KALKULASI EFISIENSI DAYA MESIN PLTGU DENGAN POLA OPERASI 2-2-1 DAN 3-3-1 PT. INDONESIA POWER UNIT PEMBANGKITAN SEMARANG SKRIPSI Untuk memenuhi persyaratan Mencapai derajat Sarjana S-1 Teknik Mesin diajukan oleh Dede Mavendra NIM : 105214011 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2016 i
CALCULATE EFFICIENCY POWER MACHINE WITH PATTERN OPERATIONS PLTGU 2-2-1 AND 3-3-1 PT. INDONESIA POWER GENERATION UNIT SEMARANG FINAL PROJECT A requirement to obtain Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering Presented by Dede Mavendra NIM : 105214011 MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA 2016 ii
Abstrak Tujuan yang diangkat dalam penelitian ini yaitu : a. Menghitung efisiensi energi pada sistem pembangkit listrik PLTGU Tambak Lorok; b. Menghitung efisiensi Gas Turbin Generator (GTG); c. Menghitung efisiensi Heat Recovery Steam Generator (HRSG); d. Menghitung efisiensi Steam Turbin Generator (STG). Parameter dalam penelitian ini adalah kondisi beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW. Variabel bebas adalah pola kerja mesin pembangkit listrik, yakni a. 2-2-1 (2GTG-2HRSG-1STG); b. 3-3-1 (3GTG-3HRSG-1STG). Variabel terikat adalah laju aliran, tekanan, temperature pada pada pembangkit listrik PLTGU, GTG, HRSG, STG. Analisa data dilakukan dengan cara membandingkan antara efisiensi simple cycle pada saat combined dan efisiensi combined cycle dengan beberapa pembebanan dan pola operasi PLTGU. Hasil penelitian pada efisiensi PLTGU blok 1 dengan pola operasional 2-2-1 : a. Analisis Efisiensi PLTGU Pada Blok 1 Dengan Pola Operasional 2-2-1 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 42,90% - 44,35%; b. Analisis efisiensi Gas Turbin Generator 1 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 25,04% - 27,29%. Nilai efisiensi sistem Gas Turbin Generator 2 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 35,31% - 37,76%; c. Analisis efisiensi Heat Recovery Steam Generator 1 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 67,49% - 74,73%. Nilai efisiensi Heat Recovery Steam Generator 2 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 60,48% - 71,37%; d. Analisis efisiensi Steam Turbin Generator pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar antara 54,66% - 57,24%. Hasil penelitian pada Pada penelitian efisiensi PLTGU blok 2 dengan pola Operasi 3-3-1 : a. Analisis efisiensi PLTGU Pada blok 2 dengan pola operasi 3-3- 1 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 38,16% - 40,56%; b. Analisis efisiensi Gas Turbin Generator 1 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW sebesar 94%. Nilai efisiensi Gas Turbin Generator 2 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 92,19% - 94,13%. Nilai Gas Turbin Generator 3 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 93,73% - 94,83%; c. Analisis efisiensi Heat Recovery Steam turbin 1 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 63,83% - 70,94%. Nilai efisiensi Heat Recovery Steam Generator 2 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 65,62% - 69,84%. Nilai efisiensi Heat Recovery Steam Generator 3 pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW berkisar 64,43% -73,59%; d. Analisis efisiensi Steam Turbin Generator pada beban 70 MW, 80 MW, 90 MW dan 100 MW sebesar 62%. Kata Kunci : efesiensi, GTG, HRSG, STG, PLTGU. vi
Abstract Objective raised in this study are: a. Calculating the energy efficiency of the power generation system PLTGU Tambak Lorok; b. Calculating the efficiency of Gas Turbine Generator (GTG); c. Calculating the efficiency of Heat Recovery Steam Generator (HRSG); d. Calculating the efficiency of Steam Turbine Generator (STG). The parameters in this study is 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW. The independent variable was the work patterns of engine power, namely a. 2-2-1 (2GTG-2HRSG-1STG); b. 3-3-1 (3GTG-3HRSG-1STG). The dependent variable is the rate of flow, pressure, temperature in the PLTGU power plant, GTG, HRSG, STG. Data analysis is done by comparing the simple cycle efficiency when combined and efficiency combined cycle with several loading and patterns of power plant operation. The results of the study on the efficiency of power plant operational pattern blocks 1 with 2-2-1: a. Efficiency Analysis of Combined Cycle Power Plant Block 1 With Pattern On Operational 2-2-1 on a load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 42.90% - 44.35%; b. Analysis of the efficiency of Gas Turbine Generator 1 at the load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 25.04% - 27.29%. Value system efficiency Gas Turbine Generator 2 on a load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 35.31% - 37.76%; c. Analysis of the efficiency of Heat Recovery Steam Generator 1 at a load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 67.49% - 74.73%. The efficiency value Heat Recovery Steam Generator 2 on a load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 60.48% - 71.37%; d. Analysis of Steam Turbine Generator efficiency at load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging between 54.66% - 57.24%. Results of research on research efficiency power plant block 2 with a 3-3-1 Operation pattern: a. Analysis of efficiency PLTGU In block 2 with a pattern of 3-3-1 operations in the load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 38.16% - 40.56%; b. Analysis of the efficiency of Gas Turbine Generator 1 at the load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW by 94%. Rated efficiency Gas Turbine Generator 2 on a load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 92.19% - 94.13%. Value Gas Turbine Generator 3 at the load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 93.73% - 94.83%; c. Analysis of the efficiency of Heat Recovery Steam turbine 1 at the load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 63.83% - 70.94%. The efficiency value Heat Recovery Steam Generator 2 on a load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 65.62% - 69.84%. The efficiency value Heat Recovery Steam Generator 3 at the load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW ranging from 64.43% -73.59%; d. Analysis of Steam Turbine Generator efficiency at load of 70 MW, 80 MW, 90 MW and 100 MW by 62%. Keywords: efficiency, GTG, HRSG, STG, PLTGU. vii
DAFTAR ISI HALAMAN SAMPUL... i HALAMAN JUDUL... ii HALAMAN PENGESAHAN... iii HALAMAN PERSETUJUAN... iv HALAMAN PERNYATAAN... v ABSTRAK... vi ABSTRACT... vii HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI... viii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... xi DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv DAFTAR LAMPIRAN... xvii DAFTAR SINGKATAN DAN SIMBOL... xviii BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Rumusan Masalah... 2 1.3. Batasan Masalah... 2 1.4. Tujuan Penelitian... 3 1.5. Manfaat Penelitian... 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI... 4 2.1. Tinjauan Pustaka... 4 2.2. Konsep Energi... 6 2.2.1. Definisi Energi... 6 2.2.2. Bentuk-bentuk Energi... 6 2.3. Konsep Dasar Termodinamika... 9 2.3.1. Definisi dan Aplikasi Termodinamika... 9 2.3.2. Hukum Pertama Termodinamika... 11 2.3.3. Hukum Kedua Termodinamika... 13 xi
