PENGARUH PENURUNAN KARAKTERISTIK SUMBER PANAS TERHADAP KINERJA HEAT EXCHANGER DI PLTP BINER DIENG

Transkripsi

1 Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : P-ISSN E-ISSN PENGARUH PENURUNAN KARAKTERISTIK SUMBER PANAS TERHADAP KINERJA HEAT EXCHANGER DI PLTP BINER DIENG THE EFFECT OF DECREASED HEAT SOURCE PROPERTIES ON HEAT EXCHANGER PERFORMANCE AT DIENG BINARY POWER PLANT Guntur Tri Setiadanu, Yohanes Gunawan, Didi Sukaryadi. Puslitbangtek Ketenagalistrikan, Energi Baru, Terbarukan, dan Konversi Energi, Jl. Ciledug Raya kav.109, Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta, Indonesia guntur_tri_s@yahoo.com Abstrak Fenomena penurunan nilai karakteristik temperatur dan tekanan telah terjadi pada sumber panas PLTP biner Dieng. Pada studi ini dilakukan perhitungan model matematis dan termodinamika menggunakan software Engineering Equation Solver (EES) dan NIST Refprop untuk memprediksi pengaruh penurunan karakteristik sumber panas terhadap kemampuan heat exchanger dan efisiensi total dari sistem biner ORC. Hasil dari perhitungan akan dibandingkan dengan data aktual yang diperoleh dari pengujian sistem PLTP biner. Simulasi menunjukkan bahwa penurunan sumber panas mengakibatkan turunnya semua nilai parameter tekanan, temperatur dan laju alir dari n-pentane yang pada akhirnya akan menurunkan nilai kerja mekanik turbin dan listrik yang dihasilkan dibandingkan dengan desain awal. Laju n-pentane optimal dari simulasi desain adalah 0,9 kg/s, dengan tekanan kerja 6 bar, dan kalor perpindahan panas yang diterima n-pentane dari sumber adalah 419,51 kw dengan potensi untuk menggerakkan turbin sebesar 28,15 kw. Hasil pengujian aktual pada PLTP biner Dieng didapatkan bahwa nilai optimal laju n-pentane adalah 0,5 kg/s, kalor perpindahan panas sebesar 255,39 kw, tekanan kerja 6 bar dan potensi untuk menggerakkan turbin sebesar 12,31 kw. Perbedaan nilai kerja turbin antara hasil simulasi dengan percobaan aktual disebabkan oleh nilai input brine optimal saat percobaan di lapangan tidak bisa mencapai nilai optimal saat disimulasikan, akibat adanya pressure drop dan heat loss pada pipa heat exchanger sehingga laju n-pentane yang teruapkan juga turun. Kata kunci: heat exchanger, limbah geothermal, binary, ORC, pressure drop Abstract A decreased in temperature and pressure properties of heat source waste brine has occurred at Dieng binary geothermal power plant. This study performed mathematical models and thermodynamic calculations using EES and NIST Refprop software to predict the effect of decreased heat source brine to the heat exchanger capability and the total efficiency of the ORC binary system. Simulation s results will be compared with actual data obtained from experiment at Dieng binary geothermal power plant. The results showed that a decrease in the heat source resulting values declining in all parameters, i.e. pressure, temperature and flow rate of n-pentane, moreover it will reduced the turbine mechanical work and electricity produced while compared with the initial design. Optimal mass rate of n-pentane from the simulation is 0,9 kg / s, with a working pressure of 6 bar, and heat transfer value received from source brine to n-pentane is 419,51 kw, predicted work turbine is 28,15 kw. Actual experiment on Dieng binary geothermal power plant show the optimal value of n-pentane mass rate is 0,5 kg / s, heat the heat transfer amounted to 255,39 kw, 6 bar working pressure and turbine work that can be produced is kw. Those differences were due to the pressure drop and heat loss in the heat exchanger. Keywords: heat exchanger, binary, ORC, geothermal waste brine, pressure drop Diterima : 28 September 2016, direvisi : 28 Oktober 2016, disetujui terbit : 20 Februari

