PENGARUH VARIASI BEBAN TERHADAP UNJUK KERJA SISTEM TURBIN GAS GENERATOR di UTILITAS 1 PT. PETROKIMIA-GRESIK

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR TM (KE) PENGARUH VARIASI BEBAN TERHADAP UNJUK KERJA SISTEM TURBIN GAS GENERATOR di UTILITAS 1 PT. PETROKIMIA-GRESIK DEVINA UJIANTO NRP Dosen Pembimbing Dr. Ir. Heru Mirmanto, MT. NIP DEPARTEMEN TEKNIK MESIN INDUSTRI Fakultas Vokasi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017

2 TUGAS AKHIR TM (KE) PENGARUH VARIASI BEBAN TERHADAP UNJUK KERJA SISTEM TURBIN GAS GENERATOR di UTILITAS 1 PT. PETROKIMIA- GRESIK DEVINA UJIANTO NRP Dosen Pembimbing Dr.Ir. HERU MIRMANTO, MT NIP PROGRAM STUDI DIPLOMA III DEPARTEMEN TEKNIK MESIN INDUSTRI Fakultas Vokasi Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2017 i

3 FINAL PROJECT TM (KE) THE EFFECT OF LOAD VARIATION ON THE PERFORMANCE OF GAS TURBINE GENERATOR SYSTEM IN UTILITY 1 PT.PETROKIMIA GRESIK DEVINA UJIANTO NRP Counselor Lecturer Dr.Ir. HERU MIRMANTO, MT NIP DIPLOMA III STUDY PROGRAM INDUSTRIAL MECHANICAL ENGINEERING DEPARTEMENT Faculty of Vocational Institute Technology of Sepuluh Nopember Surabaya 2017 ii

4

5 PENGARUH VARIASI BEBAN TERHADAP UNJUK KERJA SISTEM TURBIN GAS GENERATOR di UTILITAS 1 PT. PETROKIMIA- GRESIK Nama Mahasiswa : Devina Ujianto NRP : Departemen : D3 Teknik Mesin Industri FV-ITS Dosen Pembimbing : Dr.Ir Heru Mirmanto, MT Turbin Gas Generator merupakan salah satu power plant yang ada di PT. Petrokimia-Gresik, yang digunakan untuk memenuhi kekurang listrik dari PLN untuk kegiatan di pabrik 1 dan juga perumahan di PT.Petrokimia-Gresik. Oleh karena itu perubahan beban sering terjadi. Untuk menjaga performa dari turbin gas, peralatan dalam sistem turbin gas harus dijaga kondisinya agar dapat bekerja secara optimal. Pada Tugas Akhir ini akan dilakukan perhitungan efisiensi sistem turbin gas terhadap beban operasi di GTG PT. Petrokimia- Gresik. Dari hasil perhitungan didapatkan efisiensi tertinggi pada pembebanan 22,61 MW dengan efisiensi siklus 31,79 % Kata Kunci : Turbin Gas, Efisiensi, variasi beban v

6 (halaman ini sengaja dikosongkan) vi

7 THE EFFECT OF LOAD VARIATION ON THE PERFORMANCE OF GAS TURBINE GENERATOR SYSTEM IN UTILITY 1 PT. PETROKIMIA-GRESIK Name : Devina Ujianto NRP : Departement : D3 Teknik Mesin Industri FV-ITS Counselor of Lecture : Dr.Ir Heru Mirmanto, MT Gas turbine generator is one of the existing power plant in PT. Petrokimia-Gresik, which is used to meet the shortage of electricity from PLN for activites in Factory 1 and housing in PT. Petrokimia-Gresik. Therefore load changes is inevitable. To maintain the performance of gas turbine, equipments in gas turbine system must be kept in a proper condition in order to work optimally. In this final project, the efficiency of gas turbine system to operating load in GTG PT. Petrokimia-Gresik will be calculated. From the calculation results, the highest efficiency which is 31,79% is obtained from the load of 22,61 MW. Keywords: Gas Turbine, Efficiency, load variation vii

8 (halaman ini sengaja dikosongkan) viii

9 KATA PENGANTAR Segala puji dan syukur kepada Tuhan yang Maha Esa yang telah melimpahkan karunia, rahmat dan hidayah-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul PENGARUH VARIASI BEBAN TERHADAP UNJUK KERJA SISTEM TURBIN GAS TURBIN GENERATOR DI UTILITAS 1 PT. PETROKIMIA-GRESIK. Tersusunnya Tugas Akhir ini tidak terlepas dari dukungan, bantuan dan kerja sama yang baik dari semua pihak yang secara langsung maupun tidak langsung terlibat di dalam Tugas Akhi ini. Oleh karena itu pada kesempatan ini, penulis menyampaikan terima kasih kepada: 1. Dr. Ir. Heru Mirmanto, MT selaku dosen pembimbing tugas akhir dan kepala departemen Teknik mesin Industri FV-ITS 2. Ir. Suharianto, MT selaku koordinator tugas akhir Departemen Teknik Mesin Industri FV-ITS 3. Bapak arino selaku dosen wali yang telah membimbing selama perkuliahan 4. Bapak/Ibu dosen dan Karyawan Departemen Teknik Mesin Industri FV-ITS yang telah membimbing dan membantu selama perkuliahan 5. Bapak Frenky selaku pembimbing di PT. Petrokimia- Gresik dalam observasi lapangan untuk Tugas akhir ini. 6. Ujianto dan Listia Endang sebagai orang tua saya yang telah memeberikan motivasi, dukungan moril dan materil, serta doa selama perkuliahan ini 7. Nadhifa Hidayati Island selaku partner tugas akhir ini. 8. Kartika, Nur Idzmi, Sulala, dan Filianti Suci yang sudah menemani keseharian saya dan berbaik hati ix

10 memberikan masukan, motivasi serta semangat selama perkuliahan dan pengerjaan tugas akhir ini. 9. Ninik, Nisrina, Prima, Pamuji, Hendri, Adams, Aprilin, Hanif, Hafidh, Dendra,dan Ghifari yang memeberikan masukan, bantuan, semangat dalam perkuliahan, keseharian, dan tugas akhir ini. 10. Seluruh teman-teman angkatan 2014 yang tidak bisa disebutkan satu persatu, terima kasih atas bantuan, kritik, saran dan motivasi selama ini. 11. Serta berbagai pihak yang belum tertulis tetapi sangat berarti dalam penulisan tugas akhir ini Semoga segala keikhlasan dan kebaikan yang telah diberikan mendapatkan balasan yang terbaik dari Tuhan yang Maha Esa. Tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, penulis berharap Tugas akhir ini dapat dikembangkan dan disempurnakan lebih lanjut. Surabaya, Juli 2017 Penulis x

11 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i LEMBAR PENGESAHAN... iii ABSTRAK... v KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR GAMBAR... xv DAFTAR TABEL... xvii BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Batasan Masalah Manfaat Penelitian Sistematika Penulisan... 3 BAB II Dasar Teori Turbin Gas Pengertian Turbin Gas Klasifikasi Turbin Gas Komponen Utama Turbin Gas Komponen Penunjang Turbin Gas Siklus Turbin Gas Siklus Brayton Air Fuel Ratio, Spesific Fuel Consumption dan Effisiensi Air Fuel Ratio Spesific Fuel Consumption Efisiensi xi

12 2.4 Prinsip Kerja Turbin Gas Maintenance Turbin Gas BAB III METODOLOGI Metodologi Pengerjaan Tugas Akhir Penjelasan Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir Tahap Identifikasi Perumusan Masalah Tahap Pengumpulan Data Tahap Analisa Data Tahap Analisis dan Evaluasi Tahap Kesimpulan dan Saran BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Data Hasil Pengamatan Perhitungan Performa Turbin Gas Generator (GTG) Utilitas pabrik 1 PT. Petrokimia-Gresik Perhitungan Properties Pada Setiap Tingkat Keadaa Perhitungan Performa Turbin Gas Perhitungan Properties dan Performa Turbin Gas Dengan Variasi Beban Hasil Perhitungan Performa Turbin Gas Generator Utilitas Pabrik 1 PT. Petrokimia-Gresik Dengan Variasi Beban Perbandingan Daya Kompresor, Daya Turbin dan Daya Netto Tiap Beban Perbandingan Massa Flow Rate Fuel Gas dan Mass Flow Rate Air Pada Tiap Beban Perbandingan Efisiensi Turbin, Efisiensi Kompesor dan Efisiensi Siklus Pada Tiap Beban xii

13 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xiii

14 (Halaman ini sengaja dikosongkan) xiv

15 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Turbin Gas... 6 Gambar 2.2 Turbin Gas Berporos Tunggal... 9 Gambar 2.3 Turbin Gas Berporos Ganda Gambar 2.4 Turbin Gas Axial Gambar 2.5 Turbin Gas Radial Gambar 2.6 Komonen Utama Turbin Gas Gambar 2.7 Kompesor Turbin Gas Gambar 2.8 Ruang Bakar Turbin Gas Gambar 2.9 Combustion Chamber Gambar 2.10 Sistem Gas Turbin Gambar 2.11 Siklus Pada Turbin Gas Gambar 3.1 Diagram Alir Pengerjaan Tugas akhir Gambar 4.1 Skema Turbin Gas PT. Petrokimia-Gresik Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Daya Kompresor, Daya Turbin dan Daya Netto Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Antara Mass Flow Rate Flue Gas dan Mass flow Rate Air Gambar 4.4 Grafik Perbandingan Efisiensi Turbin, Efisiensi Kompresor dan Efisiensi Siklus xv