2.4. Siklus-siklus pada Mesin PLTGU... 14 2.4.1. Siklus Bryaton... 15 2.4.2. Siklus Rankine... 16 2.5. Komponen Mesin PLTGU... 18 2.5.1. Gas Turbin Generator... 18 2.5.2. Heat Recovery Steam Generator... 22 2.5.3. Steam Tubin Generator... 24 2.6. Efisiensi Mesin PLTGU... 27 BAB III METODE PENELITIAN... 28 3.1. Alur Penelitian... 28 3.2. Variabel Penetian... 34 3.3. Pengambilan Data... 39 3.4. Analisis Data... 40 3.5. Tempat dan Jadwal Penelitian... 40 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 41 4.1. Analisis Efisiensi PLTGU Pada Blok 1 Dengan Pola Operasi 2-2-1... 41 4.1.1. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Kompresor 1 dan Kompresor 2... 42 4.1.2. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Ruang Bakar 1 dan Ruang Bakar 2... 43 4.1.3. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Turbin Gas 1 dan Turbin Gas 2... 44 4.1.4. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Gas Turbin Generator 1 dan Gas Turbin Generator 2... 45 4.1.5. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Heat Recovery Steam Generator 1 dan Heat Recovery Steam Generator 2... 47 4.1.6. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Pompa HP Transfer 1 dan Pompa HP Transfer 2... 48 xii
4.1.7. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Turbin Uap... 49 4.1.8. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Kondensor... 50 4.1.9. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Pompa Kondensat... 50 4.1.10. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi PLTGU... 51 4.2. Analisis Efisiensi PLTGU Pada Blok 1 Dengan Pola Operasi 3-3-1... 52 4.2.1. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Kompresor 1, Kompresor 2, dan Kompresor 3... 52 4.2.2. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Ruang Bakar 1, Ruang Bakar 2, dan Ruang Bakar 3... 54 4.2.3. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Turbin Gas 1, Turbin Gas 2, dan Turbin Gas 3... 56 4.2.4. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Gas Turbin Generator 1, Gas Turbin Generator 2, dan Gas Turbin Generator 3... 57 4.2.5. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Heat Recovery Steam Generator 1, Heat Recovery Steam Generator 2, dan Heat Recovery Steam Generator 3... 58 4.2.6. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Pompa HP Transfer 1, Pompa HP Transfer 2, dan Pompa HP Transfer 3... 59 4.2.7. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Turbin Uap... 61 4.2.8. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Kondensor... 61 4.2.9. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi Pompa Kondensat... 62 4.2.10. Pengaruh Variasi Beban Terhadap Nilai Efisiensi PLTGU... 68 xiii
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 69 5.1. Kesimpulan... 69 5.2. Saran... 70 DAFTAR PUSTAKA... 71 LAMPIRAN... 72 xiv
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Tabel Variabel Terkait pada Penelitian... 38 xiii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Diagram Kesetimbangan Energi... 12 Gambar 2.2 Skematik diagram P-V dan T-s siklus Brayton pada sistem PLTG... 15 Gambar 2.3 Skematik diagram T-S siklus Rankine pada sistem PLTU... 16 Gambar 2.4 Skematik diagram P-V siklus Rankine pada sistem PLTU... 16 Gambar 2.5 Skematik Kompresor... 19 Gambar 2.6 Skematik Ruang Bakar... 22 Gambar 2.7 Skematik Turbin Gas... 23 Gambar 2.8 Skematik HRSG... 25 Gambar 2.9 Skematik Pompa HP Transfer... 27 Gambar 2.10 Skematik Turbin Uap... 28 Gambar 2.11 Skematik Kondensor... 29 Gambar 2.12 Skematik Pompa Kondensat... 30 Gambar 3.1 Diagram alir Penelitian... 32 Gambar 3.2 Skematik Mesin PLTGU Dengan Pola Operasi 2-2-1... 35 Gambar 3.3 Skematik Mesin PLTGU Dengan Pola Operasi 3-3-1... 36 Gambar 4.1 Grafik Efisiensi Kompresor Terhadap Beban.... 43 Gambar 4.2 Grafik Efisiensi Ruang Bakar Terhadap Beban... 44 Gambar 4.3 Grafik Efisiensi Turbin Gas Terhadap Beban... 46 Gambar 4.4 Grafik Efisiensi Gas Turbin Generator Terhadap Beban... 47 Gambar 4.5 Grafik Efisiensi Heat Recovery Steam Generator Terhadap Beban... 48 Gambar 4.6 Grafik Efisiensi Pompa HP Transfer Terhadap Beban... 49 Gambar 4.7 Grafik Efisiensi Turbin Uap Terhadap Beban... 50 Gambar 4.8 Grafik Efisiensi Kondensor Terhadap Beban... 51 Gambar 4.9 Grafik Efisiensi Pompa Kondensat Terhadap Beban... 52 Gambar 4.10 Grafik Efisiensi Sistem PLTGU Terhadap Beban... 53 Gambar 4.11 Grafik Efisiensi Kompresor Terhadap Beban.... 54 Gambar 4.12 Grafik Efisiensi Ruang Bakar Terhadap Beban... 55 xv
Gambar 4.13 Grafik Efisiensi Turbin Gas Terhadap Beban... 57 Gambar 4.14 Grafik Efisiensi Gas Turbin Generator Terhadap Beban... 58 Gambar 4.15 Grafik Efisiensi Heat Recovery Steam Generator Terhadap Beban... 60 Gambar 4.16 Grafik Efisiensi Pompa HP Transfer Terhadap Beban... 61 Gambar 4.17 Grafik Efisiensi Turbin Uap Terhadap Beban... 62 Gambar 4.18 Grafik Efisiensi Kondensor Terhadap Beban... 63 Gambar 4.19 Grafik Efisiensi Pompa Kondensat Terhadap Beban... 64 Gambar 4.20 Grafik Efisiensi Sistem PLTGU Terhadap Beban... 64 xvi
BAB I PENDAHULUAN. 1.1 Latar Belakang Pada saat ini perkembangan di bidang industri, bidang teknologi dan bidang pembangunan sudah mengalami kemajuan yang sangat pesat. Hal ini sangat berimbas pada naiknya kebutuhan listrik. Dengan melihat perkembangan tersebut, maka perlu adanya suatu peningkatan dalam hal produksi listrik dalam suatu negara. Produksi ini tidak hanya semata-mata menitik beratkan pada kapasitas daya yang mampu dihasilkan, tetapi juga dalam hal teknologi khususnya hal perekayasaan mesin, sistem operasi, serta hal pemeliharaan dalam mempriduksi tenaga listrik tersebut. Di Indonesia sendiri dewasa ini kebutuhan tenaga listrik dari tahun ke tahun terus meningkat. Sejalan dengan peningkatan kebutuhan tenaga listrik tersebut, produksi tenaga listrik juga harus meningkat. Untuk memenuhi kebutuhan tenaga listrik, maka dibangunlah berbagai pembangkit di Indonesia. Salah satu pembangkit listrik itu adalah pembangkit listrik tenaga gas uap (PLTGU). Indonesia Power merupakan Perusahaan pembangkit listrik yang didirikan pada tanggal 3 Oktober 1995 di bawah perusahaan PLN. PLTGU Tambak Lorok Semarang merupakan salah satu unit dari PT. Indonesia Power. PLTGU Tambak Lorok berdiri pada tahun 1996 dan mulai beroperasi pada tahun 1997. PLTGU Tambak Lorok terbagi menjadi 2 blok, masing-masing blok terdiri dari 3 Gas Turbin Generator, 3 Heat Recovery Steam Generator dan 1 Steam Turbin Generator. PLTGU Tambak Lorok 1
2 memiliki total kapasitas terpasang ± 1033,9 MW yang terdiri dari 6 gas turbin generator berdaya 109,65 MW dan 2 steam turbin generator berdaya 188 MW. Kapasitas oprasional saat ini dengan total 900 MW yang terdiri dari 1 gas turbin generator berdaya 100 MW dan 1 steam turbin generatornya berdaya 50% dari 1 gas turbin generator. Berangkat dari permasalahan diatas penulis tertantang untuk menganalisis efisiensi energi di PLTGU PT. Indonesia Power Unit Pembangkit Semarang Berdasarkan perbandingan kapasitas terpasang dengan kapasitas oprasional saat ini. Inilah yang menjadi latar belakang penulis melakukan penelitian ini. 1.2 Rumusan masalah Rumusan masalah yang diangkat dalam penelitian ini yaitu sebagai berikut : a. Cara menghitung efisiensi energi PLTGU Tambak lorok. 1. Gas Turbin Generator (GTG) 2. Heat Recovery Steam Generator (HRSG) 3. Steam Turbin Generator (STG) 1.3 Batasan masalah Untuk mempermudah analisa data mesin maka ada batasan-batasan masalah, yaitu : a. PLTGU menggunakan sumber energi gas alam b. Aliran fluida diasumsikan steady state. c. Udara dan gas hasil pembakaran diasumsikan gas ideal.