2 Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : PENDAHULUAN Potensi panas bumi di wilayah kerja pertambangan (WKP) dataran tinggi dieng cukup tinggi. Berdasarkan profil potensi panas bumi Indonesia yang dikeluarkan oleh Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral tahun 2012, disebutkan bahwa potensinya mencapai 897 MW[1]. Pambudi dkk (2014), menyebutkan potensi exergy yang bisa diekstraksi dari sumur yang ada mencapai 59,52 MW dengan jumlah waste brine mencapai 17,98 % atau setara dengan 10,7 MW [2]. Kementerian ESDM melalui Puslitbang TKEBTKE mencoba untuk memanfaatkan potensi waste brine ini menjadi listrik dengan menggunakan sistem biner Organic Rankine Cycle (ORC) pada pilot plant PLTP biner Dieng. Pada sistem ORC, heat exchanger merupakan peralatan utama dimana kalor dari sumber panas diserap dan diteruskan ke fluida kerja. Kemampuan efektivitas heat exchanger adalah panas yang diterima oleh laju alir massa untuk menjadi fasa uap pada tekanan dan temperatur tertentu dibandingkan dengan panas yang tersedia dari sumber [3]. Penurunan dari temperatur sumber panas akan mempengaruhi profil temperatur dari evaporator, jika terjadi penurunan sumber panas tanpa ada perubahan profil evaporator maka akan mempengaruhi laju dan tekanan uap fluida kerja yang dihasilkan [4]. Penelitian mengenai heat exchanger ORC dan metode perhitungan koefisien perpindahan panas dalam hubungannya dengan perubahan fasa pada fluida kerja pada tekanan subcritical sudah banyak dilakukan [4,7]. Berdasarkan pinch analisis didapatkan bahwa, subcritical ORC bekerja lebih baik pada temperatur keluar sumber panas yang tinggi, sedangkan untuk temperatur sumber panas yang rendah lebih baik digunakan supercritical ORC. Nguyen dkk (2001), mengembangkan dan menguji ORC skala kecil dengan fluida kerja n-pentane dengan memanfaatkan panas yang didapatkan dari boiler gas. Sistem tersebut mampu menghasilkan 1,5 kw listrik dengan efisiensi thermal 4,3% [8]. Pada unit PLTP biner Dieng terjadi fenomena penurunan properties aliran sumber panas yang digunakan sebagai fluida pemanas. Studi ini bertujuan untuk melakukan perhitungan model matematis dan termodinamika menggunakan Engineering Equation Solver (EES) dan NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFROP) untuk memprediksi pengaruh penurunan aliran sumber panas terhadap kemampuan heat exchanger dan efisiensi total dari sistem biner ORC. Hasil dari perhitungan akan dibandingkan dengan data aktual yang diperoleh dari pengujian sistem PLTP biner. Tabel 1. Parameter desain PLTP biner Dieng Parameter Desain PLTP Biner Dieng Generator rated power 50 (Kwe) 100 Rated thermal power input (KWt) Basic subcritical ORC Konfigurasi ORC n-pentane Fluida kerja Axial Turbin* Setting to 1 bar Pressure Reducer Shell-Tube Heat exchanger** Temperatur kerja (C) * pada pengujian ini fluida kerja di bypass ke pressure 70