16 (halaman ini sengaja dikosongkan) xvi

17 DAFTAR TABEL Tabal 4.1 Data GTG bulan Februari Tabel 4.2 Konversi Data GTG Pada Bulan Februari Tabel 4.3 Data Properties Natural Gas dan Udara xvii

18 (halaman ini sengaja dikosongkan) xviii

19 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Energi merupakan kebutuhan yang mendasar dan tidak bisa dipisahkan dari kehidupan masyarakat, salah satunya adalah energi listrik, dengan kemajuan teknologi dan dunia industri sekarang, energi listrik paling banyak dibutuhkan dalam kehidupan sehari-hari. Dari hal tersebut banyak sekali didirikan pembangkit listrik untuk memenuhi kebutuhan energi listrik. Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) merupakan pembangkit yang besar di Indonesia, namun bahan bakar PLTU ini adalah batubara yang semakin lama akan habis seiring dengan meningkatnya kebutuhan listrik. Dengan perkembangan teknologi sekarang mulai diterapkan Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG) dengan gas sebagai bahan bakar utamanya yang masih banyak tersedia dibumi. Desain pertama turbin gas dibuat oleh John Wilkins yang berasal dari inggris pada tahun Sistem tersebut bekerja dengan gas hasil pembakaran batu bara, kayu atau minyak, kompesornya digerakan oleh turbin dengan perantara roda gigi. Pada tahun 1872, Dr. F.Stolze merancang sistem turbin gas yang menggunakan kompesor aksial bertingkat ganda yang langsung digerakan oleh turbin reaksi tingkat ganda. Tahun 1908, sesuai dengan konsep H. Holzworth, dibuat suatu sistem turbin gas yang mencoba menggunakan proses pembakaran yang berubah sesuai beban. Hingga pada abat 20 ini, perkembangan turbin gas semakin pesat dan mulai digunakan sebagai alternatif pembangkit daya yang cukup menjanjikan. PT. Petrokimia Gresik adalah salah satu perusahan yang menggunakan gas turbin sebagai power plant, dimana power plant ini digunakan untuk menutupi kekurangan daya yang 1

20 disupply dari PLN untuk kebutuhan industri dan perumahan yang ada di PT. Petrokimia Gresik, dikarenakan pada sistem turbin gas di PT. Petrokimia Gresik belum terdapat perhitungan efisiensi dari turbin gas tersebut, maka pada tugas akhir ini dipelajari bagaimana pengaruh variasi beban terhadap unjuk kerja turbin gas di PT. Petrokimia Gresik Rumusan Masalah Dari latar belakang yang telah dipaparkan dapat dirumuskan permasalahan sebagai berikut. 1. Bagaimana prinsip kerja dari turbin gas? 2. Apa saja komponen yang terdapat dalam turbin gas? 3. Bagaimana menghitung performa turbin gas? 1.3 Tujuan Tujuan dari penulisan tugas akhir ini ditinjau dari latar belakang dan rumusan masalah adalah sebagai berikut: 1. Menghitung daya kompresor, daya turbin dan daya netto pada gas turbin generator di utilitas pabrik 1 PT. Petrokimia Gresik. 2. Mengetahui efisiensi sistem turbin gas diutilitas pabrik 1 PT. Petrokimia-Gresik dengan menggunakan variasi beban. 1.4 Batasan Masalah Agar bahasan yang diangkat tidak melebar jauh, maka digunakan batasan masalah meliputi: 1. Analisa dilakukan berdasarkan data-data Turbin Gas Generator yang diambil di utilitas pabrik 1 PT. Petokimia-Gresik. 2

21 2. Perhitungan yang dilakukan menggunakan data dari GTG utilitas pabrik 1 PT. Petrokimia-Gresik dengan beban 9,43 MW, 15,36 MW, 22,61 MW. 3. Perhitungan unjuk kerja siklus brayton didasarkan pada analisa termodinamika dengan menggunakan beberapa asumsi. 1.5 Manfaat Penelitian Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penulis tugas akhir itu sendiri adalah : 1. Menambah pengetahuan dan wawasan mengenai Turbin Gas Generator (GTG). 2. Sebagai literatur bagi pembaca, khususnya mahasiswa Departemen Teknik Mesin Industri pada bidang Konversi Energi. 3. Dengan adanya penelitian ini diharapkan dapat digunakan sebagai refrensi dalam pengoprasian GTG di Pabik 1 PT. Petrokimia-Gresik. 1.6 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan Tugas Akhir ini terbagi menjadi beberapa bab sebagai berikut: Bab I Pendahuluan Bab ini menjelaskan latar belakang, rumusan masalah, tujuan, batasan masalah, manfaat serta sistematika penulisan. Bab II Dasar Teori Bab ini berisi teori-teori dari berbagai refrensi yang selanjutnya digunakan sebagai dasar dalam melakukan perhitungan dan analisa termodinamika. 3

22 Bab III Metodologi Penelitian Bab ini terdiri dari tahapan yang digunakan dalam melaksanakan penelitian dan penyusunan tugas akhir. Bab IV Perhitungan dan pembahasan Bab ini terdiri dari tahap perhitugan unjuk kerja siklus Brayton unit dan efisiensi dengan analisis termodinamika dengan variasi beban. Bab V Kesimpulan dan Saran Bab ini berisi kesimpulan dari hasil perhitungan yang telah dilakukan dan saran untuk pengoprasian dan penelitian selanjutnya. 4

23 BAB II DASAR TEORI Pembangkit Listik Tenaga Gas atau yang sering disebut PLTG, adalah jenis pembangkit termal yang mulai digunakan secara luas dalam industri pembangkit, karena lebih ramah lingkungan dibandingkan dengan pembangkit listrik tenaga Uap atau PLTU. 2.1 Turbin Gas Pengertian Turbin Gas Turbin adalah mesin penggerak mula dimana fluida kerjanya yang menghasilkan energi kinetis diarahkan langsung kesudu turbin untuk menghasilkan energi mekanis, fluida kerjanya dapat berupa air, udara panas maupun uap air (steam). Turbin gas sendiri adalah mesin penggerak mula dimana fluida kerjanya yang menggunakan gas panas yang dihasilkan oleh ruang bakar, dari hal tersebut tubin gas diklasifikasikan dalam mesin pembakaran dalam (internal combustion engine). Prinsip dasar pengoprasian turbin ini adalah merubah energi kinetis berupa kecepatan aliran udara panas menjadi energi mekanis berupa putaran turbin sehingga menghasilkan daya. Turbin gas merupakan salah satu komponen utama dari suatu sistem turbin gas, sistem turbin gas yang paling sederhana terdiri dari tiga komponen utama yaitu kompesor, ruang bakar dan turbin. Oleh sebab itu didalam sistem turbin gas terjadi tiga proses utama untu memproduksi energi yaitu: 1. Proses pemampatan udara (kompresi). 2. Proses pembakaran udara-bahan bakar. 3. Proses ekspansi gas hasil pembakaran. 5

24 Gambar 2.1 Turbin Gas (sumber: jaime lopez,gas turbine for Power Generation) Turbin gas merupakan salah satu mesin pembangkit tenaga listrik yang dapat memproduksi sejumlah energi yang besar dengan ukuran yang tidak terlalu besar dan sistem yang relatif sederhana. Menurut Dr. J. T. Retaliata, sistem turbin gas sudah dikenal pada jaman Hero of Alexandria. Desain pertama turbin gas dibuat oleh John Barber seorang dari inggris pada tahun Sistem tersebut bekerja dengan gas hasil pembakaran batu bara, kayu dan minyak, kompresornya digerakan oleh turbin dengan perantara rantai roda gigi. Pada tahun 1872, Dr. F. Stolze merancang sistem turbin gas yang menggunakan kompesor aksial bertingkat ganda yang digerakan langsung oleh turbin reaksi tingkat ganda. Tahun 1908, sesuai dengan konsepsi H. Holzworth, dibuat suatu sistem turbin gas yang mencoba menggunakan proses pembakaran pada volume konstan. Tetapi usaha tersebut dihenikan karena terbentur pada konstruksi ruang bakar dan tekanan gas pembakaran yang berubah-ubah sesuai beban. Tahun 1904, societe des turbomoteurs di Paris, 6