3 d. Sistem tertutup e. Energi potensial dan energi kinetik diabaikan 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan yang diangkat dalam penelitian ini yaitu sebagai berikut : a. Mengitung efisiensi energi pada sistem pembangkit listrik b. Menghitung efisiensi Gas Turbin Generator (GTG) c. Menghitung efisiensi Heat Recovery Steam Generator (HRSG) d. Menghitung efisiensi Steam Turbin Generator (STG) 1.5 Manfaat penelitian Manfaat dari hasil analisis penelitian ini yaitu : a. Dapat menambah kasanah ilmu pengetahuan tentang efisiensi PLTGU. b. Hasil penelitian dapat dipergunakan sebagai referensi dalam efisiensi PLTGU. c. Hasil penelitian dapat dipergunakan sebagai acuan bagi para peneliti lain untuk dapat mengembangkan PLTGU yang lebih baik dan efisien.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1 Tinjauan Pustaka Pembangkit listrik tambak lorok dengan sistem combined cycle menggunakan bahan bakar natural gas. Tambak Lorok Blok I phase I merupakan Pusat Listrik Tenaga Gas (Simple Cycle) beroperasi sejak tahun 1993 sampai sekarang. Sedangkan Tambak Lorok Blok II phase I dan Blok I phase II merupakan Pusat Listrik Site Kombinasi (Combined Cycle Power Plant) mulai beroperasi tahun 1997. Pusat Listrik Sistem Kombinasi Tambak Lorok Blok II phase I dan Blok I phase II masing-masing berkapasitas 500 MW dan tiap-tiap blok terdiri dari: 1. Tiga Unit Gas Turbin Generator dengan kapasitas 3 x 100 MW 2. Tiga Unit Heat Recovery Steam Generator (HRSG) 3. Satu Unit Steam Turbin Gas (STG) dengan kapasitas 1 x 150 MW Turbin gas tersebut buatan General Electrik (GE) dengan kode MS-9001 E GE. Turbin gas ini langsung memutar generator dengan putaran 3000 rpm dan tegangan keluar 11,5 KV. Beban setiap unit generator dapat diamati di ruang kontrol. Exhaust gas GTG dialirkan ke HRSG melalui Diventer Damper. Panas exhaust gas dari GTG tersebut digunakan menguapkan air di HRSG. Uap tersebut kemudian digunakan untuk memutar STG. Operasi pembangkit ini dapat dilakukan 2 cara yaitu simple cycle dan combined cycle. Simple cycle dalam operasi pembangkit listrik memiliki pengertian 4
5 bahwa pembangkit listrik beroperasi menggunakan 1 jenis pembangkit yaitu mesin PLTG. Exhaust gas hasil pembakaran akan langsung dibuang ke atmosfir tanpa dimanfaatkan kembali. Sedangkan combined cycle dalam operasi pembangkit listrik memiliki pengertian pembangkit listrik beroperasi menggunakan 2 jenis mesin pembangkit listrik yaitu mesin PLTG dan PLTU. Mesin PLTU memperoleh panas pada boiler diperoleh dari exhaust gas dari PLTG, sehingga PLTU tidak mampu beroperasi sendiri tanpa beroperasinya PLTG. PLTGU Tambak Lorok beropeasi sesuai permintaan beban dari P3B (Penyaluran Pengaturan Pusat Beban di Unggaran). Pola Operasi PLTGU Tambak Lorok berdasarkan kondisi beban adalah sebagai berikut. 1. Pada Beban Luar Puncak PLTGU beroperasi dengan pola 2-2-1 yang berarti 2 unit GTG, 2 unit HRSG dan 1 unit STG beroperasi. 2. Pada Waktu Beban Puncak PLTGU beroperasi maksimal dengan pola 3-3-1 yang berarti 3 unit GTG, 3 unit HRSG dan 1 unit STG beroperasi. 3. Pada waktu weekend PLTGU beroperasi dengan beban minimal 1-1-1 yang berarti 1 unit GTG, 1 unit HRSG dan 1 unit STG beroperasi. Sehingga PLTGU Tambak Lorok merupakan PLTGU dengan beroperasi secara start-stop setiap hari.