3 Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng reducer yang di set ke 1 bar sebelum masuk ke kondenser ** lihat Tabel 2 untuk spesifikasi heat exchanger Fasilitas Eksperimen dan Studi Kasus PLTP biner Dieng adalah laboratorium ORC insitu milik Puslitbang TKEBTKE yang terletak di sumur 29, PT.Geodipa Energi (GDE). Kapasitas desain PLTP biner Dieng adalah 50 kw dengan fluida kerja n-pentane. Desain parameternya disajikan pada Tabel 1. Studi Kasus PLTP biner Dieng didesain menggunakan brine langsung dari separator pemisahan uap geothermal. Akibat adanya permasalahan pengendapan silika pada pipa separator, maka tekanan separator harus dijaga diatas 10 bar, oleh karena itu itu PT.GDE memasang pressure regulator pada pipa setelah separator, akibatnya tekanan dan temperatur brine yang masuk kedalam sistem PLTP biner menjadi turun. Skema kasus bisa dilihat pada Gambar 1. METODOLOGI Deskripsi Sistem dan Model Termodinamika Prosedur yang dilakukan pada percobaan ini diilustrasikan pada Gambar 3. Fokus dari studi ini adalah untuk menentukan berapa uap n-pentane yang dihasilkan setelah mengalami penurunan parameter sumber panas, baik secara simulasi maupun secara aktual. Untuk itu detail dari sistem heat exchanger dihitung dan disimulasikan menggunakan software simulasi heat exchanger untuk mendapatkan efektifitas HE yang paling optimal. Hasil perhitungan akan digunakan dalam model termodinamika untuk perhitungan efisiensi siklus menggunakan software EES dan NIST Refprop. Sistem Heat exchanger Bila dilakukan plot penurunan input brine yang terjadi ke dalam diagram temperatur-entropi (T-s) pada Gambar 2, didapatkan bahwa garis sumber panas harus berada di atas siklus Rankine yang terbentuk. a) parameter desain input brine b) setelah pemasangan pressure regulator Gambar 1.Studi kasus pada PLTP biner Dieng 71

4 Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : Gambar 2. Penurunan sumber tekanan dengan entropi fluida kerja Mulai Input parameter desain awal Spesifikasi HE Luas permukaan (A) Koef. Heat transfer (U) Efektifitas HE Pengambilan data paramater aktual berdasarkan kasus Modeling sistem HE Perhitungan nilai koef.h. Transfer (U), kalor transfer HE (Q) dan massa alir fluida kerja Optimasi Efektifitas HE Model Termodinamika Sistem Perhitungan parameter output Bandingkan output model vs aktual Analisis dan Kesimpulan Selesai Gambar 3. Flowchart prosedur pengujian Metode Log Mean Temperatur Different (LMTD) digunakan sebagai metode perhitungan di dalam desain heat exchanger. Persamaan LMTD dituliskan sebagai berikut : (1) dimana ΔT A adalah perbedaan suhu antara dua aliran di akhir A, dan ΔT B adalah perbedaan suhu antara dua aliran pada akhir B. Kalor perpindahan panas yang terjadi dihitung dengan persamaan : q = U x A x LTMD (2) dimana q= kalor yang dipertukarkan (W ),U adalah koefisien perpindahan panas (W/K.m 2 ) dan A adalah luas pertukaran. Bersamaan dengan peningkatan entropi maka kenaikan temperatur diekspresikan dalam persamaan: (3) Tipe HE adalah shell-tube counterflow, sehingga koefisien perpindahan panas total, U, didefinisikan dalam persamaan: 72

