ANALISIS TERMODINAMIKA PERFORMA HRSG PT. INDONESIA POWER UBP PERAK-GRATI SEBELUM DAN SESUDAH CLEANING DENGAN VARIASI BEBAN

Transkripsi

1 ANALISIS TERMODINAMIKA PERFORMA HRSG PT. INDONESIA POWER UBP PERAK-GRATI SEBELUM DAN SESUDAH CLEANING DENGAN VARIASI BEBAN Ilham Bayu Tiasmoro. 1), Dedy Zulhidayat Noor 2) Jurusan D III Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri, ITS Surabaya ilham.tiasmoro@gmail.com 1), zulnoor@me.its.ac.id 2) Abstrak Pada unit pembangkitan listrik tenaga gas dan uap atau yang biasa dikenal dengan nama PLTGU perlu diketahui performa dari unit tersebut guna mengetahui keadaannya. Di dalam sistem PLTGU terdapat perangkat yaitu HRSG (Heat Recovery Steam Generator) yang berguna untuk menguapkan air dengan gas panas hasil buangan dari gas turbine. Performa HRSG dapat diketahui dari parameter panas yang masuk dan keluar dari sistem. Proses cleaning HRSG merupakan sebuah maintenance yang terjadwal di dalam pengoperasian unit. Hal ini berguna untuk menjaga performa dari HRSG agar tetap pada performa terbaiknya untuk menunjang kebutuhan energi listrik sekarang. Selanjutnya akan dihitung performa HRSG 1.3 pada PT. INDONESIA POWER UBP Perak- Grati dengan membandingkan performa HRSG sebelum dan sesudah cleaning dengan beban yang bervariasi. Proses cleaning di dalam HRSG di PT. INDONESIA POWER UBP Perak-Grati akan dijelaskan di dalam tugas akhir ini. Setelah dilakukan perhitungan, dapat disimpulkan bahwa HRSG 1.3 PT. INDONESIA POWER UBP Perak- Grati memiliki performa yang lebih baik setelah dilakukan cleaning HRSG. Performa HRSG bisa dilihat dari efisiensi yang naik setelah cleaning kemudian produksi uap dan total laju aliran air pengisi yang menunjukkan penurunan seiring dengan kenaikan beban generator gas turbine. Kata kunci : perfoma HRSG, cleaning HRSG, data operasi sebelum dan sesudah cleaning I. PENDAHULUAN Energi listrik yang handal, aman, ramah lingkungan dan efisien merupakan hal yang diutamakan dalam kinerja pembangkitan listrik di Indonesia saat ini. Salah satu perusahaan pembangkit listrik di Indonesia adalah PT. INDONESIA POWER UBP Perak-Grati yang mensuplai energi listrik area Jawa, Madura, dan Bali. Salah satu pembangkitan yang dimiliki PT. INDONESIA POWER UBP Perak-Grati adalah PLTGU yang mempunyai kapasitas total mancapai 450 MW. PLTGU Grati menggunakan bahan bakar CNG (Compressed Natural Gas) tepatnya mulai Juni tahun 2013 setelah sebelumnnya menggunakan bahan bakar HSD Oil (High Speed Diesel Oil). Di PT. INDONESIA POWER UBP Perak-Grati ini terdapat tiga buah HRSG (Heat Recovery Steam Generator) yang dipasangkan untuk blok PLTGU sebagai pembangkit listrik siklus gabungan atau biasa disebut CCPP (Combined Cycle Power Plant). Di dalam HRSG ini terdapat beberapa tahapan sebelum akhirnya air akan diuapkan kembali untuk memutar steam turbine, antara lain adalah Preheater, Economizer, Evaporator, Superheater, Drum, dan komponen lainnya. Di dalam HRSG terdapat pipa-pipa kecil melintang atau yang disebut dengan tube-tube, isi dari tube tersebut adalah air yang nantinya akan dipanaskan oleh gas buang yang masuk sehingga berubah menjadi uap. Proses pemanasan air dimulai dari bagian yang paling atas, uap panas yang dihasilkan sebelumnya dipanaskan kembali di dalam peralatan yang dikenal dengan istilah primary economizer dan secondary economizer, untuk melakukan proses tersebut semua proses uap yang dihasilkan dialirkan melalui tube-tube yang ada pada HRSG. Performa dari HRSG itu sendiri bisa kita lihat dari efisiensi yang dihasilkan dari HRSG tersebut dan untuk perhitungan efisiensinya kita menggunakan kalor yang masuk dan keluar pada proses di dalam HRSG. II. TEORI & LANGKAH PERHITUNGAN 2.1 Prinsip Kerja HRSG HRSG adalah bagian penting dari PLTGU. Siklus PLTGU adalah gabungan antara siklus brayton turbin gas dan siklus rankine turbin uap. HRSG termasuk bagian dari siklus rankine. 1

