RANCANGAN SISTEM PENDINGIN UDARA MASUK PADA PLTG MENGGUNAKAN ABSORPTION CHILLER

Transkripsi

1 RANCANGAN SISTEM PENDINGIN UDARA MASUK PADA PLTG MENGGUNAKAN ABSORPTION CHILLER Design of Air inlet cooling system at Gas Turbine Power Plant using Absorption chiller Laporan Tugas Akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma IV Program Studi Teknologi Pembangkit Tenaga Listrik di Jjurusan Teknik Konversi Energi Oleh ADINDA AYU LESTARI POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2017

2

3

4 ABSTRAKSI Udara merupakan salah satu hal yang penting dalam proses pembakaran. Temperatur udara masuk pada PLTG dapat berpengaruh terhadap kinerja turbin gas. Seiring meningkatnya temperatur udara, maka daya yang dihasilkan turbin gas semakin turun. Untuk itu diperlukan sistem pendingin untuk mendinginkan udara masuk turbin gas agar sesuai dengan standar operasinya yaitu pada temperatur 15 o C. Sistem pendingin yang dapat digunakan adalah absorption chiller yang bekerja menggunakan panas dari gas buang turbin gas sehingga menghasilkan chilled water yang kemudian mengalir dalam cooling coil untuk mendinginkan udara. Perancangan sistem pendingin dimulai dengan menentukan parameter awal rancangan yaitu massa udara, massa keluaran gas buang dan temperatur gas buang. Kemudian menghitung beban pendinginan untuk menentukan kapasitas absorption chiller yang dibutuhkan. Sedangkan detail rancangan dilakukan pada bagian cooling coil. Cooling coil dirancang berdasarkan rancangan heat exchanger pada umumnnya dengan menggunakan metode Kern. Dari rancangan didapatkan hasil bahwa kapasitas absorption chiller yang dibutuhkan sebesar 1.336,2 kw. Dalam proses pendinginannya, absorption chilller tersebut menyerap panas dari gas buang sebesar 1.463,9 kw. Dimensi pipa cooling coil yang ditentukan yaitu bahan pipa: tembaga, diameter luar: 5/8 inch, ketebalan: 0,035 inch, panjang pipa: 3m. cooling coil bersfungsi sebagai penukar panas antara udara masuk dengan chilled water yang dihasilkan absorption chiller. Temperatur udara didinginkan hingga 15 o C dan daya yang dihasilkan setelah adanya penerapan sistem pendingin udara meningkat sebesar 2,2 MW. Kata kunci: absorption chiller, cooling coil, pendinginan, udara. iv

5 ABSTRACT Air is one of the key elements in a combustion process. The inlet air temperature of gas fired power plant system affects the performance of the gas turbine. As the air temperature increase, the output power of the turbine will be reduced. Therefore, a cooling system is needed to lower the temperature of the inlet air to match the standard operating temperature of 15 o C. The type of cooling system that can be used is Absorption Chiller which uses heat from the flue gas of the gas turbine to produce chilled water which then will be channelled to cooling coil to cool the inlet air. The design of the cooling system was initialized by determining design parameters including air mass flow rate, flue gas flow rate, and flue gas temperature. After that, cooling load was calculated to determine the required capacity of the absorption chiller. The cooling coil was design in more detail. The cooling coil was designed based on general heat exchanger design method of Kern. The designed absorption chiller requires a capacity of 1,336.2 kw. In the cooling process, the absorption chiller absorbs the heat from the flue gas as much as 1,463.9 kw. The material that is used for the cooling pipe is copper, the outside diameter, thickness and length of the pipe are 5/8 inch, inch and 3 meter respectively. The main function of the cooling coil is to exchange the heat between inlet air and the chilled water that produced by absorption chiller. The inlet air is cooled until the temperature reaches 15 o C and the output power increase as much as 2.2 MW due to the cooling system. Keywords: gas turbine, absorption chiller, cooling coil, air cooling v