25 membuat suatu sistem turbin gas yang konstruksinya berdasakan desain Armengaud dan lemante yang menggunakan bahan bakar cair. Temperatur gas pembakaran sekitar 450 C dengan tekanan 45 atm dan kompresornya langsung digerakan oleh turbin. Selanjutnya, perkembangan sistem turbin gas berjalan lambat hingga pada tahun 1935 sistem turbin gs mengalami perkembangan yang pesat dimana diperoleh efisiensi sebesar ± 15%. Turbin gas yang pertama diselesaikan oleh British Thomson Houston Co, pada tahun Saat ini sistem turbin gas telah banyak diterapkan untuk berbagai keperluan sebagai pesawat penggerak mula, salah satunya untuk sistem pembangkit daya. Terdapat dua faktor yang mempengaruhi efisiensi turbin gas, yaitu rasio tekanan dan temperatur. Kompresor aksial yang memproduksi gas bertekanan tinggi akan mengalami perubahan yang cukup signifikan ketika rasio tekanan meningkat dari 7:1 ke 40:1. Kenaikan rasio tekanan dapat meningkatkan efisiensi termal yang berkolerasi dengan temperatur gas hasil pembakaran melewati turbin. Namun perlu diketahui, rasio tekanan yang terlalu tinggi dapat meyebabkan pembakaran sebelum ruang bakar sehingga dapat mebahayakan kondisi mesin. Kenaikan efisiensi termal dan daya turbin gas juga didominasi oleh temperatur gas hasil pembakaran. Sebagaimana telah disebutkan pada buku Gas Turbine Engineering Handbook halaman 12, setiap kenaikan temperatur gas hasil pembakaran sebesar 55,5 C akan menaikan daya turbin gas sebesar 10% dan memberikan kenaikan efisiensi termal sebesar 1,5%. 7

26 2.1.2 Klasifikasi Turbin Gas Sistem turbin gas dapat diklasifikasikan menjadi beberapa jenis antara lain : Klasifikasi sistem turbin gas berdasarkan siklusnya. Klasifikasi turbin gas berdasarkan konstruksi porosnya. Klasifikasi turbin gas berdasarkan alirannya. A. Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan Siklusnya 1. Siklus Terbuka (Open cycle) Pada sistem siklus terbuka dimana fluida kerja (udara) dikompresikan dari udara bebas, kemudian mengalami proses pembakaran diruang bakar, berekspansi di Turbin dan akhirnya keluar lagi keudara bebas walaupun terbentuk gas hasil sisa pembakaran atau dengan kata lain sistem ini terbuka terhadap udara bebas. 2. Siklus Tertutup (Close cycle) Sistem kerja turbin gas dengan siklus tertutup prosesnya hampir sama dengan siklus terbuka, namun gas buang dari turbin dimasukan kembali kekompresor untuk dikompresikan kembali, tetapi sebelum mendekati kompresor gas hasil pembakaran tersebut mengalami pendinginan hingga temperatur awal memasuki kompresor pada sebuah alat penukar kalor. 3. Siklus Kombinasi (Combination cycle) Siklus kombinasi ini sangat mempengaruhi efisiensi dan penghematan energi yang berasal dari gas buang yang merupakan kerugian besar jika gas buang dengan temperatur yang masih tinggi keluar dari turbin tidak dimanfaatkan, bahkan dibuang diudara bebas. Ada beberapa jenis siklus kombinasi ini antara lain: 8

27 Siklus sistem regeneratif. Siklus reheat. Siklus gabungan turbin gas dan turbin uap. B. Klasifikasi Sistem Turbin Gas Berdasarkan Konstruksinya 1. Turbin Gas Berporos Tunggal (Single shaft) Gambar 2.2 Turbin Gas Berporos Tunggal (sumber:gas turbine driven generator) Turbin gas ini hanya memiliki satu poros saja, tetapi pada poros tersebut terdiri dari beberapa komponen utama turbin gas, seperti turbin dan kompresor. Jenis ini banyak digunakan untuk pembangkit listrik maupun industri, karena digunakan pada daya beban torsi yang konstan. 9

28 2. Turbin Gas Berporos Ganda (Multy shaft) Turbin jenis ini merupakan turbin gas yang terdiri dari turbin bertekanan tinggi dan turbin bertekanan rendah, dimana turbin gas ini digunakan untuk menggerakan beban yang berubah seperti kompresor pada unit. Turbin gas ini menggunakan poros ganda atau lebih dan biasanya digunakan untuk beban torsi yang tinggi dan bervariasi. Gambar 2.3 Turbin Gas Berporos Ganda (sumber: Gas Turbine Driven Generator) C. Klasifikasi Turbin Gas Menurut Alirannya 1. Turbin Axial Disebut turbin axial karena arah aliran fluida kerjanya sejajar dengan poros turbin. 10

29 Gambar 2.4 Turbin Gas Axial (sumber: ) 2. Turbin Gas Radial Disebut turbin gas radial karena arah aliran gas ( fluida kerja) menyilang poros turbin atau dalam arah tegak lurus terhadap poros turbin. Gambar 2.5 Turbin Gas Radial (sumber: Gas Turbine Driven Generator) Komponen Utama Turbin Gas Terdapat tiga komponen utama turbin gas, antara lain : 1. Kompresor 2. Ruang bakar 3. Turbin 11

30 Gambar 2.6 Komponen utama turbin gas (sumber: susilo,r.t Puballatack) 1. Kompresor Kompresor berfungsi untuk menghasilkan udara bertekanan tinggi dengan jumlah yang besar untuk proses pembakaran didalam ruang bakar. Kompresor berputar seporos dengan turbin dan generator sehingga kebutuhan daya putar kompresor dapat mengurangi daya putar yang dihasilkan oleh turbin. Kompresor aksial mengkompresi fluida melalui dua langkah kerja yaitu, langkah akselerasi dan difusi. Fluida diakselerasi melewati rotor, kemudian fluida didifusikan melalui sudu-sudu tetap (stator). Kompesor aksial terdiri dari beberapa tingkatan, masing-masing terdiri dari satu rotor dan satu stator. Selain itu, terdapat inlet guide vane didalam rangkaian konstruksi kompresor yang berfungsi sebagai pengarah aliran udara masuk menuju tingkatan pertama pada kompresor. Gambar dibawah ini menunjukan rangkaian tingkatan dalam kompresor aksial. 12

31 Gambar 2.7 Kompresor Turbin Gas (sumber: Boyce, meherwan P Gas Turbine engineering handbook 2 nd edition) 2. Ruang Bakar Komponen ini berfungsi untuk mempertemukan campuran udara dengan bahan bakar dengan perbandingan yang setimbang. Lalu dibakar dengan pematik sehingga terjadi pembakaran yang baik. Terdapat beberapa komponen pendukung didalam sisi ruang bakar, antara lain diffuser duct, fuel nozzle dan transition duct. Diffuser duct berfungsi untuk merubah aliran udara menjadi turbulen sebelum masuk ke dalam ruang bakar. Hal ini bertujuan agar udara dan bahan bakar bercampur dengan sempurna. Fuel nozzle berfungsi untuk mengkabutkan bahan bakar kedalam ruang bakar. Transition duct berfungsi untuk mengarahkan aliran gas hasil pembakaran menuju sudu-sudu turbin untuk menghasilkan putaran poros turbin gas. Fungsi dari keseluruhan sistem adalah untuk mensuplai energi panas ke siklus turbin. 13

32 Gambar 2.8 Ruang bakar turbin gas (Sumber : Boyce, meherwan P Gas turbines engineering handbook 2 nd edition) Sistem turbin ini terdiri dari komponen-komponen berikut yang jumlahnya bervariasi tergantung besar frame dan penggunaan turbin gas. Komponen-komponen tersebut adalah: a. Combustion Chamber, berfungsi sebagai tempat terjadinya pencampuran antara udara yang telah dikompresi dengan bahan bakar (Natural Gas) yang masuk. b. Combustion Liners, terdapat di dalam combustion chamber yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran. c. Fuel Nozzle, berfungsi sebagai tempat masuknya bahan bakar ke dalam combustion liners. d. Ignitors (Spark Plug), berfungsi untuk memercikkan bunga api ke dalam combustion chamber sehingga campuran bahan bakar dan udara dapat terbakar. e. Transition Pieces, berfungsi untuk mengarahkan dan membentuk aliran gas panas agar sesuai dengan ukuran nozzle dan sudu-sudu turbin gas. 14

33 f. Cross Fire Tubes, berfungsi untuk meratakan nyala api pada semua combustion chamber. g. Flame Detector, merupakan alat yang dipasang untuk mendeteksi api dari proses pembakaran yang terjadi. Combustion chamber yang ada disusun kosentris mengelilingi kompresor aksial dan disambungkan dengan keluaran udara terkompresi yang dialirkan langsung ke masingmasing chambers. Zona pembakaran pada combustion chamber ada tiga, yaitu : 1. Primary Zone, merupakan tempat dimana bahan bakar berdifusi dengan udara kompresor untuk membentuk campuran udara bahan bakar yang siap dibakar. 2. Secondary zone, adalah zona penyempurnaan pembakaran sebagai kelanjutan pembakaran pada primary zone. 3. Dilution zone, adalah zona untuk mereduksi temperatur gas hasil pembakaran pada keadaan yang diinginkan pada saat masuk ke first stage nozzle. Combustion liners, terdapat didalam combustion chamber yang berfungsi sebagai tempat berlangsungnya pembakaran. Fuel nozzle terdapat pada ujung combustion chamber dan masuk ke combustion liners. Fungsi dari fuel nozzle ini adalah untuk mengabutkan bahan bakar dan mengarahkannya ke reaction zone pada ruang bakar. Transition piece terdapat diantara combustion liners dan first stage nozzle. Alat ini digunakan untuk mengarahkan udara panas yang dihasilkan pada combustion section ke first stage nozzle. Spark plug terdapat pada bagian samping combustion chamber dan masuk ke combustion liners. Spark plug berfungsi 15