5 Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng (4) Nusselt number (Nu) untuk fasa tunggal fluida subcritical dihitung menggunakan persamaan Dittus-Boelter [9] (5) dimana q adalah kalor perpindahan panas (W) dan q max adalah kalor maksimum dari sumber. Tabel 2.Spesifikasi heat exchanger PLTP biner Dieng dimana n = 0,4 untuk proses pemanasan dan 0,3 untuk proses pendinginan (konstanta n yang dipilih, untuk pemanasan seperti evaporator digunakan 0.4, untuk pendinginan seperti kondenser digunakan 0,3, pada kasus ini yang dipakai 0,4). Kedua permukaan koefisien perpindahan panas dari tube dan shell pada counterflow pass HE diekspresikan dengan persamaan : Spesifikasi Preheater Parameter Nilai Satuan Kapasitas transfer panas 414 kw Actual U 504 W/m 2 -K Area 39,134 m 2 TEMA type BEM Shell ID 430 mm Tube OD 15,875 mm Jumlah Tube 222 tubes Pressure - Shell 15,4 Bar - Tube 7 Bar (6) Pass Spesifikasi Evaporator 1 Shell, 4 Tube passes dimana d adalah ekuivalen diameter dalam atau luar tube. Pada desain heat exchanger PLTP Biner Dieng, semua perhitungan dilakukan dengan bantuan software desain heat exchanger [10], dan didapatkan parameter spesifikasi pada Tabel 2. Untuk memprediksi output dari suatu heat exchanger maka Kays dan London (1955), memperkenalkan metode NTU. Metode ini menggunakan parameter tak berdimensi yang disebut perpindahan panas efektif (ε), yang di tuliskan sebagai berikut : (7) Parameter Nilai Satuan Kapasitas transfer panas 397 kw Actual U 870 W/m 2 -K Area 30,469 m 2 TEMA type BEM Shell ID 430 mm Tube OD 15,875 mm Jumlah Tube 226 tubes Pressure - Shell 15,4 Bar - Tube 7 Bar Pass 1 Shell, 4 Tube passes Asumsi perhitungan simulasi dan analisis energi balance yang digunakan pada paper ini adalah sebagai berikut : 1. Heat exchanger terisolasi sempurna dari lingkungan, yang terjadi hanya 73

6 Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : perpindahan panas antara fluida panas dan dingin. 2. Konduksi aksial sepanjang tabung HE diabaikan 3. Perubahan energi kinetik dan potensial diabaikan Model termodinamika dan performa siklus 1. Turbin Diasumsikan proses ekspansi non-isentropis terjadi, enthalpi fluida kerja di titik keluar turbin serta kerja dari turbin ditulis dengan persamaan : (8) (9) dimana h 2ft adalah enthalpi fluida kerja pada titik keluar turbin dengan kondisi ideal, η is adalah efisiensi isentropik yaitu ratio kekuatan pengereman dengan kebutuhan tenaga isentropik. Kehilangan tenaga yang lain dari exergy loss ke lingkungan, yang pada pengujian ini temperatur lingkungan tercatat 22 o C, sehingga pada perhitungan ini total efisiensi dari turbin dipakai pada angka 60%. 2. Kondenser Total perpindahan panas yang terjadi digunakan persamaan : Q con = m(h 2f h 3f ) (10) diasumsikan tidak ada panas yang terbuang ke lingkungan. 3. Pompa Fuida kerja dikompresikan sampai ke puncak tekanan dalam proses ini dari kerja pompa. Untuk menghitung kebutuhan power dari pompa digunakan persamaan : W p = m(h 4f h 3f )/η (11) dimana η p adalah efisiensi dari pompa, karena digunakan inverter maka perhitungan efisiensi pompa diabaikan. 4. Preheater Total perpindahan panas dari sumber panas ke preheater dihitung menggunakan persamaan : Q ph = m. Cp. (T 3 T 1 ) (12) yang setara dengan Q ph = m(h 1 h 3 ) (13) diasumsikan tidak ada panas yang terbuang ke lingkungan dan proses perpindahan panas terjadi pada tekanan konstan. 5. Evaporator Total perpindahan panas dari sumber panas ke preheater dihitung menggunakan persamaan : Q ev = m(h 2 h 4 ) (14) sehingga Q heat exchanger total yang diterima oleh fluida kerja dari sumber panas : Q he = Q ph + Q ev (15) diasumsikan tidak ada panas yang terbuang ke lingkungan dan proses perpindahan panas terjadi pada tekanan konstan. Efisiensi siklus Efisiensi termal dan kerja total yang dihasilkan dari sistem dihitung menggunakan persamaan : η the = (W tur W p )/Q he (16) W net = W tur - W p (17) 74