6 2.2 Konsep Energi 2.2.1 Difinisi Energi Energi termal adalah bentuk dasar dari energi. Artinya, semua bentuk energi dapat dengan sempurna dikonversikan menjadi energi termal. Sebenarnya, semua energi akan dikonversikan dalam bentuk energi termal, kecuali disimpan dalam bentuk yang lain. Pengkorversian energi termal menjadi energi yang lain adalah terbatas hingga suatu harga yang lebih kecil dari 100%. Proses konversi energi di dalam suatu pembangkit memerlukan suatu masukan (input), yang berupa bahan bakar (fuel) dan udara. 2.2.2 Bentuk-Bentuk Energi Energi dapat terwujud dalam berbagai bentuk, yaitu energi kimia, energi panas, energi mekanis, energi listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnetik, energi gaya magnit, dan lain-lain. Suatu media pembawa energi dapat mengandung berbagai bentuk energi tersebut sekaligus, dan jumlah energinya disebut energi total (E). Dalam analisis termodinamika sering digunakan energi total setiap satuan masa media (m), yang disebut sebagai energi per-satuan massa (e) yaitu: E e (2.1) m Berbagai bentuk energi di atas dapat pula dikelompokan menjadi dua bentuk, yaitu energi makroskopik dan energi mikroskopik. Energi makroskopik adalah keberadaan energi ditandai dari posisinya terhadap lingkungannya atau terhadap suatu referensi yang ditentukan. Contoh bentuk energi makroskopik adalah energi
7 kinetik (KE) dan energi potensial (PE). Keberadaan energi mikroskopik ditentukan oleh struktur internal dari zat pembawa energi sendiri dan tidak tergantung kepada lingkungannya, yaitu struktur dan gerakan molekul zat tersebut. Energi mikroskopik ini disebut sebagai energi internal (U). Energi makroskopik berhubungan dengan gerakan masa pembawa energi, dan pengaruh luar seperti gaya gravitasi, pengaruh energi listrik, sifat magnit, dan tegangan pemukaan fluida. Energi kinetis KE adalah energi yang disebabkan oleh gerakan relatif terhadap suatu referensi, dan besarnya adalah: 2 mv KE (2.2) 2 atau dalam bentuk energi per-satuan massa: dengan, 2 V ke (2.3) 2 m satuan massa media pembawa energi V satuan kecepatan gerakan massa. Energi potensial adalah energi yang disebabkan oleh posisi elevasinya dalam medan gravitasi, dan besarnya adalah dengan, PE mgz (2.4) Atau dalam bentuk energi per-satuan massa, pe gz (2.5)
8 g gaya gravitasi z posisi elevasi terhadap suatu referensi. Energi internal meliputi semua jenis energi mikroskopik, yaitu akibat dari struktur dan aktivitas molekul dalam masa yang ditinjau. Struktur molekul adalah jarak antar molekul dan besar gaya tarik antar molekul, sedang aktivitas molekul adalah kecepatan gerak molekul. Energi laten adalah energi yang merubah jarak dan gaya tarik antar molekul, sehingga masa berubah fase antara fase padat atau cair menjadi gas. Energi sensible merubah kecepatan gerak molekul, yang ditandai oleh perubahan temperatur dari masa yang ditinjau. Energi kimia adalah energi internal sebagai akibat dari komposisi kimia suatu zat, yang merupakan energi yang mengikat atom dalam molekul zat tersebut. Perubahan struktur atom menyebabkan perubahan energi pengikat atom dalam molekul, sehingga reaksinya dapat melepaskan energi (eksothermis) misalnya dalam reaksi pembakaran, atau memerlukan energi (indothermis). Bentuk energi internal lainnya adalah energi nuklir, yang merupakan energi ikatan antara atom dengan intinya. Dalam bahasan termodinamika efek dari jenis energi makroskopik lain yaitu energi magnetik, dan tegangan permukaan fluida dapat diabaikan, sehingga energi total E dari masa pembawa energi tersebut adalah:
9 E U + KE + PE 2 mv E U + + mgz 2 e u + ke + pe (2.6) atau dalam bentuk energi per-satuan massa, 2 V e u + + gz (2.7) 2 Dalam aplikasi bidang teknik masin atau sistem termodinamika yang ditinjau biasanya tidak bergerak selama proses berlangsung, sehingga perubahan energi potensial dan energi kinetisnya sama dengan nol. 2.3 Konsep Dasar Termodinamika 2.3.1 Definisi dan Aplikasi Termodinamika Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi. Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi gelombang elektromagnetik dari matahari, dan di bumi energi tersebut berubah menjadi energi panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai tumbuh-tumbuhan dan banyak
10 proses alam lainnya. Proses di dalam diri manusia juga merupakan proses konversi energi yang kompleks, dari input energi kimia dalam maka akan menjadi energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energi yang sangat bernilai yaitu energi pemikiran. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses termodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya. Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan contoh yang sangat dikenal dari mesin konversi energi, yang merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak atau perpindahan di atas permukaan bumi, bahkan sampai ke luar angkasa. Pabrik-pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh mesin pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energi panas dan kerja. Untuk kenyamanan hidup, dimanfaatkan mesin air conditioning, mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan prinsip dasar thermodinamika. Aplikasi thermodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan termodinamika seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord Kelvin pada abad ke 19. Pengembangan ilmu termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik, yaitu sifat termodinamis didekati dari perilaku umum partikel-partikel zat yang menjadi media pembawa
11 energi, yang disebut pendekatan termodinamika klasik. Pendekatan tentang sifat termodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel disebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan ilmu termodinamika modern, atau disebut termodinamika statistik. Pendekatan termodinamika statistik dimungkinkan karena perkembangan teknologi komputer, yang sangat membantu dalam menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar. 2.3.2 Hukum Pertama Termodinamika Hukum pertama termodinamika merupakan hukum konservasi energi. Pernyataannya menyebutkan bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dihancurkan. Bila panas diberikan pada suatu sistem, maka sistem tersebut akan berekspansi dan memberikan kerja disekeliling sistem. Tetapi disamping itu, pemanasan terhadapan sistem akan memberikan pertambahan molekular dari zat dan pertambahan jarak antara molekul-molekul sistem karena berekspansi. Energi yang diperlukan dalam hal ini disebut energi dalam (internal energi). Jadi sebagian panas yang diberikan diubah untuk pertambahan energi dalam. Selain itu sistem mengalami pertambahan energi kinetik dan energi potensial, akibat dari gaya luar seperti gaya gravitasi dan lain-lain. Perubahan dalam energi keseluruhan di dalam suatu sistem dicerminkan dalam perubahan pada berbagai bentuk energi yang membentuk energi dalam keseluruhan, sebagai berikut:
12 de ( du +...,dll ) + d( EK ) + d( PE ) (2.8) Prinsip kekekalan massa pada sistem aliran juga dapat diterapkan dalam proses kesetimbangan energi yang digunakan untuk menunjukan adanya kebocoran aliran massa dari suatu proses atau perlengkapan yang nantinya dianggap sebagai kerugian energi. Gambar 2.1 Diagram Kesetimbangan Energi Pada diagram kesetimbangan energi (Gambar 2.1) menunjukan aliran massa dan jumlah energi yang masuk dan keluar dari diagram tersebut, didapatkan persamaan umum energi sebagai berikut: 2 2 m1v1 m2v21 m1 g1z1 + + U 1 + p1v1 + Q m2 g 2 z2 + + U 2 + p2v2 + W (2.9) 2 2 dimana mgz Energi Potensial Q Energi yang masuk mv 2 U pv 2 Energi Kinetik Energi Internal EnergiTekanan W 1,2 Kerja luar parameter masuk dan keluar
13 2.3.3 Hukum Kedua Termodinamika Hukum kedua menyatakan perbedaan kualitas diantara dua bentuk energi dan menerangkan mengapa beberapa proses dapat terjadi secara spontanitas, dimana yang lain tidak bisa terjadi. Ini menandakan suatu trend yang terjadi dan bisanya dinyatakan di dalam pertidaksamaan. Dari hukum kedua dapat diketahui bahwa suatu energi misalnya panas dapat diubah menjadi energi lain seperti kerja mekanik ataupun sebaliknya. Tetapi dalam penerapannya, walaupun kerja mekanik memang sepenuhnya dapat diubah menjadi panas, tetapi panas tidak dapat seluruhnya menjadi kerja (kerja yang dapat balik), ini menunjukan adanya panas yang terbuang percuma. Pernyataan Hukum Kedua Termodinamika merupakan hal yang menjelaskan tetang hukum kedua termodinamika. Walaupun ada beberapa variasi dari formula hukum kedua, dua diantaranya di kenal dengan pernyataan Clausius dan pernyataan Kevin-Planc. Pernyataan Clausius. Tidak memungkinkan untuk suatu sistem untuk memindahkan panas dari suatu reservoar bertemperatur rendah menuju reservoar bertemperatur tinggi. Secara sederhana, perpindahan panas hanya dapat terjadi spontanitas dalam arah dari penurunan temperatur. Pernyataan Kelvin-Planck. Tidak memungkinkan suatu sistem untuk menerima panas yang diberikan dari reservoar temperatur tinggi dan menyediakan jumlah yang sama dari kerja yang keluar. Ketika suatu sistem merubah kerja menjadi energi yang sama yang pindah sebagai panas yang memungkinkan. Suatu alat yang
14 merubah panas menjadi perpindahan energi panas yang sama adalah tidak mungkin, contohnya, kita tidak dapat membuat suatu mesin dengan efisiensi termal 100%. 2.4 Siklus siklus pada Mesin PLTGU Mesin pembangkitan listrik tenaga gas dan uap menggunakan dua siklus termodinamika, yaitu siklus Brayton dan siklus Rankine. Hal tersebut karena mesin pembangkit listrik tenaga gas dan uap merupakan gabungan dari dua mesin pembangkit yang fluida kerjanya berbeda. Siklus Brayton adalah siklus yang digunakan pada mesin pembangkit listrik tenaga gas, sedangkan siklus Rankine adalah siklus yang digunakan pada mesin pembangkit listrik tenaga uap. 2.4.1. Siklus Brayton Gambar 2.2 Diagram P-v dan T-s siklus Brayton Ideal pada sistem PLTG atas : Diagram dari siklus Brayton diatas di perlihatkan proses-proses yang terdiri
15 1 2 : Proses kompresi isentropic. Udara atmosfer masuk sistem turbin gas melalui inlet kompresor. Kompresor mengkompresikan udara tersebut sampai tekanan tertentu disertai penyempitan volume. 2 3 : Merupakan proses pembakaran isobaric. Udara terkompresi masuk ke ruang bakar di injeksika. Proses pembakaran terjadi menghasilkan energi panas, energi panas tersebut diserap oleh udara bertekanan dalam kompresor. Proses ini terjadi penambahan volume tetapi tidak terjadi pertambahan bertekanan. 3 4 : Proses ekspansi isentropic. Udara bertekanan yang memiliki energi panas dari hasil pembakaran berekspansi melewati turbin. Ketika terjadi proses ini udara bertekanan mengalami pertambahan volume. 4 1 : Proses pembuangan panas ke atmosfer. 2.4.2 Siklus Rankine Proses kerja dari turbin uap ini dapat dijelaskan dalam siklus rankine atau siklus tenaga uap yang mana merupakan siklus teoritis paling sederhana yang mempergunakan uap sebagai media kerja sebagaimana dipergunakan pada Pusat Listrik Tenaga Uap. T 7 5 6 2 4 9 3 9 8 1 10 10 s Gambar 2.3 Diagram T s Siklus Rankine pada sistem PLTU
16 P 4 5 6 7 2 3 8 9 1 10 Gambar 2.4 skematik diagram P-V siklus Rankine pada sistem PLTU v Proses yang terjadi pada siklus Rankine sesuai dengan P-V diagram sebagai berikut : 7 9 : ekspansi isentropic dari fluida kerja melalui turbin dari uap panas lanjut (superheated vapor) tekanan tinggi hingga mencapai uap panas lanjut tekanan rendah. 9 10 : ekspansi isentropic dari fluida kerja melalui turbin dari uap panas lanjut tekanan rendah hingga mencapai tekanan kondensor. 10 1 : perpindahan kalor dari fluida kerja ketika mengalir pada tekanan konstan menjadi cairan jenuh. 1 2 : kompresi isentropic dalam pompa menuju ke kondisi titik 2. 2 3 : perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. 3 4 : kompresi isentropic dalam pompa menuju ke kondisi titik 4.
17 4 5 : perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. 5 6 : perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. Pada proses ini air dipanaskan menjadi uap basah tekanan tinggi. 6 7 : perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. Pada proses ini uap basah tekanan tinggi dipanaskan menjadi uap kering (superheated vapor) tekanan tinggi. 3 8 : perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. Pada proses ini air dipanaskan menjadi uap basah. 8 9 : perpindahan kalor pada fluida kerja yang terjadi pada tekanan konstan. Pada proses ini uap basah tekanan rendah dipanaskan menjadi uap kering (superheated vapor) tekanan rendah. 2.5 Komponen PLTGU PLTGU memiliki beberapa komponen utama diantaranya (a) Gas turbine generator (b) Heat recovery steam generator (c) Steam turbine generator. Berikut ini penjelajsanya : 2.5.1 Gas turbine generator Gas turbine generator merupakan pembangkit listrik primer dari PLTGU. Untuk memfungsikan Gas turbine generator dapat menggunakan dua jenis bahan bakar, yaitu bahan bakar minyak (High speed disel) dan gas alam (Natural gas ). Prinsip kerja dari Gas turbine generator yaitu memanfaatkan gas panas hasil proses