6 UCAPAN TERIMA KASIH Puji serta syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena atas rahmat dan karunianya laporan tugas akhir ini dapat diselesaikan. Dalam pelaksanaan tugas akhir ini penulis tentu menemui hambatan dan kesulitan, namun berkat kerja keras, bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, akhirnya penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini. Oleh karena itu, penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada berbagai pihak yang telah membantu, khsusnya kepada: 1. Orang tua dan keluarga penulis yang selalu memberi semangat, dukungan motivasi, dan mendoakan penulis. 2. Bapak Bambang Puguh Manunggal, ST., M.Eng. selaku pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, saran dan masukan kepada penulis dalam melaksanakan Tugas Akhir ini. 3. Ibu Ika Yuliyani, S.T., M.T. selaku pembimbing II yang membantu dalam proses pengerjaan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Slameto, S.T., M.Eng. selaku penguji 1 yang telah mengevaluasi dan memberi masukan kepada penulis mengenai Tugas Akhir ini 5. Bapak Agoeng Harjatmo Rahardjo, S.T., M.T. selaku anggota penguji dalam sidang akhir yang turut memberi koreksi, saran dan masukan kepada penulis. 6. Bapak Teguh Sasono, Ir, M.T selaku ketua prodi D-IV TPTL dan kordinator Tugas Akhir yang telah banyak membantu dan memberi arahan dalam proses pelaksanaan Tugas Akhir ini. 7. Bapak Ahmad Deni Mulyadi, S.T., M.T. selaku ketua Jurusan Teknik Konversi Energi yang memberi dukungan dalam pelaksanaan Tugas Akhir ini. 8. Rekan rekan TPTL angkatan 2013 yang telah berjuang bersama dalam menyusun Tugas Akhir ini, yang selalu menghibur dan memberi semangat kepada penulis khususnya Mega Dwi Wandono dan Achmad Haidar yang membantu penulis dalam hal menggambar serta Setiawan Akbar selaku rekan satu bimbingan yang banyak membantu penulis. vi

7 9. Keluarga Markas besar (MABES) yang selalu menjadi tempat bernaung, berbagi, berdiskusi selama masa kuliah dan saat pelaksanaan Tugas Akhir ini. Semoga Allah SWT senantiasa membalas kebaikan serta melimpahkan rahmat dan barokahnya. Aamiin. vii

8 KATA PENGANTAR Puji serta syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT karena atas berkat, rahmat dan karunianya penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini yang berjudul RANCANGAN SISTEM PENDINGIN UDARA MASUK PADA PLTG MENGGUNAKAN ABSORPTION CHI LLER. Laporan tugas akhir ini disusun sebagai syarat untuk menyelesaikan pendidikan Diploma IV khususnya jurusan Teknik Konversi Energi di Politeknik Negeri Bandung. Laporan ini berisi mengenai rancangan sistem pendingin udara masuk pada PLTG menggunakan absorption chiller. Rancangan ini dilakukan berdasarkan kondisi udara lingkungan dan panas gas buang dari turbin gas yang masih memiliki potensi yang dapat dimanfaatkan. Penulis mengucapkan banyak terimakasih pada semua pihak yang telah terlibat dan membantu dalam proses penyusunan Tugas Akhir ini, karena tanpa bimbingan dan saran dari berbagai pihak laporan tugas akhir ini tidak dapat diselesaikan. Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi pembaca khususnya penulis. Kritik, saran dan masukan penulis harapkan sebagai bentuk apresiasi. Semoga ilmu yang tersampaikan melalui laporan Tugas Akhir ini dapat menambah wawasan bagi pembacanya. Aamiin Bandung, Agustus 2017 Penulis viii

9 DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN... ii PERNYATAAN PENULIS... iii ABSTRAKSI... iv ABSTRACT... v UCAPAN TERIMA KASIH... vi KATA PENGANTAR... viii DAFTAR ISI... ix DAFTAR TABEL... xii DAFTAR GAMBAR... xiii NOMENKLATUR... xiv BAB I PENDAHULUAN... I-1 Latar Belakang... I-1 Tujuan... I-2 Rumusan Masalah... I-2 Batasan Masalah... I-2 Metode Penelitian... I-3 Sistematika Penulisan... I-4 BAB II LANDASAN TEORI... II-1 Pembangkit Listrik Tenaga Gas... II-1 Pengaruh Ambient Temperatur Pada Gas Turbin... II-2 Inlet Cooling... II-3 Absorption Chiller... II-4 Tipe Sistem Pendinginan Absorpsi... II-5 Siklus Dasar Pendingin Absorpsi... II-7 Cooling Coil... II-9 Konstruksi dan dimensi coil... II-9 Tahapan Perancangan Cooling Coil... II-11 Perencanaan Pipa Cooling Coil... II-11 Perhitungan Heat balance... II-12 ix