2 3. c-d menunjukkan proses ekspansi gas turbine. Terjadi penurunan temperatur, tekanan dan entropi. Gambar 1. Diagram Simple PLTGU Gambar 2. T-S Diagram HRSG Diagram T-S yang menggambarkan keseluruhan proses ditunjukkan pada gambar 2.2. Diagram tersebut menyatakan siklus brayton untuk turbin gas dan dan siklus rankine untuk turbin uap. Berdasarkan gambar tersebut, dapat dijelaskan sebagai berikut : Siklus Brayton : 1. a-b udara masuk ke dalam kompresor mengalami kenaikan tekanan dan temperatur. 2. b-c menunjukkan proses pemabakaran. Bahan bakar diinjeksikan ke dalam ruang bakar bersama dengan udara dari kompresor. Pembakaran tersebut mengakibatkan tekanan, temperatur, serta entropi. Siklus Rankine : a. 1-2 menunjukkan air yang dipompa oleh condensate pump dari kondensor menuju preheater. Mengalami kenaikan tekanan dan temperatur pada entropi tetap. b. 2-3 menunjukkan proses pemanasan awal pada preheater. Mengalami kenaikan temperatur dan entropi pada tekanan tetap. Air berubah fase cair menjadi cair jenuh. c. 3-4 menunjukkan air yang dipompa oleh feed water pump dari preheater menuju economizer. Mengalami kenaikan tekanan dan temperatur pada entropi tetap. Kondisi air kembali menjadi cair. Disebabkan karena kenaikan tekanan. d. 4-5 menunjukkan proses pemanasan pada economizer. Mengalami kenaikan temperatur dan kenaikan entropi pada tekanan tetap. Fase cair berubah menjadi cair jenuh. e. 5-6 menunjukkan proses pemanasan pada evaporator. Tidak mengalami kenaikan temperatur dan tekanan tapi mengalami kenaikan entropi. Energi panas yang berasal dari gas buang pada evaporator digunakan untuk mengubah fase cair jenuh menjadi steam jenuh. f. 6-7 menunjukkan proses pemanasan pada superheater. Mengalami pemanasan lanjut untuk mengubah kondisi fase steam jenuh menjadi uap superheated. g. 7-8 menunjukkan losses yang terjadi pada saat mengalirkan steam dari superheater menuju turbin. Terjadi penurunan temperatur. h. 8-9 menunjukkan proses ekspansi steam turbine. Steam yang memiliki temperatur dan tekanan tinggi, digunakan untuk mengerakkan steam turbine. Setelah keluar turbin, terjadi penurunan temperatur dan tekanan serta perubahan fase pada steam. 2