18 pembakaran pada combustion chamber untuk memutar turbin gas yang akan menghasilkan listrik dari generator. Cara kerja dari gas turbine generator yaitu mula-mula motor cranking memutar kompresor untuk menghisap udara luar, kemudian udara luar akan diubah menjadi udara atomizing sebagaian kecil digunakan untuk pembakaran dan sebagian besar sebagai pendingin turbin. Disisi lain bahan bakar berupa gas alam dialirkan melalui pipa ke ruang bakar / combustion chamber. Pada saat bahan bakar gas dan udara atomizing yang berasal dari kompresor bercampur dalam combustion chamber, maka dalam waktu bersamaan dengan busi (spark plug) mulai memercikkan api untuk menyulut pembakaran sehingga terjadi proses pembakaran dalam combustion chamber dan menghasilkan gas panas. Gas panas yang dihasilkan dari proses pembakaran ini digunakan sebagai penggerak atau pemutar turbin gas. Akibat berputarnya turbin gas maka generator juga akan berputar dan generator akan menghasilkan listrik. Gas turbine generator memiliki berberapa komponen, antara lain sebagai berikut : 1. Kompresor Kompresor adalah komponen yang berfungsi meningkatkan tekanan udara. Udara tersebut di peroleh dari udara lingkungan. Udara tersebut akan dikompresi pada tekanan tertentu lalu akan dialirkan ke combustion chamber. Hal
19 tersebut dimaksudkan agar gas panas dari combustion chamber memiliki tekanan yang tinggi. kompresor Gambar 2.5 Skematik Kompresor Untuk menentukan isentropic keluaran kompresor dapat di hitung dengan Persamaan (2.10) : 2s T1 P2 ( ) k P1 k - 1 T (2.10) Dengan T 1 adalah temperatur udara lingkungan, P 1 adalah tekanan udara lingkungan, P 2 adalah tekanan absolute, dan k adalah konstanta rasio cp terhadap cv. Untuk mengitung laju aliran udara dapat dihitung dengan Persamaan (2.11) : W GT m a (2.11) (( cpt T ) - ( cpt T )) 2 2 1 1 Dengan m a adalah laju aliran udara, cpt 1 adalah nilai kalor spesifik gas ideal pada temperatur 1, T 1 adalah temperatur udara lingkungan, cpt 2 adalah nilai kalor spesifik gas ideal pada temperatur 2, T 2 adalah temperatur keluar kompresor, dan W GT adalah daya yang dihasilkan gas turbin. Untuk menentukan Efisiensi Kompresor dapat dihitung dengan persamaan (2.12):
20 η,kompresor ( m a cp t2' T2' ) W + ( m cp t T ) GT a 1 1 (2.12) Dengan m a adalah laju aliran udara, ideal pada temperatur 2, cpt 2' adalah adalah nilai kalor spesifik gas T 2' adalah temperatur keluar kompresor yang ideal, cpt 1 adalah nilai kalor spesifik gas ideal pada temperatur 1, T 1 adalah temperatur udara lingkungan, dan W GT adalah daya yang dihasilkan gas turbin. 2. Ruang Bakar (Combustion Chamber) Ruang bakar adalah komponen dimana terjadinya proses pembakaran. Udara bertekanan dari kompresor akan bercampur dengan bahan bakar dan bereaksi. Proses pembakaran tersebut terjadi dengan bantuan percikan api dari spark plug proses pembakaran tersebut dimaksud untuk menambahkan nilai kalor gas. Bahan bakar Ruang bakar Gambar 2.6 skematik Ruang Bakar Untuk menentukan Efisiensi Ruang Bakar (Combustion Chamber) dapat dihitung dengan Persamaan (2.13) :
21 T Q m Δs s h 3 g T bahanbakar m 3 a P2 ( ) 3 4 P1 ( ) ( ) ( ) cp t - s m + m 3 2' f T ( k-1 / k ) 3 f HV - cp t 2' T 2' - T Δs 0 η cc h3 m g (2.13) ( Q + Cp t2' T2' ma ) bahanbakarl Dengan T 4 adalah temperatur keluar turbin, P 1 adalah tekanan udara lingkungan, P 2 adalah tekanan absolute, k adalah konstanta rasio cp terhadap cv, m f adalah laju aliran bahan bakar, m a adalah laju aliran udara, m g adalah laju aliran gabungan, T 0 adalah temperatur lingkungan, Δ s adalah perubahan entropi pada sistem, HV adalah nilai heating value gas alam, cpt 3 adalah nilai kalor spesifik gas ideal pada temperatur 3, cpt 2' adalah nilai kalor spesifik gas ideal pada temperatur 2, T 2' adalah temperatur keluar kompresor yang ideal, dan adalah daya masukan bahan bakar. Q bahanbakar 3. Turbin Gas Turbin gas adalah turbin dengan gas sebagai fluida kerjanya. Turbin gas merupakan salah satu komponen sistem PLTG.
22 Bypass stack Turbin Gas Gambar 2.7 skematik Turbin Gas Untuk menentukan Efisiensi Turbin Gas dapat dihitung dengan Persamaan (2.14): T 4s ( ) ( k -1) P1 k P2 T 3 η t W GT + ( m ( m g g cp t cp t 3 4' T T 3 ) 4' ) (2.14) Dengan W GT adalah daya yang dihasilkan gas turbin, m g adalah laju aliran gabungan, cpt 3 adalah nilai kalor spesifik gas ideal pada temperatur 3, adalah nilai kalor spesifik gas ideal pada temperatur 4, dan keluar turbin yang ideal cpt 4' T 4' adalah temperatur Untuk menentukan Efisiensi Gas turbine generator / sistem PLTG dapat dihitung dengan Persamaan (2.15) : η W GT SistemPLTG (2.15) QbahanBakar Dengan W GT adalah daya yang dihasilkan gas turbin, dan bahanbakar Q adalah daya masukan bahan bakar.
23 4. Exhaust Exhaust adalah komponen yang berfungsi untuk membuang gas panas yang telah melewati turbin gas. Gas tersebut dibuang ke lingkungan sekitar. Pada saluran exhaust juga terpasang sebuah komponen yang disebut diverter damper. Diventer damper berguna sebagai katup untuk mengalirkan gas buang dari PLTG ke HRSG jika tidak dibuang ke lingkungan. 2.5.2. Heat recovery steam generator (HRSG) Heat Recovery Steam Generator (HRSG) dapat dikatakan sebagai boiler. Komponen ini adalah penghasil uap panas mesin pembangkit listrik tenaga uap (PLTU). Panas HRSG diperoleh dari panas sisa gas buang pembangkit listrik tenaga gas (PLTG). Sebuah HRSG dapat menghasilkan dua uap dengan tekanan yang berbeda yaitu uap tekanan tinggi dan uap tekanan rendah. Uap yang dihasilkan adalah uap kering (super heated vapor). LP LP Pompa HP Transfer HP HP Gambar 2.8 Diagram alir pada sistem HRSG.
24 Untuk menentukan Efisiensi Heat Recovery Steam Generator (HRSG) dapat dihitung dengan Persamaan (2.16) : η HRSG [(W pompakondensat + (hlp m Lp ) + ( m LP hlp SH ) + ( mhp hhp SH ) - (W pompahptransfer + (hhp mhp )] (2.16) ( cp t4' T4' m g ) - ( cp tkeluarhrsg Tkeluar HRSG m g ) Dengan m LP SH adalah laju aliran uap rendah, h LP SH adalah entalphy uap tekanan rendah, tinggi, m HP SH adalah laju aliran uap tinggi, HP SH h adalah entalphy uap tekanan W pompakondensat adalah kerja pompa kondensat, hlp adalah entalphy air tekanan rendah, m LP adalah laju aliran air rendah, pompahp transfer W adalah kerja pompa HP transfer, hhp adalah entalphy air tekanan tinggi, m HP adalah laju aliran air tinggi, cpt 4' adalah nilai kalor spesifik gas ideal pada temperatur 4, T 4' adalah temperatur keluar turbin yang ideal, m g adalah laju aliran gabungan, cpt keluar HRSG adalah nilai kalor spesifik gas ideal pada temperatur keluar HRSG, dan T keluar HRSG adalah temperatur keluar HRSG. HP transfer pump adalah pompa yang berfungsi mengalirkan dan meningkatkan air untuk HRSG pada tingkatan output high pressure vapor.