34 untuk memantik campuran bahan bakar dan udara pada saat turbin gas start up. Pembakaran akan terus terjadi selama suplai bahan bakar dan udara terus berlangsung. Terdapat mekanisme pegas pada alat ini, setelah proses pembakaran terjadi, tekanan yang dihasilkan meningkat dan akan memaksa plug naik menuju casing. Cross fire tube berfungsi untuk menghubungkan semua combustion chamber. Tabung ini digunakan untuk mengirimkan pengapian dari satu combustion liner ke yang berikutnya selama start up. Gambar 2.9 Combustion Chamber (Sumber : Black & Veatch, Power Plant Engineering) Prinsip Kerja Combuster Dari kompresor, udara bertekanan dibawa ke ruang bakar (combuster). Di ruang bakar, udara bertekanan dibakar bersama dengan fuel/bahan bakar. Bahan bakar yang umum dipakai adalah gas alam (natural gas). Selain gas alam, bahan bakar yang biasa dipakai sebagai bahan bakar adalah fuel oil/minyak (dengan efisiensi tinggi). Pebakaran bahan bakar berfungsi untuk menaikkan temperatur. Combuster didesain untuk menghasilkan campuran, pengenceran dan 16

35 pendinginan sehingga gas yang keluar dari ruang bakar merupakan temperatur rata-rata dari campuran. Panjang dari ruang bakar didesain dengan mempertimbangkan waktu dan tempat yang cukup untuk bahan bakar bisa terbakar sempurna dan memudahkan pemantik untuk membakar bahan bakar menjadi lebih mudah. Desain ruang bakar juga mempertimbangkan masalah residu pembakaran. Desain ruang bakar harus mempertimbangkan bagaimana mereduksi gas NOx. 3. Turbin Turbin section merupakan tempat terjadinya konversi energi kinetik menjadi energi mekanik yang digunakan sebagai penggerak kompresor aksial dan perlengkapan lainnya. Dari daya total yang dihasilkan kira-kira 60 % digunakan untuk memutar kompresornya sendiri, dan sisanya digunakan untuk kerja yang dibutuhkan. Komponen-komponen pada turbin section adalah sebagai berikut : 1. Turbin Rotor Case 2. First Stage Nozzle, berfungsi untuk mengarahkan gas panas ke first stage turbine wheel. 3. First Stage Turbine Wheel, berfungsi untuk mengkonversikan energi kinetik dari aliran udara yang berkecepatan tinggi menjadi energi mekanik berupa putaran rotor. 4. Second Stage Nozzle dan Diafragma, berfungsi untuk mengatur aliran gas panas ke second stage turbine wheel, sedangkan diafragma berfungsi untuk memisahkan kedua turbin wheel. 5. Second Stage Turbine, berfungsi untuk memanfaatkan energi kinetik yang masih cukup besar dari first stage 17

36 turbine untuk menghasilkan kecepatan putar rotor yang lebih besar. Prinsip Kerja Turbin Pada turbin gas, temperature and preassure drop, dikonversi diubah menjadi energi mekanik. Konversi energi berlangsung dalam dua tahap. Pada bagian nosel, gas panas mengalami proses ekspansi. Hampir 2/3 dari kerja yang dibutuhkan dari siklus ini diperlukan untuk menggerakkan kompresor. Oleh karena itu, kerja output dari turbin, dipakai untuk menggerakkan poros penggerak beban, hanya mempresentasikan 1/3 dari kerja siklus. Pada turbin, khususnya pada 1 st stage, yang menggerakkan bucket dan disc, harus mampu menahan temperature yang cukup tinggi (2200 F/1204 C). Temperatur yang sangat tinggi ini juga bercampur dengan kotoran/kontaminan dari udara dan bahan bakar sehingga sangat rawan terkena korosi. Kontaminasi ini sangat sulit untuk dikontrol,sehingga dibutuhkan bahan paduan/alloys dan proses coating yang cukup bagus untuk melindungi material dari korosi dan memaksimalkan umur dari komponen ini. 4. Exhaust Section Exhaust section adalah bagian akhir turbin gas yang berfungsi sebagai saluran pembuangan gas panas sisa yang keluar dari turbin gas. Exhaust section terdiri dari beberapa bagian yaitu : 1. Exhaust Frame Assembly. 2. Exhaust Diffuser Assembly. 18

37 Exhaust gas keluar dari turbin gas melalui exhaust diffuser pada exhaust frame assembly, lalu mengalir ke exhaust plenum dan kemudian didifusikan dan dibuang ke atmosfir melalui exhaust stack, sebelum dibuang ke atmosfir gas panas sisa tersebut diukur dengan exhaust thermocouple dimana hasil pengukuran ini digunakan juga untuk data pengontrolan temperatur dan proteksi temperatur trip Komponen Penunjang Turbin Gas Ada beberapa komponen penunjang yaitu : 1. Starting Equipment Berfungsi untuk melakukan start up sebelum turbin bekerja. Jenis-jenis starting equipment yang digunakan di unit-unit turbin gas pada umumnya adalah : 1. Diesel Engine, (PG 9001A/B) 2. Induction Motor, (PG-9001C/H dan KGT 4X01, 4X02 dan 4X03) 3. Gas Expansion Turbine (Starting Turbine) 2. Coupling dan Accessory Gear Berfungsi untuk memindahkan daya dan putaran dari poros yang bergerak ke poros yang akan digerakkan. Ada tiga jenis coupling yang digunakan, yaitu: 1. Jaw Cluth, menghubungkan starting turbine dengan accessory gear dan HP turbin rotor. 2. Accessory Gear Coupling, menghubungkan accessory gear dengan HP turbin rotor. 3. Load Coupling, menghubungkan LP turbin rotor dengan kompresor dan beban. 19

38 3. Fuel System Bahan bakar yang digunakan berasal dari fuel gas system dengan tekanan sekitar 15 kg/cm 2. Fuel gas yang digunakan sebagai bahan bakar harus bebas dari cairan kondensat dan partikel-partikel padat. Untuk mendapatkan kondisi tersebut diatas maka sistem ini dilengkapi dengan knock out drum yang berfungsi untuk memisahkan cairan-cairan yang masih terdapat pada fuel gas. 4. Lube Oil System Lube oil system berfungsi untuk melakukan pelumasan secara kontinu pada setiap komponen sistem turbin gas. Lube oil disirkulasikan pada bagian-bagian utama turbin gas dan trush bearing juga untuk accessory gear dan yang lainnya. Lube oil system terdiri dari: 1. Oil Tank (Lube Oil Reservoir) 2. Oil Quantity 3. Pompa 4. Filter System 5. Valving System 6. Piping System 7. Instrumen untuk oil Pada turbin gas terdapat tiga buah pompa yang digunakan untuk mensuplai lube oil guna keperluan lubrikasi, yaitu: 1. Main Lube Oil Pump, merupakan pompa utama yang digerakkan oleh HP shaft pada gear box yang mengatur tekanan discharge lube oil. 2. Auxilary Lube Oil Pump, merupakan pompa lube oil yang digerakkan oleh tenaga listrik, beroperasi apabila tekanan dari main pump turun. 20

39 3. Emergency Lube Oil Pump, merupakan pompa yang beroperasi jika kedua pompa diatas tidak mampu menyediakan lube oil. 5. Cooling System Sistem pendingin yang digunakan pada turbin gas adalah air dan udara. Udara dipakai untuk mendinginkan berbagai komponen pada section dan bearing. Komponenkomponen utama dari cooling system adalah: a. Off base Water Cooling Unit b. Lube Oil Cooler c. Main Cooling Water Pump d. Temperatur Regulation Valve e. Auxilary Water Pump f. Low Cooling Water Pressure Switch 2.2 Siklus pada Turbin Gas Siklus Brayton Siklus ini merupakan siklus termodinamika ideal untuk turbin gas, sehingga siklus ini yang sangat populer digunakan oleh pembuat mesin turbine dalam analisa untuk meningkatkan performance. Siklus Brayton ini terdiri dari proses kompresi isentropik yang diakhiri dengan proses pelepasan panas pada tekanan konstan. Pada siklus Bryton tiap-tiap keadaan proses dapat dianalisa secara berikut: 21

40 Gambar 2.10 Sistem Gas Turbin (sumber : Michael J dan Howard N Saphiro Fundamental of Engineering Thermodynamics ) Gambar 2.11 Siklus pada Turbin Gas (sumber : Michael J dan Howard N Saphiro Fundamental of Engineering Thermodynamics ) Proses 1 2, kompresi isentropik. Udara atmosfer masuk ke dalam sistem turbin gas melalui sisi inlet kompresor. Oleh kompresor, udara 22