3 i. 9-1 menunjukkan proses kondensasi pada kondensor. Terjadi perubahan fase menjadi cair jenuh. Temperatur dan tekanan tetap, namun entropi berkurang. j. Kembali ke proses awal. 2.2 Rumus Perhitungan Pada HRSG Dalam suatu sistem, analisis berpusat pada daerah dimana materi dan energi mengalir melaluinya. Kesetimbangan laju energi pada sistem HRSG dapat dituliskan sebagai berikut : m i = m o i Dengan : i m i = Jumlah laju aliran massa masuk ke sistem, (kg/s) o m o = Jumlah laju aliran massa keluar dari sistem, (kg/s) Gambar 3. Kesetimbangan massa pada sistem HRSG Sedangkan kesetimbangan laju energinya dapat ditulis dalam persamaan berikut : de cv = cv + m i (h dt i + v gz i) i o m o (h o + v o gz o) o Dengan : i = indeks untuk masuk sistem o = indeks untuk keluar sistem cv = laju energi panas pada sistem (kj/s) h = entalpi fluida kerja (kj/kg) v = kecepatan fluida kerja (m/s) z = ketinggian saluran fluida kerja (m) g = percepatan gravitasi (m/s 2 ) HRSG Outlet Heat ( out ) Dapat dicari dengan menggunakan persamaan (2) Pada persamaan diatas diasumsikan : 1. Sistem dalam kondisi tunak. 2. Perubahan laju aliran energi potensial dan laju aliran energi kinetik diabaikan. 3. Adanya kerja yang masuk ke sistem out maka persamaannya menjadi : out = (m 3h 3 + m 2h 2 ) (m 1h 1 ) Dimana : m 3 = laju aliran massa HP superheat (kg/s) h 3 = entalpi pada HP superheat (kj/kg) m 2 = laju aliran massa LP superheat (kg/s) h 2 = entalpi LP superheat (kj/kg) m 1 = laju aliran massa CEP (Condensate Extraction Pump) (kg/s) h 1 = entalpi pada CEP (Condensate Extraction Pump) (kj/kg) HRSG Inlet Heat ( in) Gas buang adalah gas yang berasal dari proses pembakaran yang suhunya relatif tinggi tehadap suhu atmosfer. Dalam proses pembakaran tersebut bahan bakar dibakar dengan udara yang akan menghasilkan produk pembakaran yang berupa gas buang yang mengandung berbagai senyawa gas antara lain, H 2O, CO 2, dan N 2 ditambah dengan O 2, jika pemberian udara dilakukan secara berlebihan. Besarnya energi panas yang terkandung dalam gas buang yang diberikan kepada HRSG ( in) tersebut dapat diketahui dengan persamaan berikut ini : in = m egcp eg (Ti To) Dengan : Ti = temperatur gas buang (K) To = temperatur lingkungan (K) m eg = laju aliran massa gas buang gas turbine (kg/dt) CP eg = panas spesifik gas buang HRSG (kj/kg.k) Laju aliran massa udara yang diperlukan dapat diketahui dengan persamaan : m o = AFR x m f 3

4 Dengan : AFR = perbandingan udara dan bahan bakar m f = massa bahan bakar (kg/dt) Laju aliran massa gas buang dapat diketahui dengan menggunakan persamaan : m eg = (m f + m o) Efisiensi Daya HRSG Besarnya efisiensi thermal HRSG didefinisikan sebagai perbandingan antara laju energi yang dibutuhkan air menjadi uap panas lanjut (superheated) dengan laju aliran energi gas buang didalam HRSG tersebut adalah : η = out in x 100% III. METODE PENELITIAN Metode yang digunakan dalam suatu studi harus terstruktur dengan baik sehingga kita dapat dengan mudah menerangkan atau menjelaskan penelitian yang dilakukan. Dalam hal ini langkahlangkah penelitian yang digunakan dapat digambarkan pada diagram alir berikut ini : Mulai A Mencari Properties Air Ataupun Uap di Tiap Stage di HRSG 1.3 Menghitung Qin dan Qout HRSG 1.3 Dari Data Properties Yang Dicari Menghitung Efisiensi Ideal HRSG 1.3 Dari Qin dan Qout Yang Sudah Dicari Apakah Hasil Efisiensi Sesuai Dengan Plant Yang Ada? Tidak B Kajian Pustaka Peninjauan Lapangan Perumusan Masalah Mendapatkan Data Heat Balance Basic Design Untuk Perhitungan dan Juga Proses Aliran Uap dan Air Mancari Data Operasi Aktual Untuk Berbagai Variasi Beban Sebelum dan Sesudah Cleaning HRSG 1.3 Penyaringan dan Pemilihan Data Pengecekan Pemilihan Data Kepada Mentor di Lapangan Menghitung Prperties Air dan Uap di Tiap Stage Untuk Variasi Beban Sebelum dan Sesudah Cleaning HRSG 1.3 Membuat Skema Aliran Air dan Uap Pada HRSG A B C D 4