7 Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan nilai yang didapatkan dari spesifikasi desain peralatan HE (Preheater dan evaporator) pada Tabel 3, maka dilakukan simulasi dan perhitungan dari penurunan parameter sumber panas yang ada untuk mendapatkan berapa nilai laju alir n-pentane yang optimal. Tabel 3a. Parameter pada Preheater Tabel 3b. Parameter pada Evaporator massa brine (kg/s) 2,48 T brine in (C) 116 T brine out (C) 101,6 P brine in (bar) 2,51 massa n-pentane (kg/s) 0,9 T n-pentane in (.C) 30,75 T n-pentane out (.C) 100 P n-pentane (bar) 6 EMTD (.C) 29,7 Duty (KW) 157,54 U act (KW) 325,95 U req (KW) 134,19 Over Desain (%) 142,9 massa brine (kg/s) 11,1 T brine in (C) 116 T brine out (C) 110,9 P brine in (bar) 2,51 massa n-pentane (kg/s) 0,9 T n-pentane in (.C) 100 T n-pentane out (.C) 103 P n-pentane (bar) 6 EMTD (.C) 13,8 Duty (KW) 272,39 U act (KW) 964,9 U req (KW) 647 Over Desain (%) 49,14 Gambar 4. Optimalisasi laju alir n-pentanepada evaporator 75

8 Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : Diketahui dari uji coba pembukaan valve brine menuju preheater (CV1), bukaan terkecil yang bisa dilakukan adalah pada nilai laju alir 2,48 kg/s. Jika dihitung performa dari preheater maka didapatkan nilai parameter seperti pada Tabel 3a, terlihat bahwa nilai over desain yang ada mencapai 142%, artinya preheater sangat mampu untuk melakukan kerja pemanasan n-pentane sampai ke suhu sebelum saturasinya. Dari hasil simulasi pada evaporator, Gambar 4, didapatkan bahwa nilai parameter massa paling optimal yang bisa dipanaskan oleh sumber panas adalah 0,9 kg/s. Terlihat bahwa pada nilai optimal didapatkan dari nilai over desain tertinggi, atau nilai yang paling optimis bahwa pemanasan tersebut bisa tercapai untuk mendapatkan nilai uap n-pentane yang sesuai dengan spesifikasi dari turbin, nilai P dan T superheat tertinggi. Pada nilai optimal maka nilai Q yang didapatkan adalah 272,39 kw. Berdasarkan nilai di atas, selanjutnya dilakukan perhitungan heat-mass balance pada laju alir brine optimal untuk mendapatkan berapa output dari siklus menggunakan software EES (Gambar 5). Nilai parameter evaporator disajikan pada Tabel 3b. Nilai output yang bisa dihasilkan setelah terjadi penurunan sumber panas adalah Wtur = 28,15 kw, jika diasumsikan efisiensi generator 97% maka output listrik yang bisa dihasilkan adalah 27,31 kw. Untuk memverifikasi hasil dari perhitungan simulasi, dilakukan pengukuran pada pilot plant PLTP biner Dieng. Pengukuran dilakukan pada titik-titik perpindahan dalam setiap komponen, terutama pada heat exchanger. Gambar 5. Simulasi heat-mass balance pada laju alir n-pentane 0,9 kg/s dengan parameter input brine mengalami penurunan 76

