SIMULASI VARIASI TEKANAN INLET DAN POSISI NOZZLE EJECTOR TERHADAP TINGKAT KE-VACUUM-AN PADA STEAM EJECTOR DI PLTP KAMOJANG

Transkripsi

1 SIMULASI VARIASI TEKANAN INLET DAN POSISI NOZZLE EJECTOR TERHADAP TINGKAT KE-VACUUM-AN PADA STEAM EJECTOR DI PLTP KAMOJANG

2 Tesis SIMULASI VARIASI TEKANAN INLET DAN POSISI NOZZLE EJECTOR TERHADAP TINGKAT KE- VACUUM-AN PADA STEAM EJECTOR DI PLTP KAMOJANG dipresentasikan oleh: Dian Safarudin Nrp : Surabaya, 01 Agustus 2011 PROGRAM MAGISTER BIDANG KEAHLIAN REKAYASA KONVERSI ENERGI JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOVEMBER SURABAYA PENDAHULUAN Latar Belakang Penelitian 1. Pembangkitan Listrik Tenaga Panas Bumi merupakan Sumber Energi Terbarukan. 2. Uap dari lapangan panas bumi, mengandung non-cndensable gas (NCG), yang mempengaruhi performa unit pembangkitan. 3. Panduan operasional Ejector dari pabrik pembuatnya: - Bekerja pada kondisi Tekanan inlet nozzle tertentu. - Tidak terdapat kurva kondisi operasional 65% duty - Tidak ditunjukan tekanan outlet yang dapat dicapai. 2 Lapangan Panas Bumi Kamojang Lapangan panas bumi kamojang tahaun 2000 Terdiri dari KMJ I - III 3 ilustrasi pembangkitan listrik tenaga panas bumi steam turbine elect. generator set sparator elect. distribution net cooling tower condensor steam production well

3 re-injection well 4 diagram pemipaan dan peralatan umum sebuah PLTP FLOW DIAGRAM PLTP DARAJAT steam ejector-perangkat sistem ekstrasi NCG, objek penelitian 5 PLTP Kamojang Umit IV 6 kurva panduan operasional ejector - NASH 7 PENDAHULUAN Rumusan Permasalahan yang akan Diteliti 1. Perubahan beban suction ejector terhadap kebutuhan steam oleh nozzle ejector dan tekanan outlet ejector yang terjadi 2. Perubahan tekanan masuk steam pada nozzle ejector, terhadap tingkat ke-vacuum-an bagian suction dan tekanan outlet ejector yang dapat dicapai 3. Perubahan posisi keluaran nozzle ejector, terhadap tingkat ke-vacuum-an bagian suction dan tekanan outlet ejector PERMASALAHAN-PERMASALAHN TERSEBUT, AKAN DITELITI MENGGUNAKAN SIMULASI SOFWARE CFD, FLUENT6.3 8 PENDAHULUAN

4 Batasan Permasalahan yang akan Diteliti Fluida NCG beban di kondensor diasumsikan sebagai Gas CO2 Objek penelitian hanya pada steam ejector 65% duty Aliran dalam ejector dianggap tunak Performa ejector objek penelitian, dianggap sesuai desain pabrik, yaitu mampu mengekstrasi 65% beban di kondensor Kandungan NCG dalam steam yang memasuki nozzle, diabaikan Tekanan Outlet ejector selalu dikondisikan oleh sistem ekstrasi gas tahap kedua Tingkat keadaan steam di inlet nozzle ejector, dianggap saturated vapor. Tidak ada reaksi kimia selama pencampuran steam dan Gas CO2 di dalam ejector Desain C-D nozzle tertentu, dengan desain normal shock pada aliran di dalam C-D nozzle, tidak terjadi. 9 PENDAHULUAN Tujuan Penelitian 1.Menganalisis simulasi perubahan beban suction ejector, terhadap tekanan outlet ejector yang dapat dicapai 2.Menganalisis hasil simulasi perubahan beban suction ejector, terhadap tekanan inlet nozzle yang diperlukan untuk menghasilkan tekanan outlet tertentu 3.Menganalisis variasi tekanan inlet nozzle ejector terhadap tingkat ke-vacuum-an suction ejector yang dicapai 4.Mensimulasikan perubahan posisi nozzle, pengaruhnya terhadap tingkat ke-vacuuman suction dan tekanan outlet ejector 10 PENDAHULUAN Keutamaan dan Kontribusi Penelitian Penelitian yang akan dilakukan, diharapkan dapat menarik minat peneliti lain, untuk melakukan penelitian terhadap performa steam ejector ataupun peningkatan performa unit pembangkitan listrik tenaga panas bumi, pada umumnya. Diharapkan dapat menjadi bahan masukan bagi PLTP Kamojang Unit IV, untuk pengembangan unit pembangkitannya 11