5 C Menghitung Qin dan Qout Aktual Untuk Berbagai Variasi Beban Sebelum dan Sesudah Cleaning HRSG 1.3 D IV. HASIL 4.1 Perbandingan Efisiensi Dengan perhitungan menggunakan data operasi sebelum dan sesudah cleaning dengan variasi beban untuk HRSG 1.1, HRSG 1.2, dan juga HRSG 1.3 di dapatkan hasil sebagai berkut : Menghitung Performa Aktual Untuk Berbagai Variasi Beban Sebelum dan Sesudah Cleaning HRSG 1.3 dan Pengeplotan Dalam Grafik Apakah Hasil Efisiensi Aktual Sesudah Cleaning Mengalami Kenaikan? Tidak Gambar 5. Grafik Perbandingan Efisiensi Sebelum dan Sesudah Cleaning Sebagai pembanding lainnya ada baiknya jika dilihat juga perbandingan efisiensi yang ada pada HRSG 1 dan 2 yang memang tidak dilakukan cleaning. Perbandingan efisiensi HRSG 1 dan 2 adalah sebagai berikut : Menganalisa Grafik Performa Aktual HRSG 1.3 Menganalisa Grafik Performa Aktual HRSG 1.3 Selesai Gambar 4. Flow Chart Pengerjaan Gambar 6. Grafik Perbandingan Efisiensi HRSG 1 5

6 Gambar 7. Grafik Perbandingan Efisiensi HRSG 2 Gambar 9. Grafik Perbandingan Temperatur Keluar HRSG Perbandingan Temperatur Keluar Gambar 8. Grafik Perbandingan Temperatur Keluar Sebelum dan Sesudah Cleaning Gambar 10. Gafik Perbandingan Temperatur Keluar HRSG Perbandingan Steam Produksi Untuk perbandingan Steam produksi ini kita melihat dari beban keseluruhan yang dihasilkan oleh PLTGU yang dihasilkan dari 3 gas turbines dan 1 steam turbine. 6

7 V. KESIMPULAN Dari hasil perhitungan dan analisis performa HRSG sebelum dan sesudah cleaning pada bab IV dapat diambil kesimpulan yang berkaitan dengan cleaning HRSG yang mempengaruhi performa dari HRSG pada PT. INDONESIA POWER UBP Perak-Grati. Kesimpulan yang bisa di dapatkan dari perhitungan dan analisis bab IV adalah sebagai berikut : Gambar Grafik Perbandingan Steam Produksi Sebelum dan Sesudah Cleaning 4.4 Perbandingan Total Feed Water Sama seperti perbandingan steam produksi, untuk perbandingan total feed water ini kita melihat dari beban keseluruhan yang dihasilkan oleh PLTGU yang dihasilkan dari 3 gas turbines dan 1 steam turbine. 1. Efisiensi HRSG sesudah cleaning mengalami kenaikan daripada efisiensi sebelum HRSG dilakukan proses cleaning. Kenaikan efisiensi sekitar 1, %. 2. Temperatur keluaran dari HRSG mengalami kenaikan dan penurunan antara sebelum dan sesudah cleaning. Akan tetapi secara keseluruhan temperatur keluar mengalami kenaikan sekitar 3, %. 3. Steam produksi dari HRSG mengalami penurunan antara sebelum dan sesudah cleaning. Penurunnnya sekitar 3, % 4. Total feedwater flow sesudah cleaning mengalami penurunan dari total feedwater flow sebelumnya. Penurunan total feed water sekitar 4, %. DAFTAR PUSTAKA Gambar 12. Grafik Perbandingan Total Feed Water Sebelum dan Sesudah Cleaning 1. Borgnakke, Claus dan Richard E Sonntag Fundamental of Thermodynamics. Seventh Edition. John Wiley & Sons Inc. United States of America 2. Dewi, Tri Kurnia dan Ginting, Kasta dan Aziz, Tamzil Pelatihan Prime Movers dan Peralatan Khusus Penunjang Operasi Pabrik Bagi Calon Karyawan PT PUSRI Palembang. 3. Moran, Michael J dan Howard N Saphiro Fundamental of Engineering Thermodynamics. Fifth Edition. John Wiley & Sons Inc. United Kingdom. 7

8 4. Pritchard, J Philip dan John C Leylegian Fox and McDonald s Introduction to Fluid Mechanics. Eight Edition. John Wiley & Sons Inc. United States of America. 5. Setyoko, Bambang Analisa Efisiensi Performa HRSG (Heat Recovery Steam Generator) Pada PLTGU. Semarang : Universitas Diponegoro 8