9 Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng Tabel 4. Hasil pengukuran aktual dan simulasi desain pada pilot plant PLTP Biner Dieng Pembacaan dan penyimpanan sinyal dari thermocouple dan pressure transmitter menggunakan Graphtec GL7000 data recorder. Hasil pengujian disajikan pada Tabel 4. Terlihat bahwa nilai parameter yang didapatkan berbeda dari hasil simulasi diatas (angka merah tebal). Pada nilai pembagian laju alir input brine antara preheater dan evaporator, didapatkan pada simulasi dengan laju alir input preheater 2,48 kg/s sudah didapatkan nilai output temperatur n-pentane 100 o C atau mendekati titik saturasi. Sedangkan pada aktual didapatkan bahwa dengan laju input brine 6,1 kg/s hanya mampu memanasi n-pentane sampai suhu 87C. Jika laju input preheater dinaikkan terus maka akan mengurangi laju brine ke evaporator. Konfigurasi pembukaan valve brine preheat (CV1) : valve brine evaporator (CV2) diatas yaitu 6,1 : 7,2 adalah nilai optimal dari pengujian. Perbedaan parameter kedua adalah pada nilai laju alir n-pentane, pengukuran pada aktual operasi, laju alir n-pentane tercatat 0,5 kg/s, sedangkan pada simulasi 0,9 kg/s. Jika dilihat dari kalor yang diterima oleh n-pentane maka didapatkan bahwa hasil dari aktual lebih kecil dari nilai simulasi, sebagaimana ditampilkan pada Tabel 5. Perhitungan kalor n-pentane pada fasa liquid menggunakan persamaan (12), untuk fasa saturasi dan superheat menggunakan persamaan (13), sedangkan nilai Q total yang diterima oleh n-pentane menggunakan persamaan (14). Nilai Cp n-pentane dan enthalpi pada suatu titik ditentukan dari software NIST Refprop. 77

10 Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : Tabel 5. Perbandingan nilai kalor perpindahan panas pada simulasi desain dan aktual operasi Aktual Simulasi desain m Pentane (kg/s) tekanan (bar) 6 6 m ph Brine (kg/s) Qph (kw) dt (.C) 28 --> 87 30,7 --> 100 m ev Brine (kg/s) Qev (liq) (kw) dt (.C) 87 --> Qev (sat+sh) (kw) dt (.C) > > 103 Qhe (kw) jauh dibawah nilai tekanan kerja aman 15 bar pada grafik Silica Saturation Index dari fluida panas bumi dieng, tersaji pada Gambar 6. Faktor utama yang mempengaruhi perbedaan nilai aktual dan simulasi tersebut adalah aliran brine yang berupa dua fasa berbeda. Pada output brine preheater tekanan terukur 1 bar (0 barg) dan temperatur adalah 104 o C, jika dimasukkan dalam tabel properties untuk air, maka didapatkan bahwa fasanya adalah dua fasa, yaitu fasa uap dan air. Penurunan nilai tekanan output brine ini menunjukkan bahwa di dalam preheater terjadi penurunan tekanan (pressure drop) yang signifikan, sehingga kalor yang bisa diserap jauh lebih sedikit. Pada Incropera dkk (2007), disebutkan, bahwa koefisien perpindahan panas pada aliran 2 fasa lebih kecil dibandingkan dengan aliran cair penuh pada laju alir yang sama dan temperatur yang sama. Berdasarkan hasil analisis di lapangan, beberapa faktor yang diduga mempengaruhi hal tersebut adalah telah terjadi penebalan akibat silica scaling pada tube preheater, hal ini disebabkan oleh tekanan kerja dari sistem PLTP Biner Dieng Gambar 6. Silica Saturation Index (SSI) fluida geothermal Dieng [11]. Scalling mengakibatkan nilai fouling factor HE menjadi besar. Walaupun belum dilakukan pengamatan secara langsung terhadap pipa-pipa di dalam HE, akan tetapi jika dilihat dari pipa outlet brine menuju atmospheric flash tank (AFT) (Gambar 7), terlihat jelas adanya proses silica scaling yang melekat di dinding pipa dengan tebal sekitar 1,5 cm. 78