5 Sistem Ekstrasi Non-Condensable Gas di PLTP Kamojang Unit IV Steam ejector 65% duty, objek penelitian 12 Steam Ejector 65% duty, perangkat sistem ekstraksi NCG di PLTP Kamojang Unit IV Ejector 65% duty, objek penelitian 13 Prinsip Kerja Steam Jet Vacuum Ejector 14 Persamaan Dasar Aliran dalam Ejecor Gas Ideal p = RT ρ Model Aliran Kompresible ρ= p abst R T Mw M V c Teori Hubungan Dinamika Gas T0 γ 1 2 = 1 + M T 2 γ p 0 γ 1 2 γ 1 = 1 + M p 2 ρ0 γ 1 2 = 1 + M 2 ρ 1 γ 1

6 15 Pemodelan CFD dengan Software Fluent Versi 6.3 CFD merupakan pendekatan terhadap persoalan yang asalnya kontinum (memiliki sel tak hingga), menjadi model yang diskrit (jumlah sel terhingga) Persamaan Differentia-Partial Pembangun dan Kondisi Batas Deskretisasi Sistem Persamaan Aljabar Pemecah Persamaan Hasil pendekatan Tahapan penggunaan simulasi CFD dengan Fluent 6.3 : 1. Preprocessing - Pembuatan model benda uji - Pembagian volume / bidang benda uji menjadi sel-sel, dengan meshing 2. Solving - Pendefinisian model fisik: persamaan gerak, energy, turbulent, dsb - Pendefinisian kodisi batas - persamaan matematika yang sdh dipilih, diselesaikan secara iteratif 3. Posprocessing merupakan tahapan terahir. Yaitu mengorganisir dan interpretasi data hasil simulasi, 16 menjadi berupa gambar, kurva, animasi Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan 1. Mawardi (1998), dalam final report di Geothermal Institute Analisis perhitungan ekonomis pemilihan perangkat sistem extrasi NCG 2. Satha Aphornratana (2003), dalam Journal of Applied Thermal Engineering Studi experiment pada ejector refrigerator. Variasi temperatur steam penggerak ejector dan posisi nozzle. 3. Somsak Watanawanavet (2005), dalam program magister-nya Analitis simulasi CFD fluent, optimalisasi ejector penelitian Holtzapple (2001) 4. K. Piantong (2007), dalam Journal of Energy Conversion and Management Simulasi CFD fluent, pada model CMA dan CPM ejector, untuk mengetahui fenomena aliran dan performa ejector 5. Chaqing Liao (2008), dalam desertasi program Doctor of Philosofhy menyusun model analitik 1-D untuk desain dan analisis performa gas ejector 6. B.J. Huang (1998), dalam Industrial Journal of Refrigeration, menyusun model analitik 1-D untuk desain dan analisis performa gas ejector 17