41 dikompresikan sampai tekanan tertentu diikuti dengan volume ruang yang menyempit. Proses ini tidak diikuti dengan perubahan entropi, sehingga disebut proses isentropik. Proses ini ditunjukan dengan angka 1-2 pada kurva di atas. Karena proses (1-2) merupakan proses isentropik, maka: p r2 = p r1 p 2 p 1 Kerja yang dibutuhkan kompresor,dalam hal ini adalah sebagai berikut : W kompresor = m air(h 2 h 1 ) Proses 2 3, pembakaran isobarik Pada tahap 2-3, udara terkompresi masuk ke ruang bakar. Bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar, dan diikuti dengan proses pembakaran bahan bakar tersebut. Energi panas hasil pembakaran diserap oleh udara (q in), meningkatkan temperatur udara, dan menambah volume udara. Proses ini tidak mengalami kenaikan tekanan udara, karena udara hasil proses pembakaran bebas berekspansi ke sisi turbin. Karena tekanan yang konstan inilah maka proses ini disebut isobarik. Suatu bentuk sederhana dari persamaan tingkat keadaan gas ideal diperoleh apabila Cp konstan, dalam hal ini juga diketahui bahwa Cv juga konstan, maka diperoleh persamaan tingkat keadaan sebagai berikut: P v = RT u 3 = C v T 3 h 3 = C p T 3 23

42 Dengan mengasumsikan tidak ada loss pada perpindahan kalor dalam artian kalor terserap penuh dan pada gas turbine tidak ada energi yang dibangkitkan. Kesetimbangan massa dan energi pada kondisi steady steate tunak volume atur sebagai berikut Q CV + m (h in + v in 2 + g 2 z1) = m (h out + v 2 out + g 2 z2 ) + w cv Q cv = m (h out h in ) Q in = m fuel + m air(h 3 h 2 ) Dengan Q cv merupakan masukan Q yang terdapat pada pembakaran yang dihasilkan oleh bahan bakar Q. yang dihasilkan bahan bakar didapat dari persamaan: m fuel gas = Q fuel ρ fuel Jadi, dari persamaan di atas dapat diperoleh: Q in = m fuel gas ( GHV ρ fuel ) Proses 3 4, ekspansi isentropik. Udara bertekanan yang telah menyerap panas hasil pembakaran, berekspansi melewati turbin. Sudu-sudu turbin yang merupakan nozzle-nozzle kecil berfungsi untuk mengkonversikan energi panas udara menjadi energi kinetik. Sebagian energi tersebut dikonversikan turbin untuk memutar kompresor. Pada sistem pembangkit listrik turbin gas, sebagian energi lagi dikonversikan turbin untuk memutar generator listrik. Sedangkan pada mesin turbojet, sebagian energi panas dikonversikan menjadi daya dorong pesawat oleh sebentuk nozzle besar pada ujung keluaran turbin gas. 24

43 P 3 k 1 ( T 3 T 4 ) T 3 k = P 4 T 3 k k 1 T 4 k = ( P 3 P 4 ) k 1 k k 1 = ( P 3 ) T 4 P 4 Kerja yang dibutuhkan kompresor,dalam hal ini adalah sebagai berikut : W turbin = (m air + m fuel)(h 3 h 4 ) Proses 4 1, pembuangan panas. Tahap selanjutnya adalah pembuangan udara kembali ke atmosfer. Pada siklus Brayton ideal, udara yang keluar dari turbin ini masih menyisakan sejumlah energi panas. Panas ini diserap oleh udara bebas, sehingga secara siklus udara tersebut siap untuk kembali masuk ke tahap 1-2 lagi. P v = RT u 4 = C v T 4 h 4 = C p T 4 Pembuangan kalor pada tekanan konstan (P = c). Kalor yang dilepas: Q out = (m air + m fuel)(h 4 h 1 ) 25

44 2.3 Air Fuel Ratio, Spesific Fuel Consumption, dan Efisiensi Air Fuel Ratio Bahan Bakar ( natural gas ) yang hendak dimasukan kedalam ruang bakar haruslah dalam keadaan yang mudah terbakar, hal tersebut agar bisa didapatkan efisiensi turbin gas yang maksimal. Campuran bahan bakar yang belum sempurna akan sulit dibakar oleh percikan bunga api dari spark plug. Bahan bakar tidak dapat terbakar tanpa adanya udara (O 2), tentunya dalam keadaan yang homogen. Bahan bakar atau natural gas yang dipakai dalam pembakaran sesuai dengan ketentuan atau aturan, sebab bahan bakar yang melimpah pada ruang bakar justru tidak meningkatkan tenaga yang dihasilkan turbin gas tersebut namun akan merugikan turbin gas sendiri. Perbandingan campuran udara dan bahan bakar sangat dipengaruhi oleh pemakaian bahan bakar. Perbandingan udara dan bahan bakar dinyatakan dalam bentuk volume atau berat dari bagian udara dan natural gas. Air Fuel Ratio adalah faktor yang mempengaruhi kesempurnaan proses pembakaran didalam ruang bakar. Merupakan komposisi campuran natural gas dan udara. Misalkan AFR bernilai 14,7 artinya campuran terdiri dari 1 natural gas dan 14,7 udara biasa disebut Stoichiometry. Air fuel ratio dapat dicari menggunakan persamaan : A F = m air m fuel Spesific Fuel Consumption Jumlah bahan bakar yang dikonsumsi untuk menghasilkan satu satuan daya dalam satu satuan waktu. Di mesin piston, SFC adalah sama dengan rasio massa bahan bakar/poros tenaga kuda. Dalam mesin turbin gas, SFC adalah sama dengan rasio massa bahan bakar/dorongan. Kondisi 26

45 terbaik adalah ketika nilainya minimum. Nilai SFC menurun dengan tinggi saat dalam kondisi suhu dingin. SFC = m fuel W nett Efisiensi 1. Efisiensi Kompresor η kompresor = isentropic compressor work output actual compressor work output = h 2s h 1 h 2 h 1 100% 2. Efisiensi Turbin η turbin = Actual turbine work output Isentropic turbine work output = h 3 h 4 h 3 h 4s 100% 3. Efisiensi Siklus η siklus = W netto Q in 100 % 4. Efisiensi Generator η generator = Beban 100 % W netto 2.4 Prinsip Kerja Turbin Gas Secara umum proses yang terjadi pada suatu sistim turbine gas adalah sebagai berikut: 27

46 1. Pemampatan (compression) udara di hisap dan dimampatkan 2. Pembakaran (combustion) bahan bakar dicampurkan ke dalam ruang bakar dengan udara kemudian di bakar. 3. Pemuaian (expansion) gas hasil pembakaran memuai dan mengalir ke luar melalui nozel (nozzle) 4. Pembuangan gas (exhaust) gas hasil pembakaran dikeluarkan lewat saluran pembuangan. Pada kenyataannya, tidak ada proses yang selalu ideal tetap terjadi kerugian-kerugian yang dapat menyebabkan turunnya daya yang dihasilkan oleh turbin gas dan berakibat pada menurunnya performansi turbin gas itu sendiri. Kerugian-kerugia tersebut dapat terjadi pada ketiga komponen sistem turbin gas. Sebab-sebab terjadinya kerugian antara lain: Adanya gesekan fluida yang menyebabkan terjadinya kerugian tekanan (pressure losses) di ruang bakar. Adanya kerja yang berlebih waktu proses kompresi yang menyebabkan terjadinya gesekan antara bantalan turbin dengan angin. Berubahnya nilai Cp dari fluida kerja akibat terjadinya perubahan temperatur dan perubahan komposisi kimia dari fluida kerja. Adanya mechanical loss, dsb. Untuk memperkecil kerugian ini hal yang dapat kita lakukan antara lain dengan perawatan (maintanance) yang teratur atau dengan memodifikasi peralatan yang ada. 2.5 Maintenance Turbin Gas Maintenance adalah perawatan untuk mencegah hal-hal yang tidak diinginkan seperti kerusakan terlalu cepat terhadap 28

47 semua peralatan di pabrik, baik yang sedang beroperasi maupun yang berfungsi sebagai suku cadang. Kerusakan yang timbul biasanya terjadi karena keausan dan ketuaan akibat pengoperasian yang terus-menerus, dan juga akibat langkah pengoperasian yang salah. Maintenance pada turbin gas selalu tergantung dari faktorfaktor operasional dengan kondisi yang berbeda disetiap wilayah, karena operasional turbin gas sangat tergantung dari kondisi daerah operasional. Semua pabrik pembuat turbin gas telah menetapkan suatu ketetapan yang aman dalam pengoperasian sehingga turbin selalu dalam batas kondisi aman dan tepat waktu untuk melakukan maintenance. Faktor-faktor penyebab kerusakan diantaranya adalah : Design dan material Pengoperasian Pemeliharaan Kondisi lingkungan Program pemeliharan yang berhasil selain akan memperlambat terjadinya kerusakan, juga akan dapat meningkatkan kemampuan dari peralatan/instalasi yang dipelihara. Efisiensi Turbin Gas sangat mempengaruhi daya mampu unit PLTG. Oleh karenanya stop berkala (periodic shut-down) akan hilangnya kesempatan produksi yang tidak direncanakan terlebih dahulu dan mungkin juga akan berarti suatu kondisi yang berbahaya. Stop terencana (scheduled shut-down) harus dikoordinasikan dengan unit pembangkit lainnya sehingga tidak terjadi kekurangan cadangan unit pembangkit. Turbin Gas memerlukan Periodic Inspection, perbaikan dan penggantian parts-nya. 29

