dari temperatur ambient hingga 15C Grafik diatas menunjukkan beban pendinginan

4 nominalnya adalah 2 C. Jika kalor jenis air adalah 4,18 kj/kg.k, maka kebutuhan aliran air dari cooling coil sebesar : Tout (Chilled Water) = 8o C Tin (Chilled Water) = 2 C Q = 2269,8 kw (2 turbin gas) Cp =4,18 kj/kg.k Gambar 4.5Thermal energy Storage 2.5 Perhitungan Pendingin COP Sistem Absorption Chiller Dalam perhitungan siklus absorpsi ini, refrigeran dan absorber yang digunakan Water- Apabila proses pendinginan air pendingin berlangsung selama 24 jam maka volume tangki dari Thermal Energy Storage sebesar: Lithium yang Bromide (LiBr-H O). Data-data digunakan dalam perencanaan adalah : Untuk mendinginkan temperatur udara masuk kompresor hingga mencapai 15C dibutuhkan ukuran tangki Thermal Energy Storage dengan volume sebesar 3814 m3. 1. Temperatur kondensasi : 6 C 2. Temperatur evaporasi : 1 C 3. Temperatur absorber : 3 C 4. Temperatur generator : 11 C Dalam perhitungan selanjutnya penulis akan memberikan komparasi perhitungan COP dengan membedakan variasi temperatur pada kondenser, evaporator, absorber dan generator untuk mendapatkan nilai efisiensi turbin paling tinggi dalam siklus pendingin absorber chiller ini 2.4 Skematik Thermal Energy Storage Perlu dijelaskan bahwa Thermal Energy Storage memiliki 2 suhu air, yakni bagian atas bersuhu tinggi dan bagian bawah bersuhu lebih dingin. Hal tersebut terpisah karena air bersuhu lebih tinggi akan mempunyai density lebih ringan, dibandingkan dengan air bersuhu lebih dingin, sehingga air dengan beda suhu akan terpisah, seperti terlihat dalam gambar dibawah ini.

5 Kondisi Termodinamika Titik 6, refrigeran dari kondenser dengan kondisi saturated liquid Titik 8, refgiferan dari evaporator dengan kondisi saturated vapour : konsentrasi LiBr yang terkandung pada uap air setelah keluar dari generator: Perpotongan antara T6 dan T4 pada duhring diagram 4.6 Gambar Duhring Plot Diagram konsentrasi LiBr yang terkandung pada uap air setelah keluar dari absorber: Perpotongan antara T8 dan T2 pada duhring diagram Titik 2 dan 1 terjadi isoenthalpi 4.7 Gambar Skematik Absorption chiller Titik 4 dan 3 terjadi isoenthalpi h4 = h3 Titik 5, refrigeran panas dalam keadaan jenuh dari generator :

6 . Laju massa di Generator dan Absorber. Beban Refrigerasi Laju massa larutan LiBr lemah dan kuat yang terdapat pada generator dan absorber akan berbeda beda untuk penurunan temperatur hingga 15C. Laju massa pada larutan LiBr lemah dan kuat dapat dicari dengan cara sebagai berikut:. Beban Kondenser Dengan menggunakan simulasi perhitungan EES (Engineering Equation Solving) di dapatlah laju massa aliran larutan LiBr lemah dan kuat sebagai berikut. Beban Generator. Beban Absorber 2.5 Grafik perubahan daya dan Efisiensi Thermal Siklus Dan Daya Output Turbin Gas GT 13E. Coefficient of Performance. Laju massa di evaporator Laju massa yang berada pada evaporator untuk penurunan temperatur hingga 15C. Laju massa pada evaporator dapat dicari dengan cara sebagai berikut:

7 Kedua grafik diatas merupakan karakteristik mesin turbin gas GT13EI terhadap perubahan temperatur ambient. Terlihat bahwa semakin rendah temperatur udara ambient yang masuk kedalam kompresor maka semakin tinggi efisiensi thermal siklusnya, termasuk daya output turbin akan meningkat. Kenaikan Efisiensi Thermal Siklus dan Daya Output Turbin Gas GT 13E TURBINE INLET AIR No. 1. URAIAN Kenaikan 15 C TEMPERATURE 2. daya Output Kenaikan 3,9 15,14 MW Effisiensi Kenaikan daya output dan efisiensi thermal siklus PLTG oleh absorption chiller didapat dengan memasukkan variabel temperature ambient terhadap persamaan grafik spesifikasi turbin GT 13EI di atas. 2.6 Perhitungan pengurangan daya Steam Turbin Pembangkit listrik yang berada pada PLTGU TJ Priok menggunakan prinsip combine cycle, artinya selain menggunakan turbin gas untuk menghasilkan daya listrik, energi dari gas pembungan turbin digunakan untuk enghasilkan steam oleh HRSG (Heat Recovery Steam Generator) sebagai suplai steam untuk unit pembangkit listrik tenaga uap. Meskipun dengan adanya sistem pendingin absorption chiller meningkatkan efisiensi thermal dan daya turbin gas, namun pada turbin uap terjadi penurunan daya yang dihasilkan akibat pemakaian laju aliran massa steam sebagai pemanas pada bagian generator chiller. Daya yang terpakai untuk sistem absorption chiller Dengan melihat perhitungan di atas, meskipun daya yang terpakai oleh sistem absorption chiller sebesar 3,27 MW. Hal ini engakibatkan daya output yang dihasilkan oleh turbin uap berkurang. Akan tetapi, dengan adanya system pendingin pada absorption chiller ini daya utput yang dihasilkan oleh turbin gas meningkat sebesar 11,87 MW. 3. Analisis Finansial Analisis keuangan dihitung berdasarkan data operasi tahun 214, dimana beban tidak 1, tetapi hanya 83 MW, sehingga kenaikan daya output turbin gas 11 MW dan kenaikan efisiensi termal 4. Dengan memperhitungkan biaya EPC, bunga pinjaman