7 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Hasil penelitian Mawardi (1998) 1. Setiap Penambahan 1% Kandungan NCG dalam Steam: - Potensi uap berkurang sekitar 0.5% - Konsumsi uap dan/atau daya listrik oleh sistem ekstrasi NCG, meningkat 0.8%-3.2% 2. Pada sistem ekstrasi NCG, centrifugal compressor menghasilkan net output power plant, terbesar. Diikuti hybrid sistem (ejector-lrvp), dan kemudian steam jet ejector. 3. Sensitivity analysis biaya perawatan-operasional, pada NCG < 2%, - Hybrid sistem (ejector-lrvp) lebih menguntungkan. - Penggunaan steam jet ejector, efektif pada kandungan NCG di bawah 0.3%. 18 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Ejector, objek penelitian Satha Aphornratana (2003) Pengaruh Variasi NXP dan temperatur fluida primer Yang memasuki nozzle, terhadap COP daur refrigerasi. COP = heat yang diserap evaporator heat input pada boiler COP akan besar pada laju alir panas diserap evaporator nilainya besar, yaitu pada temperatur evaporator rendah. Dapat diartikan sebanding dengan ke-vacuum-an suction. 19 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Hasil penelitian Satha Aphornratana (2003) Variasi tekanan Condensor dan Temperatur Boiler (inlet nozzle) terhada COP daur, pada Te= 10C 20

8 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Hasil penelitian Satha Aphornratana (2003) Variasi tekanan Condensor dan NXP terhada COP daur, pada Te= 5C 21 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Hasil penelitian Watanawanavet (2005) 22 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Meshing 2D & 3D objek penelitian K. Piantong (2007) Simulasi menggunakan model aliran 2D-axisymmetric. Hasil simulasi model ejector tersebut, identik dengan hasil model aliran 3D 23 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Hasil penelitian K Piantong (2007) Variasi tekanan Condensor dan Temperatur Boiler terhada EM, pada CMA & CPM ejector Variasi tekanan kondensor dan Temperatur evaporator trhadap EM, pada CMA & CPM ejector. 24 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Hasil penelitian K. Piantong (2007) Variasi NXP & Temperatur Boiler terhada EM, pada CMA & CPM ejector Variasi NXP dan Temperatur evaporator trhadap EM, pada CMA & CPM ejector. 25

9 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Hasil penelitian Chaqing Liao (2008) 26 Penelitian-Penelitian yang Pernah Dilakukan Skema dan objek penelitian BJ Huang (2008) Menyusun persamaan analisis 1D untuk mengetahui performa ejector. Verifikasi trhadap hasil eksperimen pada 11 ejector, diperoleh nilai effisiensi aliran beberapa bagian: Effisiensi nozle, ηn =0.95 Effisiensi suction, ηs =0.85 Effisiensi mixing chamb., ηp =0.88 Dengan error yang dapat diterima ±10% 27 Geometri Steam Ejector Objek Penelitian 28 Pemodelan dengan Software CFD, Fluent Versi Pre-Processing Pembuatan Objek Penelitian supaya dapat disimulasikan software fluent - Pembuatan gambar meshing benda - Penentuan kondisi batas setiap bidang garis benda uji - Disimpan dalam data digital format meshing (*.msh) 2. Solving Program inti pencari solusi - meng akses gambar objek penelitian - input model aliran - input data nilai kondisi batas - iterasi penghitungan persamaan model aliran yang dipilih 3. Postprocessing Menginterpretasikan hasil simulasi, dalam bentuk nilai, kontur, grafik, dan animasi 29 Pemodelan dengan Software CFD, Fluent Versi Pre-Processing Domain Ejector objek penelitian, yang menggunakan model axisymmetric

10 30 Pemodelan dengan Software CFD, Fluent Versi Pre-Processing Gambar meshing objek penelitian Objek penelitian digambar menggunakan software GAMBIT Pilih solver fluent 5/6 pada menu solver software gambit. Gambar 2D Ejector objek penelitian. Gambar dibuat symetry-nya saja, Untuk aplikasi 2D-axisymmetric fluent. Meshing dengan elemen meshing bidang Quad type Map Tentukan Batas Kondisi aliran, tiap garis yang mewakili bidang Simpan dalam file format (*.msh) 31 Pemodelan denan Software CFD, Fluent Versi Solving Pilihan model aliran dalam penelitian Memodelkan kondisi hisapan / transfer aliran untuk material yang berbeda 32 Rencana Variasi pada Simulasi yang akan Dilakukan 1. Variasi kondisi operasional ejector 33 Rencana Variasi pada Simulasi yang akan Dilakukan 2. Variasi nozzle exit position - NXP 34