48 Secara umum maintenance dapat dibagi dalam beberapa bagian, diantaranya adalah: 1. Preventive Maintenance Preventive maintenance adalah suatu kegiatan perawatan yang direncanakan baik itu secara rutin maupun periodik, karena apabila perawatan dilakukan tepat pada waktunya akan mengurangi down time dari peralatan. Preventive maintenance dibagi menjadi: Running Maintenance, adalah suatu kegiatan perawatan yang dilakukan hanya bertujuan untuk memperbaiki equipment yang rusak saja dalam satu unit. Unit produksi tetap melakukan kegiatan. Turning Around Maintenance, adalah perawatan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya. 2. Predictive Maintenance Predictive Maintenance merupakan kegiatan monitor, menguji, dan mengukur peralatan-peralatan yang beroperasi dengan menentukan perubahan yang terjadi pada bagian utama, apakah peralatan tersebut berjalan dengan normal atau tidak. 3. Corrective Maintenance Corrective Maintenance adalah perawatan yang dilakukan dengan memperbaiki perubahan kecil yang terjadi dalam disain, serta menambahkan komponen-komponen yang sesuai dan juga menambahkan material-material yang cocok. 30

49 4. Break Down Maintenance. Kegiatan perawatan yang dilakukan setelah terjadi kerusakan atau kelainan pada peralatan sehingga tidak dapat berfungsi seperti biasanya. 5. Shut Down Maintenance Shut Down adalah kegiatan perawatan yang dilakukan terhadap peralatan yang sengaja dihentikan pengoperasiannya. Shutdown maintenance pada turbine gas terdiri dari Boroscope Inspection, Combustion Inspection, Hot Gas Path Ispection dan Major Inspection. 31

50 (halaman ini sengaja dikosongkan) 32

51 BAB III METODOLOGI 3.1. Metodologi Pengerjaan Tugas Akhir Adapun metodologi yang digunakan dalam pengerjaan tugas akhir ini dituliskan dalam bentuk flow chart atau diagram alir sebagai berikut START Tahap Identifikasi Pencarian Topik Pembahasan Perumusan Masalah Studi Pustaka Studi lapangan Tahap Pengumpulan Data Data yang dibutuhkan yakni temperatur, tekanan, laju aliran massa, properti bahan bakar, dan beberapa data penunjang lainnya A 33

52 A Tahap Analisa Data Data yang didapat dianalisa dan mulai dipetakan untuk perhitungan selanjutnya Tahap Perhitungan dan Pembahasan Analisa performa kerja turbin gas Pada beban 9,43 MW, 15,36 MW dan 22,61MW ya tidak Kesimpulan dan Saran Penarikan kesimpulan dari pengerjaan tugas akhir dan beberapa saran kekurangan dari tugas akhir ya Penyelesaian Buku Menuliskan semua laporan kedalam buku FINISH Gambar 3.1 Diagram alir pengerjaan Tugas Akhir 34

53 3.2. Penjelasan Diagram Alir Pengerjaan Tugas Akhir Berikut ini merupakan penjelasan proses dalam pengerjaan tugas akhir: Tahap Identifikasi Tahap identifikasi merupakan tahap awal atau langkah awal dari proses penelitian. Pada tahap ini dilakukan pengidentifikasian masalah yang kemudian dirumuskan menjadi rumusan masalah serta menetapkan tujuan dan manfaat penelitian Perumusan Masalah Tahap kedua adalah perumusan masalah, yakni mencari beberapa permasalahan atau kasus yang akan diselesaikan. Tahap ini berhubungan dengan tahap identifikasi yang mana mencari tema atau topik masalah. Setelah dirumuskan beberapa masalah, kemudian dijadikan beberapa bentuk kalimat tanya pada penulisan buku, kemudian dilakukan suatu studi pustaka dai berbagai literatur untuk mendapatkan teori pendukung untuk menyelesaikan permasalahan tersebut. Studi lpangan dilakukan di Utilitas Pabrik 1 PT. Petrokimia-Gresik Tahap Pengumpulan Data Tahap ketiga adalah pengumpuan data. Data didapatkan dari studi lapangan yang berdasarkan data operasional harian dan control room unitilitas pabrik 1 PT. Petrokimia-Gresik, dari pihak produksi, data manual book dari turbin gas dan wawancara pekerja sebagai data pendukung sehingga dari data tersebut didapatkan perhitungan energi instalasi turbin gas Tahap Analisa Data Pada tahap ini, data-data yang dikumpulkan dipetakan terlebih dahulu dan dikaji ulang apakah sudah cukup utuk analisa 35

54 lebih lanjut. Data yang ada kemudian disusun dan diurutkan dalam pengerjaannya Tahap Analisis dan Evaluasi Tahap ini Merupakan tahap dalam analisa dan perhitungan dimana hasil perhitungan tersebut dianalisis bagaimana performa kerja baik pada sistem (siklus) maupun turbin gas. Tahap ini menghitung mulai dari daya kompresor hingga turbin dan kemudian dimasukan pada persamaan efisensi Tahap Kesimpulan dan Saran Berdasarkan perhitungan dan analisis didapatkan kesimpulan hasil pengerjaan tugas akhir dan dibukukan menjadi buku Tugas Akhir. Kemudian dalam tahap ini juga terdapat pencarian beberapa masalah yang terjadi selama pengerjaan tugas akhir dan dicarikan beberapa solusi yang akhirnya menjadi saran dari penulis untuk masalah-masalah tersebut 36

55 BAB IV PERHITUNGAN DAN PEMBAHASAN Pada bab ini akan dijelaskan langkah-langkah perhitungan unjuk kerja siklus Brayton Gas Turbin Generator dan hasil perbandingan perfoma turbin gas dengan variasi beban yang berbeda, dengan menggunakan: 1. Data kerja dari Gas Turbin Generator (GTG) utilitas pabrik 1 PT. Petrokimia Gresik. 2. Perhitungan yang dilakukan menggunakan data dari GTG dengan beban 9,43 MW, 15,36 MW, dan 22,61 MW. 3. Data yang diambil adalah data pada bulan februari Data Hasil Pengamatan Setelah dilakukan pengamatan di plant didapatkan data Gas turbin Generator (GTG) Utilitas Pabrik 1 PT. Petrokimia- Gresik. Untuk mempermudah dalam melakukan perhitungan ada baiknya diketahui properties di tiap-tiap stage yang ada pada skema turbin gas. Adapun skema turbin gas itu sendiri adalah sebagai berikut: T1,P1 T2,P2 T3,P3 T4,P4 Gambar 4.1 skema Turbin Gas PT. Petrokimia-gresik 37

56 Keterangan gambar 4.1: T 1 : Temperatur udara masuk kompresor P 1 : Tekanan udara masuk kompresor T 2 : Temperatur udara keluar kompresor P 2 : Tekanan udara keluar kompresor T 3 : Temperatur gas pembakaran masuk turbin P 3 : Tekanan gas pembakaran masuk turbin T 4 : Temperatur keluar turbin P 4 : Tekanan keluar turbin Setelah melakukan pengamatan diplant didapat data yang dapat dilihat pada tabel 4.1. Tabel 4.1 Data GTG pada bulan Februari 2016 Beban 15,36 MW T 1 (Temperatur masuk kompresor ) 89,6 F P 1 (Tekanan masuk kompresor ) 14,7 Psia T 2 (Temperatur masuk kompresor ) 583,83 F P 2 (Temperatur masuk kompresor ) 115,16 Psia T 3 (Temperatur masuk kompresor ) 756,98 F T 4 (Temperatur masuk kompresor ) 307,91 F GHV (Gross heating value) 1017,65 BTU SCF Q f (Kapasitas bahan bakar ) 5,07 MMSCFD Untuk mempermudah dalam perhitungan dilakukan konversi satuan ke satuan baku matric units yang dapat dilihat pada tabel