11 Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng Gambar 7. Silica Scaling yang terjadi di pipa outlet menuju AFT Faktor lain penyebab terjadi perbedaan kalor yang diterima n-pentane dari hasil simulasi dan aktual adalah adanya heat loss pada saluran pipa brine sebelum dan sesudah masuk sistem perpindahan kalor. Hal ini disebabkan karena insulation yang tidak maksimal, pengaruh suhu ambient/lingkungan serta kecepatan angin di sekitar saluran pipa. Hasil pengamatan di lapangan menunjukkan bahkan di saluran pipa outlet brine dari preheater dan evaporator sama sekali tidak diisolasi dan suhu ambien rata-rata 20 C. Wen-Lon Cheng dkk (2014) meneliti pengaruh ketebalan insulasi pada pipa geothermal, dan menyimpulkan bahwa semakin tebal insulator akan semakin mengurangi heat loss yang terjadi di saluran pipa [12]. Suhu ambien juga berpengaruh terhadap heat loss, bila suhu lingkungan semakin rendah maka heat loss semakin tinggi [3]. Sedangkan semakin tinggi kecepatan aliran udara disekitar saluran pipa, heat loss dalam pipa juga semakin tinggi [13]. Fenomena heat loss pada pipa brine terekam dalam data percobaan dimana suhu lingkungan rata-rata tercatat sebesar 20 o C, sedangkan suhu permukaan insulasi pipa tercatat 38 o C. Hal ini menunjukkan adanya panas yang terbuang ke lingkungan. Jika nilai aktual dari pengujian dimasukkan ke dalam siklus termodinamika dan dibandingkan dengan hasil dari simulasi, maka didapatkan bahwa terjadi pergeseran titik-titik termodinamika seperti terlihat Gambar 8. Terlihat bahwa titik 6, awal kerja evaporator bergeser kebawah ke temperatur 87 o C (titik 6), hal ini mengakibatkan penurunan kinerja heat exchanger sebagaimana sudah ditunjukkan diatas. Gambar 8. Siklus termodinamika PLTP biner Dieng pada kondisi penurunansumber panas, Simulasi Desain vs aktual operasi Pengaruh penurunan kalor yang diterima n-pentane berdasarkan hasil simulasi dan data aktual, (Tabel 3 dan Tabel 4), maka prediksi kerja turbin yang dihasilkan, sesuai persamaan (8) dan (9), disajikan pada Tabel 6. 79

12 Ketenagalistrikan dan Energi Terbarukan Vol. 15 No. 2 Desember 2016 : Tabel 6. Kerja turbin yang bisa dibangkitkan Simulasi Desain Aktual Operasi Q.Heat Exchang kw kw m. n-pentane 0.9 kg/s 0.5 kg/s h1 (in turbin) kj/kg kj/kg h2 (out turbin) kj/kg kj/kg P turbin kw kw Asumsi efisiensi turbin = 0.6 Perbedaan kapasitas turbin pada Tabel 6, terutama disebabkan nilai laju alir n- pentane yang didapatkan antara simulasi dan aktual jauh berbeda. Penurunan laju alir pada kondisi aktual disebabkan oleh kurangnya kemampuan peralatan heat exchanger dalam melakukan perpindahan panas dari sumber ke fluida n-pentane, hal ini dikonfirmasi dengan analisis heat exchanger di atas. Kalor yang diserap turbin di simulasi (Q sim ) sebesar kw, sedangkan pada aktual (Q ak ) hanya sebesar kw. Akibatnya terjadi penurunan nilai enthalpi uap n-pentane masuk turbin yang tergantung dari sumber panas yang ada dan kinerja sistem heat exchanger. KESIMPULAN Pembangkitan listrik dari sumber panas enthalpy rendah sangat tergantung dari ketersediaan sumber panas. Kasus yang terjadi adalah terjadi penurunan nilai properties tekanan dan temperatur sumber panas air sisa pemisahan uap pada separator. Hasil optimasi simulasi didapatkan fakta bahwa peralatan heat exchanger yang ada mengalami over desain yaitu 142% pada preheat dan 49% pada evaporator. Nilai laju alir n-pentane optimal adalah 0,9 kg/s dengan tekanan kerja 6 bar. Nilai kalor yang bisa diserap oleh n-pentane pada heat exchanger adalah 419,51 kw dan kerja turbin yang bisa dihasilkan adalah 28,15 kw. Pada pengujian aktual kinerja heat exchanger PLTP biner Dieng, didapatkan bahwa nilai optimal laju n-pentane adalah 0,5 kg/s, kalor perpindahan panas sebesar 255,39 kw, tekanan kerja 6 bar dan kerja turbin yang bisa dihasilkan adalah 12,31 kw. Rendahnya nilai parameter pada pengujian aktual disebabkan oleh dua hal yaitu 1) heat exchanger bekerja diluar tekanan aman dari silica saturation index, sehingga diprediksi sudah terjadi pengendapan silica pada tube-tube heat exchanger, selanjutnya akan mengakibatkan pressure drop dan nilai fouling faktor besar dengan semakin tebalnya tube 2) terjadi heat loss akibat isolasi yang tidak maksimal pada pipa-pipa inlet dan outlet heat exchanger. UCAPAN TERIMA KASIH Dalam penulisan paper ini penulis menyampaikan terima kasih pada Dr. Yogi Sirodz Gaoz dan Edy Agus Mulyono, ST. atas data desain Heat exchanger PLTP-Biner Dieng. DAFTAR PUSTAKA [1] Direktorat Jendral Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi (2012) Profil Potensi Panas Bumi. Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral: Jakarta. 80