11 Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek Penelitian 35 Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek Penelitian 36 Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek Penelitian Kontur tekanan statik 37 Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek Penelitian Kontur Mach number 38 Studi Awal Simulasi - CFD pada Ejector Objek Penelitian Grafik distribusi tekanan sepanjang garis tengah ejector 39

12 Komparasi data lapangan VS hasil simulasi Fluent Data lapangan Simulasi Fluent Commisioning Aktual Commisioning Aktual Mass flow inlet nozzle (kg/s) Mass flow inlet suction (kg/s) (1.2852)* 1.143(0.7431)* kg/s kg/s 11,4Bara = pag pag pag Mass flow outlet ejector Tekanan statik inlet nozzle

13 11Bara = pag Tekanan statik suction ejector 0,16Bara = pag 0,11Bara = pag pag pag Tekanan statik outlet ejector Min pag Min pag pag pag *) Beban NCG di kondensor (mass flow rate suction) mass flow suction = asumsi 65% kapasitas beban condensor 40 HASIL DAN BAHASAN SIMULASI ALIRAN PADA STEAM JET EJECTOR VARIASI TEKANAN INLET DAN POSISI NOZZLE EJECTOR 41 HASIL DAN BAHASAN Fenomena Aliran pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle pembentukan inti aliran keluaran nozzle Posisi di dalam ejector (mm)

14 Suction Inlet nozzle Outlet ejector Suction 9 Barg 10.4 Barg 12.5 Barg 15 Barg semakin tinggi tekanan inlet nozzle, semakin besar inti aliran keluaran nozzle 42 HASIL DAN BAHASAN Fenomena Aliran pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle Tekanan mixing dan fenomena shocking Posisi di dalam ejector (mm) Suction Outlet ejector Inlet nozzle

15 Suction p1 = 9 Barg shock p1 = 10.4 Barg shock p1 = 12.5 Barg shock p1 = 15 Barg shock Pada tekanan inlet nozzle yang lebih tinggi, pencampuran fluida di throat 43 terjadi pada tekanan yang lebih tinggi. Aliran lebih tahan hambatan, sehingga shock aliran terjadi terlambat. HASIL DAN BAHASAN Fenomena Aliran pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle Tekanan Aliran saat mixing terhadap hasil shocking Suction Distribusi Tekanan Sepanjang Axis Ejector pada Variasi Tekanan Inlet Nozzle 0.7 Outlet ejector Tekanan Statik (Bara) Inlet nozzle 0.6 P2 = 0.11 Bara p1=9 Barg p1=10.4barg 0.2 p1=12.5barg p1=15barg

16 Posisi di dalam ejector (mm) Walaupun shocking terjadi terlambat, momentum aliran yang dimiliki lebih44 besar, sehingga menghasilkan kenaikan tekanan setelah shock yang lebih tinggi. HASIL DAN BAHASAN Pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap Tekanan Outlet Ejector Dan Laju aliran massa dari Suction Perbandingan hasil simulasi pada tiap variasi, Dilakuakn pada kondisi aliran mencapai CBP masingmasing 1.08 Laju Alir Massa Suction (kg/s) tiap satu variasi tekanan inlet Nozzle, dilakukan variasi dengan Input tekanan outlet yang beda. Laju Alir Massa Suction Fungsi Tekanan Outlet Ejector p1=9 Barg p1 = 10.4 Barg p1 = 12.5 Barg p1 = 15 Barg tiap kondisi operasional dengan tekanan inlet nozzle yang berbeda, memiliki nilai CBP tersendiri. Semakin tinggi tekanan inlet nozzle, CBP semakintinggi Tekanan Outlet Ejector (Bara) 45