10 BAB III Log Mean Temperature Difference (LMTD)... II-12 Luas Perpindahan Panas... II-13 Diameter Ekivalen... II-13 Menentukan Jumlah Pipa Per Baris... II-14 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Dalam Pipa... II-14 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa... II-16 Menghitung Efektivitas Sirip... II-18 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa Yang Telah Terkoreksi Efisiensi Sirip... II-19 Aktual Udara Menghitung Luas Perpindahan Panas Menyeluruh... II-20 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh... II-20 Menghitung Jumlah Bundle Atau Baris Pipa... II-20 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Secara... II-21 Menghitung Dirt factor... II-21 Menghitung Pressure drop (Penurunan Tekanan)... II-21 RANCANGAN SISTEM AIR INLET COOLING... III-1 Tahap Perancangan... III-1 Perhitungan Potensi Energi Gas Buang... III-4 Perhitungan Beban Pendinginan... III-5 Desain Absorption Chiller... III-5 Rancangan Sistem PLTG Yang Dilengkapi Dengan Sistem Pendingin... III-7 Perhitungan Energi Balance Pada Absorption Chiller... III-8 Rancangan Cooling Coil... III-12 Perancangan Pipa... III-13 Perhitungan Heat balance... III-15 Log Mean Temperature Difference (LMTD)... III-16 Luas Perpindahan Panas... III-17 Diameter Ekivalen... III-17 Menentukan Jumlah Pipa Per Baris... III-18 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Dalam Pipa... III-18 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa... III-20 x

11 BAB IV Menghitung Efektivitas Sirip... III-22 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Luar Pipa Yang Telah Terkoreksi Efisiensi Sirip... III-23 Aktual Menghitung Luas Perpindahan Panas... III-23 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh... III-24 Menghitung Jumlah Bundle Atau Baris Pipa... III-24 Menghitung Koefisien Perpindahan Panas Menyeluruh Secara... III-24 Menghitung Dirt factor... III-25 Menghitung Pressure drop (Penurunan Tekanan)... III-26 Spesifikasi Hasil Rancangan Cooling Coil... III-28 ANALISIS RANCANGAN... IV-1 Analisis Rancangan Cooling Coil... IV-1 Evaluasi Kelayakan Operasi... IV-2 Evaluasi Dimensi Dan Material... IV-2 Evaluasi Sistem Pendingin Absorption Chiller... IV-4 Analisis Penerapan Sistem Pendingin Udara Masuk Pada PLTG... IV-5 BAB V SIMPULAN DAN SARAN... V-1 Simpulan... V-1 Saran... V-1 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN xi

12 DAFTAR TABEL Tabel III-1 Spesifikasi turbin gas... III-2 Tabel III-2 Data hasil simulasi turbin gas pada kondisi standar... III-2 Tabel III-3 Data kondisi klimatologis... III-3 Tabel III-4 Parameter hasil simulasi gate cycle... III-4 Tabel III-5 Data temperatur dan entalpi... III-8 Tabel III-6 Hasil Perhitungan energi pada Absortion chiller... III-11 Tabel III-7 Parameter perhitungan cooling coil... III-12 Tabel III-8 Parameter pipa dan sirip... III-15 Tabel III-9 Hasil rancangan cooling coil... III-29 Tabel IV-1 Spesifikasi hasil rancangan... IV-1 Tabel IV-2 Pengaruh perubahan thickness pada tube... IV-3 Tabel IV-3 Hasil perhitungan energi pada absorption chiller... IV-5 xii

13 DAFTAR GAMBAR Gambar II-1 Siklus Brayton Ideal Sumber: Black & Vitch, II-1 Gambar II-2 Grafik hubungan temperatur dan output gas turbin... II-2 Gambar II-3 Skema Evaporative Cooling Pada Gas Turbin... II-3 Gambar II-4 Skema mechanical refrigerated cooling system pada gas turbin... II-4 Gambar II-5 Persamaan antara sistem pendingin absorpsi dan mekanik... II-5 Gambar II-6 Skema Single Effect Absorption Chiller... II-6 Gambar II-7 Skema Double Effect Absorption Chiller... II-7 Gambar II-8 Sistem refrigerasi absorpsi sederhana... II-8 Gambar II-9 a) DX-cooling, b) chilled water coil... II-10 Gambar II-10 a) in line, b) staggered... II-10 Gambar II-11 Finned Tube detail... II-10 Gambar II-12 Transverse fin... II-11 Gambar II-13 Derivation of the transverse fin efficiency... II-19 Gambar III-1 Diagram alir tugas akhir... III-1 Gambar III-2 Skema PLTG simple cycle... III-4 Gambar III-3 Parameter teknik Flue Gas Type Absorption chiller... III-6 Gambar III-4 Skema PLTG dengan sistem pendinginan Absorption chiller... III-7 Gambar III-5 Skema Absorption Chiller... III-8 Gambar III-6 Tahapan rancangan cooling coil... III-13 Gambar III-7 Konfigurasi cooling coil... III-14 Gambar III-8 a) Staggered tube arrangement, b) Nomenklatur jarak pipa... III-14 Gambar III-9 penentuan faktor koreksi LMTD... III-16 Gambar IV-1 Pengaruh temperatur udara terhadap kinerja turbin gas... IV-5 Gambar IV-2 Grafik perbandingan daya PLTG simple cycle dan PLTG dengan absorption chiller... IV-7 Gambar IV-3 Grafik perbandingan Heat Rate PLTG simple cycle dan PLTG dengan absorption chiller... IV-7 xiii