8 Bank, diperoleh hasil perhitungan sebagai berikut : No Description Investment Cost (USD) Output Increment per MW Capacity Increment (MW) Production Increment (kwh) Follower Condition Peak Condition Start Stop Condition Financial Assumed MARR Economic Lifetime (years) Tariff (IDR/kWh) Analysis Result NPV Follower Condition Peak Condition Start Stop Condition BCR Follower Condition Peak Condition Start Stop Condition FIRR Follower Condition Peak Condition Start Stop Condition TURBINE INLET AIR TEMPERATURE ( C) Scenario A Scenario B Scenario C ,6 1,5 1, ,2 1,2 1, ,79,84 1,13 42,15 13,16 2,4 4,71 12,47 19,56 31,71 8,66 14,66 4. KESIMPULAN Dengan kapasitas pendinginan 1134,9 kw untuk menurunkan temperatur ambient hingga 15 C dapat direncanakan sistem pendingin absorption chiller dengan perencanaan sebagai berikut: a. Temperatur Absorber = 3 C b. Temperatur Evaporator = 1 C c. Temperatur Generator = 11 C d. Temperatur Kondensor = 6 C Dari perencanaan tersebut didapatkan COP Sebesar,791. Perubahan Temperatur pada masing-masing komponen kondenser, absorber, evaporator dan generator berpengaruh pada perubahan COP Thermal Energy Storage (TES) berfungsi untuk menyimpan air pendingin yang diproduksi 24 jam dalam tangki berisolasi. Kapasitas tangki TES sebesar m dapat digunakan sebagai penyuplai air pendingin untuk 2 turbin gas Untuk penurunan temperatur ambient hingga 15 C terjadi kenaikan daya output turbin gas sebesar 15,14 MW dan kenaikan efisiensi themal siklus sebesar 3,9. Sumber panas yang didapatkan generator chiller berasal dari HRSG dengan laju aliran massa steam sebesar 6,37 kg/s. Hal ini mengakibatkan penurunan daya output turbin uap berkurang sebesar 3,27 MW. Hal ini mengakibatkan daya output yang dihasilkan oleh turbin uap berkurang. Akan tetap, dengan adanya sistem pendingin pada absorption chiller ini daya output yang dihasilkan oleh turbin gas meningkat sebesar 11,87 MW. PLTGU Blok 1 - Priok umumnya operasi turbin gas tidak beban penuh, tetapi hanya 83 MW pada suhu operasi 33 C, apabila udara masuk turbin gas diturunkan menjadi 15 C, diperoleh kenaikan daya turbin gas 11 MW dan kenaikan efisiensi 4, namun ada penurunan daya turbin uap sebesar 3.27 MW. Dari data operasi selama 214 diperoleh produksi listrik 2 GT sebesar 1,54,664, kwh, tarip listrik Rp 732/kWh, rencana waktu operasional 2 tahun, dan total investasi pemasangan sistim pendingin sebesar USD 11,271,97.-, maka diperoleh NPV: USD 24,295,977.-, BCR : 2.6, IRR : Kenaikan efisiensi 4 akan menghemat bahan bakar gas sebesar USD 7,825,619.- per tahun dengan asumsi harga gas : USD 7.- / MMBtu. Melihat keuntungan dan penghematan yang diperoleh, maka selayaknya pemasangan mesin pendingin untuk menurunkan suhu udara masuk turbin gas layak dipertimbangkan. REFERENSI [1] Forest,M Rizki. (214). Kajian Absorption Chiller Untuk Menaikkan Kinerja Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP). Jakarta: Universitas Indonesia. [2] Zogg, Robert A.(25). Guide to Developing Air-Cooled LiBr Absorptionfor Combined Heat and Power Applications : U.S Department of Energy [3] Sutriyanto, Himawan, Sarwono& Prawoto. (211).Pengembangan Small Single-Effek Absorption Chiller Dengan Daya Pendinginan 1 kw. Tangerang : Puspitek [4] Angga, A Muhamad. (28).Perencanaan Mesin Pendingin Sistem Absorbsi (Lithium Bromide) Dengan Memanfaatkan Waste Energy Di PT. PJB Paiton Probolinggo. Surabaya:Institut Teknologi Sepuluh November

9 [5] Arora, C. P. 2. Refrigeration and Air Conditioning. Second Edition. New Delhi : Tata McGraw-Hill Publishing Company, Ltd. [6] Zinet, M., Rulliere, R., & Haberschill, P. (212). A numerical model for the dynamic simulation of a recirculation single-effect absorption chiller. Energy Conversion and Management,