13 Pengaruh Penurunan Karakteristik Sumber Panas Terhadap Kinerja Heat Exchanger di PLTP Biner Dieng [2] Pambudi NA, Itoi R, Jalilinasrabady S, and Jaelani K (2014), Exergy analysis and optimization of Dieng single-flash geothermal power plant. Energy Conversion and Management, 78: p [3] Incropera FP, Dewitt DP, Bergman TL, and Lavine AS, Fundamentals of Heat and Mass Transfer. 6th ed. 2007, United States of America: John Wiley & Sons, Inc. [4] Guo C, Du X, Yang L, and Yang Y (2014), Performance analysis of organic Rankine cycle based on location of heat transfer pinch point in evaporator. Applied Thermal Engineering, 62(1): p [5] Hsieh JC, Lee YR, Guo TR, Liu LW, Cheng PY, and Wang CC (2014), A Coaxial Multi-tube Heat Exchanger Applicable for a Geothermal ORC Power Plant. Energy Procedia, 61: p [6] Li W, Feng X, Yu LJ, and Xu J (2011), Effects of evaporating temperature and internal heat exchanger on organic Rankine cycle. Applied Thermal Engineering, 31(17-18): p [7] Ryms M, Pyś T, and Klugmann- Radziemska E (2014), Adapting the pinch point analysis to improve the ORC design process. International Journal of Energy Research, 38(1): p [8] Nguyen VM, Doherty PS, and Riffat SB (2001), Development of a prototype lowtemperature Rankine cycle electricity generation system. Applied Thermal Engineering, 21(2): p [9] Sharabi M, Ambrosini W, He S, and Jackson JD (2008), Prediction of turbulent convective heat transfer to a fluid at supercritical pressure in square and triangular channels. Annals of Nuclear Energy, 35(6): p [10] Kistler RS, ed. HTRI Design Manual. 2006, Heat Transfer Research, inc.: Texas, USA. [11] S.F. DepartmentO (2007) Technical Report : SSI Indeks of Dieng Geothermal Fluid,P.G. Energy Jakarta. [12] Cheng W-L, Li T-T, Nian Y-L, and Xie K (2014), An Analysis of Insulation of Abandoned Oil Wells Reused for Geothermal Power Generation. Energy Procedia, 61: p [13] Arisma E, Nugroho S, and Prabowo (2015), Studi Numerik Pengaruh Kecepatan Angin terhadap Critical Radius dan Distribusi Temperatur pada Pipa Uap. JURNAL TEKNIK ITS 4(1): p

14 HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN 82