14 NOMENKLATUR Cp Panas spesifik udara, [Btu/ (lb)(⁰f)] A Luas perpindahan panas, [ft 2 ] A o Luas perpindahan panas pipa, [ft 2 ] A f Luas perpindahan panas fin, [ft 2 ] d f d o N f Diameter pipa dengan fin, [in] Diameter outside pipa, [in] Jumlah fin per inch y Tebal fin, [in] l Tinggi fin, [in] D e Diameter ekivalen, [ft] N t Jumlah pipa per baris Y Tinggi cooling coil, [in] S T Jarak antar titik pisat pipa secara vertikal, [in] α t Flow Area, [ft 2 ] α t Flow area per pipa, [in 2 ] w Laju aliran massa air, [lb/hr] V Kecepatan Aliran Air, [ft/s] G t Kecepatan massa air, [lb/ft 2.hr] ρ w Densitas air, [lb/ft 2 ] D Diameter dalam pipa, [ft] μ w Viskositas air pada temperatur rata-rata, [lb/ft.hr] h i Koefisien perpindahan panas dalam pipa, [Btu/hr.ft 2.⁰F] k w Konduktivitas panas air pada temperatur rata-rata, [Btu/hr.ft 2.( ⁰F/ft)] μ t Viskositas air pada temperatur rata-rata, [lb/ft 2.hr] j H Faktor perpindahan panas dalam pipa ɸ t Rasio Viskositas dalam pipa R d Faktor kekotoran h i Koefisien perpindahan panan dalam pipa terkoreksi, [Btu/hr.ft 2.⁰F] h di Dirt coefficient equivalent to the reciprocal of the dirt factor inside tube, [Btu/hr.ft 2.⁰F] α s Luas area laluan gas buang, [ft 2 ] X Tinggi duct, [ft] G s Kecepatan Aliran udara, [lb/hr.ft 2 ] μ s Viskositas air pada temperatur rata-rata, [lb/ft.hr] Koefisien perpindahan panan dalam pipa, [Btu/hr.ft 2.⁰F] h f j f k a Faktor perpindahan panas dalam pipa Konduktivitas panas udara pada temperatur rata-rata, [Btu/hr.ft 2.( ⁰F/ft)] xiv

15 xv h do Dirt coefficient equivalent to the reciprocal of the dirt factor outside tube, [Btu/hr.ft 2.⁰F] h f Koefisien perpindahan panas luar pipa terkoreksi, [Btu/hr.ft 2.⁰F] h fi Koefisien perpindahan panas luar pipa yang telah terkoreksi, [Btu/hr.ft 2.⁰F] Ω Efektivitas sirip U Di Koefisien perpindahan panas menyeluruh, [Btu/hr.ft 2.⁰F] t Perbedaan temperatur, [⁰F] R d Dirt factor hasil perhitungan, [(hr.ft 2.⁰F)/Btu] U D.act Koefisien perpindahan panas menyeluruh secara aktual, [Btu/hr.ft 2.⁰F] Re s Bilangan Reynold untuk penurunan tekanan D ev Diameter ekivalen volumetrik, [ft] P s Penurunan tekanan pada sisi duct, [psi] f friction faktor udara, [ft 2 /in 2 ]

16 DAFTAR PUSTAKA Dincer, Ibrahim Refrigeration Systems and Applications Improvement of gas turbine performance based on inlet air cooling system: A technical review. International Journal of Physical Science. Ibrahim, Thamir K. and Kanoglu, Mehmet s.l. : wiley, Kern, D. Q Process Heat Transfer. New York : McGraw-Hill, Meherwan P, Boyce Gas Turbine Engineering. Texas : Houston, ISBN. S. K, Wang HANDBOOK OF AIR CONDITIONING AND REFRIGERATION. New York : McGraw-Hill, Study and Comparison of Inlet Air Cooling Technique of. Sakhaei, Seyed Ali and Safari, Mahbod. Thermo-Economic Analysis of Inlet Air Cooling In Gas Turbine Plants. A. H, Ali Marzou Thulukkanan, Kuppan Heat Exchanger Design Handbook Turbin Pompa dan Kompressor. Ditzel, F and et all Jakarta : Erlangga,

17 - 2 -