57 Tabel 4.2 Konversi Data GTG pada bulan Februari 2016 Beban 15,36 MW T 1 (Temperatur masuk kompresor ) 305,15 K P 1 (Tekanan masuk kompresor ) Pa T 2 (Temperatur masuk kompresor ) 579,72 K P 2 (Temperatur masuk kompresor ) ,716 Pa T 3 (Temperatur masuk kompresor ) 675,92 K T 4 (Temperatur masuk kompresor ) 426,43 K GHV (Gross heating value) 37914,55 Kj m 3 Q f (Kapasitas bahan bakar ) 1,66 m 3 s Metode perhitungan didasarkan pada beberapa asumsi untuk menyederhanakan perhitungan, asumsi yang digunakan diantaranya adalah : 1. Keadaan steady state steady flow. 2. Perhitungan performa turbin gas didasarkan pada temperatur udara dan laju aliran massa yang masuk dan keluar sistem saja, tidak menghitung tentang perpindahan panas pada setiap stage yang ada dalam turbin gas. 3. Proses yang terjadi pada turbin dan kompresor merupakan proses isentropik. 4. Proses yang terjadi didalam turbin gas mengacu pada data operasi atau performance test sheet yang ada. 5. Energi kinetik dan energi potensial diabaikan. 4.2 Perhitugan Performa Turbin Gas Generator (GTG) Utilitas Pabrik 1 PT. Petrokimia-Gresik Pada sub bab ini akan dijabarkan cara perhitungan performa Turbin Gas Generator (GTG) utilitas pabrik 1 PT. Petrokimia-Gresik. Data yang digunakan dalam contoh 39

58 perhitungan adalah data pada pembebanan 15,36 MW pada bulan februari Perhitungan Properties Pada Setiap Tingkat Keadaan. a. State 1 Pada keadaan ini udara dari luar (udara ruangan/atmosfir) masuk melalui Inlet Guide Vane. Dari tabel operasi didapat data : T 1 = 305,15 K P 1 = Pa Untuk mencari entalphi fluida dan pressure ratio digunakan tabel termodinamika dari Fundamental of Engineering Thermodynamics 8 th edition karangan Michael J. Moran dan Howard N. Saphiro pada bagian tabel A-22 Ideal Gas Property of Air. (terdapat pada lampiran). Besar entalphi dan pressure ratio didapat dengan menggunakan proses interpolasi: T (K) h (kj/kg) p r ,22 1, ,52 h 1 p r ,24 1,5546 Dari proses interpolasi didapatkan: h 1 = 305,37 Kj Kg P r1 = 1,

59 b. State 2 Pada tingkat keadaan ini udara keluar dari kompresor dikompresikan keruang bakar, dimana udara tersebut mempunyai tekanan dan temperatur yang tinggi. Dari tabel data operasi didapatkan data yaitu: T 2 = 579,72 K P 2 = ,716 Pa Untuk mencari entalphi fluida digunakan tabel termodinamika dari Fundamental of Engineering Thermodynamics 8 th edition karangan Michael J. Moran dan Howard N. Saphiro pada bagian tabel A-22 Ideal Gas Property of Air. (terdapat pada lampiran). Besar entalphi didapat dengan menggunakan proses interpolasi: T (K) Dari proses interpolasi didapatkan : h 2 = 585,7474 Kj Kg Karena pada kondisi ideal state 2 ini berlangsung proses kompresi isentropik maka: p r2 = p r1 ( p 2 p 1 ) = 1,4711 ( = 11,52 h (kj/kg) ,59 579,72 h , ,716 Pa ) Pa Maka dengan proses interpolasi p r2 dengan h 2s didapatkan entalphi h 2s : 41

60 p r2s h (kj/kg) 11,10 544,35 11,52 h 2s 11,86 554,74 Dari Hasil interpolasi didapatkan : h 2s = 550,091 Kj Kg c. State 3 Pada tingkat keadaan ini terjadi proses pembakaran didalam ruang bakar (combustion chamber)dan fluida bahan bakar natural gas diinjeksikan sehingga bercampur dengan udara. Dengan C Pcombustion product = 2,22 kj kg k dan h = C p T 3 maka didapatkan h 3 adalah h 3 = C p T 3 = 2,22 kj 675,929 K kg k =1500,5424 kj kg d. State 4 Pada tingkat keadaan ini terjadi ekspansi gas buang hasil pembakaran dari dalam turbin. Pada proses ini terjadi gesekan antaragas hasil pembakaran dengan sudu urbin sehingga temperature gas buang yang keluar darri turbin menjadi lebih tinggi dari gas idealnya ( isentropis) Dengan C p combustion product = 2,22 dan h = C p T 3 maka didapatkan h 4 adalah 42

61 h 4 = C p T 4 = 2,22 kj 426,43K kg k =946,674 kj kg Karena pada kondisi ideal state 4 ini berlangsung proses kompresi isentropis dengan asumsi cold air-standart analysis k= konstan, maka: T 4s = T 3 ( P 1 P 2 ) k 1 k 1,3 1 1,3 14,7 Psia = 675,92 K ( 115,16 Psia ) = 420,33 K Dengan Cp combustion product = 2,22 kj kgk maka: dan h = Cp T 4s h 4s = Cp combustion product T 4s = 2,22 kj 420,33 K kg K = 933,13 kj kg Perhitungan Performa Turbin Gas a. Perhitungan Daya yang Dibutuhkan Kompresor Untuk perhitungan W kompresor pada beban 15,36 MW, digunakan data-data properties pada beban 15,36 MW. Perhitungan tersebut menggunakan persamaan: W kompresor = m air (h 2 h 1 ) 43

62 Diperlukan hasil perhitungan dari m udara maka dapat dicari dengan menggunakan persamaan: m air = Q in m f c p (T 3 T f ) h 3 h 2 Untuk mendapatkan harga dari m f maka dapat digunakan persamaan sebagai berikut: m f = Q fuel ρ f Berdasarkan data komposisi bahan bakar, didapatkan harga specific gravity bahan bakar yaitu sebesar 0,6. Massa jenis bahan bakar dapat dihitung dengan cara sebagai berikut: ρ air = P R T Pa = 286,9 Nm 305,15 K Kg.K =1,15 Kg m 3 ρ f = SG ρ air = 0,6 1,15 kg m 3 = 0,69 kg m 3 Harga properties bahan bakar (natural gas) dan udara yang digunakan pada perhitungan ini, dapat dilihat pada tabel

63 Tabel 4.3 Data properties natural gas dan udara Input K P Cp Cv Udara 1,4 1,2 1,01 0,718 Natural Gas 1,3 0,9 2,4 1,85 Unit Kg/m 3 kj/kg.k kj/kg.k Data harga properties tersebut diambil pada sumber Engineering Toolbox 2013, untuk lebih detailnya dapat dilihat pada lampiran. Dari hasil perhitungan ρ f maka harga m f dapat diperoleh dengan cara sebagai berikut: m f = Q fuel ρ f = 1,66 m3 s = 1,145 kg s 0,69 kg m 3 Dari hasil perhitungan GHV dan m f dapat diperoleh dengan Q in cara sebagai berikut: Q in = m f ( GHV ρ f ) Kj m3 (37914,55 0,69 kg m 3 = 1,22 kg s = 62916,173 Kw Dari hasil perhitungan Q in dan T f dengan cara sebagai berikut didapatkan m air sebagai berikut : ) 45

64 m f m air Combustion chamber m (f+air) Q in = m air(h 3 h 2 ) + m f c p (T 3 T f ) m air = Q in m f C p (T 3 T f ) h 3 h 2 kj 62916,173 s = 1,145Kg Kj 2,22 334,36 K s Kg.K (1500, ,053) kj kg =68,16 Kg s Setelah itu maka harga W kompresor dapat dicari dengan cara sebagai berikut: W kompresor = m air (h 2 h 1 ) W kompresor = 68,16 kg kj kj (585, ,37 s kg kg ) W kompresor = 19110,52 kj s b. Perhitungan Daya yang Dihasilkan Turbin Untuk perhitungan daya turbin pada Gas Turbin 1.2 dengan beban 15,36 MW dapat diperoleh dengan cara sebagai berikut: 46

65 W turbin = (m air + m f) (h 3 h 4 ) = (68,12 kg s + 1,145 kg s ) = 38399,8213 kj s (1500,54 kj kj 946,47 kg kg ) c. Daya Netto yang Dihasilkan Turbin Daya netto adalah selisih antara daya yang dihasilkan turbin dengan kerja kompresor, daya netto selanjutnya digunakan untuk menentukan nilai efisiensi siklus. W netto = W turbin W kompresor = 38399,8213 kj s 19110,52kj s = 19289,3013 kj s d. Specific Fuel Consumption (SFC) Untuk mengetahui besarnya konsumsi bahan bakar yang digunakan pada Gas Turbin dengan beban 15,36 MW maka digunakan perhitungan sebagai berikut : SFC = m f = W netto KG 1,145 s 3600 s h 19289,3013 Kj s = 0,2136 Kg kwh e. Back Work Ratio Back work ratio adalah nilai presentase kerja spesifik yang digunakan untuk menggerakan kompresor. Back Work Ratio dapat diperoleh dengan cara sebagai berikut : 47

66 BWR = W kompresor W turbin 19110,52 kj s = 38399,8213 kj s = 0,49 f. Effisiensi Turbin η turbin = h 3 h 4 h 3 h 4s 100% g. Effisiensi Kompresor kj kj 1500,54 946,47 kg kg = 1500,54 kj kg 933,13 100% kj kg = 97,61 % η kompresor = h 2s h 1 h 2 h 1 100% kj 550,091 kg = 305,37kj kg 585,7474 kj kg 100% 305,37kj kg = 87,28 % h. Effisiensi Siklus Dengan W netto dan Q in yang sudah diketahui, maka effisiensi siklus dapat diperoleh : η siklus = W netto Q in x 100 % = 19319,9058kj s 62933,009 kj s = 30,6% x 100% 48