25 Pompa HP Transfer Gambar 2.9 Skematik Pompa HP Transfer Untuk menentukan Efisiensi Heat transfer pump dapat dihitung dengan Persamaan (2.17) m HP HP Transfer Pump η W Pompa h + ( m HP LP h LP ) (2.17) Dengan W pompahp transfer adalah kerja pompa HP transfer, hhp adalah entalphy air tekanan tinggi, m HP adalah laju aliran air tinggi, hlp adalah entalphy air tekanan rendah, dan m LP adalah laju aliran air rendah. 2.5.3. Steam turbine generator (STG) Steam turbine generator (STG) adalah pembangkit listrik sekunder dari PLTGU. Unit yang digerakkan oleh uap panas bertekanan dari heat recovery steam generator. Steam turbine generator memiliki berberapa komponen, antara lain sebagai berikut : 1. Turbin Uap Turbin Uap adalah komponen yang berfungsi untuk memutar poros generator. Energi mekanik untuk memutar turbin tersebut berasal dari HRSG
26 yang di alirkan ke turbin uap. Tekanan dan temperatur uap menurun setelah melewati turbin. Gambar 2.10 Skematik Turbin Uap Untuk menentukan Efisiensi Turbin Uap dapat dihitung dengan Persamaan (2.18): m W W Q total HP LP m m m Kondensor HP HP total h h m + m HP LP total LP h kondensor η ST WHP + WLP Q + W (2.18) Kondensor st Dengan rendah, kondensor. W HP adalah kerja turbin tekanan tinggi, W LP adalah kerja turbin tekanan W ST adalah daya yang dihasilkan turbin uap, dan Q kondensor adalah kerja
27 2. Kondensor Kondensor adalah komponen yang berfungsi untuk melepas kalor dengan mengubah uap yang keluar dari turbin menjadi cair sehingga dapat disirkulasikan kembali dalam sistem. Kondensor Gambar 2.11 Skematik Kondensor Untuk menentukan Efisiensi Kondensor dapat dihitung dengan Persamaan (2.19) : Q Q in out mtotal mtotal h h f kondenort g kondensor Q out η kondensor (2.19) Qin Dengan saat keluar Q in adalah kerja kondensor saat masuk dan Q out adalah kerja kondensor 3. Pompa kondensat Pompa kondensat adalah pompa yang berfungsi mengalirkan dan meningkatkan tekanan dan temperatur air sebelum masuk HRSG.
28 Pompa kondensat Gambar 2.12 Skematik Pompa Kondensat Untuk menentukan Efisiensi Pompa Kondensat dapat dihitung dengan persamaan (2.22) : W in W out W pompa+ m kondensat m kondensat h kondensat h kondensor η W in pompakondensat (2.22) W out Dengan W in adalah kerja pompa awal dan W out adalah kerja pompa saat keluar 2.6 Efisiensi Mesin PLTGU Mesin PLTGU dapat beroperasi dengan 2 cara, yaitu simple cycle dan combined cycle. Efisiensi mesin PLTG ( ηsistem PLTG ) dan efisiensi mesin PLTGU (( ηsistem PLTGU ) dapat dihitung dengan persamaan (2.23) dan (2.24). η sistem PLTG W GT.out (2.23) Q gt η sistem PLGU Σ W GT.out+ W ST.out (2.24) Σ Q GT
29 Dengan Σ W GT. out adalah penjumlahan nilai daya output PLTG dan Σ Q bahan bakar adalah penjumlahan nilai laju energi bahan bakar, sedangkan W ST. out adalah nilai daya output PLTU.
BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Alur Penelitian Penelitian mesin PLTGU PT. Indonesia Power Unit Pembangkitan Semarang melalui serangkaian proses awal hingga akhir yang dapat dideskripsikan melalui diagram alir pada gambar 3.1. Mulai Survey Pembangkit Tenaga Gas dan Uap Perumusan Masalah Menentukan Tujuan Penelitian Studi Literatur A 30
31 A Pengambilan Data : Tidak 13. Parameter Sistem Pembangkit Listrik 14. Parameter Lingkungan Sistem Pembangkit Listrik Lengkap Ya Perhitungan dan Analisa Kesimpulan dan Saran Selesai Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian
32 Keterangan Diagram Alir Penelitian pada Gambar 3.1 adalah sebagai berikut : 1. Survey Survey pembangkit listrik tenaga gas dan uap dilakukan untuk mengetahui operasi dan pola operasi sistem PLTGU. 2. Perumusan Masalah Perumusan masalah adalah munculnya permasalahan yang ada pada PLTGU, sehingga perlu diketahui penyebabnya. 3. Menentukan Tujuan Menentukan target akhir dari penelitian yang akan dilaksanakan. 4. Studi Literatur Mencari informasi dan mempelajari materi yang berhubungan dengan objek penelitian. 5. Pengambilan Data Melakukan pengambilan data kuantitatif pada objek penelitian. 6. Memiliki kelengkapan data yang telah diambil. Apabila belum lengkap, harus melakukan pengambilan data kembali. 7. Perhitungan dan Analisa Perhitungan adalah proses menghitung yang dilakukan setelah semua data terkumpul dengan metode yang ditentukan. Analisa dilakukan untuk mendeskripsikan permasalahan dengan indikasi-indikasi yang diperoleh dari perhitungan. 8. Kesimpulan dan Saran Penelitian dapat menyimpulkan penyebab suatu permasalahan dari hasil Perhitungan dan Analisa dan akan memberikan beberapa saran yang mampu merubah permasalahan tersebut menjadi lebih baik.
33 LP LP HP Turbin LP Turbin LP Turbin BB Pompa HP Transfer HRSG HP Kondensor RB K T Pompa kondensat Keterangan : : Menunjukan Unit 1 : Menunjukan Unit 2 Gambar 3.2 Skematik Mesin PLTGU Dengan Pola Operasi 2-2-1
34 HP Turbin LP Turbin LP Turbin BB B Pompa HP Transfer HRSG HP Kondensor RB R K T Pompa kondensat Keterangan : : Menunjukan Unit 1 : Menunjukan Unit 2 : Menunjukan Unit 3 Gambar 3.2 Skematik Mesin PLTGU Dengan Pola Operasi 3-3-1
35 3.2. Variabel Penelitian Ada beberapa macam variabel pada penelitian ini, yaitu variabel terikat dan variabel bebas. a) Variabel Bebas Variabel bebas merupakan variabel yang menjadi sebab timbulnya atau berubahnya variabel terikat. Sehingga variabel bebas dapat dikatakan sebagai variabel yang mempengaruhi. Variabel bebas dalam penelitian ini antara lain : 1. Pola kerja mesin pembangkit listrik a. 2-2-1 (2 GTG, 2HRSG, 1STG) b. 3-3-1 (3GTG, 3HRSG, 1STG) 2. Variasi beban mesin pembangkit listrik b) Variabel terikat Variabel terikat sering juga disebut variabel criteria dan respond an output (hasil). Variabel terikat yang dipengaruhi atau yang menjadi akibat, karena adanya variabel bebas. Ada beberapa variabel terikat pada penelitian ini, variabel tersebut disajikan pada tabel (3.1). Tabel 3.1 Tabel Variabel Terikat pada Penelitian No. Variabel Terkait Simbol 1 a. Laju aliran massa udara masuk ke kompressor. b. Tekanan udara masuk ke kompresor. c. Temperatur udara masuk ke kompresor. a. m comp, in b. P comp, in c. T comp, in 2 a. Laju aliran massa udara keluar dari kompressor. a. m comp, out