17 HASIL DAN BAHASAN Pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap Tekanan kritis di outlet ejector, CBP Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap CBP Outlet Ejector CBP Outlet Ejector (Bara) , , , p2 = 0.11 Bara , Tekanan Inlet Nozzle (Barg) 46 Semakin tinggi tekanan inlet nozzle, CBP yang terjadi semakintinggi. HASIL DAN BAHASAN Pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap Laju aliran massa dari suction Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap Laju Aliran Massa di Suctio Ejector Laju Alir Massa Suction (kg/s) , ,

18 15, p suction = 0.11 Bara, pada Titik CBP , Tekanan Inlet Nozzle (Barg) tekanan inlet nozzle naik, laju aliran massa suction semakin besar. Pada p1 di atas 12.5 Barg, kapasitas hisap menurun. Hal ini 47 disebabkan aliran terganggu blockage. HASIL DAN BAHASAN Fenomenan blockage aliran pada tekanan inlet nozzle yang semakin tinggi Annulus untuk laluan gas CO2 menjadi lebih kecil dngan membesarnya inti aliran keluaran nozzle, pengaruh tekanan inlet nozzle yang lebih tinggi. Oleh karenanya, gas CO2 yang masuk48ke MC menjadi lebih sedikit. HASIL DAN BAHASAN Pengaruh Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap Tinkat ke-vacuum-an daerah suction Variasi Tekanan Inlet Nozzle terhadap Tingkat ke-vacuum-an Suction Tekanan Statik Suction (Bara) , p2 = 0.11 Bara, p3 pada CBP , , ,

19 Variasi Tekanan Inlet nozzle (Barg) Kondisi adanya aliran, berarti adanya komponen tekanan dinamis dalam aliran yang identik dengan besarnya aliran. Dengan demikian pada aliran yang semakin besar, diikuti penurunan tekanan statik atau peningkatan 49 tingkat ke-vacuum-an. HASIL DAN BAHASAN Simulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP) Fenomena Aliran Dalam Ejector, pada Variasi Posis Nozzle 1. Pergeseran NXP mengakibatkan penampang anullus mengecil, sehingga aliran gas CO2 lebih sedikit. 2. Keberadaan gas CO2 pada aliran campuran, hanya akan menurunkan momentum aliran steam. Oleh karenanya pada NXP yang positif dengan m2 yang kecil, momentum aliran nya lebih tinggi. 50 HASIL DAN BAHASAN Simulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP) Fenomena Aliran Dalam Ejector, pada Variasi Posis Nozzle Terjadi awal mixing lebih terlambat, sehingga kenaikan tekanan oleh konvergen ejector lebih singkat, menghasilkan tekanan di throat paling rendah, sehingga terjadi shock lebih awal, dengan kondisi kenaikan tekanan setelah shock lebih besar. 51 HASIL DAN BAHASAN Simulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP) Fenomena Aliran pada Variasi Posis Nozzle semakin negatif Pergeseran negatif, menghilangkan pengaruh dinding sehingga aliran dari suction berkecenderungan menuju inti aliran keluaran nozzle. 52 HASIL DAN BAHASAN Simulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP) Fenomena Aliran pada Variasi Posis Nozzle semakin negatif