67 Daya Kompresor (MW) dan Daya Netto (MW) Daya Turbin (MW) Perhitungan Properties dan Performa Turbin Gas Dengan Variasi Beban. Data operasi dengan variasi beban dapat dilihat pada lampiran. Dengan mengacu pada data operasi maka kita menerapkan cara yang sama seperti pada sub bab 4.2.2, hasil perhitungan performa untuk variasi beban yang berbeda dapat disederhanakan dalam bentuk tabel untuk mempermudah dalam pembacaan. Tabel performa degan variasi beban berbeda dapat dilihat pada lampiran. 4.3 Hasil perhitungan Performa Turbin Gas Generator Utilitas Pabrik 1 PT. Petrokimia Gresik Dengan Variasi Beban Perbandingan Daya Kompresor, Daya Turbin dan Daya Netto pada Tiap Beban Untuk mempermudah pembacaan kita bisa lihat pada grafik berikut: Grafik Perbandingan Daya Kompresor, Daya Turbin, dan Daya Netto ,43 15,36 22,61 Beban (MW) Daya Kompresor Daya Netto Daya Turbin Gambar 4.2 Grafik Perbandingan Daya Kompresor, Daya Turbin dan Daya Netto 49

68 Mass Flow Rate fuel gas (kg/s) Mass Flow Rate air (kg/s) Hasil grafik perbandingan kerja diatas menunjukan bahwa : Daya kompresor pada beban 22,61 MW sebesar 27,964 MW Daya kompresor pada beban 15,36 MW sebesar 19,099 MW Daya kompresor pada beban 9,43 MW sebesar 13,632 MW Daya turbin pada beban 22,61 MW sebesar 57,326 MW Daya turbin pada beban 15,36 MW sebesar 38,419 MW Daya turbin pada beban 9,43 MW sebesar 24,097 MW Daya netto pada beban 22,61 MW sebesar 29,36 MW Daya netto pada beban 15,36 MW sebesar 19,31 MW Daya netto pada beban 9,43 MW sebesar 10,46 MW Perbandingan Mass Flow Rate Fuel Gas dan Mass Flow Rate Air pada Tiap Beban Untuk mempermudah pembacaan kita bisa lihat pada grafik gambar 4.3 berikut : Grafik Perbandingan Mass Flow Rate fuel gas dan Mass Flow Rate air 2,5 2 1,5 1 0,5 0 9,43 15,36 22,61 Beban (MW) Mass Flow Rate fuel gas Mass Flow Rate air Gambar 4.3 Grafik Perbandingan Antara Mass Flow Rate Fuel Gas dan Mass Flow Rate Air. 50

69 Efisiensi Turbin (%) dan Efisiensi Kompresor (%) Efisiensi Thermal (%) Hasil grafik perbandingan diatas menunjukan bahwa: Pada beban 22,61 MW mass flow rate udara adalah 94,42 Kg Kg dan mass flow rate bahan bakar 1,79 s s Pada beban 15,36 MW mass flow rate udara adalah 68,12 Kg Kg dan mass flow rate bahan bakar 1,22 s s Pada beban 22,61 MW mass flow rate udara adalah 50,36 Kg s dan mass flow rate bahan bakar 0,76 Kg s Perbandingan Efisiesi Turbi, Efisiensi Kompresor dan Efisiensi Siklus pada Tiap Beban Untuk mempermudah pembacaan kita bisa lihat pada grafik berikut : Grafik Perbandingan Efisiensi Turbin, Efisiensi Kompresor dan Efisiensi Thermal 9,43 15,36 22,61 Beban (MW) Efisiensi Turbin Efisiensi Therrmal Efisiensi Kompresor Gambar 4.4 Grafik Perbandingan Antara Efisiensi Turbin, Efisiensi Kompresor dan Efisiensi thermal Hasil grafik perbandingan diatas menujukan : Efisiensi Kompresor pada beban 22,61 MW sebesar 86,2% 51

70 Efisiensi Kompresor pada beban 15,36 MW sebesar 87,26% Efisiensi Kompresor pada beban 9,43 MW sebesar 88,06% Efisiensi Turbin pada beban 22,61 MW sebesar 98,47% Efisiensi Turbin pada beban 15,36 MW sebesar 97,61% Efisiensi Turbin pada beban 9,43 MW sebesar 95,99% Efisiensi Thermal pada beban 22,61 MW sebesar 31,79% Efisiensi Thermal pada beban 15,36 MW sebesar 30,6% Efisiensi Thermal pada beban 9,43 MW sebesar 27,41% 52

71 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil perhitungan dan analisis performa turbin gas generator, pada pabrik 1 PT. Petrokimia Gresik dengan variasi beban pada bab IV dapat diambil kesimpulan yang berkaitan dengan pengaruh variasi beban terhadap performa dari turbin gas generator, pada pabrik 1 PT. Petrokimia Gresik. Kesimpulan yang bisa didapatkan dari perhitungan dan analisis pada bab IV adalah sebagai berikut: 1. Daya kompresor pada beban 22,61 MW sebesar 27,964 MW Daya kompresor pada beban 15,36 MW sebesar 19,099 MW Daya kompresor pada beban 9,43 MW sebesar 13,632 MW 2. Daya turbin pada beban 22,61 MW sebesar 57,326 MW Daya turbin pada beban 15,36 MW sebesar 38,419 MW Daya turbin pada beban 9,43 MW sebesar 24,097 MW 3. Daya netto pada beban 22,61 MW sebesar 29,36 MW Daya netto pada beban 15,36 MW sebesar 19,31 MW Daya netto pada beban 9,43 MW sebesar 10,46 MW 4. Efisiensi thermal pada beban 9,43 MW adalah sebesar 27,41% Efisiensi thermal pada beban 15,36 MW sebesar 30,6% Efisiensi thermal pada beban 22,61 MW sebesar 31,79% 5.2 Saran Berdasarkan perhitungan, analisa, dan kesimpulan dapat diambil beberapa saran yang ditunjukan kepada utilitas pabrik 1 PT Petrokimia Gresik dan untuk penelitian selanjutnya. 53

72 a. PT. Petrokimia Gresik Utilitas 1 1. Perlu adanya alat untuk mengetahui efisiensi dari sistem turbin generator agar kerja dari sistem turbin dapat dipantau pada efisiensi kerja yang optimal. 2. Perlu dilakukan perhitungan performa secara rutin dan spesifik oleh pihak PT. Petrokimia-Gresik utilitas 1 agar performa turbin gas dapat terjaga dengan baik. b. Untuk peneliti selanjutnya Perlu dihitung kembali performa turbin gas akan tetapi dengan mempertimbangkan atau menganalisa dari perpindahan panas yang terdapat didalam sistem, dan tentunya didukung dengan data operasi yang cukup lengkap. Selain itu perlu dianalisa lebih dalam mengenai pengaruh variasi pembebanan yang lain terhadap efisiensi turbin gas. 54

73 DAFTAR PUSTAKA 1. Black & Veatch Power Plant Enginerring United State of America. 2. Brandt, D.E dan R.R Wesorick GE Gas Turbine Design Philosophy. GE Industrial & Power System. New York. 3. Ganesan, V Gas Turbine. New Delhi: Tata McGraw Hill Publishing. 4. Moran, Michael j dan Howard N Saphiro Fundamental of Engineering Thermodynamics Eighth Edition. John Wiley & Sons Inc Kingdom. 5. Reynolds, Williams C. dan Henry C. Perlkins Termodinamika Teknik. Edisi Kedua. Jakarta. Penerbit Erlangga. 55

74 (halaman ini sengaja dikosongkan) 56

75 LAMPIRAN 1

76

77 LAMPIRAN 2 BEBAN 9,43 MW 15,36 MW 22,61 MW SATUAN T 1 96,8 89,6 88,96 F P 1 14,7 14,7 14,7 Psia T 2 570,23 583,83 610,33 F P 2 108,44 115,16 122,51 Psia C 618,43 756,98 808,14 F T 4 236,08 307, F GHV 1017, , ,65 Q f 3,11 5,07 7,46 MMSCFD

78

79 BIODATA PENULIS Penulis dilahirkan di Bojonegoro, 03 Januari 1997, merupakan anak kedua dari tiga bersaudara. Penulis telah menempuh pendidikan formal yaitu, SDN 2 Sugihwaras, SMPN 1 Sugihwaras, dan SMAN 4 Bojonegoro. Pada tahun 2014 penulis diterima di Departemen Teknik Mesin Industri FV-ITS bidang Konversi Energi. Selama dibangku kuliah penulis juga mengikuti organisasi diantaranya Staf Departemen Prokesma 2015/2016, dan beberapa pelatihan diantaranya LKMM pra- TD FTI-ITS 2014, TD HMDM 2015 dan kerja praktek di PT. PJB unit pembangkitan Paiton.