36 b. Tekanan udara keluar dari kompresor. c. Temperatur udara keluar dari kompresor. 3 a. Laju aliran massa udara masuk ke combustion chamber. b. Tekanan udara masuk ke combustion chamber. c. Temperatur udara masuk ke combustion chamber. 4 a. Laju aliran massa bahan bakar masuk ke combustion chamber. 5 a. Laju aliran massa gas hasil pembakaran keluar dari combustion chamber. b. Tekanan gas hasil pembakaran keluar dari combustion chamber. c. Temperatur gas hasil pembakaran keluar dari combustion chamber. 6 a. Laju aliran massa gas hasil pembakaran masuk ke turbin gas. b. Tekanan gas hasil pembakaran masuk ke turbin gas. c. Temperatur gas hasil pembakaran masuk ke turbin gas. 7 a. Laju aliran massa gas hasil pembakaran keluar dari turbin gas. b. Tekanan gas hasil pembakaran keluar dari turbin gas. c. Temperatur gas hasil pembakaran keluar dari turbin gas. b. P comp, out c. T comp, out a. m CC, in b. P CC, in c. T CC, in a. m fuel a. m CC, out b. P CC, out c. T CC, out a. m GT, in b. P GT, in c. T GT, in a. m GT, out b. P GT, out c. T GT, out
37 8 a. Laju aliran massa gas buang masuk ke HRSG. b. Tekanan gas buang masuk ke HRSG. c. Temperatur gas buang masuk ke HRSG. 9 a. Laju aliran massa air masuk ke LP HRSG. b. Tekanan air masuk ke LP HRSG. c. Temperatur air masuk ke LP HRSG. 10 a. Laju aliran massa air panas keluar dari LP HRSG. b. Tekanan air panas keluar dari LP HRSG. c. Temperatur air panas keluar dari LP HRSG. 11 a. Laju aliran massa air panas masuk ke HP transfer pump. b. Tekanan air panas masuk ke HP transfer pump. c. Temperatur air panas masuk ke HP transfer pump. 12 a. Laju aliran massa air keluar dari HP transfer pump. b. Tekanan air keluar dari HP transfer pump. c. Temperatur air keluar dari HP transfer pump. 13 a. Laju aliran massa air panas masuk ke HP HRSG. b. Tekanan air panas masuk ke HP HRSG. c. Temperatur air panas masuk ke HP HRSG. 14 a. Laju aliran massa LP superheated vapor keluar dari LP HRSG. b. Tekanan LP superheated vapor keluar dari LP HRSG. a. m exh, in b. P exh, in c. T exh, in a. m HRSG, out b. P HRSG, out c. T HRSG, out d. m LP. HRSG, out e. P LP. HRSG, out f. T LP. HRSG, out a. m trans. pump, in b. P trans. pump, in c. T trans. pump, in a. m trans. pump, out b. P trans. pump, out c. T trans. pump, out a. m HP. HRSG, in b. P HP. HRSG, in c. T HP. HRSG, in a. m LP. HRSG, out b. P LP. HRSG, out c. T LP. HRSG, out
38 c. Temperatur LP superheated vapor keluar dari LP HRSG. 15 a. Laju aliran massa HP superheated vapor keluar dari HP HRSG. b. Tekanan HP superheated vapor keluar dari HP HRSG. c. Temperatur HP superheated vapor keluar dari HP HRSG. 16 a. Laju aliran massa gas buang keluar dari HRSG. b. Tekanan gas buang keluar dari HRSG. c. Temperatur gas buang keluar dari HRSG. 17 a. Laju aliran massa HP superheated vapor masuk ke HP turbin uap. b. Tekanan HP superheated vapor masuk ke HP turbin uap. c. Temperatur HP superheated vapor masuk ke HP turbin uap. 18 a. Laju aliran massa HP superheated vapor keluar dari HP turbin uap. b. Tekanan HP superheated vapor keluar dari HP turbin uap. c. Temperatur HP superheated vapor keluar dari HP turbin uap. 19 a. Laju aliran massa LP superheated vapor masuk ke LP turbin uap. b. Tekanan LP superheated vapor masuk ke LP turbin uap. a. m HP. HRSG, out b. P HP. HRSG, out c. T HP. HRSG, out a. m exh, out b. P exh, out c. T exh, out a. m HP. ST, in b. P HP. ST, in c. T HP. ST, in a. m HP. ST, out b. P HP. ST, out c. T HP. ST, out a. m LP. ST, in b. P LP. ST, in c. T LP. ST, in
39 c. Temperatur LP superheated vapor masuk ke LP turbin uap. 20 a. Laju aliran massa LP superheated vapor keluar dari LP turbin uap. b. Tekanan LP superheated vapor keluar dari LP turbin uap. c. Temperatur LP superheated vapor keluar dari LP turbin uap. 21 a. Laju aliran massa uap masuk ke kondensor. b. Tekanan uap masuk ke kondensor. c. Temperatur uap masuk ke kondensor. 22 a. Laju aliran massa air keluar dari kondensor. b. Tekanan air keluar dari kondensor. c. Temperatur air keluar dari kondensor. 23 a. Laju aliran massa air masuk ke recirculate pump. b. Tekanan air masuk ke recirculate pump. c. Temperatur air masuk ke recirculate pump. 24 a. Laju aliran massa air keluar dari recirculate pump. b. Tekanan air keluar dari recirculate pump. c. Temperatur air keluar dari recirculate pump. a. m LP. ST, out b. P LP. ST, out c. T LP. ST, out a. m cond, in b. P cond, in c. T cond, in a. m cond, out b. P cond, out c. T cond, out a. m recirc. pump, in b. P recirc. pump, in c. T recirc. pump, in a. m recirc. pump, out b. P recirc. pump, out c. T recirc. pump, out
40 3.3. Cara Pengambilan Data Keperluan pengambilan data pada sistem mesin pembangkit listrik dapat diperoleh dengan mengamati computer yang digunakan untuk mengoperasikan mesin pembangkit listrik. Setelah data-data yang diperlukan sudah lengkap, data tersebut dapat dihitung kemudian di analisa. 3.4. Analisis Data Analisa data akan dilakukan dengan cara membandingkan antara efisiensi simple cycle pada saat combine dan efisiensi combine cycle dengan beberapa pembebanan dan pola operasi PLTGU. Analisa tersebut akan menunjukkan seberapa besar pengaruh pembebanan terhadap efisiensi simple cycle pada saat combine dan efisiensi combine cycle. Analisa juga dilakukan berdasarkan laju energi setiap komponen. Hasil analisa tersebut akan menjabarkan pada saat kapan dan pada komponen apa laju energi paling besar. 3.5. Tempat dan Jadwal Penelitian a) Tempat Penelitian Penelitian mesin PLTGU akan dilakukan di PT. Indonesia Power Unit Pembangkitan Semarang yang beralamat di Jalan Ronggowarsito Komplek Pelabuhan Tanjung Emas, Semarang, Jawa Tengah. b) Jadwal Penelitian Waktu dan perencanaan jadwal penelitian terlampir pada Lampiran
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Perhitungan Mesin Pembangkit Listrik Tenaga Gas dan Uap PT. Indonesia Power Unit Pembangkitan Semarang Uraian satuan GTG 1.2 GTG 1.3 GT Gen load MW 70 70 Air Inlet Temp T 1 C 29 30 Comp. Disch Temp T 2 Exhaust Temp T 4 Tekanan udara luar 1 Comp. Disch Press C 332 321 C 553 560 P Bar 1.013 1.013 P 2gage Bar 8.38 7.92 P 2 P1 + P2gage Bar 9,393 8,933 kg Fuel flow (mf) s 5.12 3.63 KJ HV kg 54610.44 54610.44 Data Output Data Output diperoleh melalui proses perhitungan, dimana data ini meliputi antara lain : a) Temperatur udara tekan ideal T ) T T T 2s 2s 2s T 1 302K ( k - 1 P ) 2 k ( ) P1 9,393 ( ) 570,40K 1,013 1,004 1 1,004 ( 2 s b) Temperatur Ruang Bakar ( T 3 ) 41