20 Adanya pengaruh aliran gas CO2 ke inti steam keluaran nozzle, mengakibatkan efek kompresi terhadap steam. Terlihat daerah inti aliran dengan warna biru tua lebih luas pada NXP semakin positif. Kompresi ke inti mengakibatkan momentum aliran steam semakin kecil, 53 sehingga dihasilkan CBP yang kecil. HASIL DAN BAHASAN Simulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP) Hasil simulasi posisi CBP pengaruh variasi NXP Dilakukan simulasi dengan variasi NXP. Setiap NXP melakukan simulasi 54 untuk mencari CBP HASIL DAN BAHASAN Simulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP) Hasil simulasi variasi NXP terhadap tekanan kritis outlet ejector 1. Pada NXP yang semakin positif, CBP semakin Tinggi pengaruh 55 tingginya momentum aliran HASIL DAN BAHASAN Simulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP) Hasil simulasi variasi NXP terhadap laju alir massa suction 1. NXP dengan arah semakin positif dari NXP aktual, kapasitas hisap suction terus menurun menurun. 2. Akan tetapi penurunan kapasitas hisap, terjadi juga pada variasi 56 NXP upstream NXP aktual, NXP -12. HASIL DAN BAHASAN Simulasi pada Variasi Posis Nozzle (NXP) Hasil simulasi variasi NXP terhadap ke-vacuum-an suction Ke-vacuum-an semakin turun, pada variasi NXP semakin positif. 57 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan 1. Pada variasi tekanan inlet nozzle dengan nilai yang lebih tinggi, nilai tekanan kritis outlet ejector, CBP, menjadi naik. Kenaikan tersebut lebih dikarenakan kenaikan momentum aliran, seiring naiknya tekanan inlet nozzle 2. Sampai nilai variasi 12.5 Barg, kapasitas hisap dan ke-vacuum-an suction meningkat. Pada peningkatan lebih lanjut, baik kapsitas hisap maupun kevacuum-an menurun. Hal ini dikarenakan terjadinya blockage aliran. 3. Pada simulasi posisi nozzle, untuk NXP yang semakin positif, kapasitas dan ke-vaccum-an suction menurun. Hal ini dikarenakan semakin sempitnya penampang laluan gas CO, seiring penggeseran nozzle ke convergen nozzle 4. Adapun nilai CBP yang dihasilkan lebih tinggi pada NXP yang lebih positif dari kondisi aktual. Hal ini dikarenakan, pada NXP lebih positif, porsi gas CO2 yang ke hisap sedikit, sehingga momentum alira campuran lebih besar. 5. Pada NXP lebih negati dari NXP aktual, NXP -12, terjadi penurunan kapasitas hisap, disisi lain ke-vacuum-an terus meningkat. Hal ini dikarenakan pada pergeseran negatif, dinding nozzle sebagai pengarah aliran akan semakin pendek, bahkan hilang pada NXP -12. Dengan demkian ada porsi gas CO2 58 yang mengalir ke arah inti dan menekan inti aliran keluaran nozzle. KESIMPULAN DAN SARAN Saran A. Saran Khusus Dipertimbangkan penelitian lebih lanjut, khususnya di daera tekanan inlet nozzle sampai 15 Barg. Sehingga diperoleh kondisi optimum. Dilakukan penelitian lanjutan, dengan simulasi CFD, mengacu data kandungan NCG, sehingga dihasilkan kurva operasional 65% duty. B. Saran Khusus Ditujukan sebagai masukan ke PLTP Kamojang Unit IV, untuk mempertimbangkan kondisi operasional ejector, dengan tekanan inlet nozzle sampai 12,5 Barg.

21 Masukan untuk memanfaatkan liquid ejector, sebagai penghisap NCG, yang bersamaan dengan proses re-injection reservoir. Dengan demikian NCG dialirkan kembali ke reservoir panas bumi Aliran pada Convergen-Divergen Nozzle Laju aliran massa max pada nozzle mp = At p0 p T0 p γp 2 R p γ p + 1 γ p +1 γ p 1 ηn Pressure ratio tekanan outlet terhadap tekanan stagnasi inletγ Perbandingan penampang outlet terhadap penampang throat nozzle Ae 1 γ p 1 = At M e 2 γ p +1 γ p 1 pe 1 1 = 1 + p0 ηn γ p 1 2 η n M e p γ p 1 = f1 (γ p, M e, η n ) ( γ p +1) 2 (γ p 1) ηn γ 1 η n 1 